化学分析用颜色测定仪的制作方法

本发明涉及一种能够利用光学和CIE L^*a^*b^*色空间理论来测定液体颜色的化学分析用颜色测定仪。

背景技术：

目前，国内外的测定液体颜色的配置方法多为人工目视法，就是按照“目视感受→思维判断→语言描述”的程序对配置过程的即时颜色变化用语言描述，代表终点的颜色靠操作者自己理解。

其终点的判断以酚酞变色为标志。为减小误差，国标中对于标准滴定溶液标定时误差控制具有如下规定：GB/T601-2002中规定，标定标准滴定溶液的浓度时，须两人进行实验，分别各做四平行，每人四平行测定结果极差的相对值不得大于重复性临界极差的相对值0.15％；两人共八平行测定结果极差的相对值不得大于重复性临界极差的相对值0.18％，取两人八平行测定结果的平均值为测定结果。

“目视感受→思维判断→语言描述”方法受环境、人感官和心理影响很大，有较大的离散性和随机误差，已不能满足食品快速检验的需要。“目视感受→思维判断→语言描述”方法将人眼作为传感器，对颜色变化采用语言描述，其主要缺陷是：

1)人眼对不同颜色的敏感程度，影响滴定终点颜色的判断，致使结果出现偏差；

2)年龄和人种的生理阈值差别，对有些颜色差别难以掌握，即使是经过训练的熟练人员也困难；

3)操作者之间对语言的理解不同，造成滴定终点颜色的不统一；

4)操作者之间的视觉误差就完全可能导致实验结果的偏差，终点判断误差相对较大；

5)不同滴定环境对操作者的视觉影响大；

6)滴定过程和终点信息只能用语言形容，没有数字信息，无法量值传递，而且追溯困难；

7)学习和传授时，只能采取师徒面对面的传授方式确定终点颜色；

8)劳动强度大、易产生视觉疲劳，影响结果的准确；

9)受环境影响大、终点反应迟钝，难以提高检测精度；

10)测试步骤繁琐，无法实现自动化、批量化的检测规模。

通过人眼观察某一种颜色时，不同人的对颜色有不同的描述，即使是同一个人，在不同的光照下对同一种颜色也会产生不同的视觉效果，因此，使颜色的描述变得具体化、精准化、数字化，且不必考虑光线和人的主观因素对颜色测定的影响，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

为克服上述技术问题，提出了一种利用光学和CIE L^*a^*b^*色空间理论来测定溶液颜色的方法，其测量结果数字化，测量精度高，测试步骤简单，可实现自动化、批量化的检测规模检测。

为实施上述基于色空间测定液体颜色方法，需要提供一种液体颜色测定装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液体颜色测定装置，使其能够利用光学和CIE L^*a^*b^*色空间理论实施对液体颜色的测定。

基于上述目的，本发明提供一种化学分析用颜色测定仪，其包括：光源、反应池、搅拌装置、滴定装置、光谱仪以及数据采集和处理单元，所述滴定装置向所述反应池内滴入待测液体，所述搅拌装置对反应池中的溶液进行搅拌，所述光源照射所述反应池，使光线穿过反应池被光谱仪接收，所述光谱仪测得所述反应池内溶液的吸光度，所述数据采集和处理单元通过吸光度计算出空间色度值。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括pH计，所述pH计测量所述反应池中的溶液的酸碱度值。

根据本发明的一个优选实施方案，所述反应池具有相对的且相互平行布置的透光片。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括准直镜和光缆，所述准直镜将光缆从光源导出的光线校正为平行光线后，射入反应池的透光片，再将被吸收后的光线校正为平行光线后通过光缆导入光谱仪。

根据本发明的一个优选实施方案，所述光谱仪的吸光度测量时间间隔在0.1ms～10min范围内设置。

根据本发明的一个优选实施方案，每个测量时间点处对应滴定的体积数,所述滴定的体积数借助于测量时间与相应的测量时间点处的计算出的色度值参数和测定的pH值相对应。

根据本发明的一个优选实施方案，所述滴定装置为至少一个数字控制注射泵或模拟控制注射泵，所述数字控制注射泵或模拟注射泵被安排为并联或串联，每个数字控制注射泵或模拟注射泵都是独立可控的。

根据本发明的一个优选实施方案，所述数字控制注射泵或模拟控制注射泵的溶液输出端浸入到反应池的溶液中。

根据本发明的一个优选实施方案，其特征在于，所述数字控制注射泵或模拟控制注射泵的溶液输出端具有防止逆流的装置，防止在泵停止输出时，泵的溶液输出端和反应池中的溶液之间的相互渗入。

根据本发明的一个优选实施方案，所述搅拌装置为机械搅拌、气体搅拌和磁力搅拌装置中的一种。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括反馈系统，所述反馈系统计算给定的空间色度值及其参数与测得的空间色度值及其参数之差，和/或计算给定的pH值与测得的pH值之差，用于控制所述滴定装置的滴定速度。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括校准系统，所述校准系统包括空白校准容器和移位装置，所述空白校准容器中含有指定吸光度值的液体且具有与反应池中透光片相同距离的透光片，所述光源照射空白校准容器，所述数据采集与处理单元将将CIE L^*a^*b^*色空间参数中的L^*值校正至100，参数a^*值校正至0，参数b^*值校正至0，校准完成后所述移位装置将所述校准空白容器移离测定光路，并且将所述反应容器移入测定光路。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括温控装置、湿度测量与控制装置、气体测量与控制装置、光环境测量与控制装置、试剂监控装置、气泡监控装置、溶液溢出报警装置。

根据本发明的一个优选实施方案，所述化学分析用颜色测定仪还包括一个壳体，所述壳体至少将所述反应池容纳在其中。

本发明提供的化学分析用颜色测定仪适用于利用光学和CIE L^*a^*b^*色空间理论对溶液颜色进行测定，其测量结果数字化，测量精度高，测试步骤简单，可实现自动化、批量化的检测规模检测。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案的化学分析用颜色测定仪的示意图；

图2为根据本发明的一个化学分析用颜色测定仪的工作流程框图；

图3为根据本发明的一个化学分析用颜色测定仪的校正系统的工作原理框图；

图4为根据本发明的化学分析用颜色测定仪的反应池、光源和搅拌装置部分的示意图；

图中：1为光源，2为反应池，3为搅拌装置，4为滴定装置，5为光谱仪、6为数据采集和处理单元，7为准直镜，8为聚焦镜，9为传感器，11为入射光源，12校准光源，2a为反应池，3a为磁力搅拌器。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施方案，所述实施方案的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

应理解，以下实施方案仅是举例性的，对本发明不构成限制。本发明的保护范围由权利要求书限定。还应理解，在实施本发明的过程中，不必包括下述实施方案中的所有技术特征，这些技术特征可以有多种组合。

图1示出了根据本发明的一个实施方案的化学分析用颜色测定仪，图2示出了根据本发明的化学分析用颜色测定仪的工作流程框图。现结合图1和2对本发明的化学分析用颜色测定仪进行描述。该化学分析用颜色测定仪包括：光源1、反应池2、搅拌装置3、滴定装置4、光谱仪5和数据采集和处理单元6。所述滴定装置4向所述反应池内滴入待测液体，所述搅拌装置3对反应池中的溶液体进行搅拌，所述光源1照射所述反应池2，使光线穿过反应池被光谱仪5接收，所述光谱仪测得所述反应池内溶液的吸光度，传递给数据采集和处理单元6，所述数据采集和处理单元通过吸光度计算出空间色度值。

优选地，所述反应池具有相对的且相互平行布置的透光片，光线可穿过透光片被光谱仪吸收。

更为优选地，所述化学分析用颜色测定仪还包括准直镜和光缆，光源、准直镜、光缆、透光片和光谱仪组成一个光路系统，所述光源能够发出包含280nm～1100nm光谱范围的光谱，所述准直镜将光缆从光源导出的光线校正为平行光线后，射入反应池的透光片，再将被吸收后的光线校正为平行光线后通过光缆导入光谱仪，所述光谱仪在测定过程中，选择性的测量280nm～1100nm光谱范围内、波长间隔0.1nm～100nm的指定任意一组波长的吸光度，用于CIE L^*a^*b^*色空间参数的计算。所述光谱仪的吸光度测量时间间隔在0.1ms～10min范围内设置，使得光谱仪能够动态地测量吸光度，并且在每个测量时间点处对应一个滴定的体积数，即每个吸光度值都对应一个滴定的体积数，更进一步，每组CIE L^*a^*b^*色空间参数、pH值都对应一个滴定的体积数。

在图1中，化学分析用颜色测定仪还包括准直镜7、聚焦镜8和传感器9。其中，准直镜被用在光束传递系统中，以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。聚焦镜能够提高边缘光束入射到探测器的能力，在相同的主光学系统中，附加场镜将减少探测器的面积，如果使用同样的探测器面积，可扩大视场，增加入射的通量，此外，还能够使传感器光敏面上的非均匀光照得以均匀化。

光源1可以是卤钨灯光源、LED等光源或其他可见光光源,其波长范围为280nm～1100nm。光源可以通过准直镜射入反应池，也可以通过光缆将光路传递至反应池。光缆的种类繁多，可以分为单模光缆、多模光缆、单芯光缆、双芯光缆、无金属光缆、普通光缆、综合光缆等等。

优选地，所述化学分析用颜色测定仪还包括pH计，所述pH计测量所述反应池中的溶液的酸碱度值。所述pH将测得的酸碱度值发送给数据采集与处理单元，用于与给定的滴定终点的pH值进行比较，从而确定滴定终点。此外，由pH计测得酸碱度值可以被记录，用于描述测量颜色与酸碱度之间的关系。

对于一种给定的颜色，在已知其在CIE L^*a^*b^*体系中的空间色度值的情况下，操作人员可以根据该给定的空间色度值进行滴定，对反应池中的溶液颜色进行测定，当数据采集和处理单元计算的空间色度值达到给定的空间色度值时，结束滴定，即可获得期望的颜色。此外，本发明的化学分析用颜色测定仪还可以对每一次测得的空间色度值进行记录，对每一种颜色进行标定。

可选地，所述滴定装置4可以为手动式滴定装置，还可以是自动式滴定装置，优选地，所述滴定装置4为数字控制或模拟控制注射泵。数字控制或模拟控制注射泵的数目可以是一个或多个，可以被安排为串联或并联使用，另外，当多个注射泵同时使用时，每个注射泵加入溶液的速度和时间可分别控制。

所述数据采集和处理单元根据计算得到的空间色度值和/或测得的pH值，确定滴定终点，从而控制数字控制/模拟控制注射泵停止滴定。

优选地，所述数字控制注射泵或模拟控制注射泵的溶液输出端浸入到反应池的溶液中。这是因为当滴定体积小时，试剂由于液体表面张力的原因不易从注射泵的输出端滴落，因此将溶液输出端浸入到反应池的溶液中是有利的。

更为优选地，所述数字控制注射泵或模拟控制注射泵的溶液输出端具有防止逆流的装置，防止在泵停止输出时，防止注射泵的溶液输出端继续渗入到反应池中，同时也防止反应池中的溶液渗入到注射泵中。

在本实施方案中，光源采用LED光源，其波长范围为280nm～1100nm，选用注射泵SP1用于进行滴定操作，SP1是一款结构紧凑，用于精密流体传输的产品，通过计算机或微处理器对其进行控制，自动完成移液、稀释和分配功能，有较高的精度，相关配置参数如下：满行程：60mm(6000步)；控制分辨率：0.01mm(1步)；行程控制精度：≤5‰。

光谱仪选用admesy公司的hera01型号微型光谱仪，用于测量溶液的光谱。它具有以下功能特点：体积小，便于灵活地搭建光谱系统；具有模块化和高速采集的特点；结合光源、光纤、测量附件，可以搭配成各种光学测量系统；具有内部结构紧凑、无移动部件、波长范围宽、测量速度快、价格经济等优点；广泛应用于便携式、智能化检测系统开发及工业在线监控等领域。微型光谱仪在采集过程中具有高分辨率、高精确度、高速采集、高实时性的优点。

更为优选地，所述化学分析用颜色测定仪还包括反馈系统，图3示出了根据本发明的化学分析用颜色测定仪的反馈系统的工作原理框图。所述反馈系统计算给定的空间色度值与测得的空间色度值之差，和/或计算给定的pH值与测得的pH值之差，从而根据偏差值控制所述滴定装置的滴定速度。具体地，滴定装置可被设定为能够变速滴定，当计算得到的空间色度值与给定的空间色度值之间，和/或测得的pH值与给定的pH至之间的偏差较大时，采用高速滴定，当计算得到的空间色度值与给定的空间色度值之间，和/或测得的pH值与给定的pH至之间的偏差较小时，采用低速滴定。应注意，滴定速度太快不利于溶液的混合，太慢影响注射泵电机的性能，技术人员可根据滴定装置的性能和实际情况进行设定。

此外，本发明化学分析用颜色测定仪还可以包括校准系统，所述校准系统由空白校准容器和移位装置组成，所述空白校准容器中含有指定吸光度值的液体，且具空白校准容器的透光光程与反应池的透光光程相同，优选地，空白校准容器采用与反应池相同间距的平行透光片，用光源照射所述空白校准容器，利用光谱仪计算CIE L^*a^*b^*色空间参数，并将CIE L^*a^*b^*色空间参数中的L^*值校正至100，参数a^*值校正至0，参数b^*值校正至0，用于比较滴定前空白值的CIE L^*a^*b^*色空间参数与滴定后的CIE L^*a^*b^*色空间参数之间的绝对差别。校准后利用移位装置将空白校准容器移开，并且将反应池移动到测定位置。

由于在滴定时对周围环境的温度也有要求，优选地在15°～30°范围内，太高或太低都会影响测量结果的准确性，因此，本发明的化学分析用颜色测定仪还可以包括温控装置(未示出)，其包括温度测量和温度控制组件，可以对反应池中的溶液进行温度测量和温度控制，将温度保持在适宜的滴定测量温度处。将测得的反应池中的溶液温度与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时停止滴定过程，对反应池中的溶液进行加热或冷却，使其被调节至设定的反应温度范围内。

此外，本发明的化学分析用颜色测定仪还可以包括湿度测量与控制装置、气体测量与控制装置、试剂监控装置、气泡监控装置、光环境测量与控制装置、溶液溢出报警装置。

湿度测量与控制装置，用于即时测定反应环境中的湿度，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。所述湿度测量与控制装置中的控制装置能够增加/减少反应腔内的湿度，与设置程序中的预设值进行比较，将湿度调节到设定值范围内。所述气体测量与控制装置中的测量装置用于即时测定反应环境内气体成分与浓度，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。气体测量与控制装置中的控制装置用于即时控制反应腔内气体成分与浓度，与设置程序中的预设值进行比较，增加/减少反应腔内的气体成分与浓度，将气体成分与浓度调节到设定值范围内。

试剂监控装置，用于即时测定反应试剂的状态，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。所述试剂监控装置中的在试剂低于预设体积时报警/停止滴定过程。

气泡监控装置，用于即时测定试剂流动管道和反应容器内气泡的状态，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。所述试剂监控装置中的在试剂低于预设体积时报警/停止滴定过程。

光环境测量与控制装置中的测量装置用于即时测定反应环境内280nm～1100nm光谱范围内任意波长的光强度，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。

所述溶液溢出报警装置的传感器用于即时测定测量腔内底部的溶液，当感受到溶液后，与设置程序中的预设值进行比较，在超出设定范围时报警/停止滴定过程。

本发明的化学分析用颜色测定仪还可以包括显示模块，用于显示测得的pH值、计算的空间色度值以及偏差值相对于滴定溶液的体积的曲线。

图4示出了根据本发明的化学分析用颜色测定仪的反应池、光源和搅拌装置部分的示意图。

可选地，所述搅拌装置可以是机械搅拌装置，气体搅拌装置或磁力搅拌装置。机械搅拌装置具有一个从上部伸入至反应池溶液中的搅拌棒，通过电机驱动搅拌棒旋转，使反应池内溶液通过旋转方式混合。

气体搅拌装置具有一个从上部延伸至反应池的溶液表面上方的气体通道，向气体通道内通入气体，然后气体吹向溶液液面，推动溶液旋转，使溶液旋转混合。

磁力搅拌装置具有一个容纳在反应池中的、可自由移动的磁化搅拌棒，通过反应池外部磁场的旋转带动溶液内搅拌棒的旋转，使溶液混合。

在图4示出的化学分析用颜色测定仪中，反应池1a具有相对的且相互平行布置的透光片和位于所述透光片外围的遮光层，搅拌装置为磁力搅拌器3a，且所述反应池中容纳有一个搅拌棒(未示出)。磁力搅拌器3a带动搅拌棒旋转，从而达到搅拌反应池1a中的溶液的目的。采用磁力搅拌器的好处在于，利用磁力使搅拌棒旋转，采用非接触方式实现搅拌，使搅拌装置和反应池之间的布置更为简单。

优选地，如图4所示，光源1包括入射光源11和校准光源12。光源1通过光纤或者反射镜将光线调整为垂直于透光片的入射光，透射入反应溶液，再通过相对布置的透光片透射出反应池，继续通过接收器的反射镜和光纤接收，在光谱仪上的光电检测器将光线的辐射能转换成电能信号，经过转换为吸光度，对测量到不同波长对应的吸光度进行计算。

此外，校准光源可通过光纤或者反射镜被光谱仪直接接收，用于校准入射光源。

根据本发明的一个优选实施方案，本发明的化学分析用颜色测定仪还可以包括一个壳体，所述壳体至少将所述反应池容纳在其中，优选地将所述化学分析用颜色测定仪装置全部容纳在其中。该壳体可以是透明的或非透明的，为反应池提供有利的反应条件，例如，向所述壳体内充入惰性气体，例如氮气，为所述反应池提供一个无氧环境，以减小外界环境对溶液颜色测定的影响，还可以避免氧化反应。

根据本发明的一个优选实施方案，所述光源可以通过光缆被传导到所述反应池，垂直于所述反应池的透光部射入光线，且穿过所述反应后经由光缆被接入至所述光谱仪的光纤接口。

本发明的化学分析用颜色测定仪能够基于色度测量原理实施精准化学滴定，利用自动控制、智能检测技术，搭建了一套自动定量滴定的系统，实现了数字化、定量化、精准化的化学滴定测量与控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。