[发明专利]用于确定和监测介质的至少一个过程变量的系统

说明书

本申请涉及用于确定和监测介质的至少一个过程变量的系统。本发明涉及用于确定在容器中布置的介质的至少一个过程变量的系统，包括：至少一个光学光纤布拉格传感器，其具有带有至少一个光纤布拉格光栅的光波导；至少一个信号发生单元，其设计使得其生成至少一个光输入信号并且将其耦合到至少一个光波导中；至少一个接收单元，其被设计使得其从至少一个光波导接收至少一个光输出信号并且将其转换成电输出信号；以及评估单元，其基于至少一个电输出信号确定至少一个过程变量，其中至少一个光波导的至少一个子节段布置在容器内部或被布置在容器的壁中，并且该子节段被设计使得至少一个光纤布拉格光栅受介质的要确定的至少一个过程变量影响。

技术领域

本发明涉及用于确定或监测介质的至少一个过程变量的系统。

背景技术

在介质中(特别是在气体、液体、固体和多相混合物中)的光谱测量提供关于相应介质的当前状况和/或组成的信息。在过程自动化中，如果在生产或蒸馏过程期间在过程中作为中间产物或最终产物形成的物质的数量、浓度、或质量必须被监测，则优选地使用介质的光谱分析。例如，在生物化学生产过程中，营养素的浓度，和/或在生产过程中使用的微生物的代谢物的浓度，和/或在生产过程中产生的中间产物或最终产物的浓度能够被监测。基于光谱获得的信息，生产过程能够被控制或调节。在生产过程期间，介质自身通常位于容器例如反应器、发酵桶、或管路中。

非常适于分析和监测气态、液体、和固体介质的光谱方法是拉曼光谱法。拉曼光谱法是基于通过原子或分子进行的电磁激发辐射的非弹性散射(称为拉曼效应)。作为非弹性散射的结果，产生了在激发辐射和介质(原子、分子)的相互作用颗粒之间的能量传递。该能量从辐射传递到颗粒(斯托克斯散射)或者从颗粒传递到电磁辐射(反斯托克斯散射)。因而，散射辐射与激发辐射相比具有更低的能量或更高的能量。拉曼光谱示出了根据其与激发辐射的频率差的散射辐射的强度(通常以波数来指定，cm^-1)。拉曼光谱法是振动光谱法，即，使用拉曼光谱法检测的能量传递与晶格中原子的特征性振动能量水平，或者分子的特征性振动能量水平，或者分子的功能组的特征性振动能量水平相对应。因而，基于拉曼光谱中的某些峰值或带，能够确定例如介质中的某些分子的存在，并且基于相应峰值或带的强度，能够确定介质中分子的浓度。

因为水是非常弱的拉曼散射器，所以在水性过程介质(尤其是生物系统或生物技术过程)的分析中拉曼光谱法提供了特定的优点，使得在水中溶解的分子的拉曼信号在拉曼光谱中能够容易看到。此外，拉曼光谱法不需要样品的任何附加准备并且能够在短时间提供测量值。该方法因此对于过程分析和过程控制是尤其有吸引力的。

在现有技术中，从过程容器取出过程介质的样品并且借助于拉曼光谱法在实验室分析它们是常见的。拉曼光谱借助于数据处理单元(诸如常规的计算机)来分析。这样取样是有问题的，并且还伴有几个缺点；例如，在从过程容器取出样品的时间和在实验室中分析之间必然产生时间延迟，因为已知的拉曼光谱仪仅有限程度地适于在过程中使用。此外，从要保持无菌的过程(例如，在食品技术、在制药工业的过程、和/或生物技术的过程中)正确地且无菌地取出样品关系到装备和人员的高投入。根据过程的类型，在取样期间还能够存在健康危害，例如，如果样品或过程介质与环境或操作者应发生不期望的接触。自然地，在该背景下特别有问题的是从固有地带来高风险可能性的过程取出样品。例如，该风险能够由有害辐射、含尘大气引起，或简单地由位于难以接近(例如，由于容器的大小)的过程中的介质引起。拉曼光谱法还能够仅用于分析目的的；其不能够提供关于其它物理或化学过程变量的信息。

一种预组装的在线测量装置从DE 10 2013 103 518 A1(E+H)已知，其描述了用于借助于光学测量原理光谱地确定在管路中流动的介质的至少一种组分的浓度的第一测量传感器。第一测量传感器被集成到测量管中，该测量管包括管路区段。该管路区段被设计使得其能够随后被集成到管路中。在线测量装置的预组装和校准优选地在工厂进行。