CN114127541A - 总有机碳传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于感测液体(L)中的有机碳的传感器(1)，包括：具有用于容纳液体(L)的内部空间(20)的容器(2)、光电探测器(3)和光源(4)，所述光源被配置成发射紫外光(5)，使得紫外光(5)沿着光路(P)行进通过驻留在内部空间(20)中的液体(L)，并且可被液体(L)中的有机分子的碳键吸收。根据本发明，光电探测器(3)被配置成检测可见或红外光谱中的光，并且传感器(1)包括布置在光路中的下转换材料部分(22；22a)，其中下转换材料部分(22；22a)被配置为接收由光源(4)发射的入射紫外光(5)并且将所接收的紫外光(5)下转换并且发射可见或红外光谱中的下转换光(50)，使得所发射的下转换光(50)撞击在光电探测器(3)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于紫外(UV)光来感测液体中，特别是水中的有机分子的碳键的传感器。
这种传感器特别用于检测所谓的总有机碳(TOC)、溶解有机碳(DOC)、水质测试参数UV254和/或化学需氧量(COD)。
背景技术
总有机碳(TOC)值是环境分析中常用的总和参数，表示样品中总有机碳的总和。该参数通常以单位体积质量(例如mg/L)表示。因此，它是例如液体探针(liquidprobe)如水中的有机碳含量的量度。因此，TOC不包括无机结合的碳，例如碳酸盐或CO2。
液体中的有机碳含量与液体的UV吸光度相关。
US2016/0356713A1公开了一种内联水污染物检测器，包括照度传感器，用于检测由UV254 LED产生的紫外光的吸收，当水填充检测器的样品室时，该UV254 LED可以被启用。
然而，由于使用了在光谱的紫外区域中敏感的诸如光电探测器的电子元件，这种传感器相对昂贵。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种传感器，其包括简单且成本有效的设计，该设计允许感测液体中的有机碳，特别是TOC、DOC、UV254和/或COD。
该问题通过具有权利要求1的特征的传感器来解决。
该传感器的优选实施例在从属权利要求中陈述并在下面描述。
根据权利要求1，公开了一种用于感测液体(特别是水)中的有机碳，特别是TOC、DOC、UV254和/或COD的传感器，所述传感器包括：
-具有用于容纳液体的内部空间的容器，
-光电探测器，
-光源，所述光源被配置成发射紫外光，使得紫外光沿着光路行进通过驻留在内部空间中的液体并且能够被液体中的有机分子的碳键吸收。
在本发明的框架中，碳键是碳-碳键，即两个碳原子之间的共价键。
根据本发明，光电探测器被配置为检测可见或红外光谱中的光，并且传感器包括布置在光路中的下转换材料部分，其中下转换材料部分被配置为接收由光源发射的入射紫外光并且将所接收的紫外光下转换并且发射所述可见或红外光谱中的下转换光，使得所发射的下转换光撞击在光电探测器上。
有利地，由于使用将紫外辐射转换成可见或红外光谱中的光的下转换材料，可以省略专用的紫外光光电探测器/光电二极管。
特别地，紫外(UV)光是包括100nm和400nm之间的波长的光，因此特别地具有比可见紫光更短的波长。此外，红外(IR)光位于可见光谱的红色端之外。光谱的UV部分被分成三个区域：UVA(315nm至400nm)、UVB(280nm至315nm)和UVC(100nm至280nm)。
此外，本发明允许使用更大的光电探测器，从而在不增加成本的情况下产生更高的分辨率。
特别地，由于特定的设计，根据本发明的传感器对于存在于待测试液体中的气泡而言更稳健。
此外，使用面向光源/光电探测器的反射表面/下转换材料，可以收集更多的光，这也增加了传感器的分辨率。
根据本发明的实施例，光源是被配置为发射UV光的发光二极管(LED)。此外，在一个实施例中，光电探测器是在可见或红外光谱中敏感的光电二极管。特别地，光电探测器/光电二极管可以基于诸如Si、GaAs(VIS-NIR，IR)的材料，并且光源/LED可以基于诸如GaN、SiC的材料。
此外，根据优选实施例，UV光可沿其通过有机分子的碳键在液体中被吸收的所述光路包括1cm至10cm的长度，特别是2cm至6cm。
此外，根据本发明的实施例，容器包括面向容器的内部空间的内表面。
优选地，内表面包括以下之一：平坦区域、弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域。
此外，在实施例中，所述内表面的至少一个区域(特别是完整的内表面或所述平坦的、弯曲的、凹陷的、椭圆形的或抛物线形的区域)由所述下转换材料部分形成，特别地使得由光源发射的紫外光撞击在下转换材料部分上，并且由下转换材料部分发射的下转换光撞击在光电探测器上。
此外，根据本发明的实施例，所述下转换材料部分形成布置在光电探测器上的具有100nm至5mm厚度的层，特别地使得由光源发射的紫外光撞击在所述内表面上(例如，在所述平坦的、凹陷的、椭圆形的或抛物线形的区域上)，由内表面反射，撞击在所述层上，并且由所述层发射的下转换光撞击在光电探测器上。因此，在下转换材料部分形成布置在光电探测器上的所述层的情况下，根据实施例，所述内表面被设计为反射紫外光。根据另一实施例，由下转换材料部分形成的所述层包括在100nm至5mm范围内，特别是在1μm至1mm范围内的厚度。
此外，根据本发明的实施例，形成相应的下转换材料部分的下转换材料是以下材料中的一种或包括以下材料中的一种：聚苯乙烯、荧光聚合物、荧光陶瓷、嵌入聚合物基质或玻璃基质或薄膜中的量子点形式的半导体颗粒、有机荧光团、瓷器、赤陶、砂岩、玻璃、PVC(聚氯乙烯)、荧光聚合物粘土。
此外，根据一个实施例，下转换材料可以包含以下添加剂中的一种或多种：
a)紫外线吸收剂(即，吸收紫外光的材料)，优选地以下中的一种：金红石型氧化钛、二氧化钛、羟基二苯甲酮、羟基二苯甲酮草酰苯胺、羟基苯基苯并三唑、羟基苯基苯并三唑草酰苯胺、二苯甲酮、苯并三唑、羟基苯基三嗪。
b)淬灭剂，优选镍淬灭剂，以减少荧光，从而延长下转换材料的寿命。这里，猝灭是指降低给定物质的荧光强度的任何过程。
c)位阻胺光稳定剂(HALS)，优选2,2,6,6-四甲基哌啶。
此外，根据本发明的实施例，传感器包括连接到容器的盖子，用于封闭容器。
特别地，盖子包括面向容器的内部空间的第一表面，其中优选地所述第一表面是不透明的，即，非半透明的。特别地，表面可以是黑色的(例如，涂覆有黑色涂料/材料)或金属的。此外，容器的外表面也优选地是不透明的。
此外，根据本发明的实施例，传感器包括布置在盖子和容器的正面之间的密封构件，该正面包括由盖子封闭的容器开口。
此外，根据本发明的实施例，容器包括形成正面的凸缘，其中盖子连接到凸缘。
此外，根据本发明的实施例，光电探测器和光源在容器的内部空间的外部安装到盖子，特别是安装到盖子的第二表面，该第二表面从盖子或容器的内部空间背离所述第一表面。
此外，根据本发明的实施例，光电探测器和光源布置在印刷电路板上，该印刷电路板安装到盖子，特别是安装到盖子的所述第二表面，或者其中光电探测器安装到第一印刷电路板，光源安装到第二印刷电路板，其中两个印刷电路板安装到盖子，特别是安装到盖子的所述第二表面。
此外，根据本发明的实施例，盖子包括第一孔，以允许光从内部空间朝向光电探测器通过，并且其中盖子包括第二孔，以允许由光源发射的紫外光通过进入容器的内部空间。
特别地，在一个实施例中，光电探测器被布置在容器的内部空间的外部，在第一孔的前面。此外，特别地，光源布置在容器的内部空间的外部，在第二孔的前面。
此外，根据实施例，第一孔由允许光通过其中的第一光学窗口封闭，其中第一光学窗口被配置成防止驻留在内部空间内的液体通过第一孔泄漏到内部空间外。此外，在一个实施例中，第二孔由允许光通过其中的第二光学窗口封闭，其中第二光学窗口被配置成防止驻留在内部空间内的液体通过第二孔泄漏到内部空间外。
此外，根据本发明的实施例，容器包括从容器的壁的外侧突出的突起，该壁界定内部空间并且包括所述内表面，其中所述突起包括垂直于容器的盖子延伸的边缘。
此外，根据本发明的实施例，传感器包括连接到容器的导管，该导管被配置成将液体引导到容器中和容器外，其中导管连接到容器的边界部分，该边界部分包括由盖子封闭的容器的开口。
优选地，在一个实施例中，导管连接到所述凸缘和/或容器壁的外侧。特别地，导管可以由管形成，该管包括与容器的内部空间流体连通的侧向开口。此外，根据一个实施例，管或导管包括在管/导管的一端处的入口和在管/导管的相对端处的出口，使得液体可以经由入口和侧向开口进入容器的内部空间，并且可以经由管/导管的侧向开口和出口排出容器的内部空间。
根据一个替代实施例，导管也可连接到容器的盖子。
此外，根据本发明的实施例，传感器包括分析电路。特别地，分析电路被配置为分析光电探测器的输出信号并且生成指示所述液体中的有机碳浓度的输出。特别地，所述浓度是指质量/体积浓度。也可以设想其它合适的措施。
特别地，光电探测器的输出信号是与撞击在光电探测器上的下转换光的强度成比例的电流。根据替代实施例，分析电路可以布置在外部设备(例如，诸如智能电话的移动设备)中或由外部设备形成。这样的系统于是包括根据本发明的传感器和(例如外部)分析电路，该分析电路被配置成从传感器接收数据(例如以无线方式或经由线缆)。
此外，根据本发明的实施例，传感器包括另一光源，该另一光源被配置成发射可见光谱中的光，使得光被容器的内表面的下转换材料部分反射，其中传感器被配置成测量反射光(其未被下转换，因为其是可见光)以估计指示以下各项中的至少一项的值：下转换材料部分的老化(由于入射到下转换材料部分上的紫外光，例如，下转换材料部分由于入射到下转换材料部分上的紫外光而发生的光漂白)、沉积在下转换材料部分和/或第一光学窗口和/或第二光学窗口上的污染物(例如，水垢、生物膜等)。
此外，在一个实施例中，光电探测器用于测量来自该另一光源的所述反射的可见光。或者，传感器可以包括另一光电探测器(例如，在可见光谱中感测的光电二极管)，以测量来自该另一光源并从容器内部空间的内表面反射的可见光。此外，该另一光源可以被布置在所述(单个)印刷电路板上或者第二印刷电路板上。特别地，该另一光源被布置成与发射紫外光的光源相邻。
特别地，根据实施例，分析电路被配置为在所述输出的生成中使用所述估计值来补偿所述老化(例如，漂白)和污染物中的至少一个的影响。此外，分析电路还可以被配置为使用可见光源来补偿液体中的浊度。
此外，根据实施例，传感器包括被配置为检测可见或红外光谱中的光的另一光电探测器，并且其中光源还被配置为还发射紫外光，该紫外光沿着另一光路行进通过液体并且可被液体中的有机分子的碳键吸收，其中传感器包括布置在另一光路中的另一下转换材料部分，其中另一下转换材料部分被配置为接收由光源发射的入射紫外光并且将接收的紫外光下转换并且发射可见或红外光谱中的所述下转换光，使得发射的下转换光撞击在另一光电探测器上，并且其中光路的长度不同于另一光路的长度。
特别地，根据一个实施例，内表面包括第一区域和第二区域。
根据一个实施例，第一区域由下转换材料部分形成，并且第二区域由另一下转换材料部分形成，使得沿着光路行进的紫外光撞击内表面的第一区域，并且由内表面的所述第一区域发射的下转换光撞击光电探测器，并且使得沿着另一光路行进的紫外光撞击内表面的第二区域，并且由内表面的所述第二区域发射的下转换光撞击另一光电探测器。
根据一个替代实施例，下转换材料部分形成布置在光电探测器上的层(例如，具有100nm至5mm的厚度，特别是1μm至1mm的厚度)，特别地使得由光源发射的紫外光撞击在所述内表面的第一区域上，被内表面的第一区域反射，撞击在所述层上，并且由所述层发射的下转换光撞击在光电探测器上，并且其中，传感器包括形成布置在另一光电探测器上的另一层的另一下转换材料部分，特别地使得由光源发射的紫外光撞击在所述内表面的第二区域上，被内表面的第二区域反射，撞击在所述另一层上，并且由所述另一层发射的下转换光撞击在另一光电探测器上。
根据另一实施例，传感器包括将光电探测器与容器的内部空间分离的第一光学窗口。此外，根据一个实施例，传感器包括将另一光电探测器与容器的内部空间分离的第二光学窗口(又一光学窗口，例如第三光学窗口，可以将光源与容器的内部空间分离)。
根据一个实施例，下转换材料部分由将光电探测器与容器的内部空间分离的第一光学窗口构成或形成。此外，根据一个实施例，另一下转换材料部分由将另一光电探测器与容器的内部空间分离的第二光学窗口构成或形成。
因此，特别地，由光源发射的紫外光撞击在所述内表面的第一区域上，由内表面的第一区域反射，并且最终撞击在所述第一光学窗口上，并且由所述第一光学窗口发射的下转换光撞击在光电探测器上。同样地，特别地，由光源发射的紫外光撞击在所述内表面的第二区域上，由内表面的第二区域反射，并且最终撞击在所述第二光学窗口上，并且由所述第二光学窗口发射的下转换光撞击在另一光电探测器上。
此外，根据本发明的一个实施例，形成相应的下转换材料部分的下转换材料是以下材料中的一种或包括以下材料中的一种：荧光矿物、红宝石、硅锌矿、萤石、方解石、绿坡缕石、磷灰石、文石、重晶石、铈硅石、玉髓、刚玉、针沸石、硬柱石、海长石、水锌矿、蛋白石、焦吗啉、方石英、白钨矿、亚硒酸盐、菱锌矿、方钠石、闪锌矿、透闪石、钨辉石、硅灰石、钙硅石。
此外，根据一个优选实施例，将相应光电探测器与容器的内部空间分离的第一和第二光学窗口由红宝石形成。
优选地，内表面的第一区域是以下之一：平坦区域、弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域、半球区域。此外，内表面的第二区域是以下之一：平坦区域、弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域、半球区域。
此外，根据一个实施例，内表面的第一区域包括曲率，该曲率具有比内表面的第二区域的曲率半径大的半径。
此外，根据一个实施例，内表面的第一区域和第二区域，特别是在半球形区域的情况下，在相交处相交，使得对于两个半球中的每一个，指向相交处的相应半径和垂直于半球的平坦表面的相应半径(即，指向相应半球/区域的顶点的半径)形成0°和90°之间的角度。
此外，根据实施例，光电探测器面向内表面的第一区域，另一光电探测器面向内表面的第二区域，并且光源面向所述相交处。
此外，根据实施例(在下转换材料部分不由内表面的第一和第二区域形成的情况下)，内表面的第一区域和内表面的第二区域每个包括在0.1和0.99之间的反射率，并且每个被配置为以漫射方式反射光(漫反射)。
此外，根据一个实施例，内表面的第一和第二区域被配置成引导由光源发射的光的镜面反射远离所述两个窗口。特别地，内表面的第一和第二区域被配置成使得主要是漫反射的光撞击在所述两个光学窗上。这有助于避免镜面反射光到达光电探测器，这是期望的，因为这种类型的反射是随着材料老化而变化最多的反射。
根据又一实施例，光电探测器和另一光电探测器各自被配置为生成指示撞击在相应光电探测器上的光的强度的输出信号，其中，两个输出信号的比率指示所述液体中的有机碳浓度，并且与内表面的第一区域和第二区域的总反射率以及镜面反射率与漫反射率之间的比例无关。
特别地，分析电路被配置为确定所述比率以便估计所述有机碳浓度。
此外，根据一个实施例，分析电路被配置为分析另一光电探测器的输出信号，并且生成指示所述液体中的有机碳浓度的另一输出。特别地，另一光电探测器的输出信号是与入射到另一光电探测器上的下转换光的强度成比例的电流。此外，特别地，分析电路被配置为使用输出和另一输出来计算所述液体中的有机碳浓度，该浓度独立于沉积在传感器的内表面上和/或第一光学窗口上和/或第二光学窗口上和/或第三光学窗口上的污染物(例如，水垢、生物膜等)。
此外，根据实施例，分析电路被配置为当传感器从液体(例如水)中排空时分析光电探测器的输出信号，并且使用该值作为测量水中TOC的基线。
在没有液体(例如水)的情况下获取的参考值指示以下中的至少一个：下转换材料部分的老化(由于入射到下转换材料部分上的紫外光，特别是由于入射到下转换材料部分上的紫外光而引起的下转换材料部分的光漂白)、沉积在下转换材料部分上的污染物(例如，水垢、生物膜等)。
换句话说，根据一个实施例，传感器可以被配置成使得内部空间可以排空液体(例如水)，并且分析电路(例如处理器)知道(例如可以检测这种状态)。在这种情况下，光电探测器上的光没有经历来自液体(例如水)的吸收，因此它可以用作基线以消除下转换材料(或沉积物，例如水垢或生物膜)的光漂白的影响。
根据一个实施例，容器包括用于将液体(例如水)排出传感器的容器的内部空间的孔。特别地，该孔允许液体(例如水)流出传感器的内部空间(例如流入水管)，空气可以通过该内部空间进入传感器。
本发明的又一方面涉及一种与根据本发明的传感器相对应的传感器，其中，省略了下转换材料部分，并且光电探测器被配置为检测UV光。这种省略下转换材料部分并用紫外光光电探测器替换相应的光电探测器可应用于本文所述的所有实施例。
根据优选实施例，用于感测液体(例如水)中的有机分子的碳键的这种传感器包括：
-具有用于容纳液体的内部空间的容器，
-光源，所述光源被配置成发射紫外光，使得紫外光沿着光路行进通过驻留在内部空间中的液体并且能够被液体中的有机分子的碳键吸收，以及
-光电探测器和另一光电探测器，每个光电探测器被配置为检测由光源发射的紫外(UV)光。
该传感器可以进一步由这里关于包括下转换材料部分的相应传感器描述的特征来指定。
附图说明
下面，参考附图描述本发明的优选实施例以及本发明的其它特征和优点，其中
图1示出了根据本发明的传感器的实施例的分解图；
图2示出了图1所示传感器的另一分解图；
图3示出了图1和2中所示的传感器的容器的立体图；
图4示出了图1至3中所示的传感器的容器的盖子上的立体图；
图5示出了图1至图4所示的传感器的容器的盖子的平面图；
图6示出了图1至图5所示的传感器沿图5中的线A-A的横截面图；
图7示出了图1至图6所示的传感器沿图5中的线B-B的横截面图；
图8示出了容器的背离传感器的盖子的一侧上的平面图；
图9示出了根据本发明的传感器的另一实施例的示意性横截面图，
图10示出了根据本发明的传感器的另一实施例的示意图，
图11示出了根据本发明的传感器的另一实施例的示意图，
图12示出了图11的传感器的容器的内表面的第一和第二区域的形状，以及
图13示出了从光源到图11的传感器的相应光电探测器的两个可能的光路。
具体实施方式
图1结合图2至图8示出了用于测量液体L(例如水)中的有机碳浓度的传感器1的实施例，其中，传感器1特别适于测量TOC(总有机碳)。
为此，传感器1包括容器2，其界定了用于容纳一定量的液体L以分析有机碳的内部空间20；光电探测器3；以及光源4，其被配置为发射紫外光5，使得紫外光5沿着光路行进通过驻留在内部空间20中的液体L，并且可被液体L中的有机碳(特别是碳键)吸收。
根据本发明，光电探测器3被配置为检测可见或红外光谱中的光，并且传感器1包括布置在光路中的下转换材料部分22(例如，参见图6)，其中下转换材料部分22被配置为接收由光源发射的入射紫外光5，并且将所接收的紫外光5下转换，并且发射可见或红外光谱中的所述下转换光50，使得所发射的下转换光50撞击在光电探测器3上(参见图6)。
从下转换材料部分22发射并穿过液体L(例如水)的所述可见光或红外光由于其更长的波长(与UV光相比)而不被有机碳键吸收。
优选地，光源4由发光二极管(LED)形成，并且光电探测器3优选地是在可见或红外光谱中敏感的光电二极管。
特别地如图6所示，容器2包括面向容器2的内部空间20的内表面21。特别地，内表面21包括凹陷形状，特别是抛物线曲率。
优选地，为了将UV光5下转换为能够由光电探测器3感测的可见/IR光50，所述内表面21的至少一个区域(特别是完整的内表面21或者弯曲、凹陷或者抛物线区域)由所述下转换材料部分22形成。因此，由光源4发射的紫外光5撞击在所述下转换材料部分22上，并且由所述下转换材料部分22发射的下转换光50撞击在光电探测器3上。
或者，也如图6中通过虚线所指示的，所述下转换材料部分还可以形成布置在光电探测器3上的层22a。然后，由光源4发射的紫外光5撞击到所述内表面21上，该内表面现在不是由下转换材料形成，而是包括反射表面(例如，诸如铝的金属)，使得紫外光5被内表面21反射，并且反射的紫外光50撞击到所述层22a上，被所述层22a下转换，并且最终撞击到光电探测器3上(作为可见或红外光)。
特别地，所述光路P包括1cm至10cm，特别是4cm至6cm的长度。
特别地，下转换材料可以是荧光聚合物或陶瓷。也可以使用其它材料。特别地，整个容器2/容器的壁27可以由下转换材料形成，从而可以形成所述部分22。或者，内表面21可以由设置在容器2的壁27上的涂层或层形成，从而该涂层/层形成下转换材料部分22。
为了在容器2的正面2a上封闭容器2的开口2b，传感器1包括连接到容器2的盖子23。特别地，盖子23包括面向容器2的内部空间20/正面2a的第一表面23a(例如，参见图2)，其中优选地，所述第一表面23a是不透明的(非半透明的)，例如黑色的，使得优选地，光不能透射通过表面23a。为了密封盖子23和容器2的所述正面2a之间的连接，在盖子23和正面2a之间放置圆周密封构件24。
特别地，容器2包括形成所述正面2a的凸缘25，其中，盖子23连接到凸缘25(例如，使用螺栓和螺母)。
如图2所示，光电探测器3安装在第一印刷电路板(PCB)30上，光源4安装在第二印刷电路板40上，其中两个印刷电路板30、40安装在盖子23上。或者，如图9所示，光电探测器3和光源4也可以布置在同一印刷电路板42上。因此，PCB 30和40可以形成单个PCB。
为了光的通过，盖子23包括第一孔230和第二孔231，其中光电探测器3被布置在容器2的内部空间20的外部、第一孔230的前面，并且光源4被布置在容器2的内部空间20的外部、第二孔231的前面。
特别地，第一孔230由允许光通过的第一光学窗口31封闭，其中第一光学窗口31被配置成防止驻留在内部空间20内的液体L通过第一孔230泄漏到内部空间20外。此外，特别地，第二孔231由允许光通过的第二光学窗口41封闭，其中第二光学窗口41被配置成防止驻留在内部空间20内的液体L通过第二孔231泄漏到内部空间20外。
特别地，为了保持或支撑盖子23或印刷电路板30、40的竖直定向，容器2可以包括从容器2的壁27的外侧28突出的突起26(例如，参见图1)，该壁27界定内部空间20并且包括所述内表面21，其中所述突起26包括垂直于容器2的盖子23延伸的边缘26a。因此，在传感器1以其边缘26a搁置在支撑件上的情况下，盖子23将垂直于支撑件延伸。
为了用待测试的液体L(例如水)填充容器的内部空间20，传感器1包括连接到容器2的导管6(或通道)。特别地，导管6可以连接到容器2的凸缘25和/或连接到容器2的壁27的外侧28，例如如图2所示。如图6进一步所示，导管6可以由管形成，该管包括与容器2的内部空间20流体连通的侧向开口61。此外，管或导管6包括在管/导管6的一端6a处的入口60和在管/导管6的相对端6b处的出口62，使得液体L可以经由入口60和侧向开口61进入容器2的内部空间20，并且可以经由管/导管6的侧向开口61和出口62排出容器2的内部空间20。
此外，根据一个实施例，传感器1可以包括如图7所示的孔63。孔63仅在图7中示出，但是如果需要的话可以存在于所有实施例中。孔可以布置在容器2的壁27中。特别地，孔63可以用于从传感器的容器2的内部空间20排出液体(例如水)(例如进入水管)，空气可以通过该液体进入容器2的内部空间20。
为了分析由光电探测器3提供的输出信号(例如电流)，传感器1包括分析电路7，其从光电探测器3的输出信号产生传感器1的输出，该输出信号指示所述液体L中的有机碳浓度。由于液体L中的有机分子的碳键吸收UV光，最终撞击在光电探测器3上的光的强度相应地改变，这允许以已知方式确定液体L中的有机碳浓度，特别是TOC。
优选地，分析电路7集成到传感器1中。特别地，分析电路7可以布置在第一或第二印刷电路板30、40上(或者在使用单个印刷电路板的情况下布置在印刷电路板上)。最优选地，分析电路7与光电探测器3集成在同一芯片上。或者，分析电路也可以布置在外部部件上，例如在净水器中，或者在诸如智能电话的移动设备中。
根据图9中所示的本发明的实施例，传感器1可以包括另一光源4a，其被配置成发射可见光谱中的光，使得该光被容器2的内表面21的下转换材料部分22反射。这里，传感器1被配置为测量由内表面21反射的另一光源4a的光，以估计指示以下中的至少一个的值：下转换材料部分22的老化(由于入射到下转换材料部分22上的紫外光，特别是由于入射到下转换材料部分22上的紫外光引起的下转换材料部分22的光漂白)、沉积在下转换材料部分22上的污染物(例如，水垢、生物膜等)。
特别地，光电探测器3也可以用于测量来自另一光源4a的所述反射的可见光。或者，传感器1可以包括另一光电探测器(例如，在可见光谱中感测的光电二极管)，以测量来自另一光源4a并从容器2的内部空间20的内表面21反射的可见光。此外，如图9所示，另一光源4a可以与光电探测器3和光源4布置在同一印刷电路板42上。优选地，另一光源4a布置在发射可吸收紫外光5的光源4附近，并且可以由密封盖子23的对应孔232的光学窗口43覆盖，另一光源4a布置在该盖的前面。
特别地，分析电路7被配置为在所述传感器输出的生成中使用所述估计值来补偿所述老化(例如，漂白)和污染物中的至少一个的影响。此外，分析电路7还可以被配置为使用可见光源来补偿液体L中的浊度。特别地，可以在液体L流经容器2的内部空间20时或者在液体L停留在容器2的所述内部空间20内时对液体L进行测量/分析。
为了校正老化(特别是漂白)或污染，传感器1还可以包括根据图10所示的实施例的另一光电探测器3a。这里，另一光电探测器3a也被配置为探测可见或红外光谱中的光。使用两个光电探测器3、3a，除了上述光路P之外，光源4还被配置为还发射紫外光5，该紫外光沿着另一光路P'行进通过液体L并且可被液体L中的有机分子的碳键吸收，其中另一下转换材料部分220被布置在另一光路P'中，并且将所接收的紫外光5下转换并且相应地发射可见或红外光谱中的下转换光51，使得这种发射的下转换光51撞击在另一光电探测器3a上。由于光路P和P'的长度被选择为彼此不同，因此光电探测器3、3a的输出信号可以用于补偿老化(例如，下转换材料部分22、220和传感器1的其它部件(例如光学窗口31、41)的漂白或污染。
为此，分析电路7可以例如被配置为形成光电探测器3、3a的输出信号的商或者从这些输出信号导出的量的商。
特别地，根据图10，内表面21包括第一弯曲(例如，凹陷的或抛物线的)区域21a和弯曲的第二(例如，凹陷的或抛物线的)区域21b，其中第一区域21a由下转换材料部分22形成，第二区域21b由另一下转换材料部分220形成(所述部分22、220优选地由相同的下转换材料制成)，使得沿着光路P行进的紫外光5撞击在内表面22的第一区域21a上，并且由内表面21的所述第一区域21a发射的下转换光50撞击在光电探测器3上，并且使得沿着另一光路P'行进的紫外光5撞击在内表面21的第二区域21b上，并且由内表面21的所述第二区域21b发射的下转换光51撞击在另一光电探测器3a上。
此外，图11至13示出了根据本发明的传感器1的另一实施例，其使用光电探测器3、3a和布置在光电探测器3、3a之间的光源4。
同样在此，传感器1的容器2的内表面21包括第一弯曲(例如半球形)区域21a和第二弯曲(例如半球形)区域21b，其中第一区域21a和第二区域21b各自形成光学漫射器，该光学漫射器被配置成以漫射方式反射来自光源4的入射UV光。
如图11至13所示，两个下转换材料部分22a、220a放置在液体L(例如水)和光电探测器3、3a之间的光路P、P'(参见图13)中。如上所述，待分析的液体L可以穿过容器2的内部空间20。优选地，光电探测器3通过第一光学窗口31与传感器1的容器2的内部空间20分离，该第一光学窗口可以布置在封闭内部空间20/容器2的盖子23或壁23的第一孔230中。此外，优选地，另一光电探测器3通过第二光学窗口43与传感器1的容器2的内部空间20分离，该第二光学窗口可以布置在所述盖子的第二孔232或壁23中。光源可以通过第三光学窗口42与所述内部空间20/容器2分离，该第三光学窗口可以布置在所述盖子的第三孔231或壁23中。特别地，光电探测器3、3a和UV光源4布置在连接到所述盖子或壁23的印刷电路板42上，其中光电探测器3、3a和光源4布置在相关的孔230、232、231中。
因此，沿光路P行进的紫外光5撞击在内表面22的第一区域21a上，以漫射方式反射，撞击在由第一光学窗口31构成或形成的下转换材料部分22a上，并且下转换光50由所述下转换材料部分22a发射并撞击在光电探测器3上。以相同的方式，沿另一光路P'行进的紫外光5撞击在内表面21的第二区域21b上，经历漫反射并撞击在由第二光学窗口43构成或形成的另一下转换材料部分220a上，其中由所述另一下转换材料部分220a发射的下转换光51撞击在另一光电探测器3a上。这样，传感器1可以工作在差分模式下。
特别地，如图12所示，容器的内表面21的两个弯曲区域21a、21b可以是在相交处21c彼此相交的半球21a、21b，使得对于两个半球21a、21b中的每一个，指向相交处21c的半径R1、R2和指向相应区域21a、21b的顶点的半径R1'、R2'形成角度α(区域21a)或β(区域21b)，其中相应角度α、β在0°和90°之间的范围内。内表面21的两个区域21a、21b被配置成允许入射光5的漫反射。特别地，区域21a、21b可以各自具有在从0.1到0.99的范围内的反射率。
此外，优选地，UV光源4与两个弯曲(半球形)区域21a、21b彼此相交/交叉的相交处21c对准。从UV光源4发射的光5穿过与内表面21的相应区域21a、21b相邻的两个腔中的液体(例如水)L，并被其中的有机分子吸收。光5被独立地引导到所述漫射器21、21b。内表面21的两个漫射区域21a、21b的几何形状以及光电探测器3、3a和UV光源4的位置被配置成使得撞击在窗口31、43上的光5(该光5被窗口31、43下转换并且作为最终撞击在相应光电探测器3、3a上的下转换光50、51发射)主要是漫反射光。来自漫射器21a、21b的所述漫反射光5穿过水，并且可被有机分子吸收。传感器1被配置成使得两个光电探测器3、3a上的光强度之间的比率对于内表面21的区域21a、21b的任何反射率是恒定的。然而该比率是液体/水L中TOC含量的函数。
使用下转换光学窗口31、43使得使用两个检测可见/IR光的光电探测器成为可能。然而，也可以省略下转换材料部分，而使用UV光电探测器来代替。
将相应光电探测器3、3a与包含液体(例如水)的内部空间/腔20分开的光学窗口31、43中的每一个收集被液体L中的有机分子吸收之后的来自源4的UV光5，并且重新发射下转换光50、51以撞击在两个光电探测器3、3a中的一个上。因此，所述光学窗口31、43由诸如红宝石的下转换材料制成。然而，也可以使用本文公开的其它材料。优选地，内表面21的两个弯曲区域21a、21b被配置成引导从UV源4发射的光的镜面反射远离下转换光学窗口31、43。区域21a、21b优选地被配置成使得主要是漫反射光撞击在下转换光学窗口31、43上。这有助于实现来自两个光电探测器3、3a的信号的比率是恒定的，而与内表面21，即区域21a、21b的光学特性无关。
Claims (26)
1.一种用于感测液体(L)中的有机分子的碳键的传感器(1)，包括：
-容器(2)，其具有用于容纳所述液体(L)的内部空间(20)，
-光电探测器(3)，以及
-光源(4)，其被配置为发射紫外光(5)，使得所述紫外光(5)沿着光路(P)行进通过驻留在所述内部空间(20)中的液体(L)，并且能够被所述液体(L)中的有机分子的碳键吸收，
其特征在于
所述光电探测器(3)被配置成检测可见或红外光谱中的光，并且所述传感器(1)包括布置在所述光路(P)中的下转换材料部分(22；22a)，其中所述下转换材料部分(22；22a)被配置为接收由所述光源(4)发射的入射紫外光(5)并且将所接收的紫外光(5)下转换并且发射所述可见或红外光谱中的所述下转换光(50)，使得所发射的下转换光(50)撞击在所述光电探测器(3)上。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述容器(2)包括面向所述容器(2)的所述内部空间(20)的内表面(21)。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述内表面(21)包括以下中的一个：平坦区域、弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域。
4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述内表面(21)的至少一个区域由所述下转换材料部分(22)形成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中，所述下转换材料部分(22a)形成布置在所述光电探测器(3)上的层(22a)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述下转换材料部分由以下材料中的一种构成或包括以下材料中的一种：聚苯乙烯、荧光聚合物、荧光陶瓷、嵌入聚合物基质或玻璃基质或膜中的量子点形式的半导体颗粒、有机荧光团、瓷器、陶器、砂岩、玻璃、聚氯乙烯、荧光聚合物粘土。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述下转换材料部分包括以下添加剂中的一种或多种：紫外线吸收剂、金红石氧化钛、二氧化钛、羟基二苯甲酮、羟基二苯甲酮草酰苯胺、羟基苯基苯并三唑、羟基苯基苯并三唑草酰苯胺、二苯甲酮、苯并三唑、羟基苯基三嗪、猝灭剂、镍猝灭剂、受阻胺光稳定剂(HALS)、2,2,6,6-四甲基哌啶。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括连接至所述容器(2)的盖子(23)，用于封闭所述容器(2)。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述光电探测器(3)和所述光源(4)被安装到所述盖子(23)。
10.根据权利要求8或9所述的传感器，其中，所述光电探测器(3)和所述光源(4)被布置在安装到所述盖子(23)的印刷电路板上，或者其中，所述光电探测器(3)被安装到第一印刷电路板(30)并且所述光源(4)被安装到第二印刷电路板(40)，其中，所述两个印刷电路板(30，40)被安装到所述盖子(23)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的传感器，其中，所述盖子(23)包括第一孔(230)，以允许光从所述内部空间(20)朝向所述光电探测器(3)通过，并且其中，所述盖子(23)包括第二孔(231)，以允许由所述光源(4)发射的紫外光(5)通过而进入所述容器(20)的所述内部空间中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括连接至所述容器(2)的导管(6)，所述导管被配置为将液体(L)引导到所述容器(2)的所述内部空间(20)中并且引导出所述容器(2)的所述内部空间(20)，其中，所述导管(6)连接至所述容器(2)的边界部分，所述边界部分包括所述容器(2)的由所述盖子(23)封闭的开口(2b)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括分析电路(7)，所述分析电路被配置为分析所述光电探测器(3)的输出信号并且生成指示所述液体(L)中的有机碳浓度的输出。
14.根据权利要求2或引用权利要求2时的权利要求3至13中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括另一光源(4a)，所述另一光源被配置成发射可见光谱中的光，使得所述光被所述容器(2)的所述内表面(21)的所述下转换材料部分(22)反射，其中，所述传感器(1)被配置为测量所述反射光以估计指示以下中的至少一个的值：下转换材料部分(22)的老化，沉积在所述下转换材料部分(22)上的污染物。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括被配置为检测可见或红外光谱中的光的另一光电探测器(3a)，并且其中，所述光源(4)还被配置为还发射紫外光，所述紫外光沿着另一光路(P')行进通过所述液体(L)并且能够被所述液体(L)中的有机分子的碳键吸收，其中，所述传感器(1)包括被布置在所述另一光路(P')中的另一下转换材料部分(220)，其中，所述另一下转换材料部分(220)被配置为接收由所述光源(4)发射的入射紫外光并且将接收到的紫外光下转换并且发射所述可见或红外光谱中的所述下转换光(51)，使得所发射的下转换光(51)撞击在所述另一光电探测器(3a)上，并且其中，所述光路(P)的长度不同于所述另一光路(P')的长度。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中，所述传感器(1)包括将所述光电探测器(3)与所述容器的所述内部空间(20)分离的第一光学窗口(31)，并且其中，所述传感器(1)包括将所述另一光电探测器(3a)与所述容器(2)的所述内部空间(20)分离的第二光学窗口(43)。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述下转换材料部分(22a)由所述第一光学窗口(31)包括或形成，并且其中，所述另一下转换材料部分(220a)由所述第二光学窗口(43)包括或形成。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的传感器，其中，所述下转换材料部分(22a)和/或所述另一下转换材料部分(220a)包括以下材料中的一种或由以下材料中的一种形成：荧光矿物、红宝石、硅锌矿、萤石、方解石、绿坡缕石、磷灰石、文石、重晶石、铈硅石、玉髓、刚玉、针沸石、硬柱石、海长石、水锌矿、蛋白石、焦吗啉、方石英、白钨矿、亚硒酸盐、菱锌矿、方钠石、闪锌矿、透闪石、钨辉石、硅灰石、钙硅石。
19.根据权利要求2或引用权利要求2时的权利要求3至18中任一项所述的传感器，其中，所述内表面(21)包括第一区域(21a)和第二区域(21b)。
20.根据权利要求19所述的传感器，其中，所述内表面(21)的所述第一区域(21a)是以下中的一个：弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域、半球区域；和/或其中，所述内表面(21)的所述第二区域(21b)是以下中的一者：弯曲区域、凹陷区域、抛物线区域、椭圆区域、半球区域。
21.根据权利要求19或20所述的传感器，其中，所述内表面的所述第一区域(21a)包括曲率，所述曲率具有比所述内表面(21)的所述第二区域(21b)的曲率半径大的半径。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的传感器，其中，所述内表面(21)的所述第一区域和所述第二区域(21a，21b)在相交处(21c)处相交，使得对于所述两个区域(21a，21b)中的每一个，指向所述相交处(21c)的半径(R1，R2)和指向相应区域(21a，21b)的顶点的半径(R1，R2)形成0°与90°之间的角度(α，β)。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的传感器，其中，所述光电探测器(3)面向所述内表面(21)的所述第一区域(21a)，并且其中，所述另一光电探测器(3a)面向所述内表面(21)的所述第二区域(21b)，并且其中，所述光源(4)面向所述相交处(21c)。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的传感器，其中，所述内表面(21)的所述第一区域(21a)和所述第二区域(21b)均被配置为以漫射方式反射入射光，并且均包括在0.1和0.99之间的反射率。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的传感器，其中，所述内表面(21)的所述第一区域和所述第二区域(21a，21b)被配置为引导由所述光源发射的光的镜面反射远离所述第一光学窗口和所述第二光学窗口(31，43)，其中特别地，所述内表面(21)的所述第一区域和所述第二区域(21a，21b)被配置为使得主要是漫反射光撞击在所述两个光学窗口(31，43)上。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的传感器，其中，所述光电探测器(3)和所述另一光电探测器(3a)各自被配置为生成指示撞击在相应的光电探测器(3，3a)上的光的强度的输出信号，其中，所述两个输出信号的比率指示所述液体(L)中的有机碳浓度，并且与所述内表面(21)的所述第一区域和所述第二区域(21a，21b)的总反射率以及镜面反射率与漫反射率之间的比例无关。
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