專利名稱：衰減全反射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助衰減全反射方法確定溶解在測(cè)量介質(zhì)中的物質(zhì)含
量的衰減全反射(ATR)傳感器，還涉及一種檢驗(yàn)校準(zhǔn)和/或執(zhí)行ATR傳感 器的在線校準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù)：
衰減全反射(也稱作衰減全反射能力，縮寫ATR)是一種光譜學(xué)技術(shù)， 由此借助內(nèi)反射研究樣品。電磁輻射例如中間紅外線范圍中的輻射通過(guò)第 一切割面耦合到ATR體，然后在第一表面上反射。輻射沿所述第一和第二 表面之間的ATR體反射幾次，其中每次反射都是衰減全反射。ATR光譜術(shù)的 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于光譜的確定來(lái)說(shuō)，非常短的光程長(zhǎng)度就已經(jīng)足夠了。 進(jìn)入樣品的輻射穿透深度取決于樣品和ATR體相應(yīng)的折射率，以及輻射與 樣品相遇的入射角度。
如果樣品或測(cè)量介質(zhì)接觸這些表面之一，則每次反射該樣品選擇性地 吸收一部分輻射。在另一端，剩余的輻射被耦合出ATR.體，并且通過(guò)檢測(cè) 器記錄由樣品或測(cè)量介質(zhì)吸收的輻射的能量分布。在輸出端，能量分布可 以作為波長(zhǎng)的函數(shù)即光譜，或者僅記錄對(duì)于至少一個(gè)波長(zhǎng)的吸收。
對(duì)內(nèi)反射來(lái)說(shuō)，已知的現(xiàn)有技術(shù)包括不同的形狀體。在許多情況下， 這些體是晶體狀的，其對(duì)用于測(cè)量的輻射來(lái)說(shuō)在光學(xué)上是透明的。
ATR光譜術(shù)最初用在實(shí)驗(yàn)室中，用于研究不同種類的樣品。除了ATR體 之外，傳統(tǒng)的ATR光譜具有輻射源、檢測(cè)器以及適當(dāng)?shù)膶⑤椛漶詈系紸TR 體內(nèi)或耦合出ATR體的光學(xué)設(shè)備。在研究中，該樣品可以是固態(tài)、液態(tài)或 氣態(tài)的。
除了在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用，已知范圍的用途還包括化學(xué)、生物學(xué)或物理 過(guò)程中的應(yīng)用，其中例如借助ATR探針研究測(cè)量介質(zhì)，該測(cè)量介質(zhì)接觸ATR 體的測(cè)量表面。特別地，在過(guò)程應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況不是分析整個(gè)光譜，而是僅將選定的波長(zhǎng)耦合到ATR體內(nèi)和/或檢測(cè)，作為確定特別 瞄準(zhǔn)的、在測(cè)量介質(zhì)中存在的物質(zhì)的吸收，以及，確定過(guò)程或測(cè)量介質(zhì)中 的它們的濃度的方法。在大多數(shù)不同的領(lǐng)域如飲料行業(yè)或生物技術(shù)領(lǐng)域中，確定一個(gè)或多個(gè) 溶解在介質(zhì)中的物質(zhì)，特別地，確定其含量比例或濃度。這種物質(zhì)的例子 包括二氧化碳(C02)、甲醇、乙醇、甲烷，以及其它包含在流體過(guò)程或測(cè)量 介質(zhì)如水溶液等中的化學(xué)物質(zhì)。尤其是，對(duì)于飲料行業(yè)來(lái)說(shuō)，作為生產(chǎn)控 制的一部分，準(zhǔn)確知道C02的含量是很重要的。對(duì)于在線測(cè)量來(lái)說(shuō)，例如從US 2004/0201835 Al已知具有不同ATR體 的ATR傳感器，特別地，其公開了具有不同幾何形狀或在面向測(cè)量介質(zhì)的 一側(cè)具有凹槽的ATR體，以便可以通過(guò)ATR和透射光譜學(xué)的組合進(jìn)行檢査。在過(guò)程條件下的光譜檢査中，在校準(zhǔn)傳感器時(shí)，特別地在檢查校準(zhǔn)時(shí)， 以及執(zhí)行安裝在過(guò)程系統(tǒng)中的傳感器的最初校準(zhǔn)和/或再校準(zhǔn)時(shí)，本身存在 已知的問(wèn)題。通過(guò)Lambert-Beer定律在物質(zhì)的吸收和濃度之間建立關(guān)系，對(duì)于低濃 度來(lái)說(shuō)，其表示兩個(gè)數(shù)值之間的線性關(guān)系。然而，如果要在復(fù)雜的測(cè)量介質(zhì)中確定單獨(dú)的物質(zhì)或一類物質(zhì)，則本 身存在下面的問(wèn)題常常引入ATR體的輻射不僅由溶解在測(cè)量介質(zhì)中的物 質(zhì)吸收，而且由測(cè)量介質(zhì)本身吸收。其中，這種效應(yīng)稱作基體效應(yīng)。為了最小化基體效應(yīng)，過(guò)程能力的ATR傳感器的校準(zhǔn)不僅包括不同純 物質(zhì)的測(cè)量，而且特別地，包括測(cè)量介質(zhì)中這種物質(zhì)的濃度相關(guān)的測(cè)量， 在許多情況下，這會(huì)改變其成分。特別地，通過(guò)改變成分的測(cè)量介質(zhì)，例如，在啤酒釀造過(guò)程期間存在 種類的介質(zhì)，對(duì)完全的校準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，需要測(cè)量所有測(cè)量介質(zhì)和物質(zhì)含量的組 合，并且在校準(zhǔn)時(shí)考慮，這是非常費(fèi)時(shí)的。因此，這種校準(zhǔn)經(jīng)常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品在過(guò)程外執(zhí)行，并且反映僅具有確 定錯(cuò)誤公差的實(shí)際過(guò)程條件。為了保證ATR傳感器的測(cè)量公差和/或正確功能，特別地，那些安裝在 過(guò)程系統(tǒng)中的，并且用于檢査相同種類或變化的測(cè)量介質(zhì)，有利地，能夠 在安裝或在線條件下確定和/或檢驗(yàn)傳感器的校準(zhǔn)。發(fā)明內(nèi)容這項(xiàng)任務(wù)是由用于確定溶解在測(cè)量介質(zhì)中的物質(zhì)的ATR傳感器以及用 于校準(zhǔn)傳感器的方法解決的。ATR傳感器具有ATR體和殼體，以及布置在該殼體中的光源和檢測(cè)器。 ATR體具有至少一個(gè)測(cè)量表面和平行于該測(cè)量表面布置的校準(zhǔn)表面，其中該 測(cè)量表面接觸該測(cè)量介質(zhì)，該校準(zhǔn)表面在至少一側(cè)上形成校準(zhǔn)腔的邊界， 所述校準(zhǔn)腔布置在該殼體內(nèi)部。這種類型的傳感器允許將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)引入校準(zhǔn)腔或從該校準(zhǔn)腔去除，并 且在該傳感器在過(guò)程系統(tǒng)中處于安裝狀態(tài)且接觸測(cè)量介質(zhì)時(shí)允許測(cè)量該校 準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，這能夠檢査例如在工廠執(zhí)行的最初校準(zhǔn)，或者甚至執(zhí)行在線校準(zhǔn)， 即安裝在過(guò)程系統(tǒng)中的傳感器的校準(zhǔn)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，可以將由光源發(fā)射的輻射耦'合到ATR體內(nèi)，并 且隨后在測(cè)量表面和校準(zhǔn)表面交替地反射。這樣，可以確定吸收值，其包 括與測(cè)量表面接觸的測(cè)量介質(zhì)的吸收，以及與校準(zhǔn)表面接觸的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的 吸收。在遠(yuǎn)離介質(zhì)的一側(cè)上，優(yōu)選將ATR體設(shè)計(jì)成具有至少一個(gè)凹槽，其由 校準(zhǔn)表面在一側(cè)上定界。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備封閉該凹槽，可以形成校準(zhǔn)腔。因?yàn)樵摬贾檬沟迷谛?zhǔn)表面和布置在校準(zhǔn)腔中的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)之間的直接 接觸變成可能，因而是有利的。校準(zhǔn)腔優(yōu)選具有至少一個(gè)連接，以便輸入和/或輸出流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，其 可以使用不同的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。在此使用的術(shù)語(yǔ)"校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)"還意味著包括參 考介質(zhì)，以便其不僅可以執(zhí)行校準(zhǔn)，而且還可以測(cè)量測(cè)量介質(zhì)和參考介質(zhì)。 如果使用參考介質(zhì)，則要確定的吸收值包括參考介質(zhì)和,量介質(zhì)的吸收。ATR傳感器的卓越之處在于其整體上由單件或由借助光學(xué)透明的材料 牢固連接的組件體形成。ATR體可以由不同的材料組成，除了別的以外，包 括鉆石、藍(lán)寶石、碲化鎘、溴化鉈碘化物、硅、鍺、硒化鋅、硫化鋅、氟 化鎂、氯化銫、氯化銀、氟化鈣、溴化鉀、涂層氯化鈉，以及聚合物如聚 乙烯，以及相關(guān)的光學(xué)透明的物質(zhì)。優(yōu)選地，ATR體包括具有凹槽的空心圓柱體，以及截錐，該截錐覆蓋空心圓柱體，其底部具有與該空心圓柱體相同的直徑。進(jìn)一步的設(shè)計(jì)構(gòu)造例如包括具有直邊的實(shí)質(zhì)上U形的ATR體的實(shí)施方式，其中ATR體中的凹槽 必須由適當(dāng)?shù)谋谠谌齻?cè)上封閉，以便形成校準(zhǔn)腔。本發(fā)明的另一個(gè)方面包括對(duì)溶解在測(cè)量介質(zhì)中的物質(zhì)，特別地對(duì)上述 類型的包括ATR體、至少一個(gè)光源和至少一個(gè)檢測(cè)器的te感器檢查校準(zhǔn)和/ 或執(zhí)行在線校準(zhǔn)的方法。當(dāng)進(jìn)行檢査和/或在線較準(zhǔn)時(shí)，該傳感器可以保留 在該過(guò)程中。為了執(zhí)行校準(zhǔn)，ATR體的測(cè)量表面與測(cè)量介質(zhì)接觸，并且測(cè)量對(duì)于至少 一個(gè)波長(zhǎng)的第一吸收值。在由光源入射的輻射的衰減全反射進(jìn)入ATR體之 后，借助檢測(cè)器測(cè)量吸收值。在本文中，術(shù)語(yǔ)"吸收值"意味著特定波長(zhǎng)的吸收，或者在特定范圍 的波長(zhǎng)內(nèi)從吸收光譜確定的值，其作為在該波長(zhǎng)或該波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)的 吸收的測(cè)量。下一步，平行于測(cè)量表面布置的ATR體的校準(zhǔn)表面接觸第一流體校準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)，其中第一校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以第一濃度存在于校準(zhǔn)腔中。常常，該校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 的化學(xué)成分基本上對(duì)應(yīng)于要檢查的溶解在測(cè)量介質(zhì)中的物質(zhì)，或者其是具 有特定吸收帶或特定吸收光譜的純物質(zhì)。這樣，可以以相同的波長(zhǎng)測(cè)量第二吸收值，其表示測(cè)量介質(zhì)和校準(zhǔn)標(biāo) 準(zhǔn)相應(yīng)的吸收的重疊。由光源發(fā)射的輻射在測(cè)量表面處和平行于該測(cè)量表 面的校準(zhǔn)表面處被交替地反射，并且與測(cè)量介質(zhì)以及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)相互作用?；诘谝缓偷诙罩?，通過(guò)已知的第一校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的濃度或含量，并 且假設(shè)應(yīng)用Lambert-Beer定律，可以確定校準(zhǔn)檢査功能。Lambert-Beer定 律表示物質(zhì)或樣品的濃度和吸收之間的線性關(guān)系，以便可以基于兩個(gè)測(cè)量 數(shù)據(jù)點(diǎn)指明兩點(diǎn)校準(zhǔn)。在這種情況下，第一測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于通過(guò)在零點(diǎn) 設(shè)置的物質(zhì)濃度測(cè)量的第一吸收值，第二測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于第二吸收值， 以及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的濃度。以這種方式確定的校準(zhǔn)檢查功能可以與例如在工廠或在過(guò)程外部執(zhí)行 的該種最初校準(zhǔn)比較。如果檢查功能和最初校準(zhǔn)基本上彼此一致，則可以 連續(xù)使用最初校準(zhǔn)，以確定測(cè)量值。如果檢查功能偏離最初的校準(zhǔn)，則表 明應(yīng)當(dāng)重新校準(zhǔn)傳感器。為了確定新的或當(dāng)前的校準(zhǔn)功能，可以使至少具有第二濃度的第二校 準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接觸校準(zhǔn)表面，并且可以確定第三吸收值。第三吸收值包括第二校 準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的以及測(cè)量介質(zhì)的吸收。可以在與校準(zhǔn)檢査功能相同的假設(shè)的基礎(chǔ)上確定當(dāng)前的校準(zhǔn)功能，但 是要考慮第一、第二和第三吸收值，以及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的第一和第二濃度。因 而，可以通過(guò)三點(diǎn)校準(zhǔn)確定更新的校準(zhǔn)功能。特別地，代替使用具體是線 性回歸方法評(píng)估單獨(dú)的吸收值，還可以評(píng)估整個(gè)吸收光譜。適于該任務(wù)的 方法主要包括化學(xué)計(jì)量技術(shù)如多次線性回歸或部分最小平方分析。當(dāng)然，還可以以規(guī)則的時(shí)間間隔和/或由用戶設(shè)置的時(shí)間重復(fù)校準(zhǔn)和/ 或在線校準(zhǔn)的檢査，以便檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量。因?yàn)楸舜讼嚓P(guān)地設(shè)置具有不同基體效應(yīng)的另外的吸收值，因而當(dāng)檢査 校準(zhǔn)和/或進(jìn)行在線校準(zhǔn)時(shí)的期間，測(cè)量介質(zhì)的成分優(yōu)選保持不變。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)常常是流體介質(zhì)，優(yōu)選是氣態(tài)介質(zhì)。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓艿阑蜻M(jìn)口， 可以將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)引入或從校準(zhǔn)腔去除，該校準(zhǔn)腔在一側(cè)上由校準(zhǔn)表面定界。在氣態(tài)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以通過(guò)其局部壓力調(diào)整校準(zhǔn)腔中的校準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)的濃度或含量。除了以第一波長(zhǎng)測(cè)量吸收值，也可以同時(shí)以測(cè)量波長(zhǎng)確定吸收值，以 及進(jìn)一步的以不同于測(cè)量波長(zhǎng)的校準(zhǔn)波長(zhǎng)確定吸收值.。通過(guò)吸收系數(shù)，Lambert-Beer定律還依賴于波長(zhǎng)，從而通過(guò)同時(shí)確定不同波長(zhǎng)的吸收值， 可以確定兩個(gè)校準(zhǔn)檢查功能和/或至少兩個(gè)與相應(yīng)的波長(zhǎng)相關(guān)的當(dāng)前的校 準(zhǔn)功能，以便獲得對(duì)基體效應(yīng)更好的控制，和/或甚至平行地執(zhí)行測(cè)量和校 準(zhǔn)檢查。為了同時(shí)測(cè)量一個(gè)以上波長(zhǎng)的吸收值，光源應(yīng)當(dāng)或者由多個(gè)光源構(gòu)成， 每個(gè)光源發(fā)射特定波長(zhǎng)的輻射，或者發(fā)射特定范圍的波長(zhǎng)如所謂的寬帶光 源。檢測(cè)器應(yīng)同樣能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)波長(zhǎng)或一定范圍的波長(zhǎng)。通過(guò)特別適 當(dāng)?shù)闹虚g紅外線范圍，可以執(zhí)行不同范圍的波長(zhǎng)的ATR光譜研究，這是因 為許多分子在該范圍表現(xiàn)特定的吸收帶。如果使用ATR傳感器確定溶解在液體測(cè)量介質(zhì)中的二氧化碳的含量， 可以使用例如大約4.24um的測(cè)量波長(zhǎng)，以及大約3.95ym的校準(zhǔn)波長(zhǎng)， 由于二氧化碳具有該些波長(zhǎng)兩者的吸收帶。取決于物質(zhì)在其中溶解的測(cè)量介質(zhì)，可以移動(dòng)吸收帶的中點(diǎn)，以便可以在導(dǎo)向值上采用更多的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。 這些效果在光學(xué)光譜術(shù)領(lǐng)域是早就已知的。除了 C02振蕩，還可以檢測(cè)大約3.4ym的CH振蕩，以及大約9. 5um 的C0振蕩，由此對(duì)包括具有CH—和/或C0鍵的分子或分子段的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，還可以確定測(cè)量介質(zhì)中的含量。建議將前述方法作為根據(jù)本發(fā)明的ATR傳感器的處理單元中的計(jì)算機(jī) 程序來(lái)實(shí)施，其中借助最初的校準(zhǔn)或當(dāng)前的校準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)程序特別用于確定測(cè)量結(jié)果如溶解的物質(zhì)的含量或濃度，禾n/或檢驗(yàn)校準(zhǔn)。


在下面的附圖中更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的ATR傳感器，其中圖中相 同的特征由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)，并且其中圖1表示與測(cè)量介質(zhì)接觸的ATR傳感器的截面圖，以及 圖2示意性地說(shuō)明圖1的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施方式
圖1表示安裝在在此由容器壁1指示的過(guò)程系統(tǒng)或容器中安裝的ATR 傳感器3。在系統(tǒng)中存在流體測(cè)量介質(zhì)2，其中溶解要檢查的物質(zhì)。流體測(cè) 量介質(zhì)可以是液態(tài)的和/或氣態(tài)的?？梢酝ㄟ^(guò)ATR傳感器研究溶解的物質(zhì)， 該物質(zhì)例如包括物質(zhì)如二氧化碳、 一氧化碳或包含烴的化合物，但是應(yīng)當(dāng) 理解，也可以測(cè)量其它物質(zhì)，只要它們展示特有的吸收線，并且該傳感器 包括適合的組件。傳感器3的芯是具有測(cè)量表面5的ATR體4，其直接與測(cè)量介質(zhì)2接觸。 在此表示的ATR體4大體上包括截錐覆蓋的空心圓柱體，其中空心圓柱體 的外直徑和截錐底部的直徑基本上相等(同樣參見圖2)。 ATR體4整體上 可以由單件或幾個(gè)用光學(xué)透明的連接劑連接在一起的組件制成。如果將藍(lán) 寶石晶體用作ATR體，則可以借助適當(dāng)?shù)暮噶侠缃鸹蜚K焊料焊接到殼體7 中。借助適當(dāng)?shù)拿芊鈩┻€可以在殼體7中布置由其它材料制成的ATR體， 以便在ATR體4和殼體7之間形成連接，該連接對(duì)介質(zhì)是不透的，并且優(yōu) 選是氣密的。ATR體4的一個(gè)表面、測(cè)量表面5，以及側(cè)圓周壁6直接接觸測(cè)量介質(zhì)2。
在面向測(cè)量介質(zhì)2的側(cè)面上，殼體7具有過(guò)程凸緣，由此將傳感器2固定到過(guò)程系統(tǒng)或另外的容器，如在此由壁l指示。在遠(yuǎn)離測(cè)量介質(zhì)2的側(cè)面上，ATR體4具有凹槽8，將其至少部分地配 置成校準(zhǔn)腔9。凹槽8具有基本上圓形的截面，并且在向著測(cè)量介質(zhì)2的側(cè) 面上，通過(guò)平的、平行于測(cè)量表面5的校準(zhǔn)表面10定界。向著傳感器3的 內(nèi)部，校準(zhǔn)腔9優(yōu)選是氣密的，并且具有兩個(gè)管道14、 15，以便讓流體校 準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)流入和/或流出。將管道14、 15例如連接到蓄水池和/或真空泵(未 在此表示)，以便可以使校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入校準(zhǔn)腔9或從校準(zhǔn)腔9去除。為了執(zhí)行校準(zhǔn)，將流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以不同的濃度導(dǎo)入或通過(guò)校準(zhǔn)腔，或 者，在氣態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，具有不同的局部壓力。對(duì)每個(gè)濃度來(lái)說(shuō)，測(cè)量 單獨(dú)的吸收值，其可以用于內(nèi)部校準(zhǔn)或檢查最初的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)常常具 有相同的物質(zhì)，或者與測(cè)量的物質(zhì)相同的主要成分。對(duì)于ATR體4的描述， 讀者還可以參考圖2。在其內(nèi)部，傳感器3進(jìn)一步包含支架11，光源12以及檢測(cè)器13連接 到該支架。由光源12發(fā)射的輻射17通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件耦合到ATR體中， 并且首先在側(cè)面6反射。在測(cè)量表面5和校準(zhǔn)表面10交替地出現(xiàn)進(jìn)一步的 反射，直到輻射離開ATR體4，被再次引導(dǎo)到檢測(cè)器13上。每個(gè)反射都是 衰減的全反射。在表面處的每次反射，輻射17穿透相應(yīng)的邊界表面，該邊 界表面在一側(cè)上將ATR體4與測(cè)量介質(zhì)2分開，禾n/或在另一側(cè)上將ATR體 4與校準(zhǔn)腔9中的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)分開，其中吸收一部分輻射。假如校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)存在 于校準(zhǔn)腔9中，由檢測(cè)器13檢測(cè)的吸收因而由測(cè)量介質(zhì)2的吸收和校準(zhǔn)標(biāo) 準(zhǔn)的吸收組成。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備將光源12以及檢測(cè)器13連接到控制和/或 調(diào)節(jié)單元16，其可以布置在傳感器3內(nèi)部，如在此所示，禾n/或布置在外部 位置處。作為圖1放大的細(xì)節(jié)，圖2以截面圖的方式示意性地圖示具有校準(zhǔn)腔5 以及穿過(guò)ATR體4的可能的光的光程17。以這樣的方式將ATR體4放置到 傳感器殼體7中，即優(yōu)選在兩個(gè)組件之間形成氣密連接。這例如是通過(guò)將 由藍(lán)寶石組成的ATR體4焊接到適當(dāng)?shù)奈恢没蛘咄ㄟ^(guò)使用適當(dāng)?shù)拿芊庠O(shè)備 實(shí)現(xiàn)的。ATR體4大體上具有覆蓋空心圓柱體的腔的截錐形狀。ATR體4的測(cè)量 表面5由傾斜的側(cè)面6圍繞，其延續(xù)到具有垂直于測(cè)量表面5定向的外表 面18的區(qū)域中。外表面18通過(guò)密封設(shè)備例如金屬焊料或0形環(huán)密封接觸 傳感器殼體7。在其內(nèi)部，ATR體4具有向著殼體7的內(nèi)部開口的凹槽8。 凹槽8通過(guò)平行于測(cè)量表面5的校準(zhǔn)表面10向著測(cè)量介質(zhì)2定界。將凹槽8遠(yuǎn)離測(cè)量介質(zhì)的側(cè)面通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備氣密地封閉，以便產(chǎn)生 校準(zhǔn)腔9。在此所示的校準(zhǔn)腔9具有兩個(gè)管道14、 15，以便輸入和輸出特 別是氣態(tài)的流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，如箭頭所示。校準(zhǔn)腔9可以在凹槽8的一部分 上延伸，如在此所示的，或者也可以在整個(gè)凹槽8上延伸。圖2進(jìn)一步說(shuō)明光的光程17。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)排列(未示出)，輻射 17從光源12耦合到ATR體4中?？梢詫⒐庠?2設(shè)計(jì)成窄帶或?qū)拵Ч庠础?窄帶光源例如是激光、激光二極管或者也可以是寬帶光源，借助插入的濾 光器從該寬帶光源選擇特定的窄光譜范圍。在ATR-MIR光譜術(shù)中使用的寬 帶光源(其中MIR代表中紅外線)例如包括所謂的黑體輻射體。輻射17進(jìn)入ATR晶體4，并且首先落在側(cè)面6上，'其中出現(xiàn)衰減和全 反射，從而，輻射17其次落在測(cè)量表面5上。在測(cè)量表面5和校準(zhǔn)表面10 交替地進(jìn)行的多次全反射之后，并且在側(cè)面6上最終的反射之后，輻射17 被耦合出ATR體4，并且導(dǎo)向到檢測(cè)器13。檢測(cè)器13與使用的輻射匹配。取決于應(yīng)用的領(lǐng)域，可以使用覆蓋全部 MIR范圍的檢測(cè)器，或者可以選擇性地檢測(cè)至少一個(gè)波長(zhǎng)的檢測(cè)器。為了檢 測(cè)溶解的二氧化碳，例如可以使用熱電檢測(cè)器、PbSe檢測(cè)器，或者所謂的 熱電堆。為了執(zhí)行測(cè)量，將流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)從校準(zhǔn)腔9去除，該校準(zhǔn)腔或者設(shè)置 在真空下，或者填充有氣體或氣體混合物，該氣體或氣體混合物是透明的， 或者僅微弱地吸收使用的輻射。作為可選方案，還可以將參考介質(zhì)帶入校準(zhǔn)腔，并且相對(duì)于參考介質(zhì) 測(cè)量測(cè)量介質(zhì)。為了執(zhí)行校準(zhǔn)或者檢查當(dāng)前的校準(zhǔn)或最初的校準(zhǔn)，依次將不同濃度的 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)引入校準(zhǔn)腔9。對(duì)校準(zhǔn)檢查來(lái)說(shuō)，測(cè)量至少一種濃度的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。 為了執(zhí)行在線校準(zhǔn)，通過(guò)至少兩個(gè)不同濃度的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，其中在每種情況下，將在與沒(méi)有校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量介質(zhì)相同的條件下進(jìn)行的測(cè)量用 作零點(diǎn)或基值。在進(jìn)行根據(jù)該方法的工序時(shí)，傳感器保持在測(cè)量介質(zhì)2中，因而保持 在過(guò)程系統(tǒng)中，或者保持在容器中。檢測(cè)的吸收帶或檢測(cè)的吸收光譜表示測(cè)量介質(zhì)和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)吸收 的重疊，如果后者存在于校準(zhǔn)腔中。通過(guò)改變校準(zhǔn)腔^的流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的 濃度或局部壓力，并且通過(guò)至少兩個(gè)濃度執(zhí)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)上述在線校 準(zhǔn)，或者可以在不需要從該過(guò)程拆卸傳感器的情況下檢查最初的校準(zhǔn)。附圖標(biāo)記列表1 壁2 測(cè)量介質(zhì)3 ATR傳感器4 ATR體5 領(lǐng)懂表面6 側(cè)面7 傳感器殼體 .8 凹槽9 校準(zhǔn)腔10 校準(zhǔn)表面11 支架12 光源13 檢測(cè)器14 管道15 管道16 控制和/或調(diào)節(jié)單元17 光程/輻射
權(quán)利要求
1.用于確定溶解在測(cè)量介質(zhì)(2)中的物質(zhì)的ATR傳感器(3)，具有ATR體(4)，以及具有殼體(7)，所述殼體包括光源(12)和檢測(cè)器(13)，其中所述ATR體(4)具有測(cè)量表面(5)，可以使所述測(cè)量表面與所述測(cè)量介質(zhì)(2)直接接觸，以及，其中所述ATR體(4)具有平行于所述測(cè)量表面(5)布置的校準(zhǔn)表面(10)，并且其中可以使所述校準(zhǔn)表面(10)與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接觸和在至少一側(cè)上定界校準(zhǔn)腔(9)，所述校準(zhǔn)腔被布置在所述殼體(7)內(nèi)部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR傳感器，其特征在于，可以將由所述光 源(12)發(fā)射的輻射耦合到所述ATR體(4)內(nèi)，并且在測(cè)量表面(5)處 和校準(zhǔn)表面(10)處交替地反射，以便可以確定吸收值，所述吸收值包括 測(cè)量介質(zhì)的吸收以及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的吸收。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的ATR傳感器，其特征在于，所述ATR 體(4)在ATR體(4)遠(yuǎn)離所述介質(zhì)的側(cè)面上具有至少一個(gè)凹槽(8)，所 述凹槽(8)由所述校準(zhǔn)表面(10)定界，并且由適當(dāng)?shù)脑O(shè)備封閉，由此形 成所述校準(zhǔn)腔(9)。 '
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的ATR傳感器，其特征在于，所述校 準(zhǔn)腔(9)具有至少一個(gè)用于引入和/或去除流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的ATR傳感器，其特征在于，所述ATR 體(4)整體上由單件或者由借助光學(xué)透明的材料牢固連接的組件體形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的ATR傳感器，其特征在于，所述ATR體(4) 包括具有所述凹槽(8)的空心圓柱體，并且進(jìn)一步包括覆蓋所述空心圓柱 體的截錐，所述截錐的底部具有與所述空心圓柱體相同的直徑。
7. 用于溶解在測(cè)量介質(zhì)(2)中的物質(zhì)的ATR傳感器(3)的檢査校準(zhǔn) 和/或執(zhí)行在線校準(zhǔn)的方法，所述ATR傳感器特別是根據(jù)權(quán)利要求1至6之 一所述的ATR傳感器，其中所述ATR傳感器包括ATR體(4)，至少一個(gè)光 源(12)和至少一個(gè)檢測(cè)器(13)，其特征在于，所述方法包括下面的步驟a. 使所述ATR體(4)的測(cè)量表面(5)與所述測(cè)量介質(zhì)(2)接觸；b. 借助所述檢測(cè)器(13)，在從所述光源(12)耦合到所述ATR體 (4)內(nèi)的輻射的衰減全反射之后，記錄對(duì)于至少一個(gè)波長(zhǎng)的至少一個(gè)吸收值；c. 使所述ATR體(4)平行于所述測(cè)量表面(5 )延伸的校準(zhǔn)表面(10 ) 與以第一濃度存在的第一流體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接觸； 'd. 記錄至少一個(gè)第二吸收值，其中所述第二吸收值包括所述測(cè)量介 質(zhì)(2)的吸收以及所述第一校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的吸收；e. 基于所述第一和第二吸收值和基于所述第一校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的濃度確 定校準(zhǔn)檢查功能，并且將所述校準(zhǔn)檢査功能與所述最初的校準(zhǔn)比較；禾口/或f. 通過(guò)至少一個(gè)具有第二濃度的第二校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)步驟(c)和(d) 執(zhí)行在線校準(zhǔn)，并且記錄第三吸收值；以及g. 基于第一、第二和第三吸收值以及第一和第二濃度確定實(shí)際的校 準(zhǔn)功能。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是引入校 準(zhǔn)腔(9)或從校準(zhǔn)腔(9)去除的流體介質(zhì)，在一側(cè)上，所述校準(zhǔn)腔由所 述校準(zhǔn)表面(10)定界。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8之一所述的方法，其特征在于，對(duì)于至少一個(gè) 測(cè)量波長(zhǎng)和至少一個(gè)校準(zhǔn)波長(zhǎng)，測(cè)量所述校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的和所述測(cè)量介質(zhì)的吸 收，以便依靠所述兩個(gè)波長(zhǎng)確定至少兩個(gè)校準(zhǔn)檢査功能和/或至少兩個(gè)當(dāng)前 的校準(zhǔn)功能。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，從所述第一 吸收值，借助所述最初的校準(zhǔn)或借助當(dāng)前的校準(zhǔn)確定所述測(cè)量介質(zhì)中所述 物質(zhì)的含量。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10之一所述的方法，其特征在于，在所述測(cè)量 表面(5)處和平行于所述測(cè)量表面(5)延伸的所述校準(zhǔn)表面(10)處交 替地反射由所述光源(12)發(fā)射的輻射。
12. 存在于根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的ATR傳感器的處理單元中 的計(jì)算機(jī)程序，其用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求7至11之一所述的方法，特別地 用于借助最初的校準(zhǔn)或當(dāng)前的校準(zhǔn)確定測(cè)量結(jié)果，和/或檢驗(yàn)校準(zhǔn)。
全文摘要
用于確定溶解在測(cè)量介質(zhì)(2)中的物質(zhì)的ATR傳感器(3)，以及用于對(duì)該傳感器檢驗(yàn)校準(zhǔn)和/或執(zhí)行在線校準(zhǔn)的方法。ATR傳感器包括殼體(7)和ATR體(4)。將光源(12)和檢測(cè)器(13)布置在殼體中。ATR傳感器的卓越之處在于ATR體(4)具有至少一個(gè)測(cè)量表面(5)，以及平行于該測(cè)量表面布置的校準(zhǔn)表面(10)，其中該測(cè)量表面(5)接觸測(cè)量介質(zhì)(2)，并且其中在殼體(7)中布置校準(zhǔn)腔(9)，在至少一側(cè)上，所述校準(zhǔn)腔由校準(zhǔn)表面(10)定界。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101324522SQ20081010947
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者K-D·安德斯, M·哈勒爾 申請(qǐng)人:梅特勒-托利多公開股份有限公司