[发明专利]衰减全反射传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助衰减全反射方法确定溶解在测量介质中的物质含 量的衰减全反射(ATR)传感器，还涉及一种检验校准和/或执行ATR传感 器的在线校准的方法。

背景技术

衰减全反射(也称作衰减全反射能力，缩写ATR)是一种光谱学技术， 由此借助内反射研究样品。电磁辐射例如中间红外线范围中的辐射通过第 一切割面耦合到ATR体，然后在第一表面上反射。辐射沿所述第一和第二 表面之间的ATR体反射几次，其中每次反射都是衰减全反射。ATR光谱术的 一个优点在于：对于光谱的确定来说，非常短的光程长度就已经足够了。 进入样品的辐射穿透深度取决于样品和ATR体相应的折射率，以及辐射与 样品相遇的入射角度。

如果样品或测量介质接触这些表面之一，则每次反射该样品选择性地 吸收一部分辐射。在另一端，剩余的辐射被耦合出ATR体，并且通过检测 器记录由样品或测量介质吸收的辐射的能量分布。在输出端，能量分布可 以作为波长的函数即光谱，或者仅记录对于至少一个波长的吸收。

对内反射来说，已知的现有技术包括不同的形状体。在许多情况下， 这些体是晶体状的，其对用于测量的辐射来说在光学上是透明的。

ATR光谱术最初用在实验室中，用于研究不同种类的样品。除了ATR体 之外，传统的ATR光谱具有辐射源、检测器以及适当的将辐射耦合到ATR 体内或耦合出ATR体的光学设备。在研究中，该样品可以是固态、液态或 气态的。

除了在实验室中的应用，已知范围的用途还包括化学、生物学或物理 过程中的应用，其中例如借助ATR探针研究测量介质，该测量介质接触ATR 体的测量表面。特别地，在过程应用中，经常出现这样的情况：不是分析 整个光谱，而是仅将选定的波长耦合到ATR体内和/或检测，作为确定特别 瞄准的、在测量介质中存在的物质的吸收，以及，确定过程或测量介质中 的它们的浓度的方法。

在大多数不同的领域如饮料行业或生物技术领域中，确定一个或多个 溶解在介质中的物质，特别地，确定其含量比例或浓度。这种物质的例子 包括二氧化碳(CO₂)、甲醇、乙醇、甲烷，以及其它包含在流体过程或测量 介质如水溶液等中的化学物质。尤其是，对于饮料行业来说，作为生产控 制的一部分，准确知道CO₂的含量是很重要的。

对于在线测量来说，例如从US 2004/0201835 A1已知具有不同ATR体 的ATR传感器，特别地，其公开了具有不同几何形状或在面向测量介质的 一侧具有凹槽的ATR体，以便可以通过ATR和透射光谱学的组合进行检查。

在过程条件下的光谱检查中，在校准传感器时，特别地在检查校准时， 以及执行安装在过程系统中的传感器的最初校准和/或再校准时，本身存在 已知的问题。

通过Lambert-Beer定律在物质的吸收和浓度之间建立关系，对于低浓 度来说，其表示两个数值之间的线性关系。

然而，如果要在复杂的测量介质中确定单独的物质或一类物质，则本 身存在下面的问题：常常引入ATR体的辐射不仅由溶解在测量介质中的物 质吸收，而且由测量介质本身吸收。其中，这种效应称作基体效应。

为了最小化基体效应，过程能力的ATR传感器的校准不仅包括不同纯 物质的测量，而且特别地，包括测量介质中这种物质的浓度相关的测量， 在许多情况下，这会改变其成分。

特别地，通过改变成分的测量介质，例如，在啤酒酿造过程期间存在 种类的介质，对完全的校准来说，需要测量所有测量介质和物质含量的组 合，并且在校准时考虑，这是非常费时的。

因此，这种校准经常通过标准样品在过程外执行，并且反映仅具有确 定错误公差的实际过程条件。

为了保证ATR传感器的测量公差和/或正确功能，特别地，那些安装在 过程系统中的，并且用于检查相同种类或变化的测量介质，有利地，能够 在安装或在线条件下确定和/或检验传感器的校准。

发明内容

这项任务是由用于确定溶解在测量介质中的物质的ATR传感器以及用 于校准传感器的方法解决的。

ATR传感器具有ATR体和壳体，以及布置在该壳体中的光源和检测器。 ATR体具有至少一个测量表面和平行于该测量表面布置的校准表面，其中该 测量表面接触该测量介质，该校准表面在至少一侧上形成校准腔的边界， 所述校准腔布置在该壳体内部。