CN101821615A

CN101821615A - 一种测量密封液体容器内气体含量的方法和设备

Info

Publication number: CN101821615A
Application number: CN200780101101A
Authority: CN
Inventors: G·施特勒; E·施图德曼; E·米肖; O·弗拉泰尔纳莱
Original assignee: Hach Ultra Analytics SA
Current assignee: Hach Lange SARL
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2010-09-01
Also published as: US8408043B2; JP2011501148A; EP2198289A1; EP2198289B1; US20100236320A1; WO2009050530A1

Abstract

一种在装有溶有气体混合物的液体(5)的密封容器(1)内测量指定气体的含量的方法，其包括以下步骤：刺穿所述密封容器；释放所述刺穿的容器内的气体混合物；测量所述释放的气体混合物中所述指定气体的含量；基于所述测量，测定密封容器内所述指定气体的初始含量，其特征在于在所述气体混合物释放步骤中和/或之前，进一步包括向所述刺穿的容器内注入防沫剂(23)的步骤。所述指定气体特别为氧气，所述液体例如为碳酸饮料。

Description

一种测量密封液体容器内气体含量的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种在装有溶有气体混合物的液体的密封液体容器内测量气体含量(特别是氧气)的方法和设备。所述液体一般是碳酸饮料。

背景技术

在碳酸饮料中通常存在三种主要的气体：二氧化碳(CO₂)、氧气(O₂)和氮气(N₂)。二氧化碳是需要(desired)的气体，而氧气是不需要的。

直接测量一种气体在液相中的含量是可能的，但是存在诸多缺点。其一是在测量前必须摇动液体直到获得液相与气相的平衡态。另一个缺点是要完成测量，液体要被传送到各种传感器，这样会影响传感器的可靠程度。这也是为什么在美国专利5220513、5426593和5604297中提出了另一种在密封液体容器里测量一种指定气体(特别是氧气)的气体含量的方法，将密封液体容器刺穿，使用超声或其他脱气设备使刺穿的容器脱气(degass)以由液相释放出气体，释放的气体被传送至一测试腔室，在所述测试腔室内使用特殊的传感器测量释放的气体中所指定气体的含量。然而，这种方法的问题是脱气会导致在液气界面产生泡沫，特别对于像啤酒这样的碳酸饮料，泡沫会沾湿测试器的探针，并由此影响测量。在上面提到专利中针对这一问题提出了补救的办法，在液体容器和测试腔室之间使用一泡沫腔室来吸收泡沫。不过这种解决办法也有一些缺点。使用这样的泡沫腔室会增加由液体中提取出的气体混合物被氧气污染的风险。事实上，因为腔室比气体通路的导管大很多，腔室极可能发生容纳污染而不易清理。在气体通路被清洗后依然留在腔室里的氧气会影响测量。另一个缺点是使用泡沫腔室，从刺穿密封液体容器之后到测量开始之前的等待时间可能会很长，因为必须要等待泡沫腔室内的泡沫全部消失。

发明内容

本发明的目的在于解决上述缺点，并为此目的提供一种在装有溶有气体混合物的液体的密封容器内测量一种指定气体的含量的方法，包括以下步骤：

-刺穿所述密封容器，

-由所述刺穿的容器内释放气体混合物，

-测量所述释放的气体混合物中所述指定气体的含量，

-基于所述测量，测定在密封容器内所述指定气体的初始含量，

其特征在于在所述气体混合物释放的步骤中和/或之前，进一步包括向所述刺穿的容器内注入防沫剂的步骤。

在从属权利要求2-14中限定了本发明方法的具体实施方式。

本发明还提供了一种在装有溶有气体混合物的液体的密封容器内测量一种指定气体的含量的设备，包括：

-用于刺穿所述密封容器的装置，

-用于从所述刺穿的容器内释放气体混合物的装置，

-用于测量所述释放的气体混合物中所述指定气体的含量的装置，

-用于基于所述测量以测定在密封容器内所述指定气体的初始含量的装置，

其特征在于进一步包括用于向所述刺穿的容器内注入防沫剂的装置。

在从属权利要求16-21中限定了本发明设备的具体实施方式。

附图说明

参照附图阅读以下优选实施方式的详细描述，本发明的其他特征与优点将变得明显：

图1至4概略地示出在本发明方法的不同处理阶段中的本发明设备；

图5至6分别示出本发明设备中刺针的尖端的正面图以及沿图5中VI-VI线所作的剖视图。

具体实施方式

下面，所述术语“含量”可以被广义的理解为任何与含量相关的量级，比如质量、体积、气体分压。

参照图1，本发明用于测量密封液体容器(例如，典型地一瓶或一罐碳酸饮料，如啤酒)中氧气的含量的设备，包括一用于支撑液体容器1的支撑物2，一用于刺穿液体容器1的穿刺结构3以及一与所述穿刺结构3连接并包含有导管和用于测量所述容器1中氧气和其他气体含量的器件机构的气体通路4。

装在所述容器1中的液体用参考数字5表示。液体5上方有一仅被气体占据的空间6。这个空间通常称作所述容器的顶部空间(headspace)。所述容器1被瓶盖7密封。所述支撑物2包埋有振动类型已知(比如超声波)的设备(图中未示出)，用于摇动所述容器1内的液体5，由此从所述液体5中提取出气体。下面，振动设备也用参考数字2表示。

所述穿刺结构3包括在所述容器1的瓶盖7上方垂直延伸的针状物8，所述针状物被可移动地固定在套管构件9中。所述套管构件9具有上壁10，所述针状物8以密封的方式穿过所述上壁10上的孔；所述套管构件9还具有由所述上壁10向下延伸出的圆筒壁11，所述圆筒壁11套住所述针状物8。所述套管构件9的底端，与所述上壁10相对，打开以使所述针状物8的尖端12得以自由。所述图1中的针状物8处在它的缩回位置。从该缩回位置，所述针状物8可以纵向向下移动到刺穿所述容器盖7。所述针状物8和套管构件9也可以一起上下移动，在下文中将对此予以说明。所述套管构件9开启的底端安装有一个圆筒形的橡胶垫圈13。在所述套管构件9和垫圈13的内壁与所述针状物8之间存在一薄的环形空间14，以限定气体通道。这个环形空间14在一端通向所述套管构件9开启的底端，在另一端通向在所述圆筒壁11内提供的一个穿孔15。

所述针状物8是中空的并且在其内部空间容纳有一管16，所述管16沿所述针状物8方向纵向延伸，并有电线(图中未示出)从所述管16中穿过。所述电线的一端连接到一温度传感器17，所述温度传感器17位于所述针状物8的尖端12，所述电线的另一端连接到一控制单元19，通常为一处理器，可以从所述温度传感器17接收温度指示信号。在所述管16和所述针状物8的内壁之间存在一圆筒形的环形空间20。这个环形空间20在一端通向位于所述针状物8上端的针状物8的壁上的第一穿孔21，在另一端通向位于所述针状物8底端的针状物8的壁上的第二穿孔22，从而构成一注入防沫剂23的通道。所述第一穿孔21通过一导管24连接到泵25，所述泵25连接到一装有所述防沫剂23的贮存器25a。

连接到所述穿刺结构3的所述气体通路4包括一通过气体导管27连接到所述套管构件9上圆筒壁11的穿孔15的第一阀门26、一接入清洗气体(比如CO₂)的第二阀门28、入口28a、一连接到一气体参考容器30的第三阀门29、一压力传感器31、一第四阀门32，以及处于所述第四阀门32后段的一O₂传感器33、一CO₂传感器34以及一流量计35。所述气体通路4的各器件通过导管36互连。所述压力传感器31测量所述气体通路4内的总气压。所述O₂传感器33、CO₂传感器34和流量计35置于大气压下。所述O₂传感器33测量O₂的气体分压。所述CO₂传感器34测量CO₂的纯度，精确地讲是通过所述阀门32传来的由所述容器1中释放出的气体混合物中CO₂的百分比含量。优选地，所述阀门32由所述流量计35通过已知的方法调节使得气体流速保持恒定。

所述振动装置2、所述泵25、所述穿刺结构3的运动以及阀门26、28、29和32都由所述控制单元19根据下面描述的一自动执行顺序进行控制。所述传感器31、33、34和流量计35均连接到所述控制单元19，并向后者提供测量信号，使所述控制单元19完成各种下面描述的计算。

下面对本发明的设备的操作进行描述。

在第一步中(参见图1)，所述阀门26、28和29打开(阀门32保持关闭)，清洗气流由入口28a通入所述气体通路4的导管36进行清洗，并且进入所述针状结构3的气体通道14进行清洗。在本步骤的最后，容器30被所述清洗气体充满，将所述传感器31测量到的压力值存储后，所述阀门29关闭将清洗气体封在容器30中。所述存储的压力值是被封住的清洗气体的气压值。所述存储的压力值将在所述顺序的最后用于调整所述流量计35。

在第二步中(参见图2)，当由入口28a流入的清洗气流清洗了所述气体通道14，所述针状物8和套管构件9一起向下移动，直到所述橡胶垫圈13以密封的方式接触到所述容器瓶盖7。此时当所述垫圈13与所述瓶盖达成密封接触后，所述压力传感器31所测量到的气压值迅速发生改变。一旦这种快速的变化被探知，所述阀门28将关闭。

在第三步中(参见图3)，所述针状物8相对于所述套管构件9和所述液体容器1向下移动，以刺穿所述瓶盖7，所述针状物8的尖端12进入所述顶部空间6。所述针状物8的尖端12的横断面不是一个规则的圆形，具有很多径向突起(图1-4中未示出)，所述针状物8的其余部分并没有所述突起，用于在刺入所述瓶盖7的穿孔的周围形成通道，从而允许所述容器1的内部与所述穿刺结构3的气体通道14连通，由此所述容器1的内部与所述气体通路4连通，尽管针状物8穿过所述穿孔。图5和6中显示了具有所述径向突起40的尖端形状。在第三步中，所述气体通道14和气体通路4内的清洗气体的气压大于所述容器1内的气压，因此可以阻止所述容器1内的气体泄漏。

在第四步中，所述针状物8位于图3中所示的位置，一滴或若干滴所述防沫剂23被所述泵25通过所述中空的针状物8注入所述顶部空间6。各种商业上可用的防沫液都可以被用在本发明中。然而，优选的防沫剂包括氧化硅粉末(silica powder)在硅油(silicone oil)/水乳液(water emulsion)中的悬浮液。一滴或若干滴防沫剂放置在所述容器1的气液界面，以破坏在将所述容器1放置在所述支撑物2上之前有意或无意地摇动所述容器1时任何已形成的泡沫以及下面描述的在当前处理的后续步骤中形成的任何泡沫，以使所述泡沫不会接触到测试器31、33和34，因此不会影响所述测量。通过使用这种防沫剂以避免对泡沫吸收腔室的使用需求是很可取的。

第五步包括测量所述顶部空间6中的氧气含量。为了这一目的，经过一段指定的时间周期，其时长足够使所述容器1内的任何泡沫消失，所述阀门32打开对顶部空间6进行脱气，即所述顶部空间6中的气体混合物经过所述气体通道14和所述气体通路4流向所述O₂传感器33。所述传感器33测量到的O₂气体分压持续增长直到达到最大限值。当认为到达所述最大限值时，所述阀门32立即关闭。基于测量的O₂气体分压的最大限值，已知顶部空间6的容积和理想气体定律，获知顶部空间6中初始的O₂体积，也就是在刺穿所述瓶盖7之前顶部空间6中氧气(O₂)体积。在第五步中，计算所述流量计35测量到的气体流速和由所述传感器33测量的O₂气体分压的乘积，再对时间进行积分。此计算的目的在下面第七步中有解释。此外，还通过使用所述CO₂传感器34测量到的值和所述气体流速的值，计算第五步中从所述阀门32漏出的CO₂的含量。

在第六步中，测量所述容器1中CO₂的初始含量。为了这一目的，当气流保持停止时(阀门32关闭)，启动所述振动装置2。所述振动装置2的启动引起所述容器1中形成泡沫，但是在所述泡沫形成的同时即被所述防沫剂23消除。在容器1内达到平衡压力和平衡温度，相当于液相和气相间的平衡状态。这些平衡压力和平衡温度分别被所述压力传感器31和所述温度传感器17测量。在第六步中，所述针状物8位置的设置是为了它的尖端12和温度传感器17可浸入在液体5中，如图4所示。使用本领域技术人员所熟知的公式，及测量出的平衡压力和平衡温度，测定溶液5中CO₂的质量以及处于平衡态时顶部空间6中CO₂的质量。所述已知的公式涉及本发明中所述压力传感器31测量出的总压力值。为了更加精确，本发明用总平衡压力以及再次开启阀门32后所述CO₂传感器34测量到的CO₂的百分含量的乘积，替换所述已知公式中的总平衡压力值，这部分在下面第七步中有详细叙述。所述容器1中CO₂的初始总质量等于所述液体5中平衡态下CO₂的质量、所述顶部空间6中平衡态下CO₂的质量与在第五步中漏出的CO₂质量的加和。通过使用在脱气操作启动时(即第五步中阀门32打开)分别由所述传感器31和17即时测量到的压力和温度、测量到的CO₂百分含量以及所述顶部空间的容积，计算所述顶部空间6中CO₂的初始质量。由所述容器1中CO₂的初始总质量中减去所述顶部空间6中CO₂的初始质量，推定所述液体5中CO₂的初始质量。本发明的一个优点即为用于测定所述容器1中CO₂含量的液相和气相的平衡操作，在所述容器1中压力相对较低时即开始进行(在第五步中，事实上，当气体流出所述容器1时所述压力降低)。这个压力和所述平衡态压力间的差距因此是很大的。在平衡态获取结果更加快速，获取所述平衡压力和平衡温度的值更加精确。

第七步包括测量所述容器1中氧气的初始总含量。当所述振动装置2被激活对所述顶部空间6和所述液体5进行脱气时所述阀门32再次开启。溶解在所述液体5中的气体从所述液体中逸出，并混合在所述顶部空间6内的气体中流向所述O₂传感器33。通过计算所述流量计35测量的所述气体流速和所述传感器33测量的O₂气体分压的乘积再对时间进行积分，再加上在第五步中得到的结果，测定所述容器1中的氧气的初始总体积。本发明中计算所述气体流速和所述O₂气体分压的乘积，再对时间进行积分，可以获得所述容器1中O₂的初始总含量的精确值。

使用在第五步和第七步中由所述CO₂纯度传感器34提供的值，可以计算所述容器1中氮气的初始含量以及所述容器1中空气(氧气+氮气)的初始含量。

如前面所解释，本发明的一个优点即为所述O₂和CO₂的测量不会被到达所述传感器33和34的泡沫所干扰。通常，先于开始对所述容器1进行脱气即向所述容器1注入所述防沫剂23就足以确保了。然而，本发明不排除在脱气过程中再注入所述防沫剂23以及仅在脱气过程中注入所述防沫剂23。为避免泡沫泄漏出所述容器1，要满足的一个条件是气流速率不能太高。气流速率过高，事实上，所述防沫剂23可能没有充足的时间去消除形成的泡沫。

有益地，本发明提供了一安全装置用来检测任何不可预知的泡沫溢出。这个安全装置包括第一和第二电气触点45、46，例如位于所述气体导管27、所述阀门26的上游以及所述穿刺结构3的气体通道14，相应地如图4中所示。这些电气触点45、46被连接到包括一电导仪的电气线路(图中未示出)。所述电导仪测量所述第一和第二触点45、46间的导电率与电阻值。因为泡沫的导电率较高，如果泡沫接触所述第一触点45，所述触点45和46之间的导电率会迅速增大。检测到导电率增大后，所述阀门32闭合且所述清洗入口阀门28打开，泡沫被推回所述容器1，从而保证气体流量通道干燥并且洁净。

有时，需要校准所述流量计35。所述校准可以通过打开所述阀门29和32使装在参考容器30中处于已知压力下的气体漏出来实现。对于所述传感器31在给定时间间隔内测得的压力下降值(与已知的在容器30内的气体初始压力有关)的测量。将计算的流速与所述流量计35测量的流速进行比较，如果需要，对所述流量计35使用修正因子。

以上仅通过实例的方式对本发明进行了描述。在不偏离所附的权利要求的范围的前提下显然可作出修改。尤其，测量步骤的执行顺序可以变化。例如，O₂含量的测量，更加精确地在顶部空间6的O₂含量的测量以及在密封容器1内O₂总含量的测量，都可以在测量完CO₂含量后，在一步操作中执行。本发明其他的修改包括增加传感器，比如用于检测酒精含量的传感器和/或用于检测其他溶解在所述液体5中的易挥发化合物的红外光谱传感器。

Claims

1.一种在装有溶有气体混合物的液体(5)的密封容器(1)内测量指定气体的含量的方法，其包括以下步骤：

-刺穿所述密封容器，

-从所述刺穿的容器释放气体混合物，

-测量所释放的气体混合物中所述指定气体的含量，

-基于所述测量，测定密封容器内所述指定气体的初始含量，

其特征在于在所述气体混合物释放步骤中和/或之前，进一步包括向所述刺穿的容器内注入防沫剂(23)的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述注入步骤包括：经由刺入所述密封容器(1)的刺穿部件(8)内提供的通道(20)，将所述防沫剂(23)传送给接近所述刺穿部件(8)的尖端12的所述刺穿部件(8)的开口(22)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述防沫剂(23)包括氧化硅粉末在硅油/水乳液中的悬浮液。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所述测定步骤包括将所述释放的气体混合物的流速的测量值和释放的气体混合物中指定气体的分压的测量值的乘积对时间进行积分。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于所述气体混合物释放步骤的第一步包括由所述刺穿的容器的顶部空间(6)释放气体混合物；所述测量步骤的第一步包括测量由所述顶部空间(6)释放的气体混合物中所述指定气体的含量；并且所述测定步骤的第一步包括基于所述测量，测定所述顶部空间(6)中所述指定气体的初始含量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述气体混合物释放步骤的第二步包括，在所述第一步后，释放溶解于所述液体(5)中的气体混合物；所述测量步骤的第二步包括测量所述气体混合物释放步骤中的第一和第二步内释放的气体混合物中指定气体的含量；并且所述测定步骤的第二步包括基于所述测量，测定所述密封容器(1)中所述指定气体的初始总含量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述测定步骤的第二步包括将所述释放的气体混合物的流速的测量值和释放的气体混合物中指定气体的分压的测量值的乘积对时间进行积分。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于在所述气体混合物释放步骤的第二步中，为从液体(5)中释放气体混合物，使所述液体(5)经受振动(2)。

9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于在所述气体混合物释放步骤的第一步和第二步之间，所述气体混合物的释放在一指定时间间隔内中断，所述方法进一步包括在所述时间间隔内在所述容器(1)内的液相和气相之间获得平衡态并通过测量所述容器(1)内的平衡温度和平衡总压力测定所述容器(1)内另一气体的含量的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述测定另一气体的含量的步骤包括：执行计算操作，所述计算操作涉及所测量到的平衡温度、所测量到的平衡总压力和在所述释放的气体混合物中测量到的所述另一气体的百分含量。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于所述另一气体为二氧化碳。

12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于进一步包括当泡沫到达与所述刺穿的容器(1)连接的气体释放通路(4)上指定点(45)时进行检测的步骤，以及当所述检测发生时阻止所述气体混合物释放的步骤。

13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于所述指定气体为氧气。

14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于所述液体(5)为碳酸饮料。

15.一种在装有溶有气体混合物的液体(5)的密封容器(1)内测量指定气体的含量的设备，其包括：

-用于刺穿所述密封容器(1)的装置(3，8)，

-用于从所述刺穿的容器内释放气体混合物的装置(2，14，15，26，27，32，35，36)，

-用于测量所述释放的气体混合物中所述指定气体的含量的装置(33)，

-用于基于所述测量测定在密封容器内所述指定气体的初始含量的装置(19)，

其特征在于进一步包括向所述刺穿的容器内注入防沫剂(23)的装置(25，20)。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于所述注入装置包括：

-所述刺穿装置(8)中的第一开口(21)，

-所述刺穿装置(8)中的第二开口(22)，所述第二开口(22)比所述第一开口(21)更靠近所述刺穿装置(8)的刺穿尖端(12)，

-位于所述刺穿装置(8)内用于连接所述第一和第二开口(21，22)的通道，以及

-连接所述第一开口(21)以提供所述防沫剂的泵(23)。

17.如权利要求15或16所述的设备，其特征在于所述测定装置(19)为控制所述气体混合物释放装置(2，14，15，26，27，32，35，36)的控制单元的形式。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于所述控制单元(19)经配置以实施如权利要求4至10中任一项所限定的方法。

19.如权利要求17或18所述的设备，其特征在于进一步包括当泡沫到达所述气体混合物释放装置(14、15、26、27、32、35、36)上指定点时用于检测的装置(45、46)；当发生所述检测时，所述控制单元(19)经配置以停止所述气体混合物释放。

20.如权利要求15到19任一项所述的设备，其特征在于所述刺穿装置(8)包括穿刺尖端(12)，具有至少一个径向突起(40)，用于在刺入所述密封容器(1)的穿孔的周围形成至少一个气体通道，从而允许所述气体混合物由所述刺穿的容器内漏出，尽管刺穿装置(8)穿过所述穿孔。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于在所述穿刺尖端(12)内带有温度传感器(17)。