本发明涉及光度计，并且更具体地涉及具有改进的光源的光度计。
背景技术：
光度计是用于通过确定发色团对光的特定波长的吸光度来测量流体(气体或液体)中组分(发色团)浓度的设备。发色团浓度由通过beer-lambert关系由所测量的吸光度来确定：a＝ebc，其中a＝吸光度，e＝发色团吸光度，b＝光程长度，c＝发色团浓度。
最常见的传统光度计之一是sigrist光度计，其包括光源、滤光轮、样品池以及光接收器或检测器。光源产生连续的电磁辐射(光)束，其遵循延伸通过透镜的光路，穿过滤光轮，穿过样品池并撞击检测器。滤光轮包括参考滤光器和测量滤光器。参考滤光器可操作成将光束隔离到参考波长，而测量滤光器可操作成将光束隔离到测量波长。参考波长是发色团几乎没有吸收或无吸收的波长，而测量波长是发色团吸收能量的波长。斩波器马达使滤光轮转动，以交替地使参考滤光器和测量滤光器穿过光束，因此将光束转换成交替的测量光束和参考光束。
来自滤光轮的测量光束和参考光束在穿过样品池之前先穿过使它们准直的透镜。光束离开样品池，并且由另一透镜聚焦在检测器上。检测器将光束转换成与检测器所接收的光强度成正比的电压信号。电子组件计算测量光束强度与参考光束强度的比率，其消除了由于光源光度波动和检测器灵敏度中的任何改变而导致的误差。该透光率比继而由电子组件使用来确定吸光度，该吸光度是透光率的负对数。该吸光度转而用于计算发色团的浓度。
用于光度计的光源必须产生足够强大的光束以便于检测和测量。此外，其输出功率应该在合理的时间段内是稳定的。光源可以是连续光源，其发射的辐射强度只是根据波长而缓慢改变，或者可以是发射有限数目光谱线的线源。常用的连续光源包括钨/卤素灯和氘灯。典型的钨/卤素灯提供从320到2500nm的波长分布，而典型的氘灯提供约160nm到约350至400nm的波长分布。钨/卤素灯和氘灯都在高温下运行并消耗大量的电力。此外，滤光轮和斩波器马达使光度计的操作变得复杂。
本发明涉及解决这些问题的改进的光度计。
技术实现要素：
根据本发明，提供了用于测量在流体中发色团浓度的光度计。发色团吸收测量波长的光，并且吸收明显较少的参考波长的光。光度计包括具有第一发光二极管(led)、第二led、第三led和第四led的光源。第一和第二led中的每一个都可以操作成产生测量波长的测量光，并且第三和第四led中的每一个都可以操作成产生参考波长的参考光。测量光和参考光遵循光路。样品池保持流体，并且相对于光源定位，以使得光路穿过样品池。检测器被布置成接收已经穿过样品池之后的参考光和测量光。检测器产生至少一个信号，该信号与接收到的参考光和测量光的强度成正比。第一和第二led的中心分别布置在由垂直的第一和第二轴线所限定的对角的第一和第二象限中。
根据本发明，还提供了测量在流体中发色团浓度的方法。发色团吸收测量波长的光，并且吸收明显较少的参考波长的光。根据该方法，具有发色团的流体被放置在光路延伸通过的样品池中。测量波长的测量光由彼此对角定位的第一和第二发光二极管(led)产生。测量光沿着光路行进。参考波长的参考光由彼此对角定位的第三和第四led产生。参考光沿着光路行进。在已经穿过包含发色团的样品池之后，测量光被接收。与接收的参考光的强度成正比的参考信号被产生。从测量信号和参考信号来确定发色团的浓度。
附图说明
结合以下描述、所附权利要求和附图，本发明的特征、方面和优点将变得更好理解，其中：
图1示出光度计的示意图；
图2示出光度计的第一光源的示意图，该第一光源根据本发明的第一实施例来构造；
图3示出第一光源的固态实施例的示意图；
图4示出用于校正led漂移的浓度测量的程序的流程图；
图5示出当光度计的光路对齐时，来自光度计的第二光源的光束撞击检测器的示意图；
图6示出当光度计的光路未对齐时，来自光度计的第二光源的光束撞击检测器的示意图；
图7示出当光度计的光路对齐时，来自光度计的第一光源的光束撞击检测器的示意图；
图8示出当光度计的光路未对齐时，来自光度计的第一光源的光束撞击检测器的示意图；
图9示出光度计的第三光源的示意图，该第三光源根据本发明的第二实施例来构造。
具体实施方式
应该注意的是，在下面的详细描述中，相同的部件具有相同的附图标记，而不管它们是否在本发明的不同实施例中示出。还应该注意的是，为了清楚和简洁地公开本发明，附图可能不一定按比例绘制，并且本发明的某些特征可能以示意性的形式示出。
现在参考图1，示出了根据本发明构造的光度计10。光度计10是适于测量一种或多种受关注的化合物(发色团)的浓度的在线处理光度计。在本发明的一些实施例中，光度计10适于在不改造光度计10的情况下，测量仅仅一种或一组发色团的浓度，这将在下文中更全面地讨论。然而，在本发明的其他实施例中，光度计适于测量多个发色团或多组发色团的浓度，这也将在下文中更全面地讨论。应该理解的是，虽然光度计10被描述成在线处理光度计，但是本发明不限于这种类型的光度计。例如，本发明可以在便携式现场光度计或实验室光度计中实施。
光度计10包括光源组件12，样品池组件14和检测器组件16。光源组件12和检测器组件16可以安装在单独的外壳中。例如，光源组件12可以安装在外壳18中，而检测器组件16可以安装在外壳20中。样品池组件14可以被安装和延伸在外壳18与外壳20之间。光路22在光源组件12的第一光源21与检测器组件16的检测器23之间延伸。如将在下文中更全面描述的那样，光从第一光源21，在光路22上行进到检测器23。
样品池组件14包括样品池24、可选的加热器26以及上部和下部稳定器(带)棒28，30。样品池组件14与源组件12和检测器组件16中的电子装置隔离。这种隔离允许方便访问样品线，简化日常维护过程，减少来自加热的样品流的辐射热效应，并且允许样品池24被加热器26加热到高温(例如，150℃)，而不会损害光度计10的电子部件。上部和下部稳定器棒28，30在维护期间提供光学自对齐。样品池24是管状的，并且包括具有入口和出口的外套34，以用于连接到来自过程的样品流体源。样品流体包含一种或多种受关注的浓度待测的发色团。套34可以由不锈钢构成，并且与加热器26有热接触和/或物理接触。窗口40，42朝着套34的相对端安装。窗口40，42由诸如石英或蓝宝石玻璃的透明材料构成。套34、窗口40，42和所有密封件都与待分析样品流体的化学性质和物理性质相兼容。
现在还参考图2，示出了第一光源21的示意图。第一光源21包括第一发光二极管(led)50、第二led52、第三led54和第四led56。光源组件12还包括电源60和驱动器62。驱动器62控制向led50-56的功率供给。第一和第二led50、52各自发射发色团强烈吸收的波长的光。第三和第四led54、56各自发射发色团不吸收或最少吸收的波长的光。第一、第二、第三和第四led50-56被定位成在垂直于发射平面的方向上发射光，该发射平面具有由彼此垂直布置的第一和第二轴线80、82所限定的四个象限70、72、74、76。第一、第二、第三和第四led50-56的中心分别设置在第一、第二、第三和第四象限70-76。分别包含第一和第二led50、52的第一和第二象限70、72彼此对角。类似地，分别包含第三和第四led54、56的第三和第四象限74、76彼此对角。以这种方式，第一和第二led50、52彼此对角，并且第三和第四led54、56彼此对角。第一、第二、第三和第四led50-56彼此靠近布置是期望的，即每个led与其他led中的每一个之间的距离比在发射平面中每个led的最大尺寸要小。更具体地，第一、第二、第三和第四led50-56尽可能地彼此靠近是期望的。以这种方式，第一、第二、第三和第四led50-56总体上形成矩形，并且更具体地形成方形。用这种布置，由第一和第二led50、52分别发射的单独的测量光束90、92(如图7和图8所示)是邻近的或靠在一起，以便创建复合测量光束。类似地，由第三和第四led54，56分别发射的单独的测量光束94，96是邻近的或靠在一起，以便创建复合参考光束。
第一光源21可以安装在单个集成电路封装100中，该集成电路封装100转而被安装到源电路板102。更具体地，集成电路封装100可以是具有直径小于半英寸的圆柱形壳体的to-8封装。如图3所示，第一光源21较小并且朝着壳体104的中心安装。
如上所述，第一和第二led50、52各自发射发色团强烈吸收的波长的光。在一个非限制性实施例中，第一和第二led50、52发射280nm波长的光，而第三和第四led54、56发射320nm波长的光。在这个实施例中，发色团是二氧化硫，其强烈地吸收280nm(测量波长)、而不是320nm(参考波长)的光。在另一个非限制性实施例中，第一和第二led50、52发射255nm波长(测量波长)的光，而第三和第四led5456发射320nm波长(参考波长)的光。在这个实施例中，发色团是芳香烃，其强烈地吸收255nm、而不是320nm的光。应该明白的是，取决于正在测量浓度的发色团，led50-56可以具有(测量波长和参考波长的)其他组合。
光度计10可以被制造以用于测量特定发色团或特定发色团组的浓度。以这种方式，在光度计10中使用的led50-56的特定类型(波长)在工厂中基于正在制造的用于发色团的光度计10来确定。然而，通过被构造成允许led50-56在工厂之外(诸如在现场或实验室中)被轻易地改变，光度计10可以适于测量不同的发色团或不同组的发色团。这种改变可以通过移除包含第一套led的源电路板102并替换为包含第二套不同led的另一源电路板而执行。备选地，可以在结构(诸如轮)上安装不同套的led，可以移动该结构来选择性地将一套led放置在创建用于沿着光路22行进的参考光束和测量光束的位置上。下面参考图9描述又一种结构。
当正在测量流体中发色团的浓度时，光源组件12操作成首先打开(提供功率至)第三和第四led54，56以便产生参考光束94，96(如图7和图8所示)，该参考光束沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后行进到检测器组件16上。然后第三和第四led54、56被关闭。接下来，第一和第二led50、52被打开以便产生测量光束90、92(如图7和图8所示)，该测量光束同样沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后行进到检测器组件16上。然后第一和第二led50，52被关闭。led50-56的打开-关闭操作由驱动器62控制。
回到图1，检测器组件16包括检测器23，其具有对外部振动和机械冲击不敏感的固态结构。检测器23可操作成测量由源组件12产生的波长的范围。在一个实施例中，检测器23可操作成测量在200到800纳米波长范围内的光。备选地，检测器23接收参考光束94，96和测量光束90，92，并且产生与检测器23所接收的光强度成正比的信号。计算/控制pcb(印刷电路板)114接收来自检测器23的信号，并且从该信号计算发色团的浓度。计算/控制pcb114包括存储器116、和可操作成使用上述的beer-lambert关系来计算组分浓度的微处理器118(具有相关联的时钟)。在计算浓度时，使用从测量光束90，92与从参考光束94，96所接收的光(实际上是对应于该光的信号)的比率，来移除作为误差源的光度波动中的任何改变(诸如光谱中性遮蔽或者光束减弱、或者光源强度或检测器灵敏度的光谱中性改变的任何光谱中性现象)以及检测器灵敏度。
当使用从测量光束与参考光束90-96所接收的光的比率移除一些误差源时，其不会移除由led50-56漂移引起的误差。当led被用作光度计光源时，led呈现被看作是漂移的衰减。该漂移是波长特定的，所以具有相同波长的led在类似条件下(温度以及驱动电路或电压)将呈现相同的漂移。这样，第一和第二led50、52将具有与第三和第四led54、56不同的漂移。因此，当将从参考光束94、96检测到的光与从测量光束90，92检测到的光进行比较时，观察到漂移基线。申请人已经注意到，当观察相对较短的时间段(例如多达90天)时，在基线中的漂移是近似线性的。该观察结果被程序120利用，来使基线稳定并且提供更准确的测量值。
现在参考图4，程序120在步骤122处开始，其中不吸收测量波长和参考波长的零点样品被放置在样品池24内，并且测量到零点吸光度。在步骤124中，在测量时间段之后(诸如1、5或30天)，将零点样品再次放置在样品池24内，并且再次测量到零点吸光度。在步骤126中，通过将两个零点测量值相减并且将差除以两个测量值之间的时间间隔(测量时间段)，来计算零点漂移率或基线漂移率。在步骤128中，使用漂移率和历史漂移数据来计算漂移补偿因子，然后将该漂移补偿因子存储在存储器116内。漂移补偿因此被存储在存储器116中(并且可用)的时间将被称为“校正可用时间”。在步骤132中，通过将样品流体放置在样品池24中、如上所述操作第一光源21，并且使用来自检测器23的信号来计算浓度，可以测量样品流体中的发色团的浓度。在步骤134中，微处理器118使用漂移补偿因子来校正浓度，以计入led漂移。更具体地，将漂移补偿因子乘以从校正可用时间开始已经过的时间量，并将该乘积应用到(加/减到/从)浓度测量值。此后，程序120保持可用，以提供对浓度测量值的漂移校正。
在任何时候，可以通过重新执行步骤122至步骤128来计算新的漂移补偿因子。在这种情况下，在步骤122-128被重新执行的同时，程序120保持可用(除了当正在测量零点样品时)，以使用当前漂移补偿因子来提供对浓度测量值的漂移校正。然而，一旦计算了新的漂移补偿因子，程序120使用新的漂移补偿因子来提供对浓度测量值的校正。如果程序120被完全自动化，程序120可以自动地分支，并且在由应用或用户的需求所确定的间隔处来重新执行步骤122-128。就此而言，应该理解的是，程序120可以是完全自动化的(操作者不执行任何步骤)或者可以是部分自动化的(操作者执行一些步骤)。
如果在光度计10的相同操作条件下(例如，相同的温度、压力等)以固定的时间表来执行步骤122-128，则是有利的。通过规则的时间表来执行步骤122-128，基线将随着led的衰减而变化。这样选择测量时间，以使得昼夜或者其他循环或非循环效果对比率没有影响，并且谨慎地延长测量间隔以使得噪声将不会使预计的基线速率上升。
光束90-96的布置有助于减轻光路22中物理偏移的效果，其可以影响到达检测器23的光的量。更具体地，第一和第二led50、52(相对于彼此)的对角布局以及第三和第四led54、56(相对于彼此)的对角布局，在光路22的x和y维度中都减少了物理偏移的效果。两对led的对角布局的好处参考图5和图6以及图7和图8可以最好地理解，其中图5和图6示意性地示出具有单个参考led和单个测量led的第二光源的特征，并且图7和图8示意性地示出本发明的第一光源21的特征。第二光源未根据本发明来实施，但是为了讨论的目的，第二光源将假设被安装在光度计10中。
在图5中，当光路被正确定位时，即第二光源和检测器23被恰当地对齐时，来自第二光源的单个参考led的参考光束142以及来自第二光源的单个测量led的参考光束144被示意性地示出撞击在检测器23上。如示出的那样，检测器23接收参考光束142的全部和测量光束144的全部。在图6中，光路已经在x方向上漂移，使得检测器23和第二光源不再对齐。如示出的那样，检测器23接收全部的测量光束144，但没有接收全部的参考光束142。结果，因为归因于在光路上的漂移而在检测器23处所接收的测量光与参考光之间的比率改变，误差被引入到浓度测量中。
现在参考图7，当光路被正确定位时，即第一光源21和检测器23被恰当地对齐时，来自第一光源21的第三和第四led54，56的参考光束94，96以及来自第一光源21的第一和第二led50，52的参考光束90，92被示意性地示出撞击在检测器23上。如示出的那样，检测器23接收全部的测量光束90-92和全部的参考光束94-96。在图8中，光路已经在x方向上漂移，使得检测器23和第一光源21不再对齐。如示出的那样，检测器23接收来自第一led50的全部的测量光束90以及来自第四led56的全部的参考光束96。然而，检测器23没有接收来自第二led52的全部的测量光束92，并且没有接收来自第三led54的全部的参考光束94。然而，归因于led对的对角布置，所接收的测量光束92的比例与接收到的参考光束94的比例大致相同。因此，来自测量光束与来自参考光束所接收的光的总量之间的比率，没有因为在光路22上的漂移而改变。因此，误差没有被引入到浓度测量中。
现在参考图9，示出了根据本发明的第二实施例构造的第三光源150的示意图。第三光源150可以使用在光度计10中来代替第一光源21。像第一光源21那样，第三光源150可以安装在单个集成电路封装中，该集成电路封装转而被安装到源电路板102。集成电路封装也可以是to-8封装。第三光源150可操作成产生不同波长的光，以测量多个不同的发色团的浓度，或者以校正测量上的光谱干扰。第三光源150包括多个在具有中心172的圆圈170周围布置的led152、154、156、158、162、164、166、168。圆圈170包围由两个垂直轴线190、192所限定的四个象限180、182、184、186中的一部分，两个垂直轴线190、192相交于圆圈170的中心172处。led152-168被布置成径向对齐的led对，例如，led152、154；led156、158；led162、164；和led166、168。每一对中的led发射相同的波长的光。此外，每一对中的led的中心位于对角线定向的象限中。因此，led152的中心位于象限186中，该象限186对角于包含led154中心的象限184。
led对包括至少两对led，至少两对led发射被两种不同的发色团或不同组的发色团强烈吸收的波长的光，即该至少两对led是测量led。此外，至少一对led发射至少一种发色团不吸收或吸收很弱的波长的光，即该至少一对led是参考led。在第三光源150中参考led对的数目取决于正在测量的发色团或发色团组。例如，两个或更多对的测量led可以共用参考led的单个对。备选地，每个测量led对都可以具有其自己相关联的参考led对。优选地，测量led对靠近其相关联的参考led对。
在第一示例性构造中，led152、154是测量led，其各自发射具有测量波长“a1”的光。led156、158也是测量led，并且各自发射具有与测量波长“a1”不同的测量波长“a2”的光。led162、164是参考led，其各自发射具有参考波长“b”的光。由led152、154发射的波长“a1”被第一发色团强烈吸收，而由led162、164发射的波长“b”不被第一发色团吸收或吸收很弱。由led156、158发射的波长“a2”被第二发色团强烈吸收，而由led162、164发射的波长“b”不被第二发色团吸收或吸收很弱。因此，在第一示例性构造中，作为测量led的led对152、154和led对156、158，共用作为参考led的led对162、164。
除了led162、164发射具有参考波长“b1”的光之外，第二示例性构造具有与第一示例性构造相同的构造，该波长“b1”不被第一发色团吸收或吸收很弱。然而，参考波长“b1”被第二发色团吸收。因此，led166、168用作第二发色团的参考led。led166、168发射具有参考波长“b2”的光，该波长“b2”不被第二发色团吸收或吸收很弱。因此，在第二示例性构造中，led162、164是仅与作为测量led的led152、154相关联的参考led，并且led166、168是仅与作为测量led的led156、158相关联的参考led。
当使用第三光源150的第二示例性构造正在测量流体中第一和第二发色团的浓度时，光源组件12(具有第三光源150)操作成首先打开(提供功率)led162、164，以便产生第一参考光束，该第一参考光束沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后行进到检测器组件16上。然后led162、164被关闭。接下来，led152、154被打开以便产生第一测量光束，该测量光束同样沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后行进到检测器组件16上。然后led152、154被关闭。然后使用由检测器23所产生的与检测器23所接收的来自第一参考光束和第一测量光束的光强度成正比的信号，来计算第一发色团的浓度。然后打开led166、168以便产生第二参考光束，该参考光束沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后到检测器组件16上。然后led166，168被关闭。接下来，led156、158被打开以便产生第二测量光束，该第二测量光束同样沿着光路22行进，通过包含流体的样品池24并且随后行进到检测器组件16上。然后led156、158被关闭。然后使用由检测器23所产生的与检测器23所接收的来自第二参考光束和第二测量光束的光强度成正比的信号，来计算第二发色团的浓度。连续重复前述过程，以使得第一和第二发色团的浓度被连续确定，并且使其可供操作者使用。应该理解的是，除了在led156，158被打开和关闭之前，led162，164(而不是led166，168)被打开和关闭之外，使用第三光源150的第一示例性构造在流体中测量第一和第二发色团的过程，与上述用于第二实施例构造的过程是相同的。
应该理解的是，第三光源150可以被改造成包括除了led152-168之外的led。附加的led也成对布置，并且设置在圆圈的周围，该圆圈比圆圈170的直径更大以便于容纳附加的led。在每一对内，led径向对齐。附加的led可以允许测量附加的一种、两种、三种或更多种发色团或发色团组的浓度。led被布置成邻接或以其他方式彼此靠近。
应当理解的是，前述示例性实施例的描述仅仅是旨在说明本发明，而不是穷举本发明。本领域的普通技术人员将能够对所公开的主题的实施例进行某些添加、删除和/或修改，而不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神或范围。