DE3937554A1 - Fluessigkeitsueberwachungsanordnung mit einem mir-kristall - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verstärkten, dünnen Kristall mit vielfacher interner Reflexion (MIR (multiple internal reflexion)), der in einer Flüssigkeitskammerwand abgedichtet ist, wobei der Kristall optisch eine in der Flüssigkeitskammer enthaltene Flüssigkeit (vorzugsweise bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck) überwacht.

Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf ein zerstörungsfreies Reaktionsüberwachungssystem, das Infrarotspektroskopie benutzt. Die Erfindung benutzt ein optisches System, das wirksam ist, infrarote Quell­ strahlung mehrere Male an der Oberfläche eines MIR-Kristalls zu reflektieren, der in Verbindung mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit steht, und dann die Reststrahlung (modifiziert durch die Infrarotabsorptions­ charakteristik der Reaktion) an einen Detektor zur Analyse der Flüssigkeit zu schicken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein optisches System mit einem verstärkten, dünnen MIR-Kristallelement zum Einbau in ein Infrarotspektrophotometer zur IR-spektroskopischen Analyse von Reaktionen, die in Flüssigkeiten bei hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Im Infrarotbereich weisen praktisch alle organischen (und viele anorganische) Moleküle charakteristische Spektren auf, die positiv identifiziert werden können. Bei einer solchen Identifikationsmethode wird Infrarot­ energie über die Länge eines Kristalls durch das physikalische Phänomen der totalen internen Reflexion reflektiert. Eine Flüssigkeitsprobe oder eine Reaktion, die in Berührung mit dem Kristall stehen, absorbieren selektiv IR-Energie von dem Kristall. Die nicht absorbierte Energie verläßt den Kristall und wird auf einen Detektor gelenkt, der die Verteilung der von der Flüssigkeit oder der Reaktion absorbierten Energie mißt, um ihr Infrarotspektrum zu erhalten und darzustellen. Zwei dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragene Patente zeigen verschiedene Verfahren zur Anwendung eines MIR-Kristalls zur Analyse einer mit ihm in Berührung stehenden Flüssigkeit oder eines Festkörpers auf.

Das U.S. Patent Nr. 45 95 833 von Sting offenbart eine Reflaxiconoptik zum Richten von Infrarotstrahlung von einer Quelle auf das kegel­ förmige Eingangsende eines zylindrisch geformten MIR-Kristalls und zum Richten von Strahlung von dem kegelförmigen Ausgangsende des Elements auf einen Detektor. Das zylinderförmige MIR-Element ist in einem röhren­ förmigen Teil eingeschlossen, um eine Probenkammer oder Zelle für die zu analysierende Flüssigkeit oder Flüssigkeitsproben zur Verfügung zu stellen.

Das U.S. Patent Nr. 47 30 882 von Messerschmidt offenbart einen länglichen, flachen MIR-Kristall mit einer ersten Oberfläche, einer etwas längeren zweiten Oberfläche und abgeschrägten Eingangs- und Ausgangs­ endoberflächen, die diese verbinden. Die Strahlungsenergie tritt unter einem rechten Winkel durch die zweite Oberfläche, wird an der abgeschrägten Eingangsoberfläche, zwischen den ersten und zweiten Ober­ flächen in Vielfachreflexion über die Länge des Kristalls und an der ab­ geschrägten Ausgangsendoberfläche durch die zweite Oberfläche auf einen Detektor reflektiert.

Der kreisförmige MIR-Kristall des U.S. Patents Nr. 45 95 833 und der flache, mit abgeschrägten Enden versehene MIR-Kristall des U.S. Patents Nr. 47 30 882 wurden erfolgreich kommerziell in Probenentnahme­ geräten zur Analyse von flüssigen und festen Proben verkauft. Diese MIR- Kristallelemente erfordern spezielle Zusammensetzungs-, Zerlegungs- und Wartungsverfahren in der Analysenzelle. Die MIR-Kristalle, wie gegenwärtig montiert, werden nicht für Flüssigkeitsüberwachung unter hohem Druck und/oder hohen Temperaturen bevorzugt, wegen der Möglichkeit, daß der MIR-Kristall zerbricht. Zusätzlich werden die Kristalle, wie sie gegenwärtig montiert werden, in der Kammer oder Zelle so angeordnet, daß sie dem Mischvorgang oder dem Flüssigkeitsfluß ein Hindernis darbieten.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dünnes MIR-Kristallelement zur Verfügung zu stellen, das geeignet ist, Flüssigkeiten und insbesondere solche Flüssigkeiten unter hoher Temperatur und/oder hohem Druck zu überwachen. Diese Aufgabe wird erfüllt, indem ein flacher MIR-Kristall abgeschlossen in eine Wand montiert wird, die eine Flüssigkeitskammer bildet oder teilweise bildet. Die Anordnung in einer solchen Wand ist geeignet, einen Überwachungsteil der ersten Oberfläche des flachen MIR-Kristalls in Berührung mit der Flüssigkeit zu bringen, Abdichtungen für den MIR-Kristall in der Wand vorzusehen und die gegenüberliegende Seite des MIR-Kristalls entlang einer longitudinalen Ausdehnung größer als die Länge des Überwachungsteils des MIR-Kristalls zu verstärken. Diese abgedichtete Anordnung ermöglicht einem dünnen MIR-Kristall, Flüssigkeiten oder Reaktionen bei hohem Druck und/oder hoher Temperatur zu überwachen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flachen MIR-Kristall zum Überwachen von Reaktionen oder Flüssigkeiten bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck zur Verfügung zu stellen, wobei der Kristall zeitweise zur leichten Reinigung entfernt und/oder leicht durch einen anderen Kristall ersetzt werden kann, um die optische Weglänge zu variieren. Diese Aufgabe wird erfüllt, indem der dünne MIR- Kristall in eine Wand eingebettet wird, die abgedichtet und vom Rest der Flüssigkeitszelle entfernbar ist. Zum Beispiel kann der MIR-Kristall in eine Wand eingebettet und zu der Wand abgedichtet werden, die die Bodenwand, die Seitenwand oder die Deckenwand der Flüssigkeitskammer wird, wenn sie mit der Flüssigkeitskammer verbunden und abgedichtet wird. Wenn die Wand von der Flüssigkeitskammer entfernt wird, kann der frei­ gelegte Überwachungsteil der ersten Kristalloberfläche gereinigt oder poliert werden. Die Wand mit der darin angeordneten, gereinigten oder polierten Kristalloberfläche kann dann wieder in die Flüssigkeitskammer montiert werden, um die komplette Flüssigkeitskammer zu bilden. Alternativ kann eine Wand mit einem darin eingebetteten und abgedichteten MIR- Kristall mit einer anderen optischen Weglängencharakteristik in der Flüssig­ keitskammer angeordnet und abgedichtet werden, um eine schnelle An­ passung zur Überwachung von verschiedenen Reaktionsarten und/oder eine Verwendung von verschiedenen Arten von Strahlungsenergie zu ermöglichen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MIR- Kristallüberwachung für Flüssigkeiten oder Reaktionen bei hohem Druck und/oder hoher Temperatur zur Verfügung zu stellen, die die Eignung für verschiedene Arten von Kristallkonfigurationen oder für verschiedene Arten der Flüssigkeitsüberwachung besitzt. Zum Beispiel ermöglicht die in der Flüssigkeitskammerwand benutzte Anordnungsvorrichtung die Verwendung eines flachen MIR-Kristallelements, bei dem entweder die erste reflektierende Oberfläche kürzer ist als die zweite reflektierende Oberfläche oder umgekehrt. Zusätzlich ermöglicht die Anordnungsvorrichtung, daß der Kristall für Absorptions- und Emissionsspektroskopie benutzt wird.

Die Erfindung weist die hiernach vollständig beschriebenen und in den Ansprüchen ausgeführten Merkmale auf, wobei die folgende Beschreibung und die Zeichnungen im Detail bestimmte erläuternde Ausführungsformen der Erfindung ausführen, wobei diese jedoch auf nur einige der verschiedenen Arten, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann, hinweisen.

In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Unterseite einer Flüssigkeitskammer, die einen länglichen MIR-Kristall verwendet, der am Unterteil der Flüssigkeitskammer montiert und abgedichtet ist, um die Flüssigkeit optisch zu überwachen und zu identifizieren.

Fig. 2 ist ein vertikaler Querschnitt, der im allgemeinen in der Ebene 2-2 der Fig. 1 aufgenommen ist und der schematisch den optischen Weg durch den länglichen MIR-Kristall zeigt.

Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt, der im allgemeinen in der Ebene 3-3 der Fig. 1 aufgenommen ist und der den Spalt in einer umgekehrten T-Form im Basisteil und das Stützteil in einer umgekehrten T- Form zeigt, das eng darin eingefügt ist.

Fig. 4 ist ein teilweiser Querschnitt des Basisteils einer Flüssig­ keitskammer ähnlich der in Fig. 3 gezeigten, die jedoch eine andere Ab­ dichtungsanordnung und eine andere Konfiguration des länglichen MIR- Kristalls zeigt, der einen anderen optischen Weg ergibt.

Fig. 5 ist ein teilweiser Aufriß eines röhrenförmigen Körpers, in dessen Wandung ein länglicher, flacher MIR-Kristall eingebettet ist, zum Überwachen einer darin stattfindenden Reaktion oder einer dadurch fließenden Flüssigkeit.

Fig. 6 ist ein vertikaler Querschnitt, der im allgemeinen in der Ebene 6-6 der Fig. 5 aufgenommen ist und der einen länglichen MIR- Kristall, der in einem Spalt eingebettet ist, der sich durch die Flüssig­ keitskammerwand entlang des größten Teils ihrer Länge erstreckt, mit halbkreisförmigen Streifen zeigt, die ein kreisförmiges Stützteil bilden, das den röhrenförmigen Körper umgibt, um den eingebetteten Kristall zu verstärken.

Fig. 7 ist ein vertikaler Querschnitt, der im allgemeinen entlang der Ebene 7-7 von Fig. 6 aufgenommen ist und den länglichen, in der Flüssig­ keitskammerwand montierten Kristall zeigt und schematisch den optischen Weg durch den länglichen MIR-Kristall illustriert.

Im folgenden werden in größerem Detail die Zeichnungen und zunächst das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel besprochen; eine Flüssigkeitskammer, allgemein bei 1 angedeutet, weist eine zylindrische Seitenwand 2 und einen radial nach außen gerichtete, ring­ förmigen Flansch 3 an ihrem unteren Ende auf. Die zylindrische Wand 2 begrenzt darin eine innere Hohlbohrung. Obwohl nicht dargestellt, besitzt die Flüssigkeitskammer 1 entweder eine integrale oder entfernbare Decken­ wand, die weiterhin mit der zylindrischen Seitenwand 2 zusammenwirkt, um das obere Ende der Bohrung zu schließen und einen Hohlraum 4 zu bilden. Der Hohlraum 4 wird von einer Anordnung von selektiv ab­ nehmbaren Basisteilen, allgemein mit 6 bezeichnet, eingeschlossen, um die abgedichtete Flüssigkeitskammer oder Zelle zu bilden.

Die Anordnung von Basisteilen 6 beinhaltet ein Basisteil 7 mit einem äußeren Durchmesser der gleich ist dem äußeren Durchmesser des Flansches 3 an dem Körper 1 der Reaktionskammer. Das kreisförmige Basisteil 7 besitzt einen Spalt in der Form eines umgedrehten T, allgemein als 8 bezeichnet, der sich dadurch über fast seine gesamte Länge erstreckt, wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der Spalt in der Form eines umgedrehten T weist einen sich im allgemeinen vertikal erstreckenden Beinbereich 10 und sich im allgemeinen horizontal erstreckenden Basis­ bereich 11 auf. Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt, hat der Spalt 8 in der Form eines umgedrehten T eine Länge, die größer ist als der interne Durchmesser des Hohlraums 4, die aber kleiner ist, als der äußere Durchmesser des Basisteils 7.

An seinen äußeren, oberen Enden erstreckt sich das vertikale Bein 10 des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T nicht durch den gesamten Basisteil 7. Die äußeren Enden des vertikalen Beins 10 des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T sind jeweils radial nach außen von oben nach unten geschweift, um konisch zulaufende Endflächen 14 und 15 zu bilden. Die unteren, äußeren Enden des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T können vergrößert sein, um das Richten der Strahlungs­ energie in und aus der Basisteilanordnung 6 zu unterstützen und klare Öffnungen zu gewährleisten, um eine Abdeckung des strahlenden Energie­ strahls zu vermeiden. Wie gezeigt, können die unteren, äußeren Enden des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T durch voneinander getrennte, pyramidenstumpfförmige Öffnungen 17 und 18 im Basisteil 7 vergrößert sein.

Ein länglicher Kristall mit mehrfacher, interner Reflektion (MIR), allgemein als 20 bezeichnet, ist eng in den Spalt 8 in der Form eines umgedrehten T aufgenommen und dort abgedichtet. Der flache MIR-Kristall 20 weist eine erste, flache, obere Fläche 21, eine zweite, flache, untere Fläche 22 und zwei abgeschrägte Endflächen 23 und 24 auf, die sich nach außen von der oberen Fläche 21 zu den Enden des Kristalls verjüngen, um abgestumpfte Enden 23 A und 24 A und zwei gegenüberliegende, vertikale Seitenwände 25 und 26 zu bilden. Die zweite, flache, untere Oberfläche 22 des Kristalls 20 kann mit Aluminium oder Gold zum Schutz überzogen sein und in die Wände des vertikalen Beins 10 des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T mit einem Niedrigtemperaturlot und/oder einem Keramikkleber (vorzugsweise einem für hohe Temperaturen) abgedichtet sein.

Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist der MIR-Kristall 20 in dem oberen Teil des vertikalen Beins 10 des Spaltes 8 in der Form eines umgedrehten T montiert. Die erste Oberfläche 21 des Kristalls 20 hat einen länglichen, zentralen Überwachungsbereich, der sich im wesentlichen über den gesamten Durchmesser des Hohlraums 4 erstreckt und direkt dem Hohlraum 4 ausgesetzt ist. Die erste Oberfläche 21 des Kristalls 20 schließt, so wie sie montiert ist, mit der oberen Oberfläche des Basis­ teils 7 ab. Die zugespitzten Endflächen 23 und 24 des MIR-Kristalls sind etwas von den zugespitzten Endflächen 14 und 15 im Basisteil 7 vonein­ ander entfernt. Der MIR-Kristall wird auf seinem Platz gehalten und verstärkt durch ein allgemein mit 27 bezeichnetes Stützteil.

Das Stützteil 27 hat eine Ausführung in der Form eines allgemein umgekehrten T mit einem vertikalen Bein 28 und einem allgemein horizontalen Basisteil 29. Das Stützteil 27 in der Form eines umgekehrten T ist ausgeführt, um eng und reibend in den Spalt 8 in der Form eines umge­ kehrten T in dem Basisteil 7 aufgenommen zu werden. Das vertikale Bein 28 auf dem Stützteil 27 ist kürzer als die Länge des vertikalen Beins 10 des Spaltes 8 in der Form eines umgekehrten T, wodurch ermöglicht wird, daß das obere Ende 30 des vertikalen Beins 28 an die zweite, untere Oberfläche 22 des MIR-Kristalls 20 angreift, was am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Das Stützteil 27 wird abnehmbar von einer Mehrzahl von Schrauben 31 gehalten, die sich durch den horizontalen Basisteil 29 des Stützteils 27 in der Form eines umgekehrten T in den Basisteil 7 erstrecken.

Das obere Ende 30 des Stützteils 27 in der Form eines umgekehrten T hat eine Länge, die größer ist als der Durchmesser des Hohlraums 4, aber kürzer ist als die Gesamtlänge des Spaltes 8. Mit einer solchen Länge stößt das Stützteil 27 an den MIR-Kristall 20 und verstärkt ihn über fast seine gesamte Länge. Wenn gewünscht, kann das obere Ende 30 des Stützteils 27 mit der zweiten unteren Fläche 22 des Kristalls 20 verbunden werden, um dazwischen eine Abdichtung zu erreichen.

Das Stützteil 27 wirkt mit den Enden des Spaltes 8 und den pyramiden­ stumpfförmigen Öffnungen 17 und 18 jeweils zusammen, um eine Strahlungsenergieeinlaßfläche oder Öffnung, allgemein 33 bezeichnet, und eine Strahlungsenergieauslaßfläche, allgemein als 34 bezeichnet, zu bilden. Das Stützteil 27 kann radial nach innen konisch von oben nach unten an seinen gegenüberliegenden Enden, wie bei 36 und 37 gezeigt, zulaufen, um die Ein- und Auslaßflächen für die Strahlungsenergie zu vergrößern, um eine Flexibilität bei der Auswahl optischer Wege zur Verfügung zu stellen.

Die Basisteilanordnung 6, mit dem darin angeordneten MIR-Kristall 20 und Stützteil 27, ist abnehmbar an den Reaktionskammerkörper 1 befestigt. Zu diesem Zweck kann eine ringförmige Schicht 39 von Dichtungs­ material (oder O-Ringen) zwischen den ringförmigen Flansch 3 auf dem Reaktionskammerkörper 1 und beiden, dem Basisteil 7 und dem Kristall 20 eingefügt sein. Die Basisteilanordnung 6 wird dann mit einer Mehrzahl von auf dem Umfang verteilten Schrauben 40 an den Flansch 3 befestigt. Die Schrauben 40 ziehen das Basisteil 7 fest gegen den ringförmigen Flansch 3, um das dazwischen angeordnete Dichtmaterial 39 zusammen­ zupressen. Das zusammengepreßte Dichtmaterial 39 dichtet die äußeren Enden 41 und 42 des Kristalls 20 gegen den Körper 1 und ebenfalls das Basisteil 7 gegen den Körper 1 ab.

Mit der so befestigten und an dem Körper 1 abgedichteten Basis­ teilanordnung 6 ist der Flüssigkeitskammerhohlraum 4 vollständig einge­ schlossen, um eine Flüssigkeitskammer oder Zelle zu bilden. So zusammen­ gesetzt, erstreckt sich der Überwachungsteil der ersten Fläche 21 des Kristalls 20, die in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit oder Reaktion ist, über den gesamten Durchmesser der Kammer 4 aber nicht in die Kammer oder Zelle selbst. Das Stützteil 27 hat entlang seiner oberen Oberfläche 30 eine Länge größer als der Durchmesser der Kammer 4 und überlappt daher räumlich, ist aber vertikal von der Körperwand 2 an seinen beiden Enden getrennt. Da die Stützoberfläche 30 entlang ihrer gesamten Länge an die Kristalloberfläche 22 stößt und den Flüssigkeitskammerkörper an seinen beiden Enden räumlich überlappt, verstärkt das Stützteil 27 den Kristall 20 gegen erhöhte Flüssigkeitstemperaturen oder Drücke, um da­ durch den Kristall unter Druck zu halten und jegliche Biegungsmomente an dem Kristall zu minimieren. Der Begriff erhöhte Temperatur bedeutet (als Beispiel, jedoch nicht als Einschränkung), wie er hierin benutzt wird, jegliche Temperatur über Raumtemperatur und unter 500°F. Der Begriff erhöhter Druck bedeutet (als Beispiel, jedoch nicht als Einschränkung), wie er hierin benutzt wird, jeglichen Druck über Atmosphärendruck und unter 5000 psi, wobei viele Analysen bei etwa 1500 psi durchgeführt werden.

Wenn die Reaktions- oder Flüssigkeitskammer komplett ist, werden die Flüssigkeit oder Reaktionsmaterialien durch eine Öffnung in der Seiten- oder Deckelwand in die Kammer gebracht, wobei die Öffnung danach fest abgedeckt und abgedichtet wird. Die in der Kammer stattfindende Reaktion oder die darin enthaltene Flüssigkeit werden ständig durch das den MIR-Kristall 20 enthaltende optische System überwacht und identifiziert.

Das optische System weist eine Strahlungsenergiequelle 43 auf, die einen Strahl 44 von Strahlungsenergie (vorzugsweise Infrarotenergie) auf die Strahlungsenergieeinlaßfläche 33 des Basisteils 7 richtet. Der Strahlungs­ energiestrahl dringt unter rechtem Winkel durch das äußere Ende der zweiten, flachen, unteren Fläche 22 in den MIR-Kristall 20 ein und wird an der abgeschrägten Eingangsendenoberfläche 23 des MIR-Kristalls reflektiert. Die abgeschrägte Eintrittsoberfläche 23 ebenso wie die abge­ schrägte Austrittsoberfläche 24 können metallisch beschichtet oder mit einem Material mit einem niedrigen Brechungsindex bedeckt sein, um die Effizienz der Strahlungsenergiereflektion zu fördern. Der Strahlungs­ energiestrahl wird dann nachfolgend an der ersten und zweiten Oberfläche des Kristalls 20 in einer vielfachen Serie von internen Reflexionen entlang der Länge des MIR-Kristalls reflektiert, wie bei 45 schematisch darge­ stellt. Der Überwachungsabschnitt der ersten Kristalloberfläche 21 steht in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit oder der Reaktion in der Flüssig­ keitszelle.

Bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder der Strahlungsenergie werden von der Reaktion oder der Flüssigkeit absorbiert, wenn der Strahlungsenergiestrahl von dem Überwachungsabschnitt der ersten Oberfläche 21 des Kristalls 20 reflektiert wird. Die Strahlungsenergie, die das Ausgangsende des MIR-Kristalls 20 erreicht, wird von der abge­ schrägten Auslaßfläche 24 reflektiert und verläßt den Kristall 20 durch das äußere Ausgangsende der zweiten, unteren Oberfläche 22 in einem rechten Winkel. Der emittierte Strahlungsenergiestrahl passiert die Aus­ laßfläche 34, wie durch den Pfeil 46 angedeutet, zum Detektor 47. Basierend auf den Frequenzen und Frequenzbändern von Strahlungsenergie, die in dem Strahlungsenergiestrahl bleiben, der den Kristall verläßt, bestimmt der Detektor 46 die Verteilung von Frequenzen oder Energiebändern von Infrarotenergie, die von der Flüssigkeit in der Kammer absorbiert wurde, um einen Fingerabdruck oder eine Identitätsbestimmung der Flüssigkeit in der Kammer zur Verfügung zu stellen. Diese Bestimmung kann zusammen mit dem Infrarotspektrum dargestellt werden. Die Reaktion oder die Flüssigkeiten können kontinuierlich überwacht werden, wobei die Infrarotspektren sukzessiv dargestellt werden oder die Information sukzessiv aufgenommen wird.

Eine etwas unterschiedliche Ausführungsform ist in Fig. 4 darge­ stellt, wobei gleiche Bezugszeichen mit dem Suffix A in Fig. 4 gleiche Teile wie in der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform be­ zeichnen. In Fig. 4 werden zwei radial getrennte O-Ringe 49 und 50 je­ weils in zwei radial getrennten Vertiefungen 52 und 53 in der unteren Oberfläche der Flansch 3 A auf dem Körper 1 A gehalten. Wenn die Basis­ teilanordnung 6 A durch Schrauben 40 A an den Körper 1 A befestigt wird, werden die O-Ringe 49 und 50 jeweils zwischen dem Basisteil 7 A und dem Körper 1 A zusammengepreßt, um Abdichtungen dazwischen zu bilden. Alternativ könnten die O-Ringe von dem Basisteil getragen werden, wobei die untere Oberfläche des Körpers 1 A flach ist. Die radial getrennten und zusammengepreßten O-Ringe 49 und 50 stellen eine flüssigkeitsdichte Ab­ dichtung zwischen dem Basisteil 7 A und dem Körper 1 A dar, um die Reaktions­ materialien oder Flüssigkeit in der Zelle 4 A zu halten.

Das Basisteil 7 A in der Ausführungsform von Fig. 4 hat auch eine etwas unterschiedliche Konfiguration mit einem sich radial nach innen er­ streckenden Sitzbereich 55, der an seine obere Oberfläche angrenzt. Dieser Sitzbereich 55 liegt direkt über der oberen Oberfläche 21 A des Kristalls 20 A und ist daran mit Lot oder Klebestoff befestigt, um eine flüssigkeits­ dichte Abdichtung dazwischen zur Verfügung zu stellen.

Wie weiterhin in Fig. 4 gezeigt, besitzt der MIR-Kristall 20 A an seinen Enden eine unterschiedliche Ausführung, indem die erste, obere Oberfläche 21 A länger ist als die zweite, untere Oberfläche 22 A. Die abge­ schrägten Enden des Kristalls erstrecken sich radial nach innen von oben nach unten, wobei das Ende 24 A in Fig. 4 gezeigt ist. Die radiale Abschrägung nach innen der abgeschrägten Enden des Kristalls 20 A resultiert in einem unterschiedlichen optischen Weg für die Strahlungsenergie, die in den Kristall eintritt und ihn verläßt.

Um diesen unterschiedlichen optischen Weg zur Verfügung zu stellen, können die Öffnungen an den Enden des Spaltes 8 in der umgekehrten T-Form eine größere, nach außen gerichtete Abschrägung von oben nach unten haben (wie bei 18 A dargestellt), um den gewinkelten optischen Weg für die Strahlungsenergie, die in den Kristall 20 A eintritt und ihn verläßt, aufzunehmen. Wie am Ausgangsende gezeigt, kann die Strahlungs­ energie 46 A zum Beispiel unter einem Winkel zur Vertikalen austreten, wobei der Winkel durch die abgeschrägte Oberfläche 18 A auf dem Basisteil 7 ermöglicht wird. Wie in Fig. 4 erkennbar, überlappen die Enden des Stützteils 27 A noch den ringförmigen Sitzbereich 55 des Basisteils 7 A, um den Kristall gegen erhöhte Drücke und Temperaturen der Reaktion oder Flüssigkeit zu verstärken, während sie zusammenwirkt, um Strahlungs­ energie-Einlaß- und Auslaßflächen zu bilden.

Wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-3 und der Fig. 4 er­ kennbar, kann das Basisteil 7 oder 7 A schnell von dem Reaktionskammer­ körper 1 oder 1 A entfernt werden, um zu ermöglichen, daß die Über­ wachungsbereiche des Kristalls 20 oder 20 A gereinigt oder poliert werden, bevor das Basisteil wieder eingesetzt wird. Alternativ kann unter der Voraussetzung vergleichbarer Dichtungsformen das Basisteil 7 durch das Basisteil 7 A ersetzt werden, um den zur Überwachung der Reaktion be­ nutzten Kristall und/oder den optischen Weg durch den Kristall zu wechseln. Durch Verstärken des Kristalls über eine Länge größer als die Länge seines Überwachungsbereichs kann ein dünner, länglicher Kristall in dem optischen System zur Überwachung einer hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen unterworfenen Flüssigkeit verwendet werden. Zusätzlich ist offensichtlich, auch wenn der Kristall zu Darstellungszwecken in der Basisanordnung eingebettet gezeigt wurde, daß der Kristall alternativ in der Seiten- oder Deckenwand eingebettet sein könnte, wenn es für die Anwendung und zu überwachende Flüssigkeit angemessen ist.

In der dritten Ausführungsform, die in den Fig. 5 bis 7 gezeigt ist, ist die Flüssigkeitskammer 58 in einem röhrenförmigen Körperteil, allgemein als 59 bezeichnet, gebildet. Die Wand 60 des röhrenförmigen Körpers 59 besitzt einen länglichen, rechteckigen Spalt 61, der sich darin über einen Teil seiner Länge erstreckt. Die jeweiligen Enden des Spaltes 61 erstrecken sich nicht ganz durch die Körperwand 60, wodurch sie longitudinal getrennte Sitzbereiche 62 und 63 an den radialen, inneren Seiten des Spaltes 61 bilden. Die äußeren Enden des Spaltes 61 sind vor­ zugsweise nach außen von der radialen inneren Seite zur radialen äuße­ ren Seite davon abgeschrägt, um die abgeschrägten End-Wandoberflächen 64 und 65 zu bilden.

Ein MIR-Kristall 20 kann in dem Spalt 61 angeordnet sein. Die ge­ genüberliegenden Enden der ersten Oberfläche 21 des Kristalls 20 tragen oder stoßen an die in der Wand 60 gebildeten Sitzbereiche 62 und 63 und sind daran mit Tieftemperaturlot oder Keramikkleber befestigt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung dazwischen zu bilden. Die abgeschrägte Einlaßoberfläche 23 des Kristalls 20 hat einen leichten Abstand zu der abgeschrägten Endoberfläche 64 der Wand 60, und die abgeschrägte Aus­ laßoberfläche 24 des Kristalls 20 hat einen leichten Abstand zur abge­ schrägten Endoberfläche der Wand 60.

Der MIR-Kristall wird ferner in dem Spalt 61 gehalten und durch ein Stützteil, allgemein 67 bezeichnet, verstärkt. Wie dargestellt, weist das Stützteil zwei halbkreisförmige Bügel 68 und 69 auf, die jeweils nach außen gerichtete Flansche 71 und 72 an ihren diametral gegenüberliegenden Enden haben. Die beiden Bügel sind um das röhrenförmige Teil ange­ ordnet und sind aneinander durch Schrauben 73 befestigt, die durch die beiden Paare aneinanderstoßender Flansche gehen. So zusammengesetzt bilden die beiden Bügel zusammen ein Stützteil 67, das das röhrenförmige Teil 67 und den Kristall 20 umklammert und einfaßt. Obwohl ein Stützteil mit einem Umfang von im wesentlichen 360° dargestellt ist, können andere geometrische Anordnungen für das Stützteil 67 verwendet werden, solange das Stützteil eine genügend große Breite besitzt, um den MIR-Kristall 20 zu verstärken und zusammen die Strahlungseinlaß- und Auslaßflächen zu bilden.

Zu diesem Zweck, wie am besten in den Fig. 5 und 7 gezeigt, ist das Stützteil 67 breit genug, um die Sitzbereiche 62 und 63 in longitudi­ naler Richtung zu überlappen, um den Kristall 20 entlang der zweiten Oberfläche 22 über eine longitudinale Ausdehnung größer als der Über­ wachungsbereich der ersten Kristalloberfläche 21 zu verstärken. Zusätzlich ist der Stützteil 67 nicht so lang wie der gesamte Spalt 61, um damit bei der Bildung der Strahlungsenergieeinlaßfläche, allgemein 33 bezeichnet, und der Strahlungsenergieauslaßfläche, allgemein 34 bezeichnet, zusammenzuwirken.

Wie in Fig. 7 ersichtlich, ist der zentrale Überwachungsbereich der ersten Kristalloberfläche 21, die sich zwischen den Sitzbereichen 62 und 63 der röhrenförmigen Wand erstreckt, in direktem Kontakt mit dem Flüssig­ keitsstrom, der in der in der Flüssigkeitskammer 58 enthaltenen Flüssig­ keit fließt. Das optische System der vorliegenden Erfindung benutzt den Überwachungsbereich der ersten Oberfläche 21 des Kristalls 20, um die Flüssigkeit in der Kammer 58 zu überwachen und zu identifizieren.

In dieser Hinsicht richtet eine Strahlungsenergiequelle 43 einen Strahl von Strahlungsenergie (vorzugsweise Infrarotenergie) durch die Strahlungsenergieeinlaßfläche 33. Die Strahlungsenergie tritt unter rechtem Winkel durch die zweite Oberfläche 22 in den Kristall 20 ein und wird von der abgeschrägten Eintrittsendfläche 23 reflektiert. Die abgeschrägte Eingangsendfläche kann mit Aluminium oder Gold überzogen sein oder kann ein Material mit niedrigem Brechungsindex dagegen angeordnet haben, um die Effizienz des optischen Systems zu verstärken. Die Strahlungs­ energie wird dann sukzessive zwischen der zweiten 22 und der ersten 21 Oberfläche in mehrfacher Reflexion entlang der Länge des MIR- Kristalls reflektiert, wie schematisch bei 45 gezeigt. Bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder der von der ersten Oberfläche 21 reflektierten Strahlungsenergie werden von der in der Flüssigkeitskammer oder Zelle 58 fließenden Flüssigkeit absorbiert. Die Strahlungsenergie, die das Ende des MIR-Kristalls 21 erreicht, wird von der abgeschrägten Auslaßfläche 24 und durch die untere Oberfläche 22 in einem rechten Winkel zu einer solchen Oberfläche reflektiert. Die Strahlungsenergie, die in dem Strahl bleibt, der den Kristall verläßt, wird dann auf einen Detektor zur sequentiellen Überwachung der Flüssigkeit und zur Identifikation ihrer Bestandteile, wie oben beschrieben, gerichtet.

Aus dem Vorstehenden wird klar, daß Veränderungen in den Details der Konstruktion und Anordnung gemacht werden können, ohne vom Wesen der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann das optische System, das einen MIR-Kristall an einer Reaktionskammerwand befestigt und abgedichtet aufweist, auch zu Emissionsspektroskopieanalysen ebensogut wie zu den oben beschriebenen Absorptionsspektroskopieanalysen verwendet werden. Bei der Emissions­ spektroskopie würde keine Strahlungsquelle 43 benutzt, und die Flüssigkeit selbst würde die Strahlungsenergiequelle werden. Von der Flüssigkeit emittierte Strahlungsenergie würde in den Überwachungs­ bereich der ersten Oberfläche 21 eintreten, würde entlang des Kristalls zum abgeschrägten Auslaßende 24 reflektiert und würde dann durch das Strahlungsenergieauslaßende auf den Reflektor zur Identifikation reflektiert. Wenn für eine bestimmte Anwendung erwünscht oder notwendig, könnte das Stützteil und/oder das Basisteil modifiziert werden, um die Strahlungsenergieeinlaßfläche zu eliminieren.

Claims (12)

1. Eine Flüssigkeitsüberwachungsanordnung mit:
einem Körper, der wenigstens eine Wand besitzt, die eine eine Flüssig­ keit enthaltende Flüssigkeitskammer bildet oder mitwirkt eine solche zu bilden;
einem Spalt in dieser Wand, der sich durch die eine Wand in ihrem Mittelteil zu der Reaktionskammer erstreckt und sich teilweise durch die eine Wand an ihren jeweiligen, gegenüberliegenden Endbereichen erstreckt;
einem Kristall mit mehrfacher innerer Reflektion (MIR), der fest in dem Spalt angeordnet und abgedichtet ist, wobei eine erste, innere Ober­ fläche des MIR-Kristalls ihren zentralen Überwachungsbereich direkt gegenüber der Flüssigkeitskammer im Kontakt mit der Flüssigkeit hat und ihre jeweiligen Endbereiche außerhalb des Kontakts mit der Flüssigkeit hat,
einer Vorrichtung zum Abdichten der gegenüberliegenden Endbereiche der ersten, inneren Oberfläche des Kristalls zu dem Körper hin, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung für die Flüssigkeitskammer zur Ver­ fügung zu stellen;
einem Stützteil, das an der Wand gegen eine zweite, äußere Ober­ fläche des MIR-Kristalls befestigt ist, wobei das Stützteil länger ist als der zentrale Überwachungsbereich, um teilweise die Endbereiche der ersten Kristalloberfläche zu überlappen, um wesentlich die gesamte zweite Ober­ fläche des MIR-Kristalls zu verstärken, wobei mit den Enden des Spaltes wenigstens eine Strahlungsenergieauslaßfläche an einem seiner Enden gebildet wird; und
einem optischen System, das den Kristall, Strahlungsenergie und einen Detektor beinhaltet, wobei das optische System den Überwachungs­ bereich der ersten Kristalloberfläche, die in Kontakt mit der Flüssigkeit steht, und die mehrfachen internen Reflexionen der Strahlungsenergie im MIR-Kristall benutzt, um den resultierenden Strahlungsenergiestrahl durch die Strahlungsenergieauslaßfläche auf den Detektor zur Identifikation der Flüssigkeit zu richten.

2. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Wand des Körpers zylinderförmig ist und darin eine Flüssigkeitskammer bildet.

3. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das Stützteil die zylinderförmige Wand einschließt und umfaßt.

4. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der MIR-Kristall länglich und flach ist und abgeschrägte Oberflächen auf­ weist, die sich wenigstens teilweise zwischen seiner ersten und zweiten Oberfläche an jedem Ende davon ausdehnen.

5. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Stützteil auch mit den Enden des Spaltes zusammenwirkt, um eine Strahlungsenergieeinlaßfläche an seinem anderen Ende zu bilden.

6. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Abdichtungsvorrichtung getrennte, so in die Wand geformte Sitze aufweist, daß sie gegenüberliegende Endbereiche der ersten Oberfläche des Kristalls überlappen, wobei die Endbereiche an die Sitze befestigt sind, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung dazwischen zu bilden.

7. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die eine Wand selektiv von dem Körper abtrennbar ist, um eine periodische Instandhaltung des darin eingefügten MIR-Kristalls zu ermöglichen.

8. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der Körper andere Wände besitzt, die mit der einen Wand zusammenwirken, um eine Flüssigkeitskammer zu bilden, wobei die eine Wand selektiv gegen den Körper abgedichtet ist, um eine flüssigkeitsdichte Flüssigkeits­ kammer zur Verfügung zu stellen.

9. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die erste, innere Oberfläche des Kristalls mit einer inneren Oberfläche der einen Wand fluchtet und die Abdichtvorrichtung ein zwischen den Körper und die Endbereiche der ersten Oberfläche des Kristalls gepreßtes Material aufweist, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung dazwischen zu gewährleisten.

10. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Wand das Basisteil des Körpers ist, wobei das Basisteil einen Spalt in der Form eines umgekehrten T aufweist, der sich teilweise dadurch erstreckt, wobei der MIR-Kristall in einem Bereich eines vertikalen Beins davon aufgenommen ist.

11. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 10, wobei das Stützteil eine umgekehrte T-Form besitzt, die angepaßt ist, eng in den Spalt in der Form eines umgekehrten T in dem Basisteil aufgenommen zu werden, wobei das vertikale Bein des Stützteils kürzer ist, als das vertikale Bein des Spaltes in der Form eines umgekehrten T, um an die zweite Oberfläche des in dem Rest des vertikalen Beins des Spaltes aufgenommenen MIR-Kristalls zu stoßen.

12. Die Flüssigkeitsüberwachungsanordnung nach Anspruch 5, wobei das optische System eine Strahlungsenergiequelle aufweist, die einen Strahlungsenergiestrahl durch die Strahlungsenergieeinlaßfläche des Kristalls richtet, wobei der Strahlungsenergiestrahl von der ersten und zweiten Oberfläche des Kristalls in mehrfachen, internen Reflexionen reflektiert wird, wobei die Flüssigkeit selektiv bestimmte Strahlungs­ energiefrequenzen durch den Überwachungsbereich der ersten Oberfläche absorbiert und dann die Energieauslaßfläche zum Detektor anregt, um die Flüssigkeit basierend auf den nicht absorbierten Strahlungsenergie­ frequenzen, die in der vom Detektor empfangenen Strahlungsenergie verbleiben, zu identifizieren.