CN101216422B - 液体浓度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

液体浓度检测装置及检测方法，其特征是设置具有透光盖板的密闭容器，透光或半透光液体充满密闭容器，在密闭容器中固定设置与透光盖板呈不为零的夹角反光板；反光板上的投射光束来自于容器外部的投射光源，反光板上的反射光束穿过容器内液体和透光盖板，由设置在密闭容器的外部、位于反射光束的光路上的光学接收器所接收，以光学接收器检测的反射光束投射在其上的光斑位置信号为检测信号。本发明检测精度高、速度快，具有较宽的折射率检测范围，可用于实时、快速检测液体浓度的微小变化。

Description

液体浓度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及用于检测液体浓度的装置及方法。

背景技术

液体浓度是液体物质的一个非常重要的物理参数，在化工、饮料、酿酒、医药等行业的生产中以及在一些科学研究中，经常需要测量液体中特定物质的浓度，因此，液体浓度的精确检测尤为重要。

测量液体浓度有很多方法，传统的方法有比重法、旋光法、分光光度法、超声波法和折射率法。比重是指相同条件下，液体质量与相同体积的蒸馏水的质量比，比重法虽然精度较高，但是比较麻烦，要采用分析天平称几次；旋光法是检测偏振光光强的变化规律，需要不同成分具有不同的旋光性，且测量精度不高；分光光度法是检测透光率，灵敏度也不够高；超声波利用超声波声速和液体密度、粘度的关系达到检测的目的，具有精度高的优点，但是重量大、不易移动；已有的折射率法比较典型的是基于全反射的阿贝折射仪，具有很高的折射率检测精度，能达到2×10^-4，但是阿贝折射仪测量液体的折射率范围较窄，一般仅为1.3-1.7。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种测量精度高、测量过程快速方便、具有较宽折射率检测范围的基于折射率法的液体浓度检测装置及检测方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明液体浓度检测装置的结构特点是设置具有透光盖板的密闭容器，透光或半透光液体充满密闭容器，在密闭容器中固定设置反光板；反光板上的投射光束来自于容器外部的投射光源，反光板上的反射光束穿过容器内液体和透光盖板，由设置在密闭容器的外部、位于反射光束的光路上的光学接收器所接收，以光学接收器检测的反射光束投射在其上的光斑位置信号为检测信号。

本发明液体浓度检测装置的结构特点也在于：

来自于投射光源的投射光束垂直于透光盖板。

反光板与透光盖板呈不为零的夹角。

投射光源为聚焦激光束。

光学接收器为位移传感器PSD或一维线阵电荷藕合器件CCD。

密闭容器为恒温容器。

利用本发明装置进行液体浓度检测的方法的特点是按如下步骤进行：

a、在密闭容器中注入已知折射率为n₁的基准液体，由光学接收器检测并记录投照在其上的基准光斑位置信息；

b、置换密闭容器中的基准液体为被测液体，相同条件之下，由光学接收器检测并记录投照在其上的被测光斑位置信息；

c、比较基准光斑位置信息与被测光斑位置信息，获得由于基准液体与被测液体折射率的不同而带来的光斑位置的偏移量Δd，所述光斑位置的偏移量Δd与基准液体和被测液体的折射率差值Δn₁具有一一对应的线性关系，因而获到被测液体折射率n₁′＝n₁+Δn₁；

d、根据折射率n₁′与液体浓度一一对应的关系，获得与测得的液体折射率n₁′相对应的液体浓度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过采用具有微米甚至亚微米位移分辨率的光学接收器，可以使装置达到0.5×10^-4的折射率检测精度；从而能够检测液体浓度的微小变化。

2、虽然光学接收器的位移量程有限，但本发明通过适当选择基准液体，即选择折射率与被测液体接近的基准液体，可以达到较宽的折射率检测范围，也就能够达到更大范围的液体浓度检测。

3、由于密闭容器可以做到几十微升的小容量，因此通过蠕动泵可以快速地将密闭容器内的基准液体置换成待测液体，可以达到快速检测液体折射率的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明检测原理示意图。

图3为本发明实施的不同浓度乙醇溶液的折射率测试曲线。

图4为本发明实施的另一不同浓度乙醇溶液的折射率测试曲线。

图5为系统的最小能够检测的Δn₁和入射角α之间的关系图。

图中标号：1投射光源、2透光盖板、3密闭容器、4反光板、5密封圈、6蠕动泵、7恒温系统、8光学接收器、9信号处理装置、10投射光束、11反射光束。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步描述。

具体实施方式

参见图1、图2，设置具有透光盖板2、由密封圈5对透光盖板2进行密封的密闭容器3，透光或半透光液体充满密闭容器3，在密闭容器3中固定设置反光板4；反光板4上的投射光束10来自于容器外部的投射光源1，反光板4上的反射光束11穿过容器内液体和透光盖板2，由设置在密闭容器3的外部、位于反射光束11的光路上的光学接收器8所接收，以所述光学接收器8检测的反射光束11投射在其上的光斑位置信号为检测信号。

具体实施中，设置来自投射光源1的投射光束10垂直于透光盖板2、反光板4与透光盖板2呈不为零的夹角，以及投射光源1采用聚焦激光束都可以获得更高的测量精度。

光学接收器8采用位移传感器PSD或一维线阵电荷藕合器件CCD，密闭容器3设置为由恒温系统7进行恒温控制的恒温容器，保证密闭容器3内的温度恒定在±0.01K。

检测方法按如下步骤进行：

a、在密闭容器3中注入已知折射率为n₁的基准液体，由光学接收器8检测并记录投照在其上的基准光斑位置信息；

b、在蠕动泵6的带动下，置换密闭容器3中的基准液体为被测液体，相同条件之下，由光学接收器8检测并记录投照在其上的被测光斑位置信息；

c、信号处理装置9比较基准光斑位置信息与被测光斑位置信息，获得由于基准液体与被测液体折射率的不同而带来的光斑位置的偏移量Δd，光斑位置的偏移量Δd与基准液体和被测液体的折射率差值Δn₁具有一一对应的线性关系，因而获到被测液体折射率n₁′＝n₁+Δn₁。

d、对于特定的二元混和液体，折射率n₁′与被测液体的浓度具有一一对应的关系，因此，根据折射率n₁′与液体浓度一一对应的关系，即可获得与测得的液体折射率n₁′相对应的液体浓度。

图2示出了本发明测量原理如下：

由折射率公式：n₁·sinα＝n₂·sinβ＝n₃·sinγ，当被测液体将基准液体置换后，也就是密闭容器内液体的折射率n₁发生了变化，同时密闭容器外部的空气折射率n₂和透光盖板的折射率n₃不变，而投射光束10是垂直于透光盖板入射，则反射光束11从液体到透光盖板2的入射角α不变，根据折射率公式可知，出射角γ会改变，从透光盖板2到空气的出射角β也会随之改变，因此，光学接收器8上所接收的投射光束的光斑位置会发生移动，位移量与补测液体与基准液体的折射率之差一一对应，同时基准液体的折射率为已知，由此可以得到被测液体的折射率，而对于特定的二元混和液体，其折射率n₁′与浓度具有一一对应的关系，因此也就获得了被测液体的浓度。

在被测液体与基准液体折射率相差不大时，即 $\frac{\mathrm{\&Delta;}{n}_1}{n_1}<5\%$ 时，假定反射光束11从透光盖板2到光学接收器8的距离为L，透光盖板2的厚度为h，由于 $\frac{L}{h}>50,$ 则有：

$\mathrm{\&Delta;}{n}_1=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{L}\&CenterDot;n_2\&CenterDot;\mathrm{ctg}\&lsqb;\arcsin (\frac{n_1}{n_2}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&alpha;})\&rsqb;---\left(1\right)$

式中：Δn₁为被测溶液与基准溶液折射率之差

Δd为反射光束的光斑在光学接收器8上移动的距离。

显然当α≠0时，Δn₁≠0

设被测液体的折射率为n₁′，假定图2中Δd为正，则：

n₁′＝n₁+Δn₁    (2)

由(1)式可知：在L、n₁、n₂、α一定的情况下，Δn₁与Δd成线性关系。当Δd取光学接收器8的最小位移分辨值时，得到的Δn₁就是系统最小能够检测的液体折射率的变化值。由于采用的光学接收器8具有微米甚至亚微米的位移分辨率，因此系统具有很高的检测精度。

参见图5，在L、n₁、n₂一定的情况下，取Δd为光学接收器8的最小位移分辨值时，入射角α(α小于布鲁斯特角)和Δn₁之间的函数关系。显然入射角α越大，Δn₁就越小，即检测灵敏度越高。为了提高检测精度，可以通过增大α来达到，但是由于系统本底噪音的存在，当α达到一定值后，检测灵敏度就不会再有提高。

由(2)式可知：虽然光学接收器8的位移量程有限，但通过适当选择基准液体，即选择折射率与被测液体接近的基准液体，可以达到较宽的折射率检测范围。

在以下实施例1和实施例2中，投射光源1采用λ＝635nm的聚焦激光束；光学接收器8采用位移传感器PSD，最小位移分辨率为0.1微米；恒温系统7将密闭容器3的温度控制在20±0.01℃；所用乙醇为无水乙醇(≥99.7％)。

实施例1：

参见图3，基准液体为蒸馏水，检测溶剂为蒸馏水的不同浓度乙醇的折射率，依次检测体积比浓度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的乙醇折射率。

实施例2：

参见图4，基准液体为蒸馏水，检测溶剂为蒸馏水的不同浓度乙醇的折射率，依次检测体积比浓度为1％、2％、3％、4％和5％的乙醇折射率。

在实施例1和2中，所使用的密闭容器3的体积约为800微升，置换时间大约20分钟，这与检测被测液体折射率的时间，即图3和图4中曲线平衡的时间大致相当，如果将密闭容器3的体积做到40微升，可以在2分钟以内将基准液体置换成待测液体，也就是说能在2分钟以内检测出被测液体的折射率。另外，从图3和图4也可以看出，溶剂为蒸馏水的不同浓度乙醇的折射率n₁′与其浓度具有一一对应的关系，但并非线形关系，实施例1中浓度从0％-50％时折射率变化值较大，而当其浓度从90％-100％时折射率变化值较小。因此，对溶剂为蒸馏水的乙醇溶液而言，最佳检测浓度范围在0％-50％，可以检测0.2％甚至更低的浓度变化。

Claims (1)

1.一种基于液体浓度检测装置的液体浓度检测方法，所述液体浓度检测装置的结构形式是：设置具有透光盖板(2)的密闭容器(3)，透光或半透光液体充满密闭容器(3)，在所述密闭容器(3)中固定设置反光板(4)；反光板(4)上的投射光束(10)来自于容器外部的投射光源(1)，反光板(4)上的反射光束(11)穿过容器内液体和透光盖板(2)，由设置在密闭容器(3)的外部、位于反射光束(11)的光路上的光学接收器(8)所接收，以所述光学接收器(8)检测的反射光束(11)投射在其上的光斑位置信号为检测信号；所述来自于投射光源(1)的投射光束(10)垂直于透光盖板(2)；所述反光板(4)与透光盖板(2)呈不为零的夹角；所述液体浓度检测方法的特征是按如下步骤进行：

a、在密闭容器(3)中注入已知折射率为n₁的基准液体，由光学接收器(8)检测并记录投照在其上的基准光斑位置信息；

b、置换密闭容器(3)中的基准液体为被测液体，相同条件之下，由光学接收器(8)检测并记录投照在其上的被测光斑位置信息；

c、比较基准光斑位置信息与被测光斑位置信息，获得由于基准液体与被测液体折射率的不同而带来的光斑位置的偏移量Δd，所述光斑位置的偏移量Δd与基准液体和被测液体的折射率差值Δn₁具有一一对应的线性关系，因而获到被测液体折射率n′₁=n₁+Δn₁；

d、根据折射率n′₁与液体浓度一一对应的关系，获得与测得的液体折射率n′₁相对应的液体浓度。 

Images