一种微观流体工艺用水分析仪的制作方法

工艺用水分析仪进行在水中的分析物的准连续定量测定，例如用于控制废水的清洁过程。工艺用水分析仪设置有用于测量液体样本的光学参数的光学传感器单元，并且设置有一个或多个含有液体试剂的试剂罐。该试剂导致与水样本中的分析物的比色反应，使得可以用光学传感器单元测定水样本中的分析物浓度。

传统的工艺用水分析仪产生高达50至100l/月的废液。利用微观流体装置可以减少废液的量。

us2011097245a1公开了一种使用药筒系统的微观流体分析仪，所述药筒系统包括具有试剂罐的药筒。

us20100068723a1公开了另一种微观流体分析仪，其使用药筒理念并且包括废物罐。

us20160037791a1公开了另一种微观流体分析仪，其包含废物分离工具，用于将更大危害的废物与较小危害的废物分离并且包含用于不同废物种类的废物罐。

微观流体工艺分析仪显著减少了废液的量，但是液体(即剩余的试剂液和废液)的总量，仍为若干升/月，这对于在利用常规的装运和打包服务的装运中的可行性来说仍过多。本发明的一个目的是提供一种产生最少量废液的微观流体工艺分析仪。

本发明的此目的是通过具有权利要求1所述特征的微观流体工艺分析仪实现的。

微观流体工艺分析仪具有分析仪样本入口，通过所述分析仪样本入口将液体样本泵送到用于测量液体样本的光学参数的光学传感器单元。水分析仪还设置有试剂罐，该试剂罐从流体学上说布置在光学传感器单元的上游并且包含液体试剂。液体试剂以比色方式与液体样本分析物反应，使得最终可以利用光学传感器单元通过消光或透射测量来测量液体样本中的分析物浓度。

工艺用水分析仪还设置有废物罐，所述废物罐从流体学上说布置在光学传感器单元的下游。当在光学传感器单元中分析了液体样本之后，将液体样本泵送到废物罐。不将废液倾倒至环境中。

根据本发明，提供一种蒸发设备，其包含从流体学上说布置在光学传感器单元的下游的蒸发室。蒸发室利用从干燥用气体源泵送到蒸发室内的干燥用气体主动排空。在液体样本离开了光学传感器单元之后，将现在称为“废液”的液体样本泵送到蒸发室，所述蒸发室可以是单独的室，但备选地可以由废物罐限定。在蒸发室中，将废液暴露于导向到蒸发室中的干燥用气体流。干燥用气体优选干燥的空气并导致废液的蒸发，使得可以显著减少废液的体积。

典型的微观流体工艺分析仪典型地产生2.0l/月或更多的离开光学传感器单元的总废液。该总废液是大约1/4试剂和3/4的样本液的混合物。利用蒸发设备，可以显著减少废液的体积，例如减少75％，使得废液的最终体积仅是废液总体积的一小部分。

使用蒸发来显著减少最终废液体积是一种相对便宜和可靠的方法，以最终使得可以使用常规的装运和打包服务将剩余的最终废液体积送回提供者或使用公共废物系统。

根据本发明的优选实施方案，蒸发设备设置有平衡装置，用于控制蒸发活动以保持所有罐中的总液体量基本相等。平衡装置优选是分析仪控制单元的一部分，所述控制单元控制水分析仪的所有传感器和装置。

平衡装置控制蒸发活动，以使分析仪中即所有试剂罐中和所有废物罐中的所有液体的总量保持恒定水平。基本上，控制蒸发设备以蒸发水液样本的全部体积。作为结果，剩余的最终废液体积或多或少等于所用的试剂体积，并且废物罐中的试剂的浓度不高于试剂罐中的试剂的浓度。由于废物罐中的最终试剂浓度不高于试剂罐中，因此最终废液在生态上和法律上不比试剂液体更危险。作为结果，可以用与未使用的罐相同的装运类别装运使用过的罐。

优选地，废物罐设置有液位检测器。液位检测器允许确定废物罐中的总液体体积，使得可以确定和控制蒸发活动的结果。液位检测器可以是控制蒸发活动的唯一工具，或者可以是为了精确控制蒸发过程提供更多重复的额外工具。

根据本发明的优选实施方案，第一湿度传感器从流体学上说设置在蒸发室的上游的干燥用气体路径中，并且第二湿度传感器从流体学上说设置在蒸发室的下游的气体路径中。利用这两个湿度传感器，可以测量和确定蒸发室前后的干燥用气体的气体湿度的差，使得可以确定已在蒸发室中蒸发且已被带走的废液的总量。

优选地，设置静态基座单元和可更换的一次性单元，二者一起限定微观流体工艺分析仪。在一次性装置中设置包括所有罐的完整的液体流体学。一次性装置是一个单独的部件，其包含并处理分析仪的所有液体。一次性单元可在静态基座单元处容易地更换，静态基座单元基本上包括分析仪控制单元和光学传感器单元。静态基座单元还可以包含蒸发回路的部件，特别是蒸发室的上游的干燥用气体制备段的部件。

根据本发明的优选实施方案，蒸发室由废物罐本身限定。不设置单独的蒸发室，但废物罐的内部正在限定蒸发室。这种配置允许直接控制废物罐中蒸发活动的效果，因为可以直接确定废液的总最终体积。

优选地，蒸发室在最大或最高的可能液位上方在蒸发室的顶部区域处设置有干燥用气体入口开口。废液的表面用干燥用气体通风，使得废液水可以直接在液体表面处蒸发到经液体表面流动的干燥用气体中。

备选地，蒸发室在蒸发室的底部区域处设置有干燥用气体入口开口，使得即使在蒸发室中存在最小体积的废水，蒸发室的干燥用气体入口开口也总是低于废液位。干燥用气体以气泡形式流动通过废液，并且由此从废液吸收湿气。该蒸发方法可以比简单地将干燥用气流导向到液体表面更有效。

根据优选实施方案，蒸发室的干燥用气体出口开口设置并布置在最大液位上方，使得避免了将废液通过干燥用气体出口路径泵送到外部。

优选地，设置气体干燥单元，其从流体学上说布置在蒸发室的上游。在干燥用气体进入蒸发室之前，气体干燥单元将干燥用气体干燥。优选地，干燥用气体是干燥至5％至30％的相对湿度的环境空气。干燥的干燥用空气或干燥用气体显著改善蒸发室中的蒸发性能。

根据本发明的优选实施方案，干燥用气体干燥单元是过压膜干燥器。膜干燥器设置有对气态水分子是透过性的但对非水分子是非透过性的膜。使用例如大于2巴的过压，将未干燥的气体/空气泵送至膜干燥器，使得迫使气态水分子通过膜到膜的低压侧，在那里将所得的蒸发气泵送回环境。膜干燥单元是较有效的，并且是一种能量经济的方案。

备选地，气体干燥单元可以是变压吸收装置。变压吸收装置设置有包含湿气吸收物质的湿气吸收单元，例如分子筛(molsieve)。变压吸收装置不是连续地工作，而是以两个交替阶段即气体干燥阶段和吸收单元干燥阶段工作。在气体干燥阶段，进入的气体以比较高的压力(例如以1-3巴的过压)流动通过吸收单元，使得通过吸收物质将干燥用气体干燥。一旦吸收物质的过载湿气，气体干燥阶段就结束，并且通过流动通过吸收单元并随后流动到环境的比较低压的气体/空气将吸收单元干燥。对于变压吸收装置，比较低的过压足以提供针对干燥用气体的干燥过程。

根据本发明的优选实施方案，设置蒸发室加热装置，用于加热蒸发室中的废液。废液越热，则越多的水从废液中蒸发到干燥用气体中。另外，废液越热，流动通过蒸发室的干燥用气体也越热。并且，干燥用气体越热，可以由干燥用气体吸收的湿气的绝对量越大。换言之，废液越热，蒸发过程越有效。

优选地，所有试剂罐一起的总容积与所有废物罐一起的总容积基本相同。控制蒸发室处的蒸发过程，以在整个使用期间保持总液体体积或多或少恒定。因此，废物罐的总容积可与试剂罐的总容积相同。

根据优选实施方案，设置许多试剂罐和许多废物罐。所有试剂罐具有基本相同的容积，并且所有废物罐具有基本相同的容积。更优选地，所有废物罐中的每一个的容积与试剂罐中的每一个的容积基本相同。一个单个的废物罐或试剂罐的总容积可以是例如250ml以下。但是，所述罐中的每一个的总容积应允当许使用常规的用于递送罐的装运或邮寄服务。

附图显示本发明的一些实施方案。

图1示意性显示微观流体工艺用水分析仪，

图2示意性显示图1的工艺用水分析仪的干燥用气体的完整气体路径，

图3显示图1的微观流体工艺用水分析仪的一次性单元的另一个实施方案，

图4a至4d显示图1的工艺用水分析仪的蒸发室的不同实施方案，

图5显示图1的工艺用水分析仪的作为膜干燥器实现的气体干燥单元的第一实施方案，

图6显示图1的工艺用水分析仪的作为变压吸收装置实现的气体干燥单元的第二实施方案。

图1示意性地显示微观流体工艺用水分析仪10，其用于连续控制水11中(例如在废水处理厂的废水中)的所选分析物的浓度。水分析仪10被设计为外侧(laud-sided)装置，但也可以作为浸没装置设置。在本文语境中，术语“微观流体”是指所有液体管线的横截面通常是小的，优选小于若干平方毫米，优选1.0mm²。

水分析仪10基本由两个单元组成，即静态基座单元12和可更换的一次性单元14，一次性单元14在使用过程中机械地、气动地和电气地连接到基座单元12上。静态基座单元12通过在包含水11的水箱11边缘处的刚性支撑结构维持就位。一次性单元14包含水分析仪10的所有液体和所有液体管线。

一次性单元14设置有分析仪样本入口52，液体样本被样本泵50通过分析仪样本入口52泵入，通过样本管线并且经由样本阀53被泵送到光学检测段43，并从光学检测段43最终被泵入废物罐30。样本入口52是浸入水槽11中的水11’中的样本探针，并设置有入口过滤器52！。一次性单元14还设置有带有液体试剂21的试剂罐20。液体试剂21从试剂罐20通过试剂入口22经由试剂阀51被泵送到样本管线，并且从流体学上说在样本阀33和样本泵50之间通向样本管线中。通过交替地打开和关闭样本阀53和试剂阀51，将液体样本和试剂以限定的混合比例(例如3∶1)混合。阀门51、53和泵50可以气动或电动方式驱动。

试剂21与液体样本的分析物发生反应，从而引起液体样本的比色反应。该比色反应允许借助于光学传感器单元40确定液体样本中分析物的量，在该实施方案中，光学传感器单元40是测量流经光学测量段43的样本液体的透射度或吸光度的光度计。

光学传感器单元的电子部件设置在基座单元12中，且基本上是光发射器41和光传感器42。样本管线的光学测量段43与光发射器41和传感器42轴向对齐且成一条直线。在液体管线测量段43的下游，液体管线通向废物罐30内的废液出口44，使得废液31积聚在废物罐30中。

一次性单元14设置有蒸发设备32，其基本由废物罐30内的干燥用气体入口开口37、废物罐30内的干燥用气体出口开口38、以及由废物罐30本身限定的蒸发室33限定，使得不设置用于蒸发室的单独容器。干燥用气体入口开口37设置在蒸发室33的顶部区域处，在废液31可能的最大液位31″上方，如图4a中所示。备选地，干燥用气体入口37′可以设置在蒸发室30的底部区域处，如图4b中所示，使得如果在废物罐30中积聚最小体积的废液31，干燥用气体入口37′也总是在液位31′下方。干燥用气体出口开口38设置在废物罐30的顶部区域处，在最高液位31″上方。

废物罐30设置有废物罐加热装置36，用于加热废物罐30，并且尤其用于加热废液31。废物罐加热器36可以设置有温度传感器，用于控制废液31的温度，使得废液31具有恒定的液体温度。废物罐30还设置有液位检测器34，用于精确检测废液31的液位31′。优选地将液位检测器34和废物罐加热装置36设置作为为基座单元12的一部分，以保持一次性装置的成本低。

控制阀74、流量传感器75、第一湿度传感器68、第一温度传感器76和第二压力传感器77设置在气罐73的下游，并且从流体学上说在蒸发室33之前。流量控制阀74检测气罐73和蒸发室33之间的气流。湿度传感器68检测相对湿度rh，第一温度传感器76检测温度，第二压力传感器77检测气罐73和蒸发室33之间干燥用气体路径内的干燥用气体的静压。

第二湿度传感器66、第二温度传感器65和出口过滤器64设置在蒸发室33下游的气体路径中。气体路径最终终止于基座单元12的壳体外部的分析仪气体出口39。

出口过滤器64可以是活性炭过滤器，并且设置用于吸收试剂的挥发性组分，如，例如甲醛和氯蒸气。

所有传感器、光发射器41、废物罐加热装置36和水分析仪10的其他电子装置通过信号线或控制线连接到控制单元90。数字控制单元90设置有数字平衡装置92，其保持水分析仪10内，且特别是一次性单元14内的液体总体积基本恒定。特别地，试剂罐20中的液体试剂21的体积与废物罐30中的废液31的体积之和保持恒定。

样本泵50是容积泵，使得由样本泵50泵送的试剂21和样本液体的量对于平衡装置92是完全已知的。从气体罐73与蒸发室33之间的五个传感器68、74-77的测量值，平衡装置92知道通过干燥用气体入口37进入蒸发室33的干燥用气体的准确状态和体积。蒸发室33下游的第二湿度传感器66和第二温度传感器65允许平衡装置92计算已经在蒸发室33中被干燥用气体吸收的水湿度。平衡装置92基于该信息计算蒸发室中吸收了多少以湿气形式存在的液态水。

一旦平衡装置92确定吸入的样本液体的总体积已经在蒸发设备32处由蒸发设备32蒸发，则停止蒸发过程。平衡装置92保持水分析仪10的一次性单元14中的液体总量恒定。

图3示出罐体布置的更复杂的实施方案。一次性单元14设置有三个试剂罐201、202、203和三个废物罐301、302、303，而所有罐201、202、203、301、302、303中每一个的容积均相等，并且可以是，例如，对于所有罐中每一个来说均为250毫升。作为结果，所有试剂罐201、202、203一起的总容积和所有废物罐301、302、303的总容积相等，即750ml。

在图4a和4b中所示两个实施方案中，实现了连续蒸发过程。图4c和4d示出了第三实施方案中不连续蒸发过程的两个阶段。如图4c和4d中所示，流量阀74′设置在入口路径中，该路径在第一工艺步骤中关闭，从而不允许干燥用气体流入蒸发室33，如图4c中所示。出口路径中的抽吸泵80总是激活的并在蒸发室33内产生真空，使得增加的量的水湿气气化和蒸发并通过干燥用气体出口开口38被抽吸至环境。一旦达到设定的负压，阀74′就在第二工艺步骤中向蒸发室33中打开。一旦在蒸发室33内达到大气压力，流量控制阀74′便再次关闭，并且工艺继续第一步骤。

图5示出了气体干燥单元62的第一个实施方案，该气体干燥单元62是超压膜干燥器。气体干燥单元62设置有由气密管状壳体110围绕的管状膜112。膜112对于水分子来说是透过性的，但是对于流经气体干燥单元62的空气的其他分子是非透过性的。管状膜112周围的环状空间由通气用气体通气，通气用气体从干燥单元壳体110流出到干燥单元冷凝水出口63。通过干燥用气体泵70将干燥用气体以1至3巴的过压泵送到干燥用气体单元62中，使得流过的干燥用气体被有效干燥。

图6示出了气体干燥单元62′的第二实施方案，其实现为变压吸收装置。在加载步骤中，干燥用气体经干燥用气体泵70泵送，通过第一开关102、通过吸湿单元100并且经由第二开关104，进入气体干燥单元62′的下游的干燥用气体路径中。吸湿单元62′含有湿气吸收剂物质101，其持续被湿气加载。一旦湿气吸收剂物质101被湿气饱和，切换开关阀102、104，使得开始卸载步骤，并且填充有干燥加压气体的泵罐106产生从泵罐106穿过湿气吸收剂物质100到达干燥单元冷凝水出口63的气流，使得吸收单元在一段时间后被卸载。然后通过重新切换阀102、104来规定随后的吸湿步骤。

备选地，气体干燥单元可以设置为珀耳帖干燥器或作为使用过压(例如3巴)的空气-水分离器，以从空气中提出湿气。