对液体和气体调制的流体分析器制造技术

一种流体分析器，所述流体分析器包括光源和光学探测器，所述光源和光学探测器限定通过流体流动室的检查区域的光束路径。流动控制装置引导穿过通道和检查区域的分析物和基准物流体，并且响应于控制信号以操作流体流动，以在检查区域中移动将分析物和基准物流体分离的流体边界。控制器生成控制信号以(1)导致流体边界相应地在检查区域中移动，(2)以第一间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，在第一间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，以及(3)从输出信号的样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
由于中红外(Mid-IR)中可访问的唯一光谱指纹，Mid-IR光谱是用于有机材料的定性和定量测量的有力工具。然而，由于包括以下各项的许多原因，使用Mid-IR光谱测量分析物的较低浓度可能存在挑战：(1)由于较强的吸收背景基质的较强的背景吸收率，吸收背景基质诸如为水或其它的较强极性溶剂，所述较强极性溶剂限制容许的样本路径长度，(2)与分析物重叠的干涉，该干涉使得直接测量分析物吸收特征是困难的，(3)较弱和较宽的光谱特征，所述较弱和较宽的光谱特征难以或不可能与仪器光源、探测器和电子器件中的低频漂移区分开。处理这些限制中的一些的一个方法是在系统中引入两个测量通道，一个测量通道具有分析物以及背景基质(例如液体样本中的溶剂)，即“样本通道”，另一个测量通道包括没有分析物的背景基质，即“基准物通道”。样本通道和基准物通道然后分别被相继或平行测量，并且结果被按比率变换以获得需要的“透射”光谱。在较低的分析物浓度下，样本通道和基准物通道中的背景基质基本是相同的，并且因而抵消，使得更容易理解分析物的微弱吸收特征的提取。该方法可以通过多个方式或途经来实现。一个技术是实时“伪”双光束(对于FTIR)。在这种情况下仅具有一个测量通道，并且样本室和基准物室交替地放置在测量通道中。(计算机存储的)样本测量值和基准物测量值然后按比率变换以获得透射光谱。由于任何较小的漂移将向测量值增加噪声，所以该方法要求非常稳定的系统，该系统包括源、电子器件和探测器。该方法还要求与相同的采样室匹配，或冲洗和再填充单个室。另一方法是在两个光学路径之间切换光束。尽管该方法可以是更快的，但是非常难以精确地匹配两个通道，光学上较复杂，并且采样室必须也紧密匹配。双光束光学相减涉及来自干涉仪的180°异相的两个输出光束的光学差分测量。又难以使通道匹配，光学上较复杂，并且仍然需要两个匹配室。具有两个探测器和通道的双光束是另一方法。尽管两个光束可以被同时地测量，但是除了匹配两个光学通道，探测器必须还被匹配，使得测量甚至更困难。在常规的基于光栅的扫描仪器或可调谐激光器的情况下，双光束系统可以被使用，其中随着系统扫描整个光谱，机械斩波器使光束路径在两个光学路径之间快速交替。该快速调制改进了信噪比，但是仍然遭受匹配光学路径和采样室的困难。这些方法都要求非常稳定的源、探测器和电子器件、两个光学通道和采样室的精确光学匹配、或这些要求的一些组合。另外，它们都增加了测量的复杂度。最小化这些限制的一个非常有效的方法是调制光谱。在调制光谱中，一次或多次调制施加在测量装置或样本上。借此，这允许检测方法仅调制特定频率，和/或其高频泛音需要被检测到。通过这样做，该方法消除了影响位于调制频率外的测量值的噪声源。这还能够消除所述常规的双光束比率方法所固有的低频漂移问题。调制光谱的示例在于测量激光光谱的狭窄气体线(如在本领域已知的波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS))。在WMS中，在比被测量气体线的线宽小很多的波长范围中调制激光波长。在兴趣线上扫描以及在调制频率下，或优选地在更高阶频率下，使用锁定放大器将限制信号的测量带宽并且显著地改善信噪比。这仍然不完全地消除源、探测器和电子器件中的低频漂移作用，但是如果狭窄光谱区域被测量，则其可以被足够快速地扫描以最小化该噪声源。调制测量装置的其它方法包括振幅调制、使用机械斩波器的机械调制、和诸如利用光测弹性调制器的光学调制。通过在不同频率下同时地调制所有的测量波长，干涉仪固有地工作。但是干涉仪仍然遭受长期漂移的问题。如果背景与测量的线相比是显著地较宽的，则源的频率调制将也有助于最小化背景干涉。这通过使用从调制方案获得的高阶导数而被实现。对于较宽的光谱特征，由于难以在非常大的频率范围中以可重复功率快速调制，以及在较宽的光谱范围中干涉带的额外挑战，频率调制技术失效。由于测量必须通常延伸以覆盖距离峰值吸收率较远的基线点，如此较少的时间用于测量兴趣分析物的最大信号，所以在较宽的光谱范围中扫描也不是高效的。Mid-IR激光器，诸如QCL，提供具有多阶振幅以及比用于常规的FTIR和扫描光谱仪中的传统的Mid-IR热源更高亮度的可调谐Mid-IR光源。另外，如果在连续波长(CW)模式中操作，则激光线宽可能是非常狭窄的，与典型的较小分子气体的转动线宽相比窄许多。由于多个原因，这使得其理想地适于测量该气体。首先，较高的亮度允许非常长的路径长度被使用，非常长的路径长度将增加测量样本的量，从而凭借比尔-朗伯定律以增加灵敏度。第二，因为测量的分辨率大于测量线宽，因此线的测量振幅大许多，并且因而与较低的分辨率测量相比时更容易检测，其中例如光谱仪分辨率小于样本线宽，然后测量振幅更小。这直接地说明，为什么当测量0.1cm-1宽的气体吸收线时，相对于具有小于0.001cm-1的线宽的激光器，具有8cm-1线宽的典型的FTIR仪器的性能显著地是不利的。对于较宽线的测量，典型的凝相样本或更高分子量的气相样本(其中，急剧的转动结构未被分辨)，Mid-IR光源没有从其更高的分辨率中获益。然而，在诸如水、较强极性溶剂的强烈吸收基质中或在存在高浓度强烈吸收物的情况下，增加的亮度可以使得增强微量样本的灵敏度。例如，在通过水室的凝相测量中，由于基质的强烈吸收，用于使用红外热源的常规FTIR和扫描IR的路径长度可能受限于约5-20um。Mid-IR激光的亮度使得能够使用较大路径长度透射室，较大路径长度透射室允许更长的光学路径长度室(100+um)用于测量在诸如水的液体中的样本。这将改善测量灵敏度，并且提供当用于在线测量时更不易于堵塞和具有较高回压的更稳健的采样系统。同样地，对于其中具有诸如天然气中的甲烷的强烈吸收背景的其它系统，更长的路径长度可以用于改善诸如H2O或H2S的微量成分的检测。易于具有较高回压和堵塞的用于水相测量的较短的路径长度透射室的替换例是减弱全反射(ATR)室。ATR方法可以用于改善流动，同时提供使用常规的IR光谱必需的较短的路径长度。然而，ATR方法引入更复杂的光学器件，通常地更大的室体积，是更昂贵的，不总是提供良好的层流，并且难以清洗。然而，使用Mid-IR激光器用于较宽的线宽测量是有问题的。对于该测量，最优的可以是在其峰值振幅处测量较宽线。但是，基线点必须也被测量，这表示在峰值和基线之间来回地扫描。当在峰值和基线之间扫描时，在每个测量值的时间点处的激光器功率必须精确地被知道，以精确地测量分析物浓度的较低浓度。另外，激光器、探测器、电子器件、以及甚至样本可以在峰值测量值和基线测量值之间在时间方面漂移，并且误差不能从峰值振幅中的改变区分，并且因此是噪声源。最后，由于难以在较高频率(例如100Hz)下在该较大线宽中调制激光器，所以较宽线限制诸如频率调制的仪器调制技术的使用。
技术实现思路
流体分析器被公开，所述流体分析器包括光源和光学探测器，所述光源和光学探测器限定通过流体流动室的检查(interrogation)区域的光束路径。流动控制装置引导穿过通道和检查区域的分析物和基准物流体，并且响应于控制信号以操作流体流动，以移动在检查区域中分离分析物和基准物流体的流体边界。控制器生成控制信号以(1)导致流体边界相应地移动经过检查区域，(2)以第一间隔和第二间隔对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流体分析器，包括：限定光束的光束路径的光源和光学探测器；流体流动室，所述流体流动室设置在光束路径上，光束路径在流体流动室中的流体通道中限定检查区域，在所述检查区域中，光束与流体相互作用；一个或多个流动控制装置，所述一个或多个流动控制装置被构造成用于将分析物流体和基准物流体流传导通过流体通道和检查区域，流动控制装置被构造成用于响应于流体调制信号而操作相应流体的流动以移动流体边界穿过检查区域，所述流体边界使分析物流体和基准物流体在一起流动通过流体通道时分离；和控制器，所述控制器能够操作以(1)生成具有时变特性的流体调制信号，从而导致流体边界相应地移动穿过检查区域，(2)以流体调制信号的一个间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，从而生成对应的输出信号样本，在所述一个间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在所述第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，并且(3)从输出信号样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 US 61/972,823;2014.08.20 US 62/039,666;1.一种流体分析器，包括：限定光束的光束路径的光源和光学探测器；流体流动室，所述流体流动室设置在光束路径上，光束路径在流体流动室中的流体通道中限定检查区域，在所述检查区域中，光束与流体相互作用；一个或多个流动控制装置，所述一个或多个流动控制装置被构造成用于将分析物流体和基准物流体流传导通过流体通道和检查区域，流动控制装置被构造成用于响应于流体调制信号而操作相应流体的流动以移动流体边界穿过检查区域，所述流体边界使分析物流体和基准物流体在一起流动通过流体通道时分离；和控制器，所述控制器能够操作以(1)生成具有时变特性的流体调制信号，从而导致流体边界相应地移动穿过检查区域，(2)以流体调制信号的一个间隔和第二间隔对来自光学探测器的输出信号采样，从而生成对应的输出信号样本，在所述一个间隔中，检查区域包括比基准物流体更多的分析物流体，在所述第二间隔中，检查区域包括比分析物流体更多的基准物流体，并且(3)从输出信号样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。2.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：流动控制装置被构造成，响应于流体调制信号而在分析物流体和基准物流体之间切换，从而以交替序列在流过流体通道的流体流中产生分析物流体和基准物流体的不同单元，当流过流体通道时，相继的不同单元被与流的流动方向实质上不平行的相应流体边界分离。3.根据权利要求2所述的流体分析器，其中：流体通道同时地包括分析物流体或基准物流体的不同单元，以及除所述不同单元的流体之外的流体的至少两个局部不同单元。4.根据权利要求2所述的流体分析器，其中：光源是扫描反射镜干涉仪，扫描反射镜的运动与流体调制信号同步，并且控制器使用用于分析物流体和基准物流体的相应输出信号样本的比率，以根据光学波长确定测量值。5.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：分析物流体和基准物流体一起流动通过流体通道，所述流体通道具有与流体通道中的流体的流动方向大致平行的流体边界部件，并且其中流动控制装置被构造成响应于流体调制信号而改变分析物流体和基准物流体之间的相对压力，从而在与流体通道中的流动方向正交的方向上改变流体边界的位置。6.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：流体边界具有以下区段，在对输出信号采样的过程中，所述区段的方向不平行于检查区域中的流体流动的方向，并且在流体调制信号的周期中，所述区段改变。7.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：光束的传播方向和流体流动的方向是大致平行的。8.根据权利要求5所述的流体分析器，其中：检查区域包括在包含基准物流体的区域之间的分析物流体的区域，并且用于确定测量值的光学路径长度针对包括基准物流体的区域被调节。9.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：在对输出信号采样的过程中，相对于在流体调制的多个重复循环中的一个循环内的平均流体流速，在检查区域中，流体流速被降低。10.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：光源以多个波长生成与流体调制信号同步的时变相干红外光。11.根据权利要求1所述的流体分析器，其中：流体通道包括多个检查区域，每个检查区域都具有用于光束的不同光学透射路径长度，并且控制器能够操作以(1)根据分析物或基准物的特性而选择检查区域，并且(2)根据被选择出的检查区域的输出信号的样本确定指示分析物流体的光学测量特性的测量值。12.根据权利要求11所述的流体分...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·麦卡利斯特·马歇尔，唐纳德·屈尔，杰弗里·格斯特，
申请(专利权)人：红移系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US