CN100378449C - 测试流体特性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于测试流体特性的装置，具有样品小瓶(130)和盒子(110)。该小瓶(130)确定装入液体样品的样品室(116)，并具有密封该流体的盖子(133)。该盒子具有插入该样品小瓶的凹槽。在盒子内的多个子午面上配置多个发光二极管和检测器。

Description

测试流体特性的装置和方法
发明背景
1.发明领域
本发明涉及测量流体特性的装置，具体涉及测试流体的颜色、浊度和/或者荧光的改进装置和方法，该流体例如为与化学试剂混合的水。
2.有关技术背景
在生产和使用水的所有阶段，检测水质已经迅速成为一种全球性的必需工作，因为越来越严重的污染造成新鲜饮水源受到污染。即使少量的外部物质或者污染物在没有检测到时，也会对健康和安全造成很大的危害。因此，对于不断膨胀的测试样品量，需要很快和准确得到水的测试结果。这增加了对检测水质的可靠简便仪器和方法的需求，因为水的处理和用量逐年增大。
水质的检测通常需要在流体样品中加入特别的试剂。通常需要将已知浓度的试剂与包含未知浓度反应物的水样品混合。或者，需要连续地加入已知量的试剂，直至样品特性的改变显示出反应的终点。在两种情况下，该试剂与污染物反应，产生正比于污染浓度的反应。通常包括颜色指示剂，使得颜色发生变化，或者颜色变化是化学反应固有的性质。因此在加入试剂以后，可以对照印出的色图，用目视检测法确定相关污染物是否存在，或者存在的量。这种纯粹的目视比较法总带有主观性，因此对于灵敏的测量是不可靠的。一般说来，需要技术人员确定反应程度，并解释测量结果。比色计或者光度计可以一致地测量反应的程度(即颜色的深度或者光谱透射率)，由此可以确定污染物的浓度。然而传统的比色计和光度计在现场是不适合使用的，并且只能提供与颜色相关的数据。
当反应物是沉淀的细颗粒物时，可以用光学浊度法即光学散射方法测量样品。由高浓度污染物造成高浓度沉淀物，增加了光的散射。因此，浊度的数值对应于污染物浓度的量。或者自然流体样品中存在的浊度是一种这种流体样品质量的重要指示。
另一种方法是加入包含荧光指示剂的试剂。荧光试剂与污染的反应或者可以增强荧光部分，或者可以猝灭荧光部分。例如，标示荧光试剂诺丹明在蓝光激发时可以发生红色荧光。因此在蓝光透过样品时将产生正比于污染物浓度的红色荧光。测定荧光强度的变化便可以显示出污染物的浓度。另外，如果蓝色的激发光是重复的脉冲光，并在每个脉冲之后的特定时间测定荧光强度，则荧光的时间衰减率可以提供污染物化学特性的其它信息。
由于上述原因，已经开发出若干系统来测定液体样品的颜色、浊度或者荧光。传统的比色计包括宽带光源。滤光器可以移进和移出光路，以提供不同的波长。滤光器可以用手移动或者马达移动。光管或者透镜系统可以聚光，并将光射到要测试物体上的点。在这些点上，光在不透明的物体上反射并穿过透明物体，射到接收器。这些接收器例如通常的光电二极管可以将光信号转换成电信号，以便进行随后处理。为了防止不错误读数，接收器必须与环境光分离。为了控制环境，常规的比色计只能用在试验室中。
例如，McCarthy的美国专利No.5137364公开一种光谱分析装置，该装置装有发光二极管(以后称为LED)和装在同一底层上的接收器。因此只能反析反射光。Taranowski等的美国专利No.5229841采用许多不同颜色的LED，这些LED按照定时脉冲运行。可以与LED定时脉冲同步地取样光二极管的输出，因此各个输出代表各个颜色的LED信号。Okamoto的美国专利No.6094272公开一种装置，该装置接收整个反射光，并将该总的反射光量与参考物相关的数值进行比较。总的比较值用数字显示，示出测试样品和参照样品之间的匹配程度。Wagner等的美国专利No.6157454公开一种小型比色计。该小型比色计包括主体，该主体具有将反射光射到光传感器的光管、三个不同的基色光源、显示屏和检测钮。在操作时，该小型比色计产生三色数据点，该三色数据点代表在三基色波长测量的靶子反射率。微处理器分析三色点，并将结果以各种周知的格式显示出来。另外，还有若干专利也专门涉及水的测试方法和装置。Mount等的美国专利No.5618495采用计算机自动确定达到化学反应终点的时刻，该计算机连接于比色计和其它装置。Wohlstein等的美国专利No.5691701采用光电检测器产生的电压来形成一个可以表示发动机油状态的比值。如果流体的测试结果超出预定允许范围，则表示这种情况警铃便将激发。
许多专利涉及光电检测物体颜色的具体方面。例如，Taranowski的美国专利No.5303037公开一种颜色检测计发光光源，该光源产生白光，该白光均匀地由射向同一方向的红光、绿光和蓝光组成。平衡光源的重要性是产生相当平衡的颜色输出数据。Ryczek的美国专利No.5471052示出一种辅助光敏器件，该器件可以直接接收光源的光。结果，可以采用该辅助光敏器件产生的信号来产生一种闭环反馈信号，以调节光源的功率输出。
其它的专利已经指出，随着观测角度的变化，某些材料显示不同的颜色。具体是，Ota等的美国专利No.5592294认为需要准确测定观测角才能得到重视的结果。为了解决这一问题，Ota等人装入角度检测器，该角度检测器可以控制调节机构，以便可重复地设定在要求的观测角。
Anderson的美国专利No.5083868公开一种需要的便携式比色计。该比色计装在一个可以接收样品的盒子中。当样品瓶放在小的样品隔间中时，将盖子部件放在槽内，由此可以防止外面光的干扰。Paoli等的美国专利No.5872361公开一种便携式的浊度计，该浊度计在样品器皿和光学检测器之间具有非成像的光学聚光器。利用盖子来减小环境光对读数的影响。Cooper等的美国专利No.5604590公开一种测量浊度装置，这装置可以测量高度浑浊的水，例如浑浊为10000NTU的水。该测量浊度的装置具有一个光源和四个检测器。该检测器可以接收背散射光、前散射光、90°散射光和透射光。
另外，若干专利涉及只用于测定液体光透过率的装置。Kuan的美国专利No.5696592说明一种浸在要测量液体中的光导纤维和液密光传感器。当光源照明光导纤维时，该光传感器将产生代表测试液体光透过率的信号。Lilienfeld的美国专利No.6055052涉及用于检测空气浮悬颗粒物的系统，Lilienfeld提出一种需要的便携式装置，该装置能够适时地远距离测试大气空气质量。上述各个美国专利作为参考包含在本说明中。
尽管已公开上述专利，但是在水测试方面的已知先有技术系统和方法中，仍存在各种各样的问题。很多系统需要很长时间的样品处理，并且需要将样品送到试验室进行分析。或者，现场分析由于人为误差经常不能得到一致的结果。另外，先有技术装置特别是便携式现场用装置只能得到有限的结果。在过去提供的能够准确和稳定地显示污染物浓度的装置不管放在何处远不是经济的。因此需要一种改进的水测试装置和方法，这些装置和方法能够有效地准确地测试至少一种参数，最好能够测试各种应用和操作条件的许多参数。
发明概要
本发明涉及一种能够在环境光条件下用光学方法测试物质特性的方法和装置，其中该装置包括形成样品室和轴线的半透明壁。该半透明壁包含要测量的物质。光辐射源例如LED或者其它光源靠近样品室，并发射不同于环境光的调制辐射光，因为该辐射是受到调制。在穿过样品室以后，该辐射由检测器接收，该检测器配在样品室轴线附近，与辐射源分开一定角度。该检测产生代表射在检测器上辐射光强度的输出信号。控制器起动辐射源和检测器，并处理调制的输出信号，并显示在显示器上。
本发明还涉及一种测量物质特性的装置和方法，其中该装置包括用于接收物质样品的样品室，信号发生器具有靠近样品室的辐射源。该辐射源发射辐射光，该辐射光经样品室射到信号发射器的检测器上，该检测器配置在样品室轴线附近，与辐射源隔开一定角度。该检测器接收穿过样品室和其中要测量物质后的辐射光。在接收辐射光时，该检测器产生代表射在上面辐射光强度的输出信号。存贮器贮存由许多不同参考样品得到的参考测量数据，其中各个参考样品具有不同的杂质浓度。与该存贮器连通的控制器可被操作而接收信号发生器样品室中由杂质浓度未知样品产生的信号。该控制器自动地将此信号与参考测量值进行比较，从而测定样品中杂质的浓度，并输出代表该浓度的输出信号。
本发明还涉及一种分析细长样品颜色和散射光的方法和装置，该细长样品例如为装在小瓶中的水样品，其中细长样品确定一根轴线。该装置包括限定第一子午面的第一通道，该通道具有靠近样品的第一辐射源。该第一辐射源发射第一辐射光，该光经样品射到第一传感器上，该传感器配置在样品轴线附近，与第一辐射源隔开一定角度。该第一传感器产生代表射在上面辐射强度的第一输出信号。第二通道限定第二子午面，并在该子午面上包括靠近样品的第二辐射源。该第二辐射源也辐射辐射光，该辐射光经样品射到第二传感器上，该第二传感器配置在样品轴线附近，与第二辐射源分开一定角度，并产生第二输出信号。电子线路起动各个通道，并处理由此产生的信号。这些通道的角距离约45°，以便进行颜色测量、透射先测量和45°浊度测量。
本发明装置和方法的一个优点是，采用调制光源，因此可以分离出所产生的信号。结果，该装置和方法可以工作在环境光中。另外，可以同时进行多元分析，从而比传统机构更快地得到结果。
本发明的另一优点是，简化了执行许多测量的固定部件的配置。结果可靠性得到保证，并降低分析成本。
下面参考附图和所附的权利要求书进行说明，由此可以更明显地看出本发明装置和方法的这些和其它独特的特征和优点。
附图的简要说明
为了使与所公开的装置和方法有关的普通技术人员容易理解如何利用和使用该装置和方法，需要参照以下附图，这些附图是：
图1是透视图，示出按本发明构造的用于测量流体样品光透过率、浊度和荧光的装置；
图2a是局部透视示意图，示出按本发明装置优选实施例构造的装置光学系统，图中为简化起见，仅示出3个预定子午面中两个面；
图2b是一个子午面的局部示意侧视图，示出按本发明优选实施例结构的装置其3个LED的主光路；
图2c是一个子午面的局部示意顶视图，示出本发明优选实施例装置的一个LED的主光路和最外侧光路；
图3是按本发明优选实施例构成的装置的光学系统和电子线路；
图4是局部示意顶视图，示出按本发明优选实施例形成的装置的光学系统；
图5是局部示意顶视图，示出按本发明优选实施例的用于测量散射光的光学系统；
图6a是透视图，示出本发明用于测量流体样品光透过率、浊度和荧光的另一装置，该流体样品在透明的管中流动；
图6b是沿图6a的线A-A截取的横截图；
图7a是透视图，示出本发明另一优选实施例的样品小瓶；
图7b是横截图，示出图7a所示样品小瓶的底部；
图7c是底部平面图，示出图7a所示小瓶的底部。
优选实施例的详细说明
本发明克服了许多与水测试装置和方法相关的先有技术中的问题。下面结合附图详细说明某些实施例，从这些说明中，普通技术人员将明显看出所公开装置和方法的优点和其它特征，这些附图示出本发明的代表性实施例，其中相同的参考编号表示相同的结构部件。
参考图1，多轴线光度检测装置100包括：盒子110，该盒子用于保护和配置装在其中的光学部件；操作者显示许多测量结果的显示器112；操作者输入信息的键盘114。该盒子110具有用于接收细长样品小瓶130的凹槽116，该小瓶形成可以接收待测试样品的样品室。如下面说明的，该凹槽116可以正确地将样品小瓶130配置在光路中，以便进行分析，在盒子110中还形成连接计算机(未示出)的插口118以及使内部电池121(见图3)充电的插座120。如有关普通技术人员周知的那样，该插口118最好是USB、IEEE1394型插口等。
装置100最好是不透水的，以便增加其可靠性。在盒子110中配置光学系统和电子线路，在现在的优选实施例中，该光学系统和电子线路是LED和光电传感器(以后称为PVD)。应当想象到，可以应用许多光学和电器部件来完成要求的装置操作性能。例如可以用半导体激光器代替LED，并用光敏场效应晶体管(或者雪崩式光电二极管)代替PVD，但不限于此。应当预计到，可以采用模拟和数字信号处理电子器件的任何有效联合装置作电器部件。减少活动部件的数目可以增加可靠性。如下面详细说明的多轴线、多光源和多检测器的装置100可以通过电路切换进行选择性操作，以执行多种测试。
该样品小瓶130最好是薄壁的目视透明的或者半透明的广口形状的无散射闪烁的有盖瓶。在优选实施例中，该样品小瓶130由透明玻璃或者塑料筒形成，其高度约为2英寸，其直径约为1英寸。结果，样品小瓶130可以折射穿过小瓶的光。样品小瓶130中的介质也与穿过样品小瓶的光发生相互作用。还应当预计到，该样品小瓶130可以是方形的，长方形的，椭圆形或者许多其它的形状，如普通技术人员在阅读本发明后所预见到的。
样品小瓶130具有带凸片的可以拧上的塑料盖132。该盖子132最好具有凸片部分133，以便可以贴标签，在打湿时作拧紧的把手，方便用手操作。在一个实施例中，配置样品小瓶130，使得避免与前一检测发生交叉污染。该样品小瓶130最好具有充满线131，以便显示所需要的样品量。如普通技术人员在阅读本发明后所预计到的，样品小瓶130的尺寸、结构材料和形状，或者构成所公开样品室的其它结构件仅仅是例示性的，可以根据具体应用的装置按要求改变，或者随意改变。
在操作中，样品小瓶130充满测试流体并放置在仪器100的凹槽116内。例如，测试流体可以是饮用水源流出的水样品。在优选实施例中，样品小瓶130起达到装置所必需的样品容器和光学折射元件两层作用。在优选实施例中，所有其它硬件和软件均永久地装在盒子110的其余部分，任何化学/浊度测试的特别指令通过盒子110的键盘114输入。操作者可以用键盘114选择适当的测试例如颜色测试、浊度测试和/或者荧光测试，但是没有任何限制，如下面详细说明的。该装置100分析测试流体，而显示器112显示测试结果。
下面参考图2a，为简便起见，图中仅示出子午面154b和154c。样品小瓶130在放到凹槽116中时，位于许多LED150和PVD152之间。在一个实施例中，配置9个LED150，使得从这些LED发射的主光线151形成3个穿过样品小瓶130中心轴Z的子午面154，这些主光线汇聚在其相应PVD152的中心点。选择和配置LED150和PVD152，形成许多围绕样品室轴线Z的确定子午面154a-c。LED150沿向前方向发射光线，但是除由样品小瓶130进行的折射聚焦之外，完全不需要另外控制发射光锥角，LED150最好为视角相当小的LED。如图所示，LED150和PVD152中的各个部件位于确定的固定轴上，而子午面154a-c穿过最好包含为圆筒形样品小瓶的轴Z。如下面说明的，通过用纯水样品调零，便可以自动考虑到任何角度的影响。在本发明的现在优选实施例中，3个确定的子午面154a-c(或者“通道”)提供总共9个不同的波长带，这些波长带分布在液体光吸收的近紫外区、可见区和近红外区。得到的透射光度测量的灵敏度和精确度超过人眼的灵敏度和精确度，并使化学测试的应用性超过经典的目视颜色测定。在一个实施例中，选择直径约为5mm的高亮度的LED。光的颜色可以是蓝色(波长为430nm的峰发射)，绿色(波长为565nm)、红色(波长为660nm)、近红外(880或者940nm)和白色。但不是限制性的。白色LED最好是Chicago Miniature Lamp公司的CMD333UWC型号的LED。技术人员在阅读本发明后可以明显看出，还可以选择其它的LED、PVD以及其它的光源和检测器，包括这种光源和检测器的波长和配置。
最好选择各个LED的发射锥角、样品小瓶130的折射率以及各个PVD152的宽度，以便使它们联合起来，将整个光锥捕集在相应的PVD内。由各个LED150发射的光的圆锥角在穿过样品小瓶130时，可以形变为椭圆形状。因此需要长方形的PVD来捕获所有光。在优选实施例中，各个LED150是高亮度的Tl3/4LED，该LED与样品小瓶130分开约5mm。各个LED发射向前的圆锥，该圆锥其视角最好小于约30°，在此光线圆锥内的发射光基本上是均匀分布的。各个PVD152具有约20×40mm的长方形有效区域。可以用Radio Shack公司的型号为#276-124A的PVD。各个PVD放置在距样品小瓶130约19mm的位置，以便接收由相应LED的向前圆锥光束。在另一实施例中，可以用面积约为20×20mm的PVD，并在LDE和样品小瓶130之间的5mm空间内，在各个LED150的前面放置小的柱面透镜(水平轴，未示出)。该柱面透镜使扩散的垂直光束射在20mm高的PVD或者其它传感器上。可以采用光致电压型的PVD152，以确保对输入信号的线性响应、完全不产生暗电流以及使装置100工作温度的影响减到最小。如有关普通技术人员在阅读本发明后看到的，这种尺寸和角度仅仅是例示性的，可以随意改变，或者按要求改变。
光学系统最好在结构上是简单的，不要求任何严格的公差，如图所示。为了有助于减轻重量和LED150在各个子午面154中的自准直，可以加工或者模制金属板或者塑料板(未示出)，以使LED固定就会。在另一实施例中，可以将透明玻璃等做透明罩或者半透明罩(未示出)用环氧树脂或者其它方法固定在LED150和/或者PVD152上，以防水和聚集灰尘。在另一实施例中，可以将Wratten透蓝光的滤光器(未示出)粘接在子午面中一个子午面上的发蓝光的LED上，这样不仅可以增加透明性而且可以增加测量期间的信噪比。如下面要说明的，装置100包括微控制器174(图3示出)，该微控制器可以用有关技术人员周知的方式编制程序，以控制各种切换方式。在装置100中的唯一活动部件最好是用手插入的样品小瓶130。
在另一实施例中，以八角形布置方式(未示出)配置4个PVD152。在八角形布置中，4个LED通道和4个PVD152使得可以同时用12个不同的LED150来进行光度测量、透射率测量以及浊度或者色度测量。可以预见到，如果需要，可以用小的干涉滤光片(未示出)，放在某些LED的前面，由此使光谱通道变锐。4个PVD152中的各个PVD约为20×40mm，然而如有关技术人员在阅读本发明后可以看到的，这些尺寸仅仅是例示性的，它们可以随意改变或者按照需要改变。
下面参考图2b和2c，为简单起见，图中只示出一个子午面154。如图所示，该子午154位于由直角坐标系统的轴X和Y确定的平面内。技术人员可以看出，所示的子午面154可以代表子午面154a0c中任何一个面的构形，而且其Z轴可以在任何空间方向。对于优先实施例的有盖的样品小瓶130，形成Z轴的最合理方向是近似垂直向上的方向。对于其它实施例，例如用石英管作的或者其它透明和半透明管子作的流过流体样品的小瓶或者样品室，对于其长度和Z轴的取向没有任何实际限制。在图2c所示的另一实施例中，可以配置扁平的玻璃光束分束器157和小的参考光电池159，以便在需要和要求这种参考时，连续地监测LED的输出光强，并反馈，以校正LED的变化。
如图2b所示，LED150与图中样品小瓶130左边玻璃壁沿X轴线分开距离“S1”，并且沿Z轴彼此分开小距离“h1”。在子午面154上的各个LED的主光线151沿Z轴交于相应PVD152的中心部分。PVD152的取向近似垂直于子午面154的中心轴，并沿X轴方向与图中样品小瓶130分开距离“S3”。如图2b和2c所示，例示性的PVD152高度H和宽度W，并可以顺序或者同时接收来自相应子午面LED中任何一个或者所有LED的光线。如果两个或者多个LED同时发光，则各个光源最好进行频率调制，或者进行所需的其它调制(例如相位调制或者波幅调制)，使得微处理器174的软件可以分析各个PVD数字信号，并可将来自各个LED发射的分量分开，如下面说明的。例如在现在的优选实施例中，各个LED或者其它光源频率近似调制为如下：f1＝1613Hz，f2＝1099Hz，f3＝676Hz。
参照图2b，例示性的PVD152的高度H由相应LED150发射的已由装满水和其它流体样品小瓶在子午面154上折射的光锥垂直扩散光束确定，。如图2c所示，例示性PVD152的宽度W由在LED向前光锥半角η(即LED150常规视角的一半)内发射的最外侧光线153在X-Y平面内的折射确定。
3个子午面154最好围绕优选圆筒形样品小瓶130的中心轴线按八角形分开(即分开约45°)。为简便起见，图2a仅示出两个子午面154b-c。各个子午面154最好包括许多不同峰值波长的LED150和一个PVD152。因此，优选实施例的装置100具有9个波带明显差别的LED150和3个独立的大面积PVD152。如有关技术人员在阅读本发明后可以想象的，取决于所进行的测量，可以采用或多或少数目的子午面，而每个子午面具有或多或小数目的LED。如果按比例增大或者缩小样品小瓶130的直径，则光学设计将要求特别改变S1和S3(见图2b)，使得PVD的宽度W受到限制(见图2c)，以避免相邻PVD重叠。在优选实施例的理论设计和测试中，已经发现在样品小瓶130的直径S2约为25.4mm时，对于视角2η小于或等于约24°的LED，系统中的有效尺寸是S1大于约5mm，而小于约10mm，而S3约为15mm，W×S等于约20×40mm，这些尺寸是共用的PVD尺寸。然而如相关技术人员在阅读本文后可以看到的，这些尺寸和角度中的任何一个量可以随意或者按要求改变。
下面参考图3，当3个子午面154a-c形成八角开构形时最好在子午面154a上应用桔黄、红色和近红外LED150a的一套LED，而在子午面154c上采用蓝色LED150c，使得互补的通过长波长的滤光器178和通过短波长的滤光器176分别配置在相应PVD152a和152c的前方，以减少装置中的杂散光。已经发现，用Wratten明胶滤光器#25和#47分别作通过长波和通过短波的滤光器是令人满意的。在优选实施例中，在子午面154b上采用黄光和绿光LED150b的两个一套LED。
在图3所示的实施例中，许多振荡器170a-c可分别转接到7个LED150a-c。在起动时，电池121向振荡器提供电流，各个振荡器170最好产生特殊频率的方波。在切换电路区域172内的切换电路接收振荡器输出，并根据操作者要求的具体分析确定那一个LED发光，如下面详细说明的。作为例示性目的，在切换电路区域172中示出简化的切换图。关于电子切换技术的技术人员可以明显看出，具体的切换电路不限于所示的简化方式，而且可以考虑超出所示方式的许多联合切换方式。采用与手动切换不同的电子切换方式可以快速地进行顺序输出，这种顺序读出只受到相关前级放大器180a-c、放大器188a-c和显示112的选择时间的限制。微控制器174可以发出指令，起动振荡器和相关的切换电路。微控制器174具有微处理器184和操作上连接于该处理器的存贮器186。相关技术人员可以看出，微处理器174可以直接发生LED150所用的调制频率。此时可以去掉模拟振荡器170。
再参考图3，7个LED150具有不同颜色。7个LED最好由在子午面154c中的浅蓝色(B+)和深蓝色(B)LED150c、在子午面154b内的黄色(Y)和绿色(G)LED150b和在子午面154a中的红色(R)、桔黄色(O)和红外LED150a组成。LED150发射的光穿过样品小瓶130。在样品小瓶130内，该光线被折射，并且如果存在浑浊则发生光散射，如上面对于图2a、2b和2c所作的说明。可以预见到，PVD152中的两个PVD将接受已滤波的光。在优选实施例中，以及如上所述，在子午面154c上的PVD152a具有与其相关的阻挡红光的滤光器176(例如Wratten#47)，而PVD152a具有与其相关的阻挡蓝光至绿光的滤光器178(例如Wratten#25)。采用光学滤光器有助于可靠地将平均荧光发射强度与散射强度分开。再用脉冲激发或者时间迟延闸门方法检测荧光的情况下可以省去物理滤光器。
当PVD152a-c将光转换成电信号时，得到的电信号也被调制在一个频率，该频率与向相应LED150a施加电源的振荡器170a-c的频率相同。这种调制不仅可以使信号与环境光分开，而且这种分离可以自动地消除太阳光或者室内光对仪器操作性能的任何影响，而且如果在同一时间触发一个以上的LED，则还可以将一个LED的信号与其它LED产生的信号分开。
在优选实施例中，许多前级放大器180a-c中的一个前级放大器可以放大由相应PVD152a-c产生的各个信号。微控制器174通过控制切换区域182中一种有关普通技术人员周知的附加切换电路可以确定前级放大180a-c的起动时刻和起动时间长度。放大的信号可以根据操作者需要求的具体分析由切换电路182可变地传送到求和放大器184，如下面详细说明的。无论那一个前级放大器180a-c接通，相应的信号便送到求和放大器184。许多放大器188a-c分别调谐到相应的调制频率，以便接收放大的信号。该调谐放大器188a-c还进一步放大频率在振荡器170a-c调制频率的那部分信号，同时剔除出或者抑制其它的频率。调谐放大器188a-c的输出由微控制器174处理，并送到显示器112，以便操作者观看。可以预见到，显示器112可以是LCD显示屏、打印机、计数器、analong needle gauge等，如技术人员周知的。调谐放大器188a-c输出还可以作为信息贮存在存贮器186中。贮存在存贮器186中的软件可以向微处理器184发出指令，处理特定的测试数据。该数据和/或者结果最好经插口118传送到外面的计算机(未示出)，以便进一步分析和定期的长期存贮。在另一实施例中，与装置100模拟表示法相差的前级放大、切换、求和以及频率选择性放大的上述顺序可以在前级放大后在任何一点用许多另外的信号数字处理数字方法替代。例如，可以用开关电容器滤波、数字软件滤波器、同步解调器等来直接从PVD前级放大器180a-c的输出中取出信号。微处理器切换的灵活性使得可以测量由任何一个LED调制发射光产生的任何PVD输出。
下面参照图4，图4是顶视平面图，示出另一实施例装置100的光学器件，为简单起见，该器件包括3个LED150a-c和3个PVD152a-c，它们分别位于八角形8个位置中的6个位置上。PVD152可以测量在其相应子午面154a-c中的样品的光透过率，并通过适当切换，测量由浑浊液体散射的光，即测量浊度。选择性的第四PVD152d与PVD152c分开约22.5°第四PVD152d可以另外收集在样品小瓶130中散射的光。在此实施例中，在子午面154a和154c中的保护性彩色滤光器已被省去，从而可以对子午面154a-c上许多LED中的任何一个向PVD152a-d的散射光进行散射测量。技术人员在阅读本发明后可以容易地可以预见到，许多结构可以完成上述的测量。
当用数字化的或者模拟部件的任何要求联合装置执行前级放大后的调制信号测量时，为了增加装置100的准确度，最好尽量减少杂散光。这种不需要的杂散光起源于LED150射到视角锥外面的弱辐射、进入样品小瓶130时的表面反射、由装在玻璃小瓶130中的液体或者流体中的气泡和/或者颗粒物产生的散射光、在射出样品小瓶130时，内部反射光和/或者在PVD152表面上的反射和散射光。在3个子午面中采用LED的一个优点是，降低了杂散光的影响，如图3的配置所示。在光学系统的LED和PVD侧面之间的无用子午面的空的空间中加上如图4a虚线所示的黑体吸收部件109a和109b可以进一步降低杂散光。如图所示，在相邻LED之间的黑体吸收件可以伸到基本上邻接样品小瓶130。
为了进一步增加装置100的准确度，需要定期校正。为了进行定期校正，密封样品小瓶130，瓶中装有没有气泡的纯水(调零瓶)。将该调零瓶插入到装置100中，检验和重新调整在存贮器180中装置的纯水光透过率和任何直接的或散射的杂散光强度。在使用时间和使用现场重新设定所贮存基线水平可以校正仪器环境操作温度的波动和部件的老化，如果发生某些误操作或者与工厂设定的基线水平有重大差别，则会通知操作者。从样品浊度测量值中减去贮存在存贮器186中的纯水散射的杂散光值，便可以确定真正的浊度。同样，在计算样品小瓶130中测试流体的光透过率时，可以用各个LED贮存在存贮器186中净光透过率信号作除数。
操作
在操作中，在装置100中一般装入标准校正数据。在另一实施例中，仪器100执行一系列的试验室测定，以便得到供贮存的独特校正数据。还可以预见到，该装置可以不需要贮存的校正数据，在野外产生的参考数据也足以执行所需要的分析。在使用装置100期间，操作者将样品小瓶130插入凹槽116。在具体分析时，一个样品小瓶可以装入无气泡的纯水，以进行周期性的零点校正，而其它的样品小瓶130可以装入没有改变的现场样品，或者加入试剂的现场样品，其中需要用不同物质产生的若干读数来进行特定分析。操作者可以通过键盘114选择需要的分析和起动分析过程。微控制器174起动需要的LED150a-c和PVD152a-c，并在选出分析需要时，经显示器112向操作者发出指令。如果需要，在适当时间根据显示器112的显示，操作者用手插入适当充满的样品小瓶130。电子线路包括放大器和微处理器，但不限于此，该电子线路处理由读出器产生的信号，并在显示器112上向操作者显示结果，然后将结果贮存在存贮器186中，以便以后经插口118下载到外部装置上。如果装置100电池用完，操作者可以经插座120再充电内部电池，如有关技术人员周知的。
测量颜色变化
再参考图3和4，直接穿过样品小瓶130的光吸收提供了颜色变化的数据。可以看出，颜色是一种心理感觉，因此光学电子装置不能得到这种测量结果。然而为简便起见，可采用术语“颜色”一词来指本文所公开的多波长光度测量值。因此，与看到流体的目视颜色完全没有关系，而是在特定波长测得的吸光光度值。
为了得到装置100的基线，需要在实验室中进行准确光谱测量。将结果贮存在存贮器186中，以便与调谐放大器180a-c输出中的数字化数据联用(见图3)。如果需要用试剂来产生颜色变化，则装置100最好带有一套试剂，这套试剂包括各种需要的化合物和试剂。
如果需要将试剂加入到样品中以达到颜色变化，则可以预见到，需要两个样品。一个样品提供基线的“自然颜色”参考，而第二个样品中加入的试剂。应当基本上按照同一过程(但加入试剂除外)测量各个样品。
对于很多颜色测量，只需要采用红色、绿色和蓝+色LED150。在一个实施例中，红色、绿色和蓝+色LED分别是如图4所示的LED150a-c。这3个LED分别在不同频率下被调制。由于3种光束穿过样品小瓶130，所以红色、蓝+色和绿色读数输出到表示样品颜色结果的显示器112。对于不太精密的颜色测试，不需要超过3个不同的颜色通道。例如，带蓝色的样品只需要用红色通道的颜色分析。对于更精密的测试，可以采用高到12个不同颜色LED的任何子组合来进行颜色分析，例如，在八角形结构中，这些LED同时可操作在不同的调制频率，或者顺序地操作在一个调制频率。
在另一实施例中，装置100表示预定杂质的浓度。该浓度是将现场样品的数据与贮存在存贮器186中的数据点进行比较得到的。在优选实施例中，贮存的数据代表半对数比尔定律的曲线。皮尔定律曲线是这样得到的，测量各种浓度溶液的透射光信号(T)，但不改变光程长度或者波长，然后用该T除以在同一光程长度和波长条件下测定纯水样品得到的透射光信号(T0)。该比值的对数随浓度的变化曲线变即为比尔定律曲线。直线的比尔定律曲线表示对这种溶液，在测定波长下，比尔-兰贝尔特关系成立，并且可以采用比尔定律曲线来测定未知溶液的浓度，用数学符号写，比尔-兰贝尔特关系是T/T0＝10-A，在这种情况下，A＝εbc，其中A是吸光系数，ε是摩尔浓度，b是光程长度，c是溶液中化合物浓度。贮存的数据点最好是在可控的条件下，在实验室中通过用装置100测量若干杂质浓度已知的样品而得到，在得到现场样品的吸光度或者透光率结果以后，将贮存的数据与现场样品的数据相比较便可以得到相应的杂质浓度。其方法是有关技术人员在阅读本发明后周知的方法。例如，微控制器174分别选择高于或低于现场样品数据的第一和第二数据点。然后根据现场样品的数据以及第一和第二数据点，微控制器用数学内差法得到现场样品的杂质浓度。
技术人员还应当看到，如果现场样品的天然颜色具有不希望的浑浊或者颜色，可以用自然颜色的样品作调节器零点参考样品，以便进一步提高浓度分析结果的准确度。在另一个实施例中，为了进一步增加浓度分析的可靠性，可以将多种色度与相应的若干组贮存数据进行比较，因此一种色度结果将验证其它色度结果。
散射光和浊度测量
图5示出进行浊度测量的部件的现在优选结构，可以看到，这种结构包含一部分与图3和图4所示部件相同的部件，这些部件处于同样的相对位置。开关电路可以按照微处理器的控制进行切换，从而以有关普通技术人员在阅读本发明后已知的方式实现选出的浊度测量。浊度数据最好用约45°左右散射的45°散射光得到。
在一个实施例中，通过激发蓝+光LED150c测量蓝色浊度，如技术人员可以看出的，这种装置100可以包括其它部件，这种部件为简化起见在图中未示出。例如，这种部件可以处理信号，并有助于进行其它测量，如下面说明的。当蓝+LED150c的光线穿过样品小瓶130时，一部分光便被散射，并射到相邻通道的PVD152b上。PVD152b没有任何彩色滤过器，所以这种散射将产生调制在蓝光频率的信号。放大器188(见图3)调谐到该蓝光频率。在放大PVD152a的信号而首先测量样品透光率之后，放大器188然后切换到只放大PVD152b的信号，该信号的强度正比于45°浊度。结果，装置100将代表样品浊度结果显示在显示器112上。
再参考图5，也可以测量近红外发射浊度。LED150a最好是调制光源，发射近红外光，而PVD152a是透射光检测器，未滤光的PVD152b是用于检测偏离轴线约45°散射的近红外光的检测器。因为检测水浊度的国际流行方法现在规定，在某些情况下，采用860nm近红外光，而在其它情况下采用长波蓝光，所以操作者可以用没有任何活动部件的同一装置100测量两种浊度，并可以避免可能的操作误差。在另一实施例中，如图4所示，配置第四和/或者第五PVD(未示出)可以分别接收子午面154a和154b的22.5°散射光，以便进行相应浊度测量。
对于测量，特别是对浊度测量，调零方法和洁净度是很重要，因为气泡、纤维屑、杂质等可能会造成过度的散射，这样又会影响结果。在优选实施例中，为了有效和准确进行浊度测量，技术人员必须按照以下方法进行：
1.用键盘114，从显示器112上显示的测量目录中选择浊度测量；
2.进行定期调零，以便得到和贮存具体浊度测试中所用所有成份的净水透光率和杂散光信号。如果需要，清洁和冲洗样品小瓶130。另外，检查是否存在影响浊度测试的可能原因，例如检查是否存在附着于内部玻璃壁和/或者样品室水界面上的小气泡，但不限于空气泡；
3.在样品小瓶130中充满要测量的水样品。检查充满样品的小瓶130，看是否存在影响浊度测量的可能杂物，和前一步骤相同；
4.将样品小瓶130插入装置100；
5.在键盘114上按下适当按钮，起动测量，并在显示器112上读出需要的结果。
如果需要加入试剂，以便在样品中形成颗粒物的散射，则需要进行另外的步骤。额外的样品小瓶130应该用样品充满并密封。既使不加入试剂，也应当处理该额外的样品小瓶，即，完全与加有试剂的样品小瓶130一样进行摇动，并记下基线数据，以便计算原来样品中存在的自然浊度。采用这种同样摇动过的参考样品，控制微控制器174可以在数学上减去在样品内发生的沉降和加工影响，其方式是相关普通技术人员周知的，从而可以得到真正的浊度结果。
荧光测量
再参考图5，可以采用直接的近似90°发射光测量荧光。在一个实施例中，沿着LED150c的蓝色通道进行激发。子午面的PVD152c表示样品小瓶130中包含透明水时的蓝色LED强度、在样品室包含自然颜色水样品时的自然液体透光率以及样品小瓶130包含与荧光试剂进行化学反应后的自然水样品时的反应后液体透光率。当荧光反应产物发射红光时，由PVD152c产生的信号指示透过样品小瓶130的蓝激发光的信号，因为红光由配置在PVD152c前方的过滤器176挡住。用PVD152a测量红荧光，该PVD152a与激发蓝光形成约90°角，因为红色荧光可以透过位于PVD152a前方的滤光器178。在装置中除开蓝+LED150c以外的所有LED均被关掉，以降低信号噪声比。PVD152a产生的红色荧光信号其调制频率与激发光的调制频率相同，因此可时进一步降低电子噪音，当测量PVD152a的信号时，关掉直接的PVD152c的信号。技术人员应当看出，用于荧光测量的装置100在物理上不同于上述用于测量透光率和浊度的实施例，而且只需要由微处理器184的软件控制的以相关普通技术人员周知的方式进行电器切换。
在另一实施例中，在子午面154c上配置多个蓝色LED可以增加激发强度，从而增加信号强度。为了进一步地增加荧光信号的强度，接收PVD152a可以放在更靠近样品小瓶130的地方，以增加采集的荧光信号。如果接收的PVD152a是一种适当用模制的Winsto圆锥和雪崩式二极管检测器，则可以进一步增加荧光灵敏度，如有关普通技术人员知道的。
多元测量
多元分析是同时用矩阵数学以有关普通技术人员周知的方式分析两个或者多个不同的数据集合，以便将结果分开。例如，可以用装置100同时采集浊度和荧光测量值。可以同时进行透射率和散射测量而互不干扰，因为LED150调制在不同的频率。在多种化学测试互不影响的液体样品中，可以同时在多个波长进行透射率测定，这种样品可以在不同的波长产生已知的吸光度变化。利用微处理器174可进行有关普通技术人员周知的不同算法来处理这种多元数据。多元分析的例子已在Matthew Mosley(Clemson University，1998)的论文“Applications and Limitations of Genetic Algorithms for theOptimization of Multivariate Calibration Techniques”中说明，该论文已作为参考包含在本文中。
也可以顺序测定许多数据。放大器和显示器112的切换时间限制读取两个数据之间的间隔，例如可以利用沿样品小瓶130的多个子午面传送的光束在几秒钟内得到光度和荧光测量值，或者得到光度和浊度测量值。虽然这种组合的顺序测量只需要常规的计算方法，但是采用相关普通技术人员周知的多元方法更有利于处理有意增多的过多数据，由此可以大大提高装置输出结果的置信度，并看到该输出结果的该统计精确度。
其它实施例
参考图6a和6b，装置200适合于测量流过样品室230的流体或者其它材料，该样品室为透明的或者半透明的管子232。为此，装置200包括在多个子午面(为简化起见，图公仅示出一个)上的多个LED250和多个PVD252。微控制器274也装在装置200中。LED250最好固定在管子230的一侧，而PVD252固定在另一侧。为简便起见，在图6a中仅示出一组LED250和PVD252。该装置200沿其中心线分成两半，该中心线平行于样品室的轴Z′。该装置200的两半最好用活页240和关闭锁闩242固定在一起。透明管230中形成样品室。在一个实施例中，管子230的外径约1英寸，从而可以得到上述子午面254的构形。这种排列允许对流过管子230的材料进行连续的透射率、浊度和荧光进行测量。可以预见到，这种排列可以应用到石化工业和生化反应器、市政自来水和污水处理厂、核能发电厂的燃料棒贮存装置等。
在检测流动流体时，最好按比例减小光学检测装置200，以接收外径为0.5英寸或者更小的样品管。在按比例缩小的实施例中，LED为3mm而不是5mm，而且视角较小，约为20°。或者，可以应用半导体激光器作辐射源，来代替LED250，而PVD252具有比上述20×20mm面积更小的表面积。采用0.5英寸直径石英管作样品室的实施例包括上述各种部件，再加上在化工厂、制药厂或者粮食加工厂等中所用的相对较小的普通管道。如相关普通技术人员在阅读本发明后可以看到的，可以按比例放大和缩小装置200的光学部件，以满足现在和未来许多不同应用中的任何一种应用要求。
为了能够检测其折射率比水高的例如约在1.4-1.5范围内的石化流体，只需要进行少量设计改变，即改变PVD252沿其子午面254轴线的位置。也可以对低折射率的流体进行透光率和粒子颗粒物浓度进行检测，例如对工业流体和发动机废气以及低温超临界和临界流体，例如凝结的二氧化碳，为了基本上能收集到所有的光能，这些测量需要使用大面积的PVD和视角很小的LED，例如适度的光锥和/或者半导体激光器，因为在穿过样品时光锥不会发生显著的折射而会聚。对于高温和低温流动流体，包含样品的管230最好是真空密封在稍微较大的外部石英管中，以便使样品与光学检测装置200热绝缘。在这种装置中，PVD252最好设计成紧贴在外部绝热管的四周。
下面参照图7a-7c，另一个优选实施例利用样品室300以及集成电路320。该样品室300具有盖子332和塑料底部310。该底部310用压配合、环氧树脂或者其它普通技术人员已知的方法固定。如图7b所示，该底部310包含嵌入的集成电路或者印刷电路板320，该电路板320装有电子器件，例如不易丢失的易擦除和易写入的存贮器。该电子器件存贮特定的测试软件指令、测试专有的校正数据、用户界面结构数据等以及需要的其它数据。样品小瓶300的印刷电路板320还包括识别号码，该识别号码可以使样品小瓶300与预先包装的化学品例如试剂建立起确定关系，这种试剂装在样品小瓶300中，或者随该小瓶一起供应。在插入到装置100中时，该装置100可以利用识别码识别样品室300，并接收必须的指令，以执行恰当的测量和自动起动所选择的测量。因此，使用人只需要在样品小瓶300的样品室充满流体并将样品小瓶插入到装置100中。如果需要，该样品室300可以重新使用，这取决于进行的化学测试或者测试系列。
参照图7c，当样品小瓶300放置在装置100凹槽116中时，便通过底部130与装置100达到信息相通。充满样品的小瓶300的重量不管其在凹槽116中转动方向如何均可使底部310与嵌入装置100凹槽116中的弹簧加载按钮接触，形成电连接。在一个实施例中，在装置凹槽116中的外部接触环312形成共同的接地极，也装在凹槽116底部的电连接于微处理器184的中心接触件316可以来回传送电力和多道电信号。还可以预见到，底部130和装置100可以采用电容合，低功率RFID式方法、磁耦合方法，任何一种普通的光。电子遥控方法等进行电连接。
相关的普通技术人员应当看到，上述部件和尺寸仅仅是例示性的，可以随意改变或者按照新用途进行改变。因此，优选实施例的详细说明是例示性的，没有任何限制性。尽管已通过优选实施例说明本发明，但是技术人员容易看出对这些实施例可以进行各种改变和/或者变型，而不违背由权利要求书确定的本发明的精神和范围。

Claims (62)

1.一种用于在环境光中对物质特性进行光学测量的装置，包括：
至少一个半透明的壁，该壁形成用于其中接收待测量物质的样品室，并形成一根轴线；
限定第一子午面并包含在该第一子午面上的第一通道；
至少一个靠近该样品室安装的辐射源，其中至少一个辐射源包括第一辐射源和第二辐射源，该第一辐射源和第二辐射源沿轴向彼此分隔开，该第一辐射源发射一调制辐射光束，该辐射光束基于上述调制可明显区别于环境光；
并且该第二辐射源发射一调制辐射光束，该辐射光束基于上述调制可明显区别于该环境光；
至少一个检测器，该检测器相对第一和第二辐射源与样品室的轴线有角度地分隔设置，其中至少一个检测器包括第一检测器，该第一辐射源定位成从其发射的主光线基本在第一检测器上面穿过，该第二辐射源定位成从其发射的主光线基本在第一检测器上面穿过，第一检测器在穿过样品室和其中待测量物质之后接收调制辐射光束，并产生调制的输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射光束的辐射强度；
限定第二子午面并包含在该第二子午面上的第二通道；
至少一个靠近该样品室安装的辐射源，其中第二通道的至少一个辐射源包括第三辐射源，该第三辐射源发射一调制辐射光束，该辐射光束基于上述调制可明显区别于环境光；和
至少一个检测器，该检测器相对第三辐射源与样品室的轴线有角度地分隔设置，其中第二通道的至少一个检测器在穿过样品室和其中待测量物质之后接收由第三辐射源发射的调制辐射光束，并产生调制的输出信号，该信号代表射到该检测器上的第三辐射源的辐射光束的辐射强度；
控制器，连接于第一辐射源和第一检测器，以便激发该第一辐射源和处理第一检测器的输出信号；和
连接于控制器的显示器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括形成一个凹槽的盒子，其中由形成样品室的小瓶构成至少一个半透明的壁，第一辐射源和第一检测器靠近该凹槽安装。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该至少一个半透明壁近似为圆筒形。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个振荡器，该振荡器连接于该第一通道的至少一个辐射源，以便调制该第一通道的至少一个辐射源。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少一个连接于第一检测器的放大器，以便放大输出信号，并抑制其它频率。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第二通道的至少一个辐射源相对第一辐射源与样品室的轴线有角度地分隔设置。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该显示器包括用于显示基于调制的输出信号的测量读数的显示。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括透过长波的光学滤光器，该滤光器布置在第二通道的至少一个检测器的前面，用于使荧光发射强度与该第一通道的至少一个辐射源的散射光强度分开，并用于降低杂散光。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一辐射源的主光线和该第二辐射源的主光线均穿过该轴线延伸到第一检测器的中心区域。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一和第二辐射源包括发光二极管。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，限定该样品室的至少一个半透明壁包括至少一个光学折射壁，其中该至少一个光学折射壁具有适于将由上述第一辐射源发射出的上述调制的辐射光束和由上述第二辐射源发射出的上述调制的辐射光束聚焦到上述第一检测器的折光力。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括样品小瓶和凹槽，前者形成样品室，后者可以取出地装入该小瓶。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该物质包括现场样品，该样品室由一管子形成，允许该现场样品流过该管子，该现场样品具有杂质浓度，并且该控制器还可操作以监测该杂质浓度。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该显示器包括用于产生人可读测量读数的显示。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一辐射源的调制辐射光束在第一调制频率下进行调制，该第二辐射源的调制辐射光束在第二调制频率下进行调制，第二调制频率不同于第一调制频率。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，该第三辐射源的调制辐射光束在第三调制频率下进行调制，第三调制频率不同于第一调制频率和第二调制频率。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
数据，其包括基于多个不同参考样品的多个参考测量，每个参考样品具有不同的杂质浓度，和
其中，该控制器包括一控制，用于(i)将从第一检测器的调制输出信号与多个参考测量的至少一部分自动地进行比较以确定物质中的杂质浓度和(ii)产生一输出信号，该信号代表物质中的杂质浓度。
18.一种分析细长样品透光率和散射光的装置，其特征在于，该细长样品形成一根轴线，该装置包括：
第一通道，该通道形成第一子午面，该子午面具有延伸穿过该子午面的轴线，并在其上包括靠近样品安装的至少一个辐射源和至少一个检测器，该至少一个辐射源包括用于发射穿过样品的第一辐射光束，和用于发射穿过样品的第二辐射光束，该第一辐射源和第二辐射源彼此沿轴向分隔开，该至少一个检测器相对于第一辐射源与样品的轴线有角度地分隔开以产生第一输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度；
该至少一个检测器包括用于检测射到该检测器上的辐射的第一检测器，该第一辐射源定位成从其发射的主光线基本在第一检测器上面穿过，该第二辐射源定位成从其发射的主光线基本在第一检测器上面穿过；和
第二通道，其限定第二子午面，该子午面具有延伸穿过它的轴线，并在其上包括靠近样品安装的至少一个辐射源和至少一个第二检测器，该第二通道的至少一个辐射源包括用于发射穿过样品的第三辐射光束的第三辐射光束源，该至少一个第二检测器相对于第三辐射源与样品的轴线有角度地分隔开以产生第二输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度；
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该第一辐射源和第二辐射源均包括发光二极管，其定位成使得发光二极管发出的主光线基本上穿过样品的轴线，射在第一检测器上。
20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该第一和第三辐射源选自一组辐射源，该组辐射源包括绿色、红色、黄色、桔黄色、蓝色和近红外的发光二极管。
21.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该第一和第二通道有角度地彼此分开约45°角。
22.如权利要求18所述的装置，还包括第三通道，该通道限定第三子午面，该子午面延伸穿过该轴线，并在其上包括靠近样品安装的至少一个辐射源和至少一个第三检测器，该第三通道的至少一个辐射源包括用于发射穿过样品的第四辐射光束的第四辐射源，该至少一个第三检测器相对于第四辐射源沿样品的轴线有角度地分隔开以产生第三输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度。
23.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该第二和第三通道有角度地彼此分开约45°角，而第一和第三通道有角度地彼此分开约90°角。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括第四通道，该通道限定第四子午面，该子午面延伸穿过该轴线，并在其上包括靠近样品安装的至少一个辐射源和至少一个第四检测器，该第四通道的至少一个辐射源包括用于发射穿过样品的第五辐射光束的第五辐射源，该至少一个第四检测器相对于第五辐射源沿样品的轴线有角度地分隔开以产生第四输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，第一和第四通道有角度地彼此分开约22.5°角。
26.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该轴线位于第一子午面内。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，该轴线位于第二子午面内。
28.如权利要求18所述的装置，其特征在于，还包括：
用于接收样品的半透明单元，该半透明单元限定适于将第一辐射光束聚焦到第一检测器上的光学折射元件。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，该第一辐射源包括用于发射锥形光束的光源，并且该半透明单元限定在第一辐射源和第一检测器之间的沿光路布置的唯一折射元件。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，还包括：
连接到第一检测器的控制器，和
用于将控制器的输出信号转换成人可读形式的显示器。
31.如权利要求28所述的装置，其特征在于，第一辐射源包括一发光二极管。
32.如权利要求18所述的装置，其特征在于，还包括电子设备，用于起动各个通道，并处理由此产生的信号。
33.如权利要求18所述的装置，其特征在于，该第一通道的至少一个检测器还检测从第二通道的至少一个辐射源发射并穿过样品的辐射。
34.如权利要求28所述的装置，其特征在于，该半透明单元是用于接收穿过其中的样品的管子。
35.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括光束分裂器，该分裂器定位在第一辐射源的前面，用于导引一部分第一辐射光束并用于指示第一辐射源的输出功率从而监测第一辐射源的性能。
36.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括在操作上与第一通道的至少一个检测器相连的放大器，用于放大第一通道的至少一个检测器的第一输出信号。
37.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括在操作上与第一辐射源相连的振荡器，用于在第一调制频率下调制第一辐射源的第一光束。
38.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括装在半透明单元中的试剂，该试剂用于与样品混合并产生散射光的颗粒物。
39.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括装在半透明单元中的试剂，该试剂用于与样品混合并产生荧光。
40.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括装在半透明单元中的试剂，该试剂用于与样品混合并产生光学吸收带，该吸收带降低了物质的透光率。
41.如权利要求28所述的装置，其特征在于，还包括在操作上连接于第一辐射源和第一检测器的控制器，其中该半透明单元包括安装在该半透明单元上并在操作上连接于控制器的电路，从而提供用于分析样品的辐射传递和散射的指令。
42.如权利要求28所述的装置，其特征在于，该半透明单元包括可以连接在该皿上的用于密封该皿中样品的盖子。
43.一种在环境光中光学测量物质特性的装置，该装置包括：
第一装置，限定用于在其中接收待测物质的样品室，并限定一轴线；
第一通道，其限定第一子午面并包括在该第一子午面上；
第二装置，其靠近样品室安装，用于发射调制辐射光束，该辐射光束基于上述调制可明显不同于环境光；
第三装置，其靠近上述样品室安装，用于发射可区别于环境光的调制辐射光束和基于上述调制的第二装置的调制光束，第二装置和第三装置彼此沿轴向分隔开；和
第四装置，其相对第二装置与样品室的轴线有角度地分隔设置，用于在穿过样品室和其中待测量物质之后接收第二装置的调制的辐射光束，并产生调制的输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度，其中该第四装置包括用于检测辐射的第一检测器，该第二装置定位成从其发射的主光线基本上在第一检测器上面穿过，并且该第三装置定位成从其发射的主光线基本上在第一检测器上面穿过；
第二通道，其限定第二子午面并包括在该第二子午面上；
第五装置，其靠近样品室安装，用于发射调制的辐射光束；和
第六装置，其相对第五装置与样品室的轴线有角度地分隔设置，用于在穿过样品室和其中待测量物质之后接收第五装置的调制的辐射光束，并产生调制的输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度，其中该第七装置连接到第二和第四装置用于启动第二装置并处理第四装置的输出信号。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于，该第二装置是辐射源。
45.如权利要求44所述的装置，其特征在于，该辐射源是发光二极管，振荡器连接于该发光二极管。
46.如权利要求43所述的装置，其特征在于，第一检测器是光电检测器。
47.如权利要求43所述的装置，其特征在于，第七装置是在操作上连接于第二和第四装置的微处理器和存贮器。
48.一种用于在环境光中光学测量物质特性的方法，包括以下步骤：
提供样品室，该样品室限定一轴线，该样品室中接收待测物质；
提供第一通道，其限定第一子午面并包括在该第一子午面上，至少两个辐射源，该辐射源靠近样品室安装，并且至少一个检测器相对第一辐射源与样品室的轴线有角度地分隔设置，用于产生第一输出信号，该信号代表射到该检测器上的辐射强度，该至少两个辐射源包括第一辐射源和第二辐射源，该至少一个检测器包括第一检测器，该第一和第二辐射源沿轴向彼此分隔开，该第一辐射源定位成从其发射的主光线基本上在第一检测器上面穿过，并且该第二辐射源定位成从其发射的主光线基本上在第一检测器上面穿过；
从第一和第二辐射源发射调制的辐射光束，第一和第二辐射源均在不同的频率下进行调制，因此，可区别于环境光并基于上述调制彼此不同；
提供第二通道，其限定第二子午面并包括在该第二子午面上，至少一个辐射源，该辐射源靠近样品室安装，并且至少一个检测器相对第二通道的至少一个辐射源与样品室的轴线有角度地分隔设置；
在该调制辐射光束穿过样品室和其中待测物质以后，由第一检测器接收该调制的辐射光束；
产生调制输出信号，该信号代表射到在该第一检测器上的调制的辐射光束的辐射强度；
由控制器起动第一辐射源和第一检测器；
处理该调制输出信号；和
提供显示器，该显示器根据调制输出信号显示测量读数。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，通过贮存基于用纯水样品校正的数据点可以自动补偿任何角度影响。
50.如权利要求49所述的方法，还包括抑制在环境光频率的任何信号。
51.如权利要求18所述的装置，其特征在于，还包括：
(a)盒子，盒子限定接收样品室的凹槽，该样品室具有至少一个存贮器并适于接收样品；和
(b)至少一个处理器，该处理器与该至少一个存贮器连通。
52.如权利要求51所述的装置，其特征在于，该第一辐射源是发光二极管。
53.如权利要求51所述的装置，其特征在于，该第一检测器是光电检测器。
54.如权利要求51所述的装置，其特征在于，还包括：
至少一个振荡器，该振荡器装在盒子内，在操作上连接于第一辐射源；
电池，装在盒子内，用于起动该至少一个振荡器。
55.如权利要求54所述的装置，其特征在于，还包括上述样品室，其中该样品室进一步包括具有印刷电路板的底部，该印刷电路板支承至少一个存储器。
56.如权利要求43所述的装置，其特征在于，该样品室包括一可移动的样品室，用于接收其内的物质样品，并具有至少一个存储器；和
其中，该第七装置与至少一个存储器连通。
57.如权利要求56所述的装置，其特征在于，该第一装置包括样品小瓶。
58.如权利要求56所述的装置，其特征在于，该第二装置包括发光二极管并且该第一监测器包括光电检测器。
59.如权利要求56所述的装置，其特征在于，至少一个存储器包括随机存取存储器和只读存储器。
60.如权利要求56所述的装置，其特征在于，第七装置包括微处理器和软件程序。
61.一种分析样品颜色和散射的仪器，其特征在于，样品限定一轴线，该装置包括：
第一装置，其限定第一子午面并在其上包括第二装置；
第二装置，其用于发射在第一频率下调制的辐射光束，该第二装置靠近样品安装，用于发射穿过该样品的上述辐射光束；
第三装置，其用于发射在不同于第一频率的第二频率下的调制的辐射光束，该第三装置靠近样品安装，用于发射穿过该样品的上述辐射光束；
第二装置和第三装置彼此沿轴向分隔开；
第四装置，其用于相对第二装置与样品的轴线有角度地分隔开，并包括用于检测辐射的检测器，第二装置定位成从其发射的主光线基本上在检测器上面穿过，第三装置定位成从其发射的主光线基本上在检测器上面穿过，第四装置产生第一输出信号，该信号代表射在上面的辐射强度；
第五装置，其限定第二子午面并在其上包括第六装置，用于发射辐射光束，该第六装置靠近样品安装，用于发射穿过该样品的上述辐射光束；
第七装置，其用于相对第六装置与样品的轴线有角度地分隔开，用于产生第二输出信号，该信号代表射在上面的辐射强度；和
第八装置，其用于起动第一和第五装置，并处理由此产生的上述输出信号。
62.如权利要求61所述的仪器，其特征在于，第八装置同时起动第二和第六装置，因此可以将由此产生的相应信号区分开。
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