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专利名称：分析液体的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分析测定液态介质中的所含物质的方法，它采用光源和光学探测器如分光计，其具有至少一束测量光束和至少一束参比光束，其中该至少一束测量光束通过待分析的介质，该至少一束参比光束在待分析的介质外通过。
适于此方法的为“现场”测定流体如河水或废水中所含物质的光度测定探头通常具有光源和有至少一束测量光束和至少一束参比光束的光学探测器，如分光计，其中该光源的光需要时呈扇形展宽，并经至少一个光学透镜聚焦成基本平行的光束。
从DE 3248070 A1和DE 3340570 A1中已知具有测量光束和参比光束的分光计，并从AT-A 2167/99已知其用于“现场”测定。
DE 3248070 A1涉及一种红外分析仪，它具有经分度并一方面通过样品测量池，另一方面通过参比池的光束。
DE 3340570 A1涉及一种分光光度计，其中光束同样被分度成测量光束和参比光束，但按时间错开地通过旋转镜。这时对该两光束提供共用的探测器。为安全可靠，该两分光束具有相同的波长，当不进行测量时，才在单色镜中进行频率偏移。
该两设备均是分立结构，即由多个单元组成，虽然其可有共用的外壳，但不能将该设备作为整体浸入到待测的流体中，而是需将所取样品引入到设备中的相应容器如样品测量池等中。
AT-A 2167/99涉及一种用于“现场”测量的光谱探头。在该探头中测量光束通过可透光的窗口进入待测的流体，并通过另一可透光的窗口再进入探头。参比光束仅在探头内经过，不通过与流体相关的窗口。
还有一种光学探头，它被浸入流体中并进行“现场”测量。但它不是以光度法运行，而限于仅一种波长或一段波长范围，并只测定流体的浊度或所含单个具体物质的浓度。该后者方法不能检验窗口的光学质量，因为即使存在参比光束也是在外壳内经过。但窗口的光学质量对测量质量有极大影响，因为特别在测量废水时，窗的变色及细菌的生长是不可避免的，并且即使采用机械净化如拭窗器也不能保证窗口的光学质量。
再则，所述装置也不能将可机械沉积的成分如废水澄清活化池中的活化沉积物与废水分离。所以为测定活化沉积物在该装置前要设置沉淀单元，从而特别是失去了“现场”测量的价值。
对水，特别是河水、废水和管道中的工艺废水提高了其“现场”测定的要求。用分光光度计可直接测定参量值如硝酸盐和SAK(光谱吸收系数)。结合现今可用的数学最佳化方法如神经网络法(NeuronalenNetzen)，在合格的测量技术下也可提供总参数如TOC和CSB作为代用参数。
本发明的目的在于提供一种方法和设备，使测量光束和参比光束通过具有同样浊度和污染的同样的光学玻璃，并且形成可去除测量光束和参比光束范围的可沉积物质的测量室。
本发明的目的是如此达到的，即以纵向运动的活塞或活塞滑阀将待分析的介质吸入测量室中，并从该测量室排除，该活塞或活塞滑阀在其冲程运动中净化在光程中的窗口。待测量的介质通过活塞吸入玻璃圆筒。由光源、至少一块将光聚焦成基本平行的光束的光学透镜、至少一块经过测量介质后将光导向到光导管入口点或分光计或光电检测器入口的光学透镜组成的光轴以横向于圆筒轴排列。该圆筒轴例如垂直向上。光轴与测量圆筒轴以90°角相交。
按本发明，至少一束测量光束通过待分析的流体，并且至少一束参比光束按时间错开地通过挤出该流体的活塞或活塞滑阀。这时可采用由至少一种透镜组成的汇聚光学系统(Sammelopik)，它将光束导向光导管的聚焦点或光电探测器或光度计的入口，这时该挤出流体的活塞用作光阑，使一部分光束通过，并屏蔽其它光束。
有利的是在活塞的下边缘与光学透镜的上边缘重合情况下进行分光测定，对每一波长或光谱单个区域的参比光束的结果和测量光束的结果按下列数学式计算E1＝L1*Espez+CE2＝L2*Espez+C也可以是该分光计具有探头的形式，在探头的底部区域，将测量圆筒的入口浸入待分析的介质中；排空测量圆筒中的活塞并以其密封唇边和净化唇边净化该测量圆筒的内壁；向上拉动活塞以充满测量圆筒；在参比孔与光轴重合时进行参比测量；在光轴脱开后进行测量。
该带有密封唇边和净化唇边的活塞在有利的方案中具有至少一个在圆筒中间并横向于圆筒轴的参比光束的通孔。该通孔轴平行于光轴。光活塞占有光学透镜上方位置时给出测量平面。
沿光轴测量时由介质充满的测量区的长度相应于测量光束的量程长度。量程长度依待测物质和所需的测量精确度来确定。在非常强的吸收物质情况下，量程长度通常为约2-3mm，在非常弱的吸收物质情况下，量程长度为50-100mm或更长。从技术观点看，约5-20mm的量程长度对各种介质均有足够的精确度。
活塞通孔将测量光束缩小到参比光束的所需面积大小。测量光束与参比光束的面积比按测量介质为1-5；因此，本发明的活塞可有重叠的按直径分级的另外的多个参比孔，这对计算机来说可以自动选取合适的参比孔。
在本发明的扩展方案中，至少可测定另一束与第一参比光束的直径不同的参比光束，并由计算机求出最佳的参比光束。
该测量圆筒至少在其透镜区域优选由对UV稳定的并穿透UV的石英玻璃制成。有利的是该圆筒完全由合适的玻璃制成；这可避免玻璃和其它材料之间可起干扰作用的过渡情况。
按本发明，由光源、至少一个使光聚焦成基本平行的光束的光学透镜和至少一个在经过测量介质后将光导向到光导管入口点或分光计或光电检测器入口的光学透镜组成的光学平面的接受单元由对UV稳定的装配块，优选由圆柱材料制成。由此该构件固定在其轴线上。这时灯、光导管和透镜可按可滑动的方式安置在光轴上用于细调或固定安装。光学平面的接受单元有适于测量圆筒的通孔。由此该光轴与测量圆筒轴在其位置固定。该两轴以90°相交。
用于在澄清装置的活化池中进行测定的本发明的方法的实施方案中，该活塞慢慢向上抽，使测量圆筒下部区的活化沉积物构成由活化沉积物组成的悬浮过滤器，以致在光轴范围收集的是基本不含固体的介质，对这种基本上不含固体的状态通过光学测量进行检验。但是该活塞也可以大于活化沉积物的沉积速度向上抽。优选的充填速度为0.5-2.0厘米/秒。在这种情况下，要使测量介质留有用于沉积的停留时间，然后才开始光电测定。在该后一种充填情况下，达到光轴上面的活塞位置后以规定的秒时间间隔进行介质的浊度测定。当达到预定的澄清度后，计算机自动开始光电测定。
特别是在测量活化沉积物时，用于充填测量圆筒的活塞可以这样的速度向上抽动来充填测量圆筒，以致可不发生沉积物和介质的分层，在活塞下边缘与光学透镜的上边缘重合时规定的秒时间间隔以光学方式测定该沉积物-介质混合物的沉积度，在光轴中达到基本不含固体的介质时开始进行实际的光电测定，沉积度测定时所得的测量数据用于求取所谓的干沉积物质、所谓的沉积物体积和所谓的沉积物指数。
可使光源的光呈扇形展宽，并利用至少一个光学透镜将其聚焦成基本平行的光束。
具有光源、光电探测器如分光计、和至少一块作为汇聚光学系统的光学透镜的实施本发明方法的设备的特征在于，探头包括灯的接受单元、光导管和光学透镜，并且该光轴的构件呈轴向固定安装或呈可滑动安置，优选由可穿透UV的石英玻璃制成的测量圆筒以其中轴与光轴呈90°相交，其中该圆筒呈垂直向上，以给测量圆筒装上活塞，该活塞装配有密封唇片和净化唇片，该活塞包括至少一个适于参比光束的通孔，该通孔经过光轴的垂直平面，并与该轴相互平行，该活塞通过电动机借助于传动杆运动，灯与电源电子学系统相连，光导管与探测器相连，电源电子学系统、探测器、电动机和其它构件与分析处理单元相连，该分析处理单元控制浮筒的所有内部过程，需要时将数据传输到外部计算机上，这些数据经数据导线传送，导线索也用作浮筒的动力供应。
下面以实施例及附图对本发明作详细说明

图1为用于分光法“现场”测量的设备的简化示意图，其中测量探头以纵向截面示出，图2为图1的沿II-II线的截面图，图3为光电测量探头的变化方案，图4为图3的沿IV-IV线的截面图。
在基本是圆柱形的探头1的下部安置的是光学构件的接受单元13。灯4、光导管3和光学透镜6和7以其光学中心点位于光轴20。它们可呈在轴方向可滑动地安装以进行细调或固定安装。透镜6和7的光学作用也可通过测量圆筒的相应研磨来实现。
灯4与电源电子学系统5相连，光导管3与光学探测器2相连。测量圆筒9优选用对UV稳定并又可使UV透过的石英玻璃制造。其圆筒轴与光轴20以90°相交。其直径为5-30mm。
活塞10或活塞滑阀配装有密封唇边和净化唇边21。用于参比光束的参比孔16经过光轴20的垂直平面并与光轴20相平行。活塞10由电动机11通过传动杆12移动。底板19用于挡住可能有的上升的气泡。开孔23用于充填或排空测量圆筒9。
分析处理单元17与探测器2、电动机11、电源电子学系统5和其它构件相连，并控制所有的内部过程。该分析处理单元可暂存数据，并将其再输送到外部的计算机上。导线18用于动力供应和数据传送。固定管14用于探头1的上升和下降。
测量循环例如按如下进行每一测量循环均以排空测量圆筒9的内腔9a中的测量介质开始。活塞10向下运动，并以密封唇片和净化唇片21净化测量圆筒9的内壁。这时介质经开孔23从测量圆筒9中压出。为充填测量圆筒9，利用电动机11推动使活塞10向上运动。在参比孔16c与光轴20重合时，灯4闪光一次或数次。
光束由透镜6偏转，以使光束基本以平行光束通过测量圆筒9的内部。这些光束由透镜7偏转到光导管3的入口。孔轴是无介质的，因此当光束通过由石英玻璃构成的测量圆筒9时，测定了玻璃的消光，包括其浊度和污染，并作为参比光束。如果活塞10向上移动超过光轴20的光束区域，这时灯4重新闪光，并测定玻璃活塞(如上述)的消光C和该测量活塞的总截面中的比总消光系数Espez。
测量圆筒9的下出口具有底板19，其中有入口孔和出口孔23。测量圆筒9的下入口装置有细筛网过滤器。
该玻璃圆筒在光束区域的可能的浊度、着色和污染的影响由此可通过参比光束和测量光束的对比以计算得以补偿。对每一测量光波的数学关系式为E1＝L1*Espez+CE2＝L2*Espez+CE1＝在光程1测定的消光E2＝在光程2测定的消光
L1＝测量光程长(m)L2＝参比光程长(m)Espez＝介质的比总消光系数(l/m)C＝由着色、浊度和污染引起的玻璃圆筒的消光(-)以通常的数学方法可得到该数学关系式的解。
在污染小的水的情况下，该参比测定也在测量室9a中以蒸馏水进行。
在本发明的一个扩展方案中，即在澄清装置的活化池中进行测定时，该活塞10慢慢向上抽，以使在测量圆筒9下部区域中的活化沉积物构成悬浮过滤器，由此在光轴20区域中收集基本上不含固体的介质。当活塞10的下边缘超过光轴20的光束的上区域时，就通过测量吸收来检验介质的无固体的状态。在达足够的沉积质量下开始实际的光电测定。
在本发明方法的另一个补充方案中，即在澄清装置的活化池中进行测定时，用于填充测量圆筒的活塞10以不会发生沉积物和测量介质之间分层的速度向上抽，即以0.5-2厘米/秒速度向上抽。当活塞10的下边缘超过光轴20的光束的上区域时，测定活化沉积物的固含量。随后，以给定的秒时间间隔，测定介质-沉积物-混合物的沉积度，直到达基本上不含固体的介质，并可开始进行实际的光电测定。
通过测量沉积分布图求得所谓的沉积物体积(ml/l)。与先前求得的固含量(g/l)一起提供了所谓沉积物指数的代用值。该沉积物指数相应于沉积物体积(ml/l)/固含量(g/l)。
如图2所示，为测定光散射，可设置侧面光电探测器25、26，它们以给定的角度，即例如与光轴20呈45°和/或90°来测量光散射。
图3和4所示的实施方案与前述的实施方案的主要区别是，活塞10’除孔16外还有至少另一个适于参比光束的孔，如轴向设置的另外的孔27、28，目的是用不同的校准液体或校准物质如凝胶进行标定。
通过电动机29和挠性轴30可驱动搅拌器31，以达到流体的强烈混合。当经试剂泵32和通向圆筒内室的挠性试剂导管33加入试剂时这是特别适用的。
图4示出与用作光电探测器2标定的参比孔16相分岔的参比孔16a和16b，由此可对散射光传感器25和26进行标定。例如由玻璃构成的散射体34可偏心地引入孔16中，以产生用于标定目的的所定义的散射。
光学探测器2可以是分光光度计，它采用附属的光源4覆盖了光度计的波长范围约190-800nm。但对于简单的应用领域，也可采用LED作为光源和简单的光电二极管作为接受器。这种方案非常易于移动并且价格便宜。为探测所选定的波长，可提供激光二极管作为强的单色光源。与合适的光电探测器相组合就可测定非常小的浓度。当要选择性地探测混合物中的物质时，可以采用红外光，特别是NIR。
权利要求
1.一种用于分析测定液态介质中所含物质的方法，它采用光源和光学探测器如分光计，其具有至少一束测量光束和至少一束参比光束，其中该至少一束测量光束通过待分析的介质，该至少一束参比光束在待分析的介质外通过，所述方法的特征在于，以纵向运动的活塞或活塞滑阀将待分析的介质吸入测量室中，并从该测量室排除，且所述活塞或活塞滑阀在其冲程运动中净化在光程中的窗口。
2.权利要求1的方法，其特征在于，在活塞(10，10’)的下边缘与光学透镜(6，7)的上边缘重合的情况下进行分光测定，对每一波长或光谱的单个区域的参比光束的结果和测量光束的结果按下列数学式进行计算E1＝L1 * Espez+CE2＝L2 * Espez+C。
3.权利要求1的方法，其特征在于，所述分光计具有探头(1)的形式，在探头(1)的底部区域将测量圆筒(9)的入口(23)浸入待测介质(24)中，使测量圆筒中的活塞(10，10’)向下运动并由此排空测量圆筒(9)并以其密封唇边和净化唇边(21)净化测量圆筒(9)的内壁，向上拉动活塞(10，10’)以充满测量圆筒(9)，在参比孔(16)与光轴(20)重合时进行参比测量，在光轴脱开后进行测量。
4.权利要求1的方法，其特征在于，至少可测定另一束与第一参比光束的直径不同的参比光束，并且由计算机求出最佳的参比光束。
5.权利要求1-4之一的方法，其特征在于，在测量活化沉积物时，为充填测量圆筒(9)，活塞(10，10’)如此慢地向上抽动，以使在光轴(20)区域收集基本不含固体的介质，对这种基本不含固体的状态通过光学测量进行检测。
6.权利要求1-5之一的方法，其特征在于，在测量活化沉积物时，活塞(10，10’)以不使发生沉积物和介质分层的速度向上抽动来充填测量圆筒(9)，在活塞(10，10’)的下边缘与光学透镜(6，7)的上边缘重合时，以规定的秒时间间隔以光学方式测定该沉积物-介质-混合物的沉积度，在光轴(20)中达到基本不含固体的介质时开始进行实际的光电测定，沉积度测定时所得的测量数据用于求取所谓的干沉积物质、所谓的沉积物体积和所谓的沉积物指数。
7.权利要求1-5之一的方法，其特征在于，使光源(4)的光呈扇形展宽，并利用至少一个光学透镜(6)将其聚焦成基本平行的光束。
8.一种实施权利要求1-6之一的方法的设备，它具有光源、光电探测器如分光计和至少一块作为汇聚光学系统的光学透镜，该设备的特征在于，探头(1)包括灯(4)的接受单元(13)、光导管(3)和光学透镜(6，7)，光轴的构件呈轴向固定安装或呈可滑动安置，优选由可穿透UV的石英玻璃制成的测量圆筒以其中轴与光轴(20)呈90°相交，其中该圆筒呈垂直向上，以给测量圆筒(9)装上活塞(10，10’)，该活塞装配有密封唇片和净化唇片(21)，该活塞(10)包括至少一个适于参比光束的通孔(16)，通孔(16)经过光轴(20)的垂直平面，并与该轴相互平行，活塞(10，10’)通过电动机(11)借助于传动杆(12)运动，灯(4)与电源电子学系统(5)相连，光导管(3)与探测器(2)相连，电源电子学系统(5)、探测器(2)、电动机(11)和其它构件与分析处理单元(17)相连，该分析处理单元(17)控制浮筒的所有内部过程，需要时将数据继续传输到外部计算机上，这些数据经数据导线(18)继续传送，导线索也用作浮筒的动力供应。
9.权利要求8的设备，其特征在于，测量圆筒(9)的下出口具有底板(19)，其中有入口孔和出口孔(23)。
10.权利要求8的设备，其特征在于，该测量圆筒(9)的下入口装置有细筛网过滤器。
11.权利要求8的设备，其特征在于，活塞(10，10’)至少有另一个适于参比光束的孔(27，28)。
12.权利要求8的设备，其特征在于，测量圆筒(9)的直径为5-30mm。
全文摘要
本发明涉及一种用于分析液态介质(24)中的物质含量的方法，它采用光源(4)和光学探测器(2)如分光计，其中至少一束测量光束通过待分析的介质，至少一束参经光束在待分析的介质外通过。以纵向运动的活塞(10)或活塞滑阀将待分析介质吸入测量室中，并从该测量室排出。该活塞(10)或活塞滑阀在其行程运动中净化在光程中的窗口。该分光计呈探头(1)的形式。在探头的底板区域中该测量圆筒(9)的入口(23)浸入待分析的介质(24)中。
文档编号G01N21/27GK1643368SQ03807241
公开日2005年7月20日 申请日期2003年1月30日 优先权日2002年2月6日
发明者F·W·西普曼, A·加尔 申请人:特里达因伊斯科公司