CN103257125A - 用于测量流体的co2含量的方法和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量流体的CO₂含量的方法和传感器。本发明涉及一种用于利用ATR传感器测量流体的CO₂含量的方法和ATR传感器，在壳体内该ATR传感器具有如下部件作为传感器部件：用于发射预定波长范围的电磁辐射源，能透过辐射并且能与被估计流体接触的反射体，以及用于反射的辐射的检测器和用于执行测量和用于操作的其它构件。根据本发明，该ATR布置为：在以气密方式密封壳体之前，尤其是为了避免测量值漂移和保持CO₂的辐射路径畅通，向所述壳体引入CO₂吸气剂材料，和/或在密封所述壳体的内部空间和/或能连接或已连接到所述壳体的内部空间的辅助壳体的接纳空间之前，向所述接纳空间引入CO₂吸气剂材料。

Description

用于测量流体的CO2含量的方法和传感器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的方法以及根据权利要求3的前序部分的ATR传感器。

背景技术

本发明用于测量流体的CO₂含量，其中流体可由多种成分组成。特别地，以这种方式可以对由多种成分构成的液体，诸如饮料，进行估计。由于CO₂是惰性气体，大多数情况下难以测量流体中包含的CO₂。一种测量CO₂的方法是所谓的ATR方法(衰减全反射)。

通过衰减全反射(也已知称为多次内反射)测量CO₂的技术已在CO₂分析中应用了很多年。ATR光谱法利用了如果光束入射到具有折射率n1的光密介质与具有折射率n2(n1＞n2)的光疏介质之间的界面上的入射角超过全反射的临界角，则在该界面处所述光束被全反射的效应。该临界角是sinθ＝n2/nl。

在该界面处，光束逃入到光疏介质并与光疏介质相互作用。在反射表面的后方形成所谓的瞬逝波，其具有处于波长范围的穿透深度。穿透深度d_p依赖于所采用的波长λ的两个折射率n1和n2以及入射角Θ。

$d_p=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}\sqrt{n_1^2{\sin }^2\left(\mathrm{\Θ}\right)-n_2^2}}$

如果光疏介质吸收入射辐射，则全反射束被衰减。该衰减或部分消光依赖于波长，并且与透射测量类似，全反射辐射的光谱可用于光谱估计。可根据透射光谱和/或消光光谱推断光疏介质的成分。

此外，基于红外辐射的吸收来确定低浓度和极低浓度的组分是一种已知的用于检测CO₂的方法。其利用了这样的事实：选定波长的红外辐射使分子设定为振动。溶解的CO₂具有在大约4.3μm范围内的特征吸收率谱带。基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，可以将吸收转换为精确的浓度测量。其描述为：

E_λ＝-lg(I/I₀)＝ε_λ.c.d，其中，

E_λ是在波长λ处的吸收，

I是透射光的强度，

I₀是入射光的强度，

ε_λ是消光系数，

c是浓度，以及

d是辐射体的层厚。

为了测量流体的CO₂含量，优选组合使用这两个基本原理。

图1示出了一种已知的ATR传感器。ATR传感器的核心件是反射体，该反射体是透明的并且在对于所应用的辐射特别是在大约4.3μm的IR辐射所关注的范围内具有高折射率。已知的用作这种光学反射体的材料，特别是晶体材料，例如是蓝宝石、ZnSe、Ge、SI、溴化铊、YAG、尖晶石，等。通常将反射体设计为使得通过在其内部上的多次反射来增加强度产率(intensity yield)。其它的传感器部件是适当频率(范围)的一个或多个辐射源，可选地用于选择频率的装置，以及一个或多个用于反射的辐射的检测器；它们也可以是频率选择性的。估计单元保存在检测器处测量的强度并支持对数据的估计和/或将测量的强度转换为相应的CO₂含量。至少传感器部件集成在壳体内部。在该壳体中还设置有其它必须的构件，诸如管线、密封件、选择频率的装置，等等。反射体的测量面与待测量的流体相接触。

以其最简单的形式，ATR传感器包括由晶体形成的作为允许内部反射的旋光(optically active)元件的反射体，辐射源以及检测器。借助其测量面，反射体伸入待估计的流体中，或者直接进入到处理流中，或者进入到容器内存在的流体。因此，这样的ATR传感器具有至少三个以相互合适的方式设置的传感器部件。旋光元件，即反射体，以气密的方式压紧壳体或者以压力密封或气密的方式连接到壳体，诸如利用O形环或者无弹性的密封件，诸如由PEEK、TEFLON等制成的那些。

已经表明了这样的ATR传感器是有缺陷的，尤其是存在长期漂移，随着该长期漂移，所测量的反馈值越来越偏离实际测量值。基于这个原因，有必要以规则的、相对短暂的间隔对这种测量设备进行校准和/或再调整。

发明内容

本发明的目的在于创建一种测量方法和ATR传感器，通过其能够避免这些缺陷。创新的ATR传感器应该主要是热稳定的，以便在操作中经受像这类的传感器在实际中，尤其是如果它们用于测量食品产品时，遇到的高温清洁过程。

在上述类型的方法中，通过在以气密方式密封壳体和/或连接到或者能连接到该壳体的内部空间的辅助壳体的接纳空间前，尤其是为了避免测量值漂移以及为了保持CO₂的辐射路径通畅，将CO₂吸气剂材料引入壳体和/或引入辅助壳体的接纳空间来实现这些目标。上述类型的ATR传感器的特征在于CO₂吸气剂材料包含于以气密形式密封的壳体的内部空间中和/或包含于连接到或能连接到壳体内部空间的辅助壳体的接纳空间中。

用于寻找在传感器之间变化的长期漂移的原因而进行的彻底和耗时的估计发现，这种长期漂移主要是由于从包封于壳体的内部空间中的所使用的电传感器部件以及测量所必需的其它构件中排除CO₂所导致的。由于从这些传感器部件和构件中出来的CO₂到达辐射路径并影响从辐射源引导到检测器的电磁辐射，从而其直接影响测量。由于壳体中存在的构件和传感器部件不可避免地连续释放少量或极少量的CO₂，迄今为止一般惯例包括，测量值会发生变化，并且传感器使用的时间越长，这些值与原始调整或校准的设定值偏离的越多。

现在，由于在壳体内包含和/或包封有吸气剂材料，可以分离该逐渐排除的CO₂，从而使ATR传感器的校准保持在其准确的初始值。

如果引入至少一定量的CO₂吸气剂材料，其能够在一时段内接纳从包含在所述壳体和/或在辅助壳体中的该传感器部件和其他部件排除的CO₂，该时段至少对应于ATR传感器的预期使用寿命或至少对应于一时段，其直到为了必须的维护和/或再调整目的而打开所述壳体和/或所述辅助壳体为止，这是有利的。从而，产生了大量免校准和免维护的ATR传感器。在预定的维护时间(这个时间尤其是由必要密封件(该密封在工艺条件下老化)的更换来确定，以及可选地由电和光学构件的维护来确定)，吸气剂材料甚至是可更换的。根据本发明，产生了一种实际上无漂移的CO₂传感器，在整个使用寿命内其需要最小的维护努力。

如果CO₂吸气剂材料从内部吸收了CO₂并在加热时，优选的是温度到200-1000℃，优选到300-600℃，将其束缚，并且由此提供CO₂吸气剂材料的表面用于吸收另外的CO₂分子，这是有利的。这种多孔的吸气剂材料具有在加热时从内部吸收束缚在其表面上的CO₂分子的能力，并且因而能够在ATR传感器的整个使用寿命内当临时重新活化时吸收CO₂，从而重复提供自由表面区域，用于吸收或吸附从内部空间中存在的传感器部件和构件排除的新CO₂分子。

如果在高达200℃，优选150℃时CO₂吸气剂材料在其CO₂亲和力方面是热稳定的，这是有用的。在该设备需要在使用期间在特定温度实施的清洁，或在高温测量期间需要清洁的情况中，吸气剂材料仍保持活性。

该传感器可具有直接集成的控制和估计单元或者带有用于传感器操作和显示的独立单元(诸如例如PC或显示和控制设备)的换能器。通过接口，可同时监测多个传感器，并且可以读取它们的数据并用于工艺控制。

除了CO₂吸气剂材料，如果在壳体的内部空间和/或辅助壳体的接纳空间中放置束缚和/或吸收含碳气体和/或蒸汽的其它吸气剂材料，这可能是有利的。这样可排除其它气体分子的任何影响。

在构造方面，如果在壳体和/或辅助壳体处形成用于净化气体管线的连接器，这可能是有利的。

基本上，也可能的是：在辅助壳体的接纳空间内包括CO₂吸气剂材料，辅助壳体的接纳空间可选择地通过管线连接到壳体的内部空间，该管线可通过插接单元插入，和/或在壳体的内部空间和/或在接纳空间中设置用于使所述内部空间和/或所述接纳空间中存在的大气强迫循环的设备，优选为通风机。如果在壳体内和/或辅助壳体内形成可以气密方式密封的壁开口以用于更换或再填充CO₂吸气剂材料，也可能是有用的。

为了提高吸气剂材料的使用寿命和能力，可以特意地在所述壳体内和/或所述辅助壳体内提供用于所述CO₂吸气剂材料的加热设备，以活化或重新活化所述CO₂吸气剂材料。

附图说明

接下来将基于附图对本发明进行更详细的示例。

图1示出了一种已知的ATR传感器。

图2示出了一种根据本发明的ATR传感器，以与图1所述的传感器相似方式进行构造，其中在壳体内部空间中存在吸气剂材料。

图3示出了一种根据本发明的ATR传感器的一个实施例，其中在与壳体内部空间连接的接纳空间中找到吸气剂材料。

图4示出了一种ATR传感器的实施例，其中吸气剂材料位于能连接到壳体内部空间的并且配备有加热设备的辅助壳体的独立的接纳空间中。

具体实施方式

图2示出了一种ATR传感器的实施例，其中ATR元件，即由晶体形成的反射体1，设置于壳体6内。壳体6利用具有密封件11的外壁10插入用于流体5的管线5a。电磁辐射源2以预定波长范围向反射体1发射电磁辐射，在反射体1的界面15处多次反射之后，其被反射到检测器3内的待估计流体5。待估计流体5可以在管线5a内行进(route)，或其被设置在容器内。应当预先注意的是，反射体1与待估计的流体5，特别是液体，相应地接触。在壳体6的内部空间7中，除了测量所必不可少的传感器部件外，还发现用于实施测量所必需的所有其它构件，其以18表示。在壳体6的内部空间7中存在吸气剂材料8。在内部空间7内还可提供用于移动内部大气的装置，诸如通风机9，其将从内部空间7的传感器部件和其它构件出来的以及从装置本身出来的CO₂分子12提供给吸气剂材料。一旦CO₂分子打到吸气剂材料8的表面，其就被束缚。

ATR传感器的壳体6以与环境和外部空间以及待估计流体5比较使得泄露率最小化的方式实施。这通过整体密闭壳体6并通过用于任何管线17的真空密闭通道和/或密封件16来实现。另外，以在相对于工艺环境朝着压力和温度稳定的方式实施电连接和反射体1的座部(seat)。在特定应用中壳体6可以特别设计为对化学制品是抗腐蚀的。

吸气剂材料8优先选择为具有尽可能低的活化能。该吸气剂材料8是能够通过吸收或者通过化学键在其表面束缚CO₂的化学反应材料。如果沉淀在自由表面上的CO₂分子可通过加热以透入吸气剂材料8内部的方式从表面移除，由此在所述表面上再次产生用于束缚另外的CO₂分子的空间，从而使得能够重新活化吸气剂材料8，这是有利的。

为了能够在创新的ATR传感器上有利地利用这样的吸气剂材料8，该吸气剂材料8被放置于内部空间7中，其具有能够束缚预定工作时期期间排除的所有CO₂分子的足够大小的表面。可替换地，可以考虑使用通过升温可再生的吸气剂材料8。还可以通过供应净化气体，吸气剂材料8被净化，从而出来的CO₂分子被消除。这种净化优选地在升高的吸气剂材料8的温度时来实施。

合适的吸气剂材料8包括，例如，钡、铝和/或镁合金；钛和铂也适用于此目的。也可使用非易蒸发性的吸气剂材料8，例如，诸如真空工程中已知的那些。它们与CO₂一同形成稳定的化合物，甚至在升温时，所吸收的CO₂分子也不会被吸气剂材料释放。锆就是这样的吸气剂8的一个例子。

如图3所示，还可以将壳体的内部空间7连接到辅助壳体6a的内部空间或接纳空间7a并将吸气剂材料8或其它吸气剂材料8放置在接纳空间7a中。内部空间7的大气与接纳空间7a的大气通过通风机9相互交换，并且从壳体的内部空间7排除的CO₂分子输送到吸气剂材料8。辅助壳体6a可以设计为可移除的和/或以气密方式能连接到壳体6，诸如例如，通过如图4所示的布置在连接管线6c内的闭锁设备6d。

如果已经吸收的CO₂分子在吸气表面形成保护钝化层，则吸气剂材料8可通过在预定时期后进行加热来重新活化。取决于材料，活化温度可以是200到1000℃。一旦活化，束缚到吸气剂表面的CO₂分子和分子化合物由于温度升高而被调动并扩散到吸气剂体内，从而使表面再次变得具有吸附性。吸气剂材料8的这种活化还可以发生于工作中在设计的升高清洁温度处对壳体6的外表面进行清洁期间，或者通过设置在壳体6的内部空间7或辅助壳体6a的接纳空间7a中的单独加热设备18。加热设备18分别由电源和控制单元17供电和控制。

如图4所示，净化气体可通过净化气体入口19和净化气体出口20供应到壳体6和/或辅助壳体6a。

Claims (12)

1.一种利用ATR传感器测量流体的CO₂含量的方法，在壳体(6)内，该ATR传感器具有如下部件作为传感器部件：用于发射预定波长范围的电磁辐射源(2)，能透过辐射并且能与被估计流体(5)接触的反射体(1)，以及用于反射的辐射的检测器(3)和用于执行测量和用于操作的其它构件(16，17，18)，

其特征在于：

在以气密方式密封壳体(6)之前，尤其是为了避免测量值漂移和为了保持CO₂的辐射路径畅通，向所述壳体(6)引入CO₂吸气剂材料(8)，和/或在密封所述壳体的内部空间(7)和/或能连接或已连接到所述壳体(6)的内部空间(7)的辅助壳体(6a)的接纳空间(7a)之前，向所述接纳空间(7a)引入CO₂吸气剂材料(8)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于至少以能够在一时段内吸收从包含在所述壳体(6)或辅助壳体(6a)中的该传感器部件和其他部件排除的CO₂的量来引入所述CO₂吸气剂材料，该时段至少对应于ATR传感器的预期使用寿命或至少对应于一时期，其直到为了必须的维护和/或调整目的而打开所述壳体(6)和/或所述辅助壳体(6a)为止。

3.一种尤其是用于测量流体的CO₂含量的ATR传感器，在壳体(6)内具有如下部件作为传感器部件：用于发射预定波长范围的电磁辐射源(2)，能透过辐射并且能与被估计流体(5)接触的反射体(1)，以及用于反射的辐射的检测器(3)和用于执行测量和用于操作的其它构件，其特征在于，CO₂吸气剂材料(8)包含在以气密方式密封的所述壳体(6)的内部空间(7)内和/或包含在以气密方式连接到或能连接到所述内部空间(7)的辅助壳体(6a)的接纳空间(7a)内。

4.根据权利要求3的ATR传感器，其特征在于所述CO₂吸气剂材料(8)从内部吸收CO₂并在加热的时候，温度优选到200-1000℃，优选到300-600℃将其束缚，从而提供所述CO₂吸气剂材料(8)的表面用于接纳另外的CO₂分子。

5.根据权利要求3或4的ATR传感器，其特征在于在高达200℃时，优选150℃，所述CO₂吸气剂材料(8)在其CO₂亲和力方面是热稳定的。

6.根据权利要求3到5中任何一项的ATR传感器，其特征在于控制和/或估计单元(18)、换能器密封件(16)、管线(17)、用于所述CO₂吸气剂材料(8)的接纳容器和/或电子构件被设置在所述内部空间(7)和/或所述接纳空间(7a)内作为用于执行所述测量和用于操作的构件。

7.根据权利要求3到6中任何一项的ATR传感器，其特征在于除了所述CO₂吸气剂材料(8)，在所述壳体(6)的内部空间(7)内和/或在所述辅助壳体(6a)的所述接纳空间(7a)内还放置有另外的吸气剂材料，其束缚和/或吸收含碳气体和/或蒸汽。

8.根据权利要求3到7中任一项的ATR传感器，其特征在于用于净化气体管线的连接器(19)被提供在所述壳体(6)和/或所述辅助壳体(6a)处，或者净化气体管线被连接到所述辅助壳体(6a)和/或所述辅助壳体(6a)。

9.根据权利要求3到8中任一项的ATR传感器，其特征在于所述CO₂吸气剂材料(8)被引入辅助壳体(6a)的接纳空间(7a)内，该接纳空间(7a)通过管线(6c)连接到所述壳体(6)的内部空间(7)，该管线(6c)可选地能与插接单元(6d)插接。

10.根据权利要求3到9中任何一项的ATR传感器，其特征在于在所述壳体(6)的内部空间(7)内和/或在所述接纳空间(7a)内设置用于使所述内部空间(7)和/或所述接纳空间(7a)内存在的大气强迫循环的设备(9)，优选为通风机。

11.根据权利要求3到10中任一项的ATR传感器，其特征在于在所述壳体(6)和/或所述辅助壳体(6a)内提供能够以气密方式密封的壁开口，用于更换或再填充CO₂吸气剂材料(8)。

12.根据权利要求3到11中任一项的ATR传感器，其特征在于在所述壳体(6)内和/或所述辅助壳体(6a)内布置用于所述CO₂吸气剂材料(8)的加热设备(18)，用于活化或重新活化所述CO₂吸气剂材料(8)。

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