用于使用试剂基线测量化学物种的浓度的方法与流程

本申请要求于2016年6月17日提交的美国临时申请号62351671的权益，该临时申请通过引用结合在此。

本说明书涉及用于测量感兴趣的化学物种的浓度的方法和装置。更具体地，本说明书涉及用于检测溶液中氧化剂的方法和设备。

背景技术：

还原氧化反应是控制或测量感兴趣的化学物种的浓度的常用方法。它广泛用于造纸/纸浆工业中的过程控制、环境卫生控制如游泳池和饮用水安全、以及废水管理中。贵金属(如铂和金)传感器是用于提供此种测量的最常用的传感器。这种测量通常被称为氧化还原电位(orp)测量。

尽管普遍有效，但现有技术orp测量方法遭受慢的响应速度，不确定由若干种可能发生的化学反应中的哪种引起氧化还原电位，以及缺乏从感兴趣的物种的测量中区分传感器污染或记忆效应的能力。例如，以预期的控制点为中心的已知氧化还原过程可以提供500mv的orp值。然而，如果传感器被污染，那么难以分辨400mv的读数为实际响应还是传感器被污染使得读数受到损害之间的差异。因为不存在其他独立测量来区分污染的传感器与良好的传感器，所以使用者只能假设读数是反应速率的真实指示。现有技术方法的缺点的另一个实例，当测量物种的orp时，其中所测量的反应涉及两步电子转移过程，这些方法可以具有慢响应时间。在现有技术方法中，不存在方便的方式来分辨缓增的响应是由传感器引起的还是由两个电子转移过程的复杂性引起的。先前，对于本领域技术人员来说，没有已知的方法来克服这些挑战。

技术实现要素：

本发明提供了一种方法，其中获得了感兴趣的化学物种的浓度(或反应速率)。该方法包括测量试剂的特性以获得基线测量值。该方法继续于：将该试剂添加到被测溶液中，然后测量与该第一试剂反应后该被测溶液的特性以获得反应后测量值，并且然后基于该基线测量值和该第一反应后测量值确定该感兴趣的化学物种的浓度。典型地，这通过以下方式完成：计算该基线测量值与该反应后测量值的差，然后使用该差和预定的换算表以确定该感兴趣的化学物种的浓度。

通过在与感兴趣的物种反应之前使用试剂，基线测量过程每次均有效地校准了测试仪器的传感器。这提供了传感器的明确的性能验证。此外，将传感器响应中的任何偏移作为在感兴趣的物种的每次测量中的因素考虑。

所测量的特性可以是氧化还原电位(orp)，但还可以是温度、ph、导电率、粘度、浊度、气体溶解度、或颜色。试剂可以基于简单的单电子氧化还原对，如fe²⁺和fe³⁺，但可以是其他还原试剂或氧化试剂。

与更复杂的氧化还原过程相比，使用基于单电子氧化还原对的试剂在orp测量中提供了快速响应，并且该测量的响应时间显著地改进。此外，化学反应的不稳定性也被排除在外，因为简单的氧化还原对现在将为占优势的orp指标。

例如，二价铁离子(fe²⁺)和三价铁离子(fe³⁺)是具有容易地可逆的反应的单电子氧化还原对。基于此种单电子氧化还原对的试剂可用于使用orp测量来测量更复杂的氧化试剂如次氯酸的浓度。由于在fe²⁺与fe³⁺之间的单电子可逆转化，组合的试剂和被测溶液的orp将反映更接近于由能斯特方程预测的值，使得测量更可重复且可靠。

当暴露于高orp条件时，orp传感器中的贵金属(如pt和au)的表面可能会中毒。例如，在中性ph下，甚至在低浓度下，具有ocl-和hocl的化学体系的氧化消毒剂可容易地将orp增加至700mv以上，使电极“中毒”，导致迟滞的或甚至假的读数。该中毒可停留在贵金属电极上，造成“记忆效应”，当测量随后的物种时导致假的测量值。当使用二价铁和三价铁的氧化还原试剂时，orp将降低至更低的值。这减轻了“中毒”和“记忆效应”。还可以调整氧化还原试剂浓度以测量不同范围内的氧化消毒剂。

附图说明

并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了本发明主题的一个或多个实施例，并且与详细说明一起解释其原理和实施。在不同的图中，相同的参考号和字符用于指定相同的、对应的或相似的部件。与本披露相关的图典型地不会按比例以尺寸精度绘制，即，此类附图已经被设计，其中集中于观察和理解的清晰度而不是尺寸精度。

图1是用于测量被测溶液中感兴趣的化学物种的浓度的方法的代表性实施例的流程图。

具体实施方式

在描述本发明主题的一个或多个代表性实施例时，使用方向性术语如“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“在...前面”、“在...后面”等，除非另有说明，旨在描述如在不同的图中示出的各部件相对于彼此的位置和/或方向，并且不旨在强加对任何部件相对于图外任何参考点的任何位置和/或方向的限制。

为了清楚，并非在此所描述的本发明主题的代表性实施例的所有常规特征都被示出和描述。当然，将了解的是，在任何此种实际实施的发展中，必须做出许多特定于实施的决策以便实现特定目标，如遵守应用和商业相关的约束，并且这些特定目标将随实施的不同以及开发者的不同而变化。本领域技术人员将认识到，在不背离权利要求书的范围的情况下，可以对一个或多个代表性实施例做出许多修改和变化。当然，将理解的是，代表性实施例的修改对本领域技术人员而言将是明显的，一些是仅在研究后才明显的，其他是常规机械、化学和电子设计的事情。代表性实施例的单一特征、功能或特性不是必要的。除了所描述的实施例之外，本发明主题的其他实施例是可能的，它们的特定设计取决于具体应用。同样地，本发明主题的范围不应该被在此所描述的具体实施例所限制，而应该仅被所附权利要求书及其等效物所限定。

代表性实施例-方法

图1示出了用于测量被测溶液中感兴趣的化学物种的浓度的方法100的代表性实施例的流程图。该被测溶液是氧化剂(如氯)的水溶液。来自游泳池或生活用水供应的水将是典型的来源。

方法100使用了可测量氧化还原电位(orp)、温度、和ph的测试仪器。在其他实施例中，测试仪器测量了导电率和/或一些其他特性。该仪器配置有容纳被测溶液的传感器井(sensorwell)。这些测量和整体方法通过具有一些使用者输入的嵌入式微控制器来控制。

代表性实施例方法100使用基于氧化还原对的试剂。该试剂将样品溶液中的任何氧化剂还原。在代表性实施例中，该试剂基于fe²⁺和fe³⁺氧化还原对。

代表性实施例方法100的第一步骤是基线测量步骤102。基线测量步骤102包括测量该试剂的特性以获得基线测量值。该基线测量步骤102开始于用该试剂冲洗该传感器井，然后用该试剂填满该传感器井的子步骤。然后该基线测量步骤继续于测量该试剂的氧化还原电位(orp)(典型地以毫伏(mv)计)、然后记录该orp测量值作为基线测量值的子步骤。然后基线测量步骤102结束于排空该传感器井。

第二步骤是样品预处理步骤104。样品预处理步骤104包括将第一试剂添加到该被测溶液中。该样品预处理步骤104开始于测量出足以填满该传感器井的样品溶液的预处理量(约25ml)的子步骤。然后样品预处理步骤104继续于添加足以使得预处理量的样品溶液具有在2.0-3.0范围内的ph的量的选择剂，产生预处理的样品溶液的子步骤。在该代表性实施例中，该选择剂是0.09n硫酸，但可以使用其他试剂和浓度。该步骤去除了干扰物种，如碳酸氢盐物种的形式(nahco3、hco3^--)。

第三步骤是样品测量步骤106。样品测量步骤106包括测量与该试剂反应后该被测溶液的特性以获得反应后测量值。样品测量步骤106开始于将一定量试剂按预定为足以促进测量过程的比率添加到该预处理的样品溶液中的子步骤。在该代表性实施例中，使用了6比1(例如15ml比2.5ml)的比率，但在其他实施例中，可以使用其他比率。然后样品测量步骤106继续于将该预处理的样品溶液和试剂混合持续足够的时间以产生混合物溶液，然后允许该混合物溶液持续足够的时间来稳定的子步骤。在该代表性实施例，将该预处理的样品溶液和试剂混合持续1分钟，并且允许该混合物溶液稳定持续1分钟，但在该方法的其他实施例中，对于其他感兴趣的物种和试剂，可以使用其他时间。然后样品测量步骤106继续于用该混合物溶液冲洗该传感器井(典型地填满并排空三次)，用该混合物溶液填满该传感器井，然后测量该混合物溶液的orp(典型地以mv计)，然后将该测量值记录为反应后测量值的子步骤。

第四步骤是转换步骤108。转换步骤108包括基于该基线测量值和该反应后测量值，确定该感兴趣的化学物种的浓度。转换步骤108使用具有两组相关值的换算表。该表是典型地在实验室里预先生成的，用较高灵敏度设备对值进行反复核对。第一组值是特性测量值(在第一实施例中，orp值典型地以mv计)，并且第二组值是感兴趣的物种的浓度(典型地以百万分率(ppm)计)。每个特性测量值与浓度值之一相关。转换步骤108开始于基于在该基线测量值与该反应后测量值之间的差，计算δ测量值。然后转换步骤108继续于通过使用该δ测量值获得该被测溶液中的感兴趣的化学物种的浓度以从换算表中获得相关的浓度值，该相关的浓度值被指定为该感兴趣的化学物种的(未补偿的)浓度。

第五步骤是温度补偿步骤110。温度转换步骤110开始于测量该混合物溶液的温度。在此之后是基于该感兴趣的化学物种的(未补偿的)浓度(在该转换步骤中确定的)和温度，确定该感兴趣的化学物种的(补偿的)浓度。该补偿的浓度是校正至标准温度(典型地25℃)的值。在第一示例性方法中，使用了温度补偿公式，但在其他实施例中，可以使用表。温度转换步骤110继续于呈现该感兴趣的化学物种的补偿浓度，典型地通过在电子显示器上显示该补偿浓度。温度转换步骤110结束于在30-45秒之后或当该补偿浓度的值稳定时，接受该感兴趣的化学物种的最终补偿浓度。