專利名稱：分析液體的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分析測定液態(tài)介質(zhì)中的所含物質(zhì)的方法，它采用光源和光學(xué)探測器如分光計，其具有至少一束測量光束和至少一束參比光束，其中該至少一束測量光束通過待分析的介質(zhì)，該至少一束參比光束在待分析的介質(zhì)外通過。
適于此方法的為“現(xiàn)場”測定流體如河水或廢水中所含物質(zhì)的光度測定探頭通常具有光源和有至少一束測量光束和至少一束參比光束的光學(xué)探測器，如分光計，其中該光源的光需要時呈扇形展寬，并經(jīng)至少一個光學(xué)透鏡聚焦成基本平行的光束。
從DE 3248070 A1和DE 3340570 A1中已知具有測量光束和參比光束的分光計，并從AT-A 2167/99已知其用于“現(xiàn)場”測定。
DE 3248070 A1涉及一種紅外分析儀，它具有經(jīng)分度并一方面通過樣品測量池，另一方面通過參比池的光束。
DE 3340570 A1涉及一種分光光度計，其中光束同樣被分度成測量光束和參比光束，但按時間錯開地通過旋轉(zhuǎn)鏡。這時對該兩光束提供共用的探測器。為安全可靠，該兩分光束具有相同的波長，當(dāng)不進(jìn)行測量時，才在單色鏡中進(jìn)行頻率偏移。
該兩設(shè)備均是分立結(jié)構(gòu)，即由多個單元組成，雖然其可有共用的外殼，但不能將該設(shè)備作為整體浸入到待測的流體中，而是需將所取樣品引入到設(shè)備中的相應(yīng)容器如樣品測量池等中。
AT-A 2167/99涉及一種用于“現(xiàn)場”測量的光譜探頭。在該探頭中測量光束通過可透光的窗口進(jìn)入待測的流體，并通過另一可透光的窗口再進(jìn)入探頭。參比光束僅在探頭內(nèi)經(jīng)過，不通過與流體相關(guān)的窗口。
還有一種光學(xué)探頭，它被浸入流體中并進(jìn)行“現(xiàn)場”測量。但它不是以光度法運行，而限于僅一種波長或一段波長范圍，并只測定流體的濁度或所含單個具體物質(zhì)的濃度。該后者方法不能檢驗窗口的光學(xué)質(zhì)量，因為即使存在參比光束也是在外殼內(nèi)經(jīng)過。但窗口的光學(xué)質(zhì)量對測量質(zhì)量有極大影響，因為特別在測量廢水時，窗的變色及細(xì)菌的生長是不可避免的，并且即使采用機(jī)械凈化如拭窗器也不能保證窗口的光學(xué)質(zhì)量。
再則，所述裝置也不能將可機(jī)械沉積的成分如廢水澄清活化池中的活化沉積物與廢水分離。所以為測定活化沉積物在該裝置前要設(shè)置沉淀單元，從而特別是失去了“現(xiàn)場”測量的價值。
對水，特別是河水、廢水和管道中的工藝廢水提高了其“現(xiàn)場”測定的要求。用分光光度計可直接測定參量值如硝酸鹽和SAK(光譜吸收系數(shù))。結(jié)合現(xiàn)今可用的數(shù)學(xué)最佳化方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NeuronalenNetzen)，在合格的測量技術(shù)下也可提供總參數(shù)如TOC和CSB作為代用參數(shù)。
本發(fā)明的目的在于提供一種方法和設(shè)備，使測量光束和參比光束通過具有同樣濁度和污染的同樣的光學(xué)玻璃，并且形成可去除測量光束和參比光束范圍的可沉積物質(zhì)的測量室。
本發(fā)明的目的是如此達(dá)到的，即以縱向運動的活塞或活塞滑閥將待分析的介質(zhì)吸入測量室中，并從該測量室排除，該活塞或活塞滑閥在其沖程運動中凈化在光程中的窗口。待測量的介質(zhì)通過活塞吸入玻璃圓筒。由光源、至少一塊將光聚焦成基本平行的光束的光學(xué)透鏡、至少一塊經(jīng)過測量介質(zhì)后將光導(dǎo)向到光導(dǎo)管入口點或分光計或光電檢測器入口的光學(xué)透鏡組成的光軸以橫向于圓筒軸排列。該圓筒軸例如垂直向上。光軸與測量圓筒軸以90°角相交。
按本發(fā)明，至少一束測量光束通過待分析的流體，并且至少一束參比光束按時間錯開地通過擠出該流體的活塞或活塞滑閥。這時可采用由至少一種透鏡組成的匯聚光學(xué)系統(tǒng)(Sammelopik)，它將光束導(dǎo)向光導(dǎo)管的聚焦點或光電探測器或光度計的入口，這時該擠出流體的活塞用作光闌，使一部分光束通過，并屏蔽其它光束。
有利的是在活塞的下邊緣與光學(xué)透鏡的上邊緣重合情況下進(jìn)行分光測定，對每一波長或光譜單個區(qū)域的參比光束的結(jié)果和測量光束的結(jié)果按下列數(shù)學(xué)式計算E1＝L1*Espez+CE2＝L2*Espez+C也可以是該分光計具有探頭的形式，在探頭的底部區(qū)域，將測量圓筒的入口浸入待分析的介質(zhì)中；排空測量圓筒中的活塞并以其密封唇邊和凈化唇邊凈化該測量圓筒的內(nèi)壁；向上拉動活塞以充滿測量圓筒；在參比孔與光軸重合時進(jìn)行參比測量；在光軸脫開后進(jìn)行測量。
該帶有密封唇邊和凈化唇邊的活塞在有利的方案中具有至少一個在圓筒中間并橫向于圓筒軸的參比光束的通孔。該通孔軸平行于光軸。光活塞占有光學(xué)透鏡上方位置時給出測量平面。
沿光軸測量時由介質(zhì)充滿的測量區(qū)的長度相應(yīng)于測量光束的量程長度。量程長度依待測物質(zhì)和所需的測量精確度來確定。在非常強(qiáng)的吸收物質(zhì)情況下，量程長度通常為約2-3mm，在非常弱的吸收物質(zhì)情況下，量程長度為50-100mm或更長。從技術(shù)觀點看，約5-20mm的量程長度對各種介質(zhì)均有足夠的精確度。
活塞通孔將測量光束縮小到參比光束的所需面積大小。測量光束與參比光束的面積比按測量介質(zhì)為1-5；因此，本發(fā)明的活塞可有重疊的按直徑分級的另外的多個參比孔，這對計算機(jī)來說可以自動選取合適的參比孔。
在本發(fā)明的擴(kuò)展方案中，至少可測定另一束與第一參比光束的直徑不同的參比光束，并由計算機(jī)求出最佳的參比光束。
該測量圓筒至少在其透鏡區(qū)域優(yōu)選由對UV穩(wěn)定的并穿透UV的石英玻璃制成。有利的是該圓筒完全由合適的玻璃制成；這可避免玻璃和其它材料之間可起干擾作用的過渡情況。
按本發(fā)明，由光源、至少一個使光聚焦成基本平行的光束的光學(xué)透鏡和至少一個在經(jīng)過測量介質(zhì)后將光導(dǎo)向到光導(dǎo)管入口點或分光計或光電檢測器入口的光學(xué)透鏡組成的光學(xué)平面的接受單元由對UV穩(wěn)定的裝配塊，優(yōu)選由圓柱材料制成。由此該構(gòu)件固定在其軸線上。這時燈、光導(dǎo)管和透鏡可按可滑動的方式安置在光軸上用于細(xì)調(diào)或固定安裝。光學(xué)平面的接受單元有適于測量圓筒的通孔。由此該光軸與測量圓筒軸在其位置固定。該兩軸以90°相交。
用于在澄清裝置的活化池中進(jìn)行測定的本發(fā)明的方法的實施方案中，該活塞慢慢向上抽，使測量圓筒下部區(qū)的活化沉積物構(gòu)成由活化沉積物組成的懸浮過濾器，以致在光軸范圍收集的是基本不含固體的介質(zhì)，對這種基本上不含固體的狀態(tài)通過光學(xué)測量進(jìn)行檢驗。但是該活塞也可以大于活化沉積物的沉積速度向上抽。優(yōu)選的充填速度為0.5-2.0厘米/秒。在這種情況下，要使測量介質(zhì)留有用于沉積的停留時間，然后才開始光電測定。在該后一種充填情況下，達(dá)到光軸上面的活塞位置后以規(guī)定的秒時間間隔進(jìn)行介質(zhì)的濁度測定。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澄清度后，計算機(jī)自動開始光電測定。
特別是在測量活化沉積物時，用于充填測量圓筒的活塞可以這樣的速度向上抽動來充填測量圓筒，以致可不發(fā)生沉積物和介質(zhì)的分層，在活塞下邊緣與光學(xué)透鏡的上邊緣重合時規(guī)定的秒時間間隔以光學(xué)方式測定該沉積物-介質(zhì)混合物的沉積度，在光軸中達(dá)到基本不含固體的介質(zhì)時開始進(jìn)行實際的光電測定，沉積度測定時所得的測量數(shù)據(jù)用于求取所謂的干沉積物質(zhì)、所謂的沉積物體積和所謂的沉積物指數(shù)。
可使光源的光呈扇形展寬，并利用至少一個光學(xué)透鏡將其聚焦成基本平行的光束。
具有光源、光電探測器如分光計、和至少一塊作為匯聚光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)透鏡的實施本發(fā)明方法的設(shè)備的特征在于，探頭包括燈的接受單元、光導(dǎo)管和光學(xué)透鏡，并且該光軸的構(gòu)件呈軸向固定安裝或呈可滑動安置，優(yōu)選由可穿透UV的石英玻璃制成的測量圓筒以其中軸與光軸呈90°相交，其中該圓筒呈垂直向上，以給測量圓筒裝上活塞，該活塞裝配有密封唇片和凈化唇片，該活塞包括至少一個適于參比光束的通孔，該通孔經(jīng)過光軸的垂直平面，并與該軸相互平行，該活塞通過電動機(jī)借助于傳動桿運動，燈與電源電子學(xué)系統(tǒng)相連，光導(dǎo)管與探測器相連，電源電子學(xué)系統(tǒng)、探測器、電動機(jī)和其它構(gòu)件與分析處理單元相連，該分析處理單元控制浮筒的所有內(nèi)部過程，需要時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C(jī)上，這些數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)線傳送，導(dǎo)線索也用作浮筒的動力供應(yīng)。
下面以實施例及附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明

圖1為用于分光法“現(xiàn)場”測量的設(shè)備的簡化示意圖，其中測量探頭以縱向截面示出，圖2為圖1的沿II-II線的截面圖，圖3為光電測量探頭的變化方案，圖4為圖3的沿IV-IV線的截面圖。
在基本是圓柱形的探頭1的下部安置的是光學(xué)構(gòu)件的接受單元13。燈4、光導(dǎo)管3和光學(xué)透鏡6和7以其光學(xué)中心點位于光軸20。它們可呈在軸方向可滑動地安裝以進(jìn)行細(xì)調(diào)或固定安裝。透鏡6和7的光學(xué)作用也可通過測量圓筒的相應(yīng)研磨來實現(xiàn)。
燈4與電源電子學(xué)系統(tǒng)5相連，光導(dǎo)管3與光學(xué)探測器2相連。測量圓筒9優(yōu)選用對UV穩(wěn)定并又可使UV透過的石英玻璃制造。其圓筒軸與光軸20以90°相交。其直徑為5-30mm。
活塞10或活塞滑閥配裝有密封唇邊和凈化唇邊21。用于參比光束的參比孔16經(jīng)過光軸20的垂直平面并與光軸20相平行?；钊?0由電動機(jī)11通過傳動桿12移動。底板19用于擋住可能有的上升的氣泡。開孔23用于充填或排空測量圓筒9。
分析處理單元17與探測器2、電動機(jī)11、電源電子學(xué)系統(tǒng)5和其它構(gòu)件相連，并控制所有的內(nèi)部過程。該分析處理單元可暫存數(shù)據(jù)，并將其再輸送到外部的計算機(jī)上。導(dǎo)線18用于動力供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳送。固定管14用于探頭1的上升和下降。
測量循環(huán)例如按如下進(jìn)行每一測量循環(huán)均以排空測量圓筒9的內(nèi)腔9a中的測量介質(zhì)開始?；钊?0向下運動，并以密封唇片和凈化唇片21凈化測量圓筒9的內(nèi)壁。這時介質(zhì)經(jīng)開孔23從測量圓筒9中壓出。為充填測量圓筒9，利用電動機(jī)11推動使活塞10向上運動。在參比孔16c與光軸20重合時，燈4閃光一次或數(shù)次。
光束由透鏡6偏轉(zhuǎn)，以使光束基本以平行光束通過測量圓筒9的內(nèi)部。這些光束由透鏡7偏轉(zhuǎn)到光導(dǎo)管3的入口?？纵S是無介質(zhì)的，因此當(dāng)光束通過由石英玻璃構(gòu)成的測量圓筒9時，測定了玻璃的消光，包括其濁度和污染，并作為參比光束。如果活塞10向上移動超過光軸20的光束區(qū)域，這時燈4重新閃光，并測定玻璃活塞(如上述)的消光C和該測量活塞的總截面中的比總消光系數(shù)Espez。
測量圓筒9的下出口具有底板19，其中有入口孔和出口孔23。測量圓筒9的下入口裝置有細(xì)篩網(wǎng)過濾器。
該玻璃圓筒在光束區(qū)域的可能的濁度、著色和污染的影響由此可通過參比光束和測量光束的對比以計算得以補(bǔ)償。對每一測量光波的數(shù)學(xué)關(guān)系式為E1＝L1*Espez+CE2＝L2*Espez+CE1＝在光程1測定的消光E2＝在光程2測定的消光
L1＝測量光程長(m)L2＝參比光程長(m)Espez＝介質(zhì)的比總消光系數(shù)(l/m)C＝由著色、濁度和污染引起的玻璃圓筒的消光(-)以通常的數(shù)學(xué)方法可得到該數(shù)學(xué)關(guān)系式的解。
在污染小的水的情況下，該參比測定也在測量室9a中以蒸餾水進(jìn)行。
在本發(fā)明的一個擴(kuò)展方案中，即在澄清裝置的活化池中進(jìn)行測定時，該活塞10慢慢向上抽，以使在測量圓筒9下部區(qū)域中的活化沉積物構(gòu)成懸浮過濾器，由此在光軸20區(qū)域中收集基本上不含固體的介質(zhì)。當(dāng)活塞10的下邊緣超過光軸20的光束的上區(qū)域時，就通過測量吸收來檢驗介質(zhì)的無固體的狀態(tài)。在達(dá)足夠的沉積質(zhì)量下開始實際的光電測定。
在本發(fā)明方法的另一個補(bǔ)充方案中，即在澄清裝置的活化池中進(jìn)行測定時，用于填充測量圓筒的活塞10以不會發(fā)生沉積物和測量介質(zhì)之間分層的速度向上抽，即以0.5-2厘米/秒速度向上抽。當(dāng)活塞10的下邊緣超過光軸20的光束的上區(qū)域時，測定活化沉積物的固含量。隨后，以給定的秒時間間隔，測定介質(zhì)-沉積物-混合物的沉積度，直到達(dá)基本上不含固體的介質(zhì)，并可開始進(jìn)行實際的光電測定。
通過測量沉積分布圖求得所謂的沉積物體積(ml/l)。與先前求得的固含量(g/l)一起提供了所謂沉積物指數(shù)的代用值。該沉積物指數(shù)相應(yīng)于沉積物體積(ml/l)/固含量(g/l)。
如圖2所示，為測定光散射，可設(shè)置側(cè)面光電探測器25、26，它們以給定的角度，即例如與光軸20呈45°和/或90°來測量光散射。
圖3和4所示的實施方案與前述的實施方案的主要區(qū)別是，活塞10’除孔16外還有至少另一個適于參比光束的孔，如軸向設(shè)置的另外的孔27、28，目的是用不同的校準(zhǔn)液體或校準(zhǔn)物質(zhì)如凝膠進(jìn)行標(biāo)定。
通過電動機(jī)29和撓性軸30可驅(qū)動攪拌器31，以達(dá)到流體的強(qiáng)烈混合。當(dāng)經(jīng)試劑泵32和通向圓筒內(nèi)室的撓性試劑導(dǎo)管33加入試劑時這是特別適用的。
圖4示出與用作光電探測器2標(biāo)定的參比孔16相分岔的參比孔16a和16b，由此可對散射光傳感器25和26進(jìn)行標(biāo)定。例如由玻璃構(gòu)成的散射體34可偏心地引入孔16中，以產(chǎn)生用于標(biāo)定目的的所定義的散射。
光學(xué)探測器2可以是分光光度計，它采用附屬的光源4覆蓋了光度計的波長范圍約190-800nm。但對于簡單的應(yīng)用領(lǐng)域，也可采用LED作為光源和簡單的光電二極管作為接受器。這種方案非常易于移動并且價格便宜。為探測所選定的波長，可提供激光二極管作為強(qiáng)的單色光源。與合適的光電探測器相組合就可測定非常小的濃度。當(dāng)要選擇性地探測混合物中的物質(zhì)時，可以采用紅外光，特別是NIR。
權(quán)利要求
1.一種用于分析測定液態(tài)介質(zhì)中所含物質(zhì)的方法，它采用光源和光學(xué)探測器如分光計，其具有至少一束測量光束和至少一束參比光束，其中該至少一束測量光束通過待分析的介質(zhì)，該至少一束參比光束在待分析的介質(zhì)外通過，所述方法的特征在于，以縱向運動的活塞或活塞滑閥將待分析的介質(zhì)吸入測量室中，并從該測量室排除，且所述活塞或活塞滑閥在其沖程運動中凈化在光程中的窗口。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在活塞(10，10’)的下邊緣與光學(xué)透鏡(6，7)的上邊緣重合的情況下進(jìn)行分光測定，對每一波長或光譜的單個區(qū)域的參比光束的結(jié)果和測量光束的結(jié)果按下列數(shù)學(xué)式進(jìn)行計算E1＝L1 * Espez+CE2＝L2 * Espez+C。
3.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述分光計具有探頭(1)的形式，在探頭(1)的底部區(qū)域?qū)y量圓筒(9)的入口(23)浸入待測介質(zhì)(24)中，使測量圓筒中的活塞(10，10’)向下運動并由此排空測量圓筒(9)并以其密封唇邊和凈化唇邊(21)凈化測量圓筒(9)的內(nèi)壁，向上拉動活塞(10，10’)以充滿測量圓筒(9)，在參比孔(16)與光軸(20)重合時進(jìn)行參比測量，在光軸脫開后進(jìn)行測量。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，至少可測定另一束與第一參比光束的直徑不同的參比光束，并且由計算機(jī)求出最佳的參比光束。
5.權(quán)利要求1-4之一的方法，其特征在于，在測量活化沉積物時，為充填測量圓筒(9)，活塞(10，10’)如此慢地向上抽動，以使在光軸(20)區(qū)域收集基本不含固體的介質(zhì)，對這種基本不含固體的狀態(tài)通過光學(xué)測量進(jìn)行檢測。
6.權(quán)利要求1-5之一的方法，其特征在于，在測量活化沉積物時，活塞(10，10’)以不使發(fā)生沉積物和介質(zhì)分層的速度向上抽動來充填測量圓筒(9)，在活塞(10，10’)的下邊緣與光學(xué)透鏡(6，7)的上邊緣重合時，以規(guī)定的秒時間間隔以光學(xué)方式測定該沉積物-介質(zhì)-混合物的沉積度，在光軸(20)中達(dá)到基本不含固體的介質(zhì)時開始進(jìn)行實際的光電測定，沉積度測定時所得的測量數(shù)據(jù)用于求取所謂的干沉積物質(zhì)、所謂的沉積物體積和所謂的沉積物指數(shù)。
7.權(quán)利要求1-5之一的方法，其特征在于，使光源(4)的光呈扇形展寬，并利用至少一個光學(xué)透鏡(6)將其聚焦成基本平行的光束。
8.一種實施權(quán)利要求1-6之一的方法的設(shè)備，它具有光源、光電探測器如分光計和至少一塊作為匯聚光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)透鏡，該設(shè)備的特征在于，探頭(1)包括燈(4)的接受單元(13)、光導(dǎo)管(3)和光學(xué)透鏡(6，7)，光軸的構(gòu)件呈軸向固定安裝或呈可滑動安置，優(yōu)選由可穿透UV的石英玻璃制成的測量圓筒以其中軸與光軸(20)呈90°相交，其中該圓筒呈垂直向上，以給測量圓筒(9)裝上活塞(10，10’)，該活塞裝配有密封唇片和凈化唇片(21)，該活塞(10)包括至少一個適于參比光束的通孔(16)，通孔(16)經(jīng)過光軸(20)的垂直平面，并與該軸相互平行，活塞(10，10’)通過電動機(jī)(11)借助于傳動桿(12)運動，燈(4)與電源電子學(xué)系統(tǒng)(5)相連，光導(dǎo)管(3)與探測器(2)相連，電源電子學(xué)系統(tǒng)(5)、探測器(2)、電動機(jī)(11)和其它構(gòu)件與分析處理單元(17)相連，該分析處理單元(17)控制浮筒的所有內(nèi)部過程，需要時將數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸?shù)酵獠坑嬎銠C(jī)上，這些數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)線(18)繼續(xù)傳送，導(dǎo)線索也用作浮筒的動力供應(yīng)。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，測量圓筒(9)的下出口具有底板(19)，其中有入口孔和出口孔(23)。
10.權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，該測量圓筒(9)的下入口裝置有細(xì)篩網(wǎng)過濾器。
11.權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，活塞(10，10’)至少有另一個適于參比光束的孔(27，28)。
12.權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，測量圓筒(9)的直徑為5-30mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分析液態(tài)介質(zhì)(24)中的物質(zhì)含量的方法，它采用光源(4)和光學(xué)探測器(2)如分光計，其中至少一束測量光束通過待分析的介質(zhì)，至少一束參經(jīng)光束在待分析的介質(zhì)外通過。以縱向運動的活塞(10)或活塞滑閥將待分析介質(zhì)吸入測量室中，并從該測量室排出。該活塞(10)或活塞滑閥在其行程運動中凈化在光程中的窗口。該分光計呈探頭(1)的形式。在探頭的底板區(qū)域中該測量圓筒(9)的入口(23)浸入待分析的介質(zhì)(24)中。
文檔編號G01N21/27GK1643368SQ03807241
公開日2005年7月20日 申請日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者F·W·西普曼, A·加爾 申請人:特里達(dá)因伊斯科公司