多通道荧光传感器及其使用方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及光学测量装置，更特别地，涉及用于监测样本中的一种或多种物质的浓度的荧光计。
【背景技术】
[0002]在清洁和抗菌操作中，商业用户(例如，饭店、宾馆、食品饮料工厂、杂货店等)依赖于清洁或抗菌产品的浓度使产品有效地工作。若清洁或抗菌产品无法有效工作(例如，由于浓度问题)，则可能造成商业用户察觉到产品质量变低。终端消费者还可能认为这些产品的商业提供方提供劣质服务。另外，政府监管和卫生机构可能对商业用户进行调查和/或制裁。因此，需要一种可监测流体溶液的特性(例如，确定产品的浓度是否在指定浓度范围内)的系统。对于诸如商业和工业水处理、防治虫害、饮料和瓶装操作、油气精炼加工操作等的其它应用而言，同样如此。
[0003]监测产品浓度的一种方法依赖于监测当样本(和样本内的产品)被暴露于预定波长的光时出现的产品的荧光。例如，产品内的化合物或添加在产品中的荧光示踪剂会在暴露于特定波长的光时发荧光。然后，可使用测量化合物的荧光并且基于测得的荧光计算化学品浓度的荧光计来确定产品的浓度。
[0004]—般，荧光光谱需要将来自辐射光源的光导向样本，然后在检测器处从样本接收光。为了这样做，辐射光源和检测器必须与样本进行光学通信。在现有系统中，用光学方式触及样本会是成本很高的过程，需要对系统进行大量改造并且执行这种改造需要大量的停工时间。
【发明内容】
[0005]总体上，本公开涉及用于监测流体样本的荧光计和技术。在一些示例中，根据本公开的荧光计包括:第一光学发射器，其被构造成在被分析的流体样本中产生荧光发射;第二光学发射器，其被构造成在被分析的流体样本中测量散射的量。荧光计还可包括接收从流体样本发射的荧光和/或被流体样本散射的光的至少一个检测器。在操作期间，检测器可检测从被分析的流体样本发射的荧光量，接着荧光计可基于荧光来确定流体样本中的发荧光物质的浓度。荧光计还可检测经被分析的流体样本散射的光量并且基于散射光确定被分析的流体样本的其它性质。例如，荧光计可确定被分析的流体样本中的未发荧光物质的浓度。又如，荧光计可调节基于光散射信息检测到的荧光的量，例如，以解释流体浊度对测得的荧光发射的强度的作用。
[0006]为了有助于提供容易安装并且防污的紧凑型荧光计设计，荧光计可由单个光学透镜构成，通过该光学透镜将光发射到被分析的流体样本中并且从被分析的流体样本接收光。荧光计可包括外壳，所述外壳包含第一光学发射器、第二光学发射器和至少一个检测器。第一光学发射器、第二光学发射器和至少一个检测器可布置在外壳内，使得所有组件都与单个光学透镜进行光学通信(例如，可引导光通过光学透镜和/或从光学透镜接收光)。通过用单个光学透镜构造荧光计，光学发射器可将光导入与光学透镜相邻的流体的部分并且检测器可从基本相同的部分接收光。这样可有助于避免不同的光学发射器将通过流体不同部分的光发射通过物理分开的光学透镜时会出现的不一致光学读数。另外，通过用单个光学透镜构造荧光计，可提供在多个不同应用中可利用的相当紧凑的荧光计设计。例如，根据设计，荧光计外壳可被构造成被插入流体容器的口、管道T段的腿部、或工艺系统的其它机械配件中。这样可使荧光计作为在线荧光计能被容易地安装，从而光学地监测该过程。
[0007]荧光计设计可以改变，而在一些额外示例中，荧光计包括一个或多个补充传感器，补充传感器被构造成测量被分析的流体样本的非光学特性。例如，荧光计可包括温度传感器、PH传感器、电导率传感器、流速传感器、压力传感器、和/或任何其它合适类型的传感器。这些补充传感器可具有位于荧光计外壳的外表面上(例如，与荧光计的光学透镜相邻)的传感器接口，而传感器电子器件则设置在外壳内。补充传感器可测量被荧光计光学分析的流体的基本相同的部分的非光学性质。通过测量被分析的流体的光学性质和非光学性质二者，相比于如果只测量流体的光学或非光学性质，可更准确地检测并且控制利用流体的过程。
[0008]在一个示例中，描述了一种光学传感器，所述光学传感器包括外壳、第一光学发射器、第二光学发射器和光学检测器。根据该示例，所述外壳限定光学路径，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学耦接的光学窗口进入流体样本并且从所述流体样本接收光。所述第一光学发射器被构造成发射第一波长的光，使第一波长的光通过所述光学路径进入所述样本。所述第二光学发射器被构造成发射第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述样本。另外，所述光学检测器被构造成通过所述光学路径从所述流体样本接收光。
[0009]在一些实施例中，第一波长和第二波长使得第一波长激发样本中的荧光，而第二波长被样本散射。检测器可检测从样本荧光发出的光，以确定样本的特性(诸如，荧光团的浓度)。在一些实施例中，检测器还测量被样本散射的光，以确定会对其荧光起作用的样本的其它性质(诸如，样本的浊度)。可使用这些示例中检测到的被散射光的量来调节检测到的荧光量和相应的基于检测到的荧光发射而确定的任何流体特性。例如，高浊度的流体样本可产生比较低浊度的流体样本更少的荧光发射，即使高浊度的流体样本具有更高浓度的荧光团。如果流体样本中的浊度阻碍了原本会被荧光计检测到的荧光发射，则会发生这种情况。因此，通过获悉流体样本的浊度，可相应地调节从流体样本检测到的荧光发射。
[0010]根据本公开的光学传感器可具有大量不同的检测器构造。在一个示例中，光学传感器包括单个光学检测器，所述光学检测器接收从被分析的流体样本发射的荧光发射并且还接收经被分析的流体样本散射的光。光学检测器可通过安装在光学检测器外壳的外表面上的单个光学透镜接收光。在这样的示例中，光学传感器可交替地在被构造成产生散射光的第二光学发射器关闭时由被构造成产生荧光发射的第一光学发射器发射光，然后在第一光学发射器关闭时由第二光学发射器发射光。在这些示例中，单个光学检测器可交替地接收响应于来自第一光学发射器的光从流体样本发射的荧光发射和响应于来自第二光学发射器的光被流体样本散射的光，从而为同一光学检测器提供不同的检测通道。在其它示例中，光学传感器包括多个光学检测器，所述多个光学检测器包括被构造成测量响应于来自第一光学发射器的光从流体样本发射的荧光发射的一个光学检测器以及被构造成测量响应于来自第二光学发射器的光被流体样本散射的光的第二光学检测器。在这些示例中，第一光学发射器和第二光学发射器可同时将光射入流体样本中。
[0011 ]在一些额外示例中，光学传感器包括参考检测器，参考检测器被构造成在来自第一光学发射器和第二光学发射器的光入射到样本上之前检测光。以这种方式，可确定入射到样本上导致散射和荧光的光的量。可使用这个信息来衡量检测到的被散射和荧光发出的光，因为被散射和荧光发出的光的量一般随着入射到样本上的光量的变化而变化。因此，在使用时，参考检测器可用于校准检测器并且为第一光学检测器进行的测量提供参考点。
[0012]在各种实施例中，光学传感器包括光学路径，通过光学路径将光从光学发射器导向样本并且从样本导回光学检测器。包括部分反射型光学窗口和滤波器的各种光学组件可将光向着其期望的目的地引导，同时防止不相干的光干扰测量。可设置额外的光学路径引导光进出这些光学组件。例如，在一些实施例中，光学传感器包括部分反射型光学窗口，部分反射型光学窗口用于将来自第一光学发射器和第二光学发射器二者的光的一些部分导向第二光学检测器(例如，参考检测器)并朝向光学路径。在这些实施例中，另一个部分反射型光学窗口可将来自各发射器的光的一部分经由光学路径向着样本引导。在一些实施例中，被样本散射和/或荧光发出的光通过光学路径行进返回并且通过部分反射型光学窗口向着第一光学检测器透射。
[0013]在一个不例中，描述了一种系统，该系统包括光学传感器和控制器。光学传感器包括具有光学路径的外壳，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学连接的透镜进入被分析的流体样本并且通过所述透镜从所述流体样本接收光。所述光学传感器还包括第一光学发射器、第二光学发射器和光学检测器。根据示例，所述控制器被构造成:控制所述第一光学发射器发射第一波长的光，使第一波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本;借助所述光学检测器检测所述流体样本发射的并且通过所述光学路径接收的荧光发射;控制所述第二光学发射器发射与所述第一波长不同的第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本；以及由所述光学检测器检测被所述流体样本散射的并且通过所述光学路径接收的光。
[0014]在另一个示例中，描述了一种方法，所述方法包括:由第一光学发射器发射第一波长的光，使第一波长的光通过光学路径进入流体样本；用光学检测器通过所述光学路径接收所述流体样本发射的荧光发射。所述方法还包括由第二光学发射器发射不同于所述第一波长的第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述流体样本；以及由所述光学检测器通过所述光学路径接收被所述流体样本散射的光。各种方法包括同时地或者(可替代地)交替地发射第一波长的光和第二波长的光二者。在一些实施例中，在从第一光学发射器发射光的同时进行接收从样本荧光发出的光，而在替代实施例中，接收从样本荧光发出的光是在第一光学发射器停止发射之后进行的。
[0015]在附图和下面的描述中说明了一个或多个示例的细节。通过说明书和附图以及通过权利要求书，将清楚其它特征、目的和优点。
【附图说明】
[0016]图1是示出根据本公开的示例的可包括光学传感器的示例流体系统的示图。
[0017]图2是可确定流体样本的至少一种特性的示例光学传感器的框图。
[0018]图3是可用于图2的光学传感器的组件的示例布置的示意图。
[0019]图4是示出示例光流过图3的光学传感器的概念图。
[0020]图5A和图5B示出可用于图2的光学传感器中的示例光学检测器布置。
[0021]图6A至图6D示出可用于图2的光学传感器的示例光学传感器外壳和组件布置。
[0022]图7是示出传感器的示例性操作的过程流程图。
[0023]图8A至图SE是示出按照本公开构造的示例传感器的示例光学数据的曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面的详细描述本质是示例性的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或构造。确切地，下面的描述提供了用于实现本发明示例的一些实际例示。针对所选择的元件提供构造、材料、尺寸和制造工艺的示例，并且采用在本发明领域内的普通技术人员已知的所有其它元件。本领域的技术人员将认识到，所示的示例中的很多都具有各种合适的替代例。
[0025]光学传感器用于各种应用，包括监测工业过程。光学传感器可被实现为用于周期性分析工业过程中流体的光学特性的便携式、手持装置。可替代地，光学传感器可被在线安装，以连续分析工业过程中流体的光学特性。在任一种情况下，光学传感器可以光学分析流体样本并且确定流体的不同特性(诸如，流体中的一种或多种化学物质的浓度)。
[0026]作为一个示例，在工业清洁和消毒应用中常常用到光学传感器。在工业清洁和消毒过程期间，通常，通过工业管道系统抽吸水，以冲洗管道系统中的滞留在管道中的产品和积累在管道内的任何污染物。水还可包含用于对管道系统进行消毒和杀菌的消毒剂。清洁和消毒过程可准备让管道系统接收新产品和/或与之前在系统上处理的产品不同的产品。
[0027]可使用光学传感器监测在工业清洁和消毒过程期间流过管道系统的冲洗和/或消毒水的特性。连续地或者间隙地，从管道系统中提取水的样本并且将样本传递到光学传感器。在光学传感器内，光发射到水样本内并且用于评价水样本的特性。例如，通过确定水样本中是否有极少的残留产品或者没有残留产品，光学传感器可确定管道系统中的残留产品是否已从管道中充分冲洗掉。例如，通过测量消毒剂响应于发射到水样本内的光而发射的荧光信号，光学传感器还可确定水样本中的消毒剂的浓度。如果确定在水样本中的消毒剂的量不足以恰当消毒管道系统，则增加消毒剂的量，以确保对系统进行适当消毒。
[0028]光学传感器可具有各种不同构造，而在一些示例中，光学传感器被设计成具有单个光学透镜，光通过该光学透镜发射到流体样本中并且也通过该光学透镜从流体样本接收光。光学传感器可包括容纳传感器的各种电子组件的外壳并且还具有控制光移动进出该单个光学透镜的光学路径。这种布置可有助于紧凑型光学传感器的设计，该光学传感器可容易地通过各种机械管道和工艺配件安装，以在光学上分析所需的工艺流体。
[0029]图1是示出示例流体系统100的概念图，可使用流体系统100产生具有荧光性质的化学溶液，诸如，表现出荧光性质的消毒剂溶液。流体系统100包括光学传感器102、贮存器104、控制器106和栗108。贮存器104可存储浓缩的化学试剂，该浓缩的化学试剂可以与稀释剂(诸如水)共混以产生化学溶液或者可以是待表征的样本的任何其它来源。光学传感器102光学连接到流体路径110并且被构造成确定通过流体路径行进的溶液的一种或多种特性。
[0030]流体路径110可以是携带流体样本通过流体系统100的单个流体容器或容器的组合，包括(但不限于)管道、罐、阀、丁字管道和接头等。在一些情形下，流体路径110的一个或多个组件可限定大小被确定成接收或以其它方式与光学传感器102接合的接口或开口。在操作中，光学传感器102可与控制器106通信，而控制器106可基于光学传感器产生的流体特性信息来控制流体系统100。
[0031]控制器106与光学传感器102和栗108通信连接。控制器106包括处理器112和存储器114。控制器106借助连接116与栗108通信。光学传感器102生成的信号借助有线或无线连接被传达至控制器106，在图1的示例中，所述有线或无线连接被图示为有线连接118。存储器109存储用于运行控制器106的软件并且还可存储由处理器112生成的或者例如从光学传感器102接收的数据。处理器112运行存储器114中存储的软件，以管理流体系统100的操作。
[0032]如以下更详细描述的，光学传感器102被构造成光学分析流过流体路径110的流体的样本。光学传感器102可包括被定位和构造成测量由流体样本发射的荧光发射的光学检测器。在一些构造中，可使用单个光学检测器测量来自样本的散射和荧光二者并且可借助传感器102中的单个光学路径接收被散射的光和荧光发出的光。可额外地使用单个光学路径将诱发散射和荧光的光导向样本，从而在传感器102和样本之间提供紧凑且空间有效的接口。在传感器102和样本之间提供单个光学通信点还可简化在流体系统100中实现传感器102的方式，例如通过提供可以容易地与流体路径110的一个或多个组件(诸如，管道中的丁字管道)接合的传感器。
[0033]在图1的示例中，流体系统100被构造成产生或者以其它方式接收具有荧光性质的化学溶液。流体系统100可将存储在贮存器104内或者从贮存器104接收的一种或多种浓缩的化学试剂与水或其它稀释流体结合，以制作化学溶液。在一些情形下，稀释不是必要的，因为贮存器直接提供适宜的样本。流体系统100可制作的示例化学溶液包括(但不限于)清洁试剂、消毒试剂、用于工业冷却塔的冷却水、诸如杀虫剂的生物杀灭剂、抗腐蚀剂、抗垢剂、防污剂、洗衣精、就地清洗(CIP)清洁剂、地面涂料、车辆护理组合物、水护理组合物、洗瓶组合物等。
[0034]通过流体系统100产生的或者流过流体系统100的化学溶液可响应于被光学传感器102导入溶液中的光学能来发射荧光辐射。光学传感器102然后可检测发射的荧光辐射并且基于发射的荧光辐射的幅度来确定溶液的各种特性，诸如，溶液中的一种或多种化学化合物的浓度。在一些实施例中，光学传感器102可借助光学传感器102内的光学路径将光能导向溶液并且从溶液接收荧光辐射，从而使光学传感器102具有紧凑设计。
[0035]为了使光学传感器102能检测到荧光发射，流体系统100产生的并且由光学传感器102接收的流体可包括表现出荧光特性的分子。在一些示例中，流体包括可表现出荧光特性的、具有一个或多个取代供电子基团(诸如，例如，-0H、-NH4P-0CH3)的多环化合物和/或苯分子。根据应用，因为这些化合物赋予溶液的功能性质(例如，清洁和消毒性质)，这些化合物可自然存在于由流体系统100产生的化学溶液中。
[0036]作为天然发荧光化合物的补充或替代，流体系统100产生的并且由光学传感器102接收的流体可包括荧光示踪剂(也可被称为荧光标记)。荧光示踪剂可被专门加入流体中，用于赋予流体发荧光的性质。示例荧光示踪剂化合物包括(但不限于)萘二磺酸