在线紧凑型测量设备的制作方法

1.本发明涉及一种在线紧凑型测量设备，该在线紧凑型测量设备例如可以被设定用于光学测量。所述在线紧凑型测量设备可以例如包括在线光谱仪。


背景技术：

2.在过程测量技术中，测量设备除了其它用途之外用于确定过程介质的特性，并使用所获取的测量数据来监测、控制并且/或者调整过程。测量设备可以具有探头，该探头被集成到过程中，并且该探头生成原始测量信号并将它们输出到远程电子器件，以便进行进一步的处理和评估。然而，也存在紧凑型测量设备(例如“智能”传感器)，这些紧凑型测量设备具有单个外壳，在该外壳中，用于生成原始测量信号的传感器部件与电子评估单元捆绑在一起，该电子评估单元用于原始测量信号的进一步处理。这种紧凑型测量设备的外壳可以通过过程连接部而被集成到过程容器的器壁中，该过程容器例如是输送气体或液体的管道、反应器、发酵罐或储存容器。
3.光学测量设备例如用于各种测量任务，例如，用于一种或多种分析物的定性或定量确定、用于总和参数的确定、或者用于过程介质中的颗粒负载和/或浊度的确定。过程介质例如可以是气体或液体。光学测量设备被配置用以将测量辐射辐射到过程介质中、接收在与过程介质相互作用之后改变的辐射的至少一部分、以及基于所接收到的辐射来生成表示待确定的特性或被测量的测量信号。取决于应用，经改变的辐射可以是通过过程介质的成分的发光而透射、反射、发射和/或散射的辐射。
4.过程测量技术中使用的光学测量设备例如是散射光传感器，例如浊度传感器、光度计、光谱仪和/或光谱光度计。测量设备通常具有带有过程连接部的外壳，该过程连接部可以附接到过程容器，以便将测量设备集成到过程容器中，以便进行过程中测量。这种集成的测量设备也被称为在线测量设备(in-line measuring device)。如果光学测量设备的外壳连接到过程容器，则面向过程容器的内部的一个或多个测量窗口可以集成到该外壳中。经由一个或多个测量窗口，测量设备可以将测量辐射辐射到过程容器中，并从过程容器接收经变换的辐射。光学测量设备还包括光学部件(即，用于测量辐射的一个或多个辐射源和一个或多个检测器)，所述光学部件被配置用以接收经变换的辐射并根据所接收到的辐射来生成测量信号和/或测量数据。可能的检测器例如是光电二极管、光电二极管阵列或光谱仪。光学测量设备还具有测量电路，例如呈测量电子器件单元的形式，以生成并且可能是进一步处理测量信号或测量数据。测量电路可以用于控制所述一个或多个辐射源，并处理由检测器生成的测量信号或测量数据。测量电路也可以被设定用以基于测量信号来确定待确定的被测量的测量值，并经由接口将它们输出到更高级别的单元(例如过程控制单元、测量变换器、操作单元或另一数据处理单元)。
5.光学在线测量设备可以具有探头和远离探头的外壳。在这种情况下，探头可以具有前述的过程连接部和用于将测量辐射耦合到过程介质中并且用于从过程介质耦合出经改变的辐射的装置，例如前述的测量窗口。在一些光学测量设备中，特别是在浊度测量设备
或光度测量设备中，光学部件可以至少部分地被布置在探头中。可选地是，探头也可以包含测量电路的部分。在这些情况下，远离的外壳可以包含至少测量电路的用于进一步处理集成在探头中的电路系统的信号的部分。在这些情况下，探头经由用于传输模拟或数字测量信号的线缆而被连接到被布置在远离的外壳中的电路系统。
6.在其它光学测量设备中，特别是在光谱仪中，光学部件中的所有的光学部件和测量电路系统通常都被布置在远离的外壳中。在这种情况下，探头经由光引导件连接到处于远离的外壳中的光学部件，这些光引导件将测量辐射从布置在外壳中的辐射源引导到探头，以便将测量辐射耦合到过程介质中，并将耦合到探头中的经转换的辐射引导回到布置在远离的外壳中的检测器中。
7.现在还存在光学紧凑型测量设备，其特征在于将测量窗口、光学部件和测量电路一起布置在单个外壳(该外壳可以经由过程连接部附接到过程容器)中，使得用于耦合辐射和耦合出辐射的装置(例如测量窗口)面向过程容器的内部，以便耦合辐射和耦合出辐射。
8.光学的在线紧凑型测量设备，特别是光谱度量的在线紧凑型测量设备原则上可以非常普遍地使用，因为基于适合的化学度量模型，可以使用光谱度量数据或光谱光度数据来确定多个被测量，例如很多种分析物的浓度。然而，特别是在光谱仪的情况下，这种测量设备的相对复杂的光学系统和电子系统是温度敏感的，使得像上面描述的具有探头和远离探头的外壳的结构(光学部件和传感器电路被容纳该结构中)到目前为止对于这种光学测量设备已经是优选的。


技术实现要素：

9.因此，本发明的目的是提供一种也可以用于在高温下进行测量的在线紧凑型测量设备。
10.根据本发明，该目的通过根据权利要求1的方法来实现。从属权利要求中列出了有利的实施例。
11.根据本发明的在线紧凑型测量设备包括：
12.外壳，该外壳例如是多部分设计的外壳，该外壳具有过程连接部，其中，该过程连接部旨在连接到与该过程连接部互补的过程容器的连接部；
13.至少一个传感器组件，所述至少一个传感器组件布置在外壳中；以及
14.测量电路，该测量电路连接到传感器组件并布置在外壳中，
15.其中，在线紧凑型测量设备具有与外壳的至少一个外壳壁导热接触的至少一个流体管线，该流体管线可以连接到布置在外壳之外的冷却流体源。
16.在紧凑型测量设备的操作期间，冷却流体(例如气体或液体，诸如水)可以流过流体管线，并且因此冷却外壳，以便保护温度敏感部件，特别是传感器组件和/或测量电路。流体管线可以集成到外壳中。
17.传感器组件用于获取主测量信号。例如，传感器组件可以形成用于光学或电化学测量的测量传感器。传感器组件也可以具有温度传感器。紧凑型测量设备可以例如适合于光学测量，并且因此将具有带有光学部件的传感器组件，光学部件例如是至少一个辐射源和至少一个辐射接收器或检测器。这些可以连接到测量电路。测量电路可以被配置用以控制辐射源，以发射测量辐射。测量电路还可以被配置用以接收、记录、可选地是还放大和转
发并且/或者处理辐射接收器的测量信号。辐射接收器可以被配置用以接收由辐射源发射并在测量介质内改变的辐射，并根据经改变的辐射的一个或多个特性来生成信号。
18.辐射源可以包括一个或多个led或宽带光源，例如uv灯。辐射接收器可以是包括一个或多个光电二极管或光电二极管阵列的检测器。检测器也可以是光谱仪。
19.在一个可能的改进中，在线紧凑型测量设备可以具有用于将辐射从外壳耦合到被容纳在过程容器中的测量介质中的装置和/或用于将辐射从测量介质耦合到外壳中的装置。因此，在线紧凑型测量设备可以具有例如集成到外壳的壳壁中的至少一个测量窗口。所述至少一个测量窗口可以用于将辐射从辐射源耦合出外壳或者耦合进入外壳到达辐射检测器。替代性地是，被布线通过外壳壁的光纤或用于耦合和耦合出辐射的其它装置也可以用于此目的。
20.在有利的改进中，流体管线被设计成集成在外壳中的流体通道。外壳可以由钢制成。
21.在外壳中，可以形成电子器件隔室，该电子器件隔室从外壳的第一端在过程连接部的方向上延伸，并且测量电路被布置在该电子器件隔室中，
22.其中，流体管线布置在电子器件隔室之外，处在电子器件隔室的背对外壳的第一端的一侧上。
23.如果在线紧凑型测量设备的过程连接部连接到过程容器，则流体管线，特别是流体通道，可以布置在电子器件隔室和在线紧凑型测量设备的旨在与被容纳在过程容器中的测量介质接触的区域之间。例如，流体流过流体管线(例如前述流体通道)的流动方向可以在延伸于电子器件隔室和过程连接部之间的平面内延伸。
24.在一种改进中，测量电路可以布置在被布置在电子器件隔室中的电路板上。测量电路可以用于操作测量设备并且确定测量值。传感器组件也可以布置在电子器件隔室中。如果在线紧凑型测量设备被设计为光学测量设备，则传感器组件的光学部件可以被布置在电子器件隔室中，例如，在载架上。
25.为了防爆和/或防止湿气或水渗入，电子器件隔室可以相对于环境紧密密封，使得在电子器件隔室和环境之间不会发生物质传输，例如气体或液体传输，或者至少在电子器件隔室和环境之间发生的这种物质传输是如此之小，以致该物质传输不足以从电子器件隔室、特别是从测量电路和/或传感器组件消散热量到足以保护传感器组件的和/或测量电路的温度敏感部分的程度。
26.电子器件隔室可以具有基本上圆柱形的侧壁，其中至少一个冷却板布置在电子器件隔室内，该冷却板基本上沿着电子器件隔室的侧壁延伸并且与流体管线导热接触。冷却板可以被弯曲成中空圆柱形形状，并且至少部分地围绕传感器组件，例如与传感器组件的至少一部分附接的载架。可选地是，冷却板可以附加地是至少部分地围绕具有测量电路的至少部分的电路板。
27.冷却板可以由金属形成，例如由铜、银、金或铝形成。替代性地是，代替冷却板，热管可以用于冷却电子器件隔室。
28.载架可以布置在电子器件隔室中，测量电路的所述至少一部分和传感器组件的至少部分(例如以上提及的测量设备的光学部件)附接到该载架。如果测量仪器具有至少一个辐射源和至少一个检测器，则这些可以附接到载架。如已经所提及的那样，检测器可以是光
谱仪。辐射可以通过光纤从辐射源传导到用于耦合和/或耦合出辐射的装置，例如测量窗口。在外壳之外的、已经在测量介质中改变的辐射可以经由用于耦合和/或耦合出辐射的装置(例如测量窗口)耦合回到外壳中，并且可以通过光纤传导到检测器。
29.在一个可能的改进中，传感器组件可以具有至少一个辐射源，其中，该辐射源附接到与流体管线导热接触的附加的冷却板。带有辐射源的所述附加的冷却板可以至少部分地被前述冷却板围绕，该前述冷却板例如弯曲成中空圆柱形形状。
附图说明
30.在下文中，使用附图中示出的示例性实施例更详细地描述本发明。以下示出的是：
31.图1光学在线紧凑型测量设备的示意性表示；以及
32.图2穿过图1中示出的在线紧凑型测量设备的纵向截面的示意性表示。
具体实施方式
33.图1示出了光学在线紧凑型测量设备1，其在本示例中具有光谱仪。在线紧凑型测量设备1也在图2中的纵向截面中示出。两个图中相同的附图标记表示在线紧凑型测量设备1的相同部件。在线紧凑型测量设备1具有由钢制成的外壳2，在本示例中，该外壳2被设计成关于假想的中心圆柱对称轴线z基本上圆柱对称。外壳2可以由多个单独的部分形成。
34.外壳2的前端被设置用于与过程介质接触。该区域在下文中也被称为介质接触区域。用于透射测量的透明小容器3形成在该区域中。透明小容器3具有第一测量窗口4和相对的第二测量窗口5，测量辐射可以通过该第一测量窗口4离开外壳2，通过与过程介质的相互作用而改变的辐射可以通过该相对的第二测量窗口5进入外壳2。
35.外壳2具有过程连接部6，该过程连接部6可以附接到过程容器(诸如反应器、发酵罐或管道)的互补连接部。外壳2的布置在过程连接部6的背对透明小容器3的那一侧上的区域不与过程介质直接接触。然而，经由外壳壁，它与外壳2的介质接触区域导热接触。
36.外壳2在其后端处封围电子器件隔室7，该电子器件隔室7从外壳2的后端在过程连接部6的方向上背对过程延伸。电子器件隔室7容纳呈测量电子器件单元形式的测量电路，该测量电子器件单元在图2中以电路板8的形式象征性地示出。此外，电子器件隔室7容纳测量设备的光学部件，在本示例中为辐射源(其发射电磁光谱的uv/可见光范围内的辐射)以及uv/可见光光谱仪。辐射可以通过光纤从外壳2内的辐射源传导到第一测量窗口4。经由第二测量窗口5耦合回到外壳2中的经转换的辐射可以在外壳2内经由光纤被引导到光谱仪。测量电子器件单元被设计用以控制辐射源和光谱仪，该光谱仪用于获取透明小容器3中存在的过程介质的吸收光谱，并且测量电子器件单元被设计用以通过光谱仪进一步处理所捕获到的光谱数据并且/或者将这种数据输出到连接到在线紧凑型测量设备1的更高级别的单元。光谱仪和测量电路可以附接到布置在电子器件隔室7内的载架上(图中未示出)。
37.如果接触外壳2的介质接触区域的过程介质具有高温，则由于在线紧凑型测量设备1的紧凑设计，不仅将发生外壳2的与介质接触的区域的加热，而且通过由钢制成的外壳2的热传导，还将可能的是加热外壳2的布置在过程连接部6上方的区域。这危及测量电路的温度敏感光学部件和温度敏感电路元件。
38.因此，可以连接到布置在外壳2之外的冷却流体源的流体通道9形成在外壳2中，处
在电子器件隔室7和过程连接部6之间的区域中，并且因此也形成在电子器件隔室7和在线紧凑型测量设备1的介质接触区域之间。为此，流体通道9具有入口开口10和出口开口11。例如，冷却流体可以是水。在此示出的示例中，流体通道9具有矩形横截面，并且围绕外壳2的(假想的)轴线z环形延伸。流体通道9也在介质接触区域和电子器件隔室7之间垂直于轴线z延伸的(假想)平面中延伸。
39.如果例如水作为冷却介质被传导通过流体通道9，则即使对于高的过程温度，电子器件隔室7内的温度也将保持低于对测量电路的和/或光学部件的温度敏感部件来说至关重要的阈值。
40.在所述在线紧凑型测量设备1的在此示出的特别有利的改进中，如图2中所示，除了流体通道9之外，作为进一步的措施，用于从电子器件隔室7消散热量的冷却板12存在于外壳2内。在此示出的示例性实施例中，这个冷却板12由铜制成。冷却板12基本上被弯曲成中空圆柱形形状，并且相对于形成在外壳2中的电子器件隔室7的外壳壁的公共轴线z同心布置。冷却板12被旋拧到流体通道9上方的外壳肩部上。因此，冷却板12与流体通道9导热接触。
41.在本示例中，冷却板12被设计用以围绕轴线z弯曲成闭合或接近闭合的中空圆柱体。原则上，冷却板12也可以不弯曲成完整的中空圆柱体，而是围绕轴线z仅以弓形方式弯曲，并且因此形成覆盖例如电子器件隔室的外围的仅一部分(例如三分之一或一半)的圆柱体段。同样，在该改进中，如果冷却板12在电子器件隔室7的整个长度上延伸并且与流体通道9导热接触，则也是有利的。
42.然而，如果冷却板12具有尽可能大的面积，则是特别有利的。为了保护容纳在电子器件隔室7中的测量电子器件免受环境热量的影响，闭合的中空圆柱形冷却板12是优选的。
43.冷却板12的使用在高的过程温度和/或环境温度下是有利的，以便从紧密密封的电子器件隔室中充分消散热量，使得测量电子器件和/或光学部件不被损坏。如模拟和测量所示，在没有冷却板12的情况下，温暖空气可以在电子器件隔室7内向上上升并保持在那里，而冷空气在下方在流体通道9的区域中进一步积聚。为了防止水进入或防止爆炸，围绕电子器件隔室7的外壳2可以被紧密地封闭，使得不会发生与环境的物质交换，仅这一点就足以冷却布置在电子器件隔室7中的部件。
44.在一方面，通过与外壳2的过程接触区域的热接触并且通过环境热量加热的外壳2的壳壁借助于冷却板12与电子器件隔室7的内部隔热。另一方面，电子器件隔室7中生成的热量被有效地消散到流体通道9。由于借助于冷却板12的隔热，电子器件隔室内的温度保持较低。因此，可以看出，通过使用冷却板12，尽管有敏感部件，但在线紧凑型测量设备1的操作在高环境温度(例如高达60℃)下仍是可能的。
45.作为用于从电子器件隔室7消散热量的附加措施，布置在电子器件隔室7中的辐射源可以附接到附加的冷却板(图中未示出)。该冷却板可以例如由铜制成，并且可以经由外壳2导热地连接到流体通道9。以这样的方式，由辐射源生成的热量可以被消散。所述附加的冷却板可以例如在流体通道9的区域中被旋拧到外壳2上。
46.本发明在此已经针对光谱仪测量设备进行了描述，该光谱仪测量设备被设计为用于uv/可见光光谱范围内的吸收测量的在线紧凑型测量设备。然而，本发明同样地也可以非常类似地用于其它光学在线测量设备，这些其它光学在线测量设备可以用于测量nir或mir
光谱、用于拉曼光谱、用作光度计或用作浊度传感器。本发明还可以有利地是应用于不基于光学测量原理工作并且具有与测量传感器一起集成在外壳中的温度敏感测量电路的在线测量设备。