Датчик со смещенными каналами

Предложен датчик (10) со смещенными каналами, имеющий удлиненный освещающий канал (12) и удлиненный сборный канал (14), смещенный в поперечном направлении от освещающего канала (12) на дистальном конце (24) датчика (10). Между указанными каналами (12, 14) расположен отражательный элемент (26), предназначенный для отражения падающего оптического излучения в направлении от дистального конца (24). На дистальном конце (24) может быть выполнено прозрачное окно (28), предназначенное при использовании для создания объема, свободного от материала образца, через который излучение может проходить к отражательному элементу (26) и от него. Фиг.2

Настоящая полезная модель относится к датчику со смещенными каналами, предназначенному для использования в оптических спектроскопических исследованиях, и в особенности к датчику, предназначенному для использования в исследованиях с применением поперечного пропускания света.

Спектральный анализ, особенно в инфракрасной спектроскопии, представляет собой известный метод, который используется для изучения образцов и мониторинга текущих процессов. Как правило, для непрозрачных образцов свет известного спектра направляется на образец, который поглощает и рассеивает часть света на различных длинах волн. Диффузно рассеянная часть света улавливается и анализируется, например, с помощью монохроматора или интерферометра для создания спектра поглощения для получения характеристик образца.

В оптическом анализаторе в сочетании с такими инструментами часто используются волоконно-оптические датчики для направления света в образец и для улавливания света, рассеянного образцом. Один из таких датчиков описан в патенте США 613710, выданном на имя DeThomas и др. Этот датчик содержит осветительный волоконно-оптический пучок и два сборных волоконно-оптических пучка, каждый из которых смещен в поперечном направлении от осветительного волоконно-оптического пучка на дистальном конце датчика на небольшое расстояние с обеспечением улавливания света, который претерпел диффузное отражение от образца.

Точность и чувствительность этого анализа зависит от качества и количества диффузно рассеянного света, собранного от образца датчиком со смещенными каналами. Общеизвестно, что хорошая эффективность улавливания приводит к повышению чувствительности. Более того, чем больше света взаимодействует с образцом, тем более представительной будет информация о массивном образце, получаемая от собранного света.

С известными датчиками со смещенными каналами связана проблема, заключающаяся в том, что для обеспечения максимальной эффективности улавливания размер поперечного смещения должен оптимизироваться для анализируемого образца. Образцы, которые демонстрируют низкую степень рассеяния, такие как обезжиренное молоко или сыворотка, позволяют свету дальше проходить в продукт, создавая тот же эффект, как при очень большой длине канала передачи. Достаточно света для обеспечения измерения будет возвращено в сборное волокно, которое смещено в поперечном направлении на относительно большое расстояние от излучающего волокна. Образцы, которые демонстрируют среднюю степень рассеяния, такие как сыр, сливочное масло и молоко, не позволяют свету проникать достаточно глубоко в продукт с обеспечением свойств, аналогичных пропусканию света. Более высокая степень рассеяния означает, что в связи с этим поперечное смещение между волокнами должно быть уменьшено для использования в образцах с низкими рассеивающими свойствами, с тем чтобы обеспечить прохождение достаточного количества света к сборному волокну. Образцы, которые демонстрируют высокую степень рассеяния, например, сухая сыворотка и сухое молоко, как правило, требуют наличия очень короткого поперечного отрезка канала передачи между излучающими и сборными волокнами, с тем чтобы получить достаточное улавливание света. При таких коротких расстояниях между волокнами методика обнаружения становится основанной на отражении, а не на поперечном пропускании света, и количество материала для проб значительно уменьшается.

Целью настоящей полезной модели является по меньшей мере облегчение вышеперечисленных проблем и создание датчика со смещенными каналами, предназначенного для измерения поперечного пропускания света в разных образцах, каждый из которых обладает различной степенью рассеяния.

Это достигается путем создания датчика со смещенными каналами, описанного в пункте 1 формулы полезной модели. Путем создания отражающей поверхности между освещающим каналом и сборным каналом для отражения падающего света обратно в образец, взаимодействие освещения с образцом увеличивается, и больше света передается в сборный канал, чем было бы в противном случае, что приводит к повышению эффективности улавливания света. Число отражений возрастает с увеличением степени рассеяния анализируемого образца.

Предпочтительно датчик также содержит оптическое окно, прозрачное для рассматриваемого оптического излучения по меньшей мере в зонах отражательного элемента и дистальных концов двух каналов и расположенное на дистальном конце датчика с обеспечением действия в качестве дистанцирующего элемента между дистальным концом датчика и исследуемым образцом. Это позволяет диффузно рассеянному свету непосредственно взаимодействовать с отражательным элементом и повышает эффективность этого элемента.

Эти и другие преимущества будут оценены из последующего описания примерных вариантов выполнения настоящей полезной модели, сделанного со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 схематически изображает оптический анализатор в соответствии с настоящей полезной моделью;

фиг.2 схематически изображает первый вариант выполнения датчика со смещенными каналами в соответствии с настоящей полезной моделью, который может использоваться в анализаторе, показанном на фиг.1, и

Фиг.3 схематически изображает второй вариант выполнения датчика со смещенными каналами в соответствии с настоящей полезной моделью, который может использоваться в анализаторе, показанном на фиг.1, при этом фиг.3(а) изображает частичный продольный разрез датчика, а фиг.3(b) изображает вид этого же датчика с дистального конца.

[0013] Рассмотрим теперь оптический анализатор 2, показанный на фиг.1. Источник 4 света предназначен для создания оптического излучения для передачи в анализируемый образец. В качестве источника 4 света может использоваться полихромный источник, выбранный с обеспечением создания и передачи полихромного излучения в предназначенном для этого диапазоне длин волн, или монохроматический источник излучения, излучающий монохроматическое излучение, которое может или не может быть обработано, например, путем использования полихромного источника излучения совместно с соответствующим монохроматорным устройством, имеющим подвижный рассеивающий элемент. Отбор и реализация источника 4 света, как будет понятно специалисту, зависят от исследования, которое выполняется анализатором 2, и они могут быть легко реализованы с помощью известных методов, имеющихся в распоряжении специалистов.

В качестве элемента анализатора 2 также имеется детектор 6, который в его наиболее простой форме может содержать только детектор, предназначенный для создания образца выходного сигнала интенсивности излучения на его воспринимающей поверхности. Детектор 6 обычно включает спектрофотометр известного типа, например, монохроматор с неподвижным или подвижным рассеивающим элементом, цифровую детекторную решетку (ЦДР), Фурье-интерферометр или спектрометр комбинационного рассеяния, которые действуют с обеспечением получения образца выходного сигнала интенсивности из отдельных и опознаваемых диапазонов длин волн падающего оптического излучения от источника 4 света после его взаимодействия с образцом.

Анализирующий блок 8 анализатора 2 функционально может быть присоединен с возможностью получения выходного сигнала от детектора 6 и обработки этого сигнала с использованием известных методов, с тем чтобы обеспечить указание свойств образца, представляющих интерес, таких как его химические свойства. Блок 8 может быть физически соединен проводами с детектором 6, постоянно находясь в том же корпусе, что и детектор 6 (как показано в настоящем варианте выполнения) или в отдельном от детектора 6 корпусе (например, может быть выполнен в виде соответствующим образом запрограммированного персонального компьютера), или может быть выполнен с возможностью подключения к детектору 6 с помощью удаленной коммуникационной связи (например, через Интернет или местную сеть), которая может быть полностью или частично беспроводной связью или может не быть таковыми.

Блок 8, как правило, имеет доступ к эталонной модели, связывающей физические, химические и другие свойства, представляющие интерес, со свойствами светового спектра, собранного детектором 6, и выполнен с возможностью применения указанной модели к этому спектру с целью определения необходимых свойств образца. Эталонная модель может быть построена известным образом с использованием базы данных спектров эталонных образцов, в которой указанные свойства определены с помощью других, прямых методов анализа.

Анализатор 2 также содержит оптический датчик 10, который здесь, только в качестве примера, показан в виде датчика, имеющего два канала 12, 14 для передачи света. Эти каналы 12, 14, на проксимальном конце 16 датчика 10 с возможностью отсоединения подсоединены к соответствующим световым каналам 18, 20 в соединительном элементе 22. Соответствующие каналы 18, 20 оканчиваются, соответственно, на источнике 4 света и детекторе 6 и образуют, вместе с каналами 12, 14 датчика 10, непрерывный канал для оптического излучения к дистальному концу 24 датчика 10 и от него. Все световые каналы 12, 14, 18, 20 могут быть легко выполнены известным образом, например с помощью одного или нескольких оптических волокон. В настоящем варианте выполнения световой канал 12 образует удлиненный освещающий канал датчика, а световой канал 14 образует удлиненный сборный канал датчика 10, который смещен в поперечном направлении от освещающего канала 12 на дистальном конце 24 датчика 10. Между смещенными в поперечном направлении каналами 12, 14 на дистальном конце 24 расположен отражательный элемент 26. Этот элемент 26 расположен так, что при использовании падающий свет, который был рассеян анализируемым образцом, отражается обратно в направлении образца, где он будет подвергнут дальнейшему рассеянию образцом.

Рассмотрим теперь фиг.2, на которой показан первый вариант выполнения датчика в соответствии с настоящей полезной моделью, который может действовать в качестве датчика 10 анализатора 2, показанного на фиг.1, и на которой дистальный конец 24 датчика 10 показан более подробно.

Между освещающим каналом 12 и сборным каналом 14 (которые могут быть соответствующим образом выполнены из одного или нескольких оптических волокон) расположен отражающий элемент 26, толщина которого на чертеже преувеличена для наглядности. Отражающий элемент 26 может, например, быть частью дистального конца 24 или тонким отражательным слоем, нанесенным на дистальный конец 24 или иным способом прикрепленным к нему, и расположен с возможностью отражения падающего оптического излучения в направлении от дистального конца.

Окно 28, которое является прозрачным для оптического излучения, перекрывает дистальный конец 24 и граничит с ним, так что при использовании оно обеспечивает свободный объем для образца, который имеет толщину t и в котором оптическое излучение может проходить непрерывно между образцом и отражательным элементом 26, который, например, может быть даже выполнен в виде зеркального слоя на поверхности окна 28, прилегающей к дистальному концу 24. Таким образом, достаточное количество диффузно рассеянного излучения даже от образца с относительно высоким уровнем рассеяния может быть передано в поперечном направлении через образец от излучающего канала 12, с обеспечением его улавливания сборным каналом 14.

При использовании окно 28 и отражательный элемент 26 взаимодействуют для создания отрезка канала передачи через образец, который «автоматически настраивается» в соответствии с рассеивающими свойствами исследуемого образца. Излучение от излучающего канала 12 будет передаваться через образцы, имеющие относительно низкую степень рассеяния, с обеспечением улавливания сборными каналами 14 с относительно небольшим отражением от отражательного элемента 26. Если степень рассеяния анализируемого образца увеличивается, то так же увеличивается взаимодействие излучения с отражательным элементом 26. Этот элемент 26 действует для обеспечения более усовершенствованного канала передачи через образец и к сборному каналу 14.

Рассмотрим теперь фиг.3, на которой показан второй вариант выполнения датчика в соответствии с настоящей полезной моделью, который может действовать в качестве датчика 10 анализатора 2, показанного на фиг.1. На фиг.3b более подробно показан дистальный конец 24 датчика 10, показанного на фиг.3a.

Второй сборный канал 14' расположен смещенным в поперечном направлении от освещающего канала 12 на расстояние, которое отличается от расстояния смещения между первым сборным каналом 14 и освещающим каналом 12. В настоящем варианте выполнения поверхность дистального конца 24 расположена с возможностью действия в качестве отражательного элемента 26, например, путем нанесения отражательного слоя на эту поверхность. Уплотнение 30, которое, например, может быть выполнено в виде уплотнительного кольца, расположено между дистальным концом 26 и листом материала 32 окна, в совокупности обеспечивая свободный объем для образца с толщиной t', в котором оптическое излучение может проходить непрерывно между образцом и отражательным элементом 26 аналогично варианту выполнения, описанному выше в связи с Фиг.2. В настоящем варианте выполнения в описанном таким образом объеме практически отсутствует оконный материал, который сам по себе может привести к нежелательным поглощению и рассеянию излучения, например, из-за малых, даже микроскопических, физических дефектов в материале, образующем окно 28.

Понятно, что дополнительные сборные каналы или дополнительные освещающие каналы могут быть включены в датчик, не отступая от заявленной полезной модели. Кроме того, может иметься переключатель, так чтобы каждый канал 12, 14, 14' мог действовать избирательно, или как освещающий канал, или как сборный канал.

1. Датчик (10) со смещенными каналами, предназначенный для использования в оптическом анализаторе (2) и содержащий удлиненный освещающий канал (12), удлиненный сборный канал (14), который на дистальном конце (24) датчика (10) смещен в поперечном направлении от освещающего канала (12), и отражательный элемент (26), расположенный на дистальном конце (24) и предназначенный для отражения падающего света от указанного дистального конца, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дистанцирующий элемент (28, 30, 32), расположенный на дистальном конце (24) датчика, предназначенный для покрытия по меньшей мере указанных каналов (12, 14, 14') и отражательного элемента (26) и выполненный прозрачным для представляющего интерес излучения в этих зонах.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет по меньшей мере один дополнительный сборный канал (14'), каждый из которых смещен в поперечном направлении от освещающего канала (12), при этом отражательный элемент (26) расположен между всеми дополнительными сборными каналами (14') и освещающим каналом (12).

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что освещающий канал (12), или указанный по меньшей мере один сборный канал (14, 14'), или все указанные каналы имеют волоконно-оптическую структуру.

4. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дистанцирующий элемент (28) примыкает к дистальному концу (24) датчика и на поверхности, ближайшей к дистальному концу (24), имеет отражательный слой (26) с обеспечением действия в качестве отражательного элемента.

5. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дистанцирующий элемент имеет окно (32), удерживаемое на расстоянии от дистального конца (24) уплотнением (30).

6. Оптический анализатор (2), содержащий датчик (10) со смещенными каналами, имеющий удлиненный освещающий канал (12), по меньшей мере один удлиненный сборный канал (14), источник света (4), выполненный с возможностью оптического соединения с освещающим каналом (12) на проксимальном конце (16) датчика, и детектор (6), выполненный с возможностью оптического соединения с указанным по меньшей мере одним сборным каналом (14) на ближнем конце (16) датчика, отличающийся тем, что указанный датчик со смещенными каналами является датчиком (10) по любому из предшествующих пунктов.