CN104655572B - 溶液显色反应定量分析检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶液显色反应定量分析方法及其检测装置。该方法采用显色物质与显色剂发生反应的溶液透光特性，应用以色空间概念设计的计算模块，把透射光呈现的红、绿和蓝三基色转换为以明度、绿‑红色、蓝‑黄色品值表示的测量点，计算溶液的色调和靶色差，以多项式拟合色调、靶色差与显色物质浓度的标准曲线，由内插法计算实际样品的浓度。根据这一原理，设计的检测装置由用通信数据线(16)连接的上位机和下位机组成，包括下位机电路(5)、样品池(2)、LED光源(14)、上位机电路(18)、颜色采集系统、数据获取与处理系统、操作系统、工作程序。本发明结构简单，操作方便快捷，结果准确，可广泛用于溶液显色反应的定量检测。

Description

溶液显色反应定量分析检测装置

技术领域

本发明涉及一种溶液显色反应定量分析检测装置，具体是一种通过显色反应和电子颜色分析技术进行溶液物质浓度定量分析的方法，并且用该方法设计了的一种定量分析检测装置，属于分析检测技术领域。

背景技术

颜色分析法应用于化学物质分析历史悠久，通过检测被测物质对光的反射或透射信号来分析被测物质的光学特征或溶液中的物质含量(浓度)。常见测量装置包括色差计和分光光度计。

色差计是一种颜色偏差测试仪器，即制作一块模拟与人眼感色灵敏度相当的分光特性的滤光片，用它对样板进行测光，通过电脑软件自动比较样板与被测物之间的颜色差异分析色差值，提供配色方案。色差计主要通过对平面、颗粒、粉末、糊状、溶液等样品呈现的颜色进行精确测量，应用于相关行业，但色差计不适用于液体物质浓度的测量。

分光光度计是依据溶液中被测物质因加入选定显色剂发生显色反应，因此产生透射光谱的现象特征，调节分光棱镜，测定在其特征吸收峰值下的透光率，和预先制定的标准曲线比较，获得溶液被测物质的浓度数据。

分光光度计在水和废水监测分析工作中应用十分广泛。美国水和废水标准检验方法中分光光度法占37.4％，我国水和废水监测分析方法中分光光度法占35％；在饮用水和食品分析方法中，近50％的检验是由分光光度法完成。几乎所有的无机离子和有机化合物都可以直接或间接地用此法进行测定。但是，分光光度计的关键部件之一是“单色器”，含滤光片、棱镜和光栅。滤光片需人工选用，棱镜转动和光栅移动都需要马达带动。而且显色剂本身往往具有较深颜色，测量时会干扰测量波长下的产物的光吸收，必须借助于双波长法、或导数法等进行背景干扰校正。因此仪器结构复杂，制造精密，使用和维护条件苛刻，操作费时费力。

众所周知，近年内国内各类突发性、灾难性事故频繁发生，包括地质灾害、环境污染、食物中毒、疾病爆发等等，严重影响了人们正常的生活和身体健康。而我国现有的检测机构和专业人员、检测手段和检测方法尚不能在事故中及时、准确和完整地获取所需要的数据，从而耽误对灾难的有效处理。再者，在偏僻的山区、农村、高原、海岛等，由于分析检测条件的限制，也无法及时、准确获取所需要的检测数据。虽然，目前市场上出现了多款便携式分光光度计，包括PF-12(德国)、PHOTOFLEX(美国)、UKBS-AquaGem(英国)、CMC1(美国)等，但都是采用传统的测量原理和结构，如微处理控制的单光束滤光片，操作较为烦琐，必须由专业技术人员使用，设备价格昂贵，维护条件苛刻。

发明内容

本发明的目的是公开一种溶液显色反应定量分析方法，本发明的另外一个目的是用该方法设计一种定量分析检测装置。

为了达到上述目的，本发明根据国际照明协会提出的色空间概念，事先将已经确定的不同浓度的被测溶液，利用颜色传感器技术，检测显色剂和被测溶液发生显色反应后剩余显色剂和产物混合液的颜色特征，通过设定模块计算，获得和储存颜色特征和被测物质浓度之间的关系，作为标准曲线。在进行实际测量时，同样应用颜色传感器技术，检测实际样品溶液显色反应后的相关颜色特征，通过已经设计和安装的软件模块，根据标准曲线，获得和显示被测物质的浓度。按照上述方法设计的检测装置，不需要分光棱镜技术，因此结构简单，自动检测，操作方便快捷。实际应用表明，该装置检测结果准确可靠。

溶液显色反应定量分析方法的具体工艺步骤如下：

第一步，先将同样份量显色剂加入5～10个已经设定的不同浓度的被测溶液中，配制成5-10个相应浓度的标准溶液，包括1个空白试验溶液，即因显色剂未参与反应而使被测溶液全部是显色剂的零浓度溶液；以及1个最高浓度的标准溶液，即因为显色剂与被测溶液完全反应而没有剩余显色剂的溶液，最高浓度标准溶液与零浓度标准溶液的浓度比是10～50：1，然后逐一测量各个标准溶液透射光的红、绿和蓝三基色；

第二步，应用以色空间概念设计的计算模块，把红、绿和蓝三基色转换为透射光在色空间内以明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位值表示的测量点；

第三步，将与第一步同样份量显色剂加入未知浓度待测溶液中，接着测量待测溶液透射光的红、绿和蓝三基色；根据色空间概念设计的计算模块，把红、绿和蓝三基色转换为透射光在色空间内以明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位值表示的测量点；

第四步，将5～10个标准溶液和未知浓度待测溶液在色空间内对应测量点的绿-红色品位和蓝-黄色品位值，通过色调公式计算各个溶液在色空间内所对应的色调角度，其中，最高浓度标准溶液在色空间内所对应的色调称为目标物质色调；将5～10个标准溶液所得数据通过分段多项式拟合形成由色调角度与溶液浓度对应的标准曲线；通过色调公式计算未知浓度待测溶液所得色调角度数据，通过上述多项式内插计算得到待测溶液浓度，该方法称色调法，适用于溶液pH检测；或将5～10个标准溶液和未知浓度待测溶液在色空间内对应测量点的明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位值，通过靶色差的计算公式计算各个溶液在色空间内所对应的靶色差，将5～10个标准溶液所得数据通过二次多项式拟合形成由靶色差与溶液浓度对应的标准曲线，未知浓度待测溶液所得靶色差数据，通过内插法计算得到待测溶液浓度；

上述的靶色差包括两种方法，一种方法的靶色差是指空白试验溶液和待测溶液在色空间内对应的两个测量点(A，D)投影到最高浓度标准溶液在色空间L_e明度平面内所对应的色调射线上的色差值OC，其计算公式是：此称靶色差C法，由于减小了明度变化的影响，更适合于增色反应体系的检测；

另一种方法的靶色差是指空白试验溶液和待测溶液在色空间内对应测量点(A、D)投影到最高浓度标准溶液在色空间内所对应的测量射线上的色差值FG，其计算公式是：此称靶色差D法，由于增加了明度变化的影响，更适合于退色和浊度反应体系的检测；

上述各符号意义是：

α指最高浓度标准溶液在色空间内所对应测量点(E)的色调射线与其端点(O)到空白试验溶液在色空间内所对应测量点(A)形成的射线之间的夹角；

β指最高浓度标准溶液在色空间内所对应测量点(E)的色调射线与其端点(O)到待测溶液在色空间内所对应测量点(D)形成的射线之间的夹角；

γ指空白试验溶液在色空间内所对应测量点(A)的色调射线与其端点(F)到最高浓度标准溶液所对应测量点(E)形成的射线之间的夹角；

δ指空白试验溶液在色空间内所对应测量点(A)的色调射线与其端点(F)到待测溶液在色空间内的所对应测量点(D)形成的射线之间的夹角；

分别通过如下公式计算： α、β、γ、δ值范围均为0～π，其中：L₀、a₀、b₀分别是空白试验溶液在色空间内对应的明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位测量值，L_e、a_e、b_e分别是最高浓度标准溶液在色空间内对应的明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位测量值，L、a、b分别是待测溶液在色空间内对应的明度、绿-红色品位、蓝-黄色品位测量值，其中：L₀、L_e、L取值范围50～100，c_t、d_t取值范围0～60。

一种溶液显色反应定量分析装置，包括上位机、下位机、电源，下位机包括置于下位机壳体内的下位机电路板以及带盖板的样品槽，样品槽内设有样品池，样品槽一侧设有透光板和LED光源，样品槽另一侧设有颜色传感器，LED光源通过连接线和下位机电路板上的LED接口连接；颜色传感器安装在与下位机壳体固结的传感器支架上，通过传感器数据线将颜色传感器和下位机电路上的传感器接口连接。

上述用于颜色信息获取与传输的下位机电路板是由稳压电路、传感器接口电路、TTL电平-RS232转换电路、单片机、光源控制电路组成，光源控制电路包括DD311芯片、光源调节电位器及其附带电路，LED光源接口，实现光源的恒流控制；单片机通过其附带电路与传感器接口连接，负责读取颜色传感器的红、绿和蓝三基色信号，将颜色信号进行处理，提取红、绿和蓝三基色数据，并对颜色数据分组打包并添加校验，并负责下位机的整体控制，同时还通过TTL和RS232转换电路实现TTL电平到RS232电平的转化，将颜色数据通过通信数据线发送到上位机，以及接收上位机下发的握手指令。通过下位机程序下载接口将下位机程序装入下位机的单片机中，完成读取，处理，提取三基色数据，并将校验后的三基色数据上传给上位机。

上位机包括置于上位机外壳中的上位机电路、触摸液晶屏、上位机程序下载接口、电源开关、充电插口、锂电池组和上位机通信接口，将它们分别安装到上位机外壳相应位置，用供电线连接好，并用通信数据线将下位机通信接口和上位机通信接口连接，通过上位机程序下载接口分别将上位机程序中的待测物信息模块、计算方法选择模块、测量模块、标准系列模块、检测项目管理模块装入上位机电路的CPU中，即可使用。

上位机电路由市售的嵌入式系统板和外围接口组成，市售的嵌入式系统板运行WINCE操作系统，由CPU、RAM、ROM、串口控制器和电源电路组成。

触摸液晶屏为5～10寸TFT LCD液晶显示屏，分辨率640×480以上，亮度250～400cd/m²，对比度300～400:1，输入电压12～24V，功率5～10w。

LED光源的输入电压3～5V，功率0.2～0.5w。

样品池的光程5～30mm。

锂电池组的输入电压110V或220V，输出电压12～24V，容量4400～12000mAh。

本发明的优点和效果如下：

1，本发明的显色反应测量采用颜色传感器技术，得到显色剂和被测物质发生显色反应后剩余显色剂和产物混合液的颜色三基色数据，通过设定模块计算显色反应溶液的色调或靶色差，获得并储存它们和被测物质浓度之间的关系，作为标准曲线数据，再进行实际样品的检测，采用内插法计算并显示被测物质的浓度，因此，不需要分光棱镜技术，自动检测，方便快捷，结果准确。

2，本发明的方法所提出的靶色差和色调法具有背景干扰消除功能，而且可降低实际操作过程中因为显色剂加量不均、光源亮度漂移、样品微浊、光散射等引起的偶然误差，本发明的方法得到的检测结果与传统方法检测得到的结果相比误差小，仅为8％以下。

4，本发明的装置因为无反射、滤光、波长调节、信号放大等部件，因此避免了因部件松动、旋钮频繁操作所引起的系统误差等，具有结构简单，组件稳固的优点。

5，本发明的装置还具有自带电源，小巧轻便，采用触摸屏，界面清晰，结果直观，使用简单，非专业人员可自行操作，尤其适合于室外使用等优点。

6，本发明的装置测量精度高，应用范围广，可任意增加或删减检测项目，自建检测方法，具有目前市售现场检测仪器所不具备的交互功能。

7，本发明便于与GPS/卫星定位系统、数据无线传输系统等联用，以开发现场检测数据实时网络传输功能。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图

图2为本发明装置中的下位机结构示意图

图3为本发明的下位机工作程序流程图

图4为本发明的上位机工作程序流程图

图5为本发明采用的色空间示意图

其中

1—下位机壳体、2—样品池、3—盖板、4—下位机通信接口、5—下位机电路板、6—传感器接口、7—下位机程序下载接口、8—传感器数据线、9—LED光源接口、10—LED光源电源线、11—颜色传感器、12—传感器支架、13—样品槽、14—LED光源、15—透光板、16—通信数据线、17—上位机外壳、18—上位机电路、19—触摸液晶屏、20—上位机程序下载接口、21—电源开关、22—充电插口、23—锂电池组、24—上位机通信接口、25—稳压电路、26—传感器接口电路、27—TTL电平和RS232转换电路、28—单片机、29—光源控制电路、30—DD311芯片、31—光源调节器。

具体实施方式

实施例1

请看图5色空间示意图，本发明利用颜色传感器技术，检测显色剂和被测溶液发生显色反应后剩余显色剂和产物混合液的三基色，根据国际照明协会提出的色空间概念(CIETechnical Report:COLORIMETRY,CIE 15,3^rd Ed.,2004,17-19,ISBN 3901906339)转换为明度、色度和色调值。众所周知，借助显色反应“R(显色剂)+X(待测物)→XR(产物)”实现对待测物X浓度检测时，R必须过量加入以保证X完全反应生成XR，而高灵敏显色剂常常本身具有较深的颜色，因此，产物溶液展现的是剩余显色剂R'和产物XR的混合颜色。图5中A、E、D分别代表上述显色反应体系中全部是显色剂R、全部是产物XR和部分剩余显色剂部分产物混合R'-XR三个溶液的测量点。图5中色空间尺度为明度L(0～100)、绿-红色品位a(-128～+128)、蓝-黄色品位b(128～+128)。在三个明度平面上，上述三个测量点坐标分别为：A(L₀,a₀,b₀)、E(L_e,a_e,b_e)和D(L,a,b)。色空间也可以用柱坐标表示，即明度L，色度ρ和色调θ。则A、E、D对应的色度分别为ρ₀＝FA、ρ_e＝OE、ρ＝MD，对应的色调分别为θ₀、θ_e、θ。图5中又可见，当显色反应中的物质浓度从零开始增加时，检测点D从A点开始，沿A-D-E曲线向下移动，直至和显色剂完全反应的E点(Allan Hanbury and Jean Serra,"A 3D-polar CoordinateColour Representation Suitable for Image Analysis".Pattern Recognition andImage Processing，Group Technical Report 77,Vienna,Austria:Vienna UniversityofTechnology，2002；Joblove,George H.and Greenberg,Donald.Color spaces forcomputer graphics.Computer Graphics,1978,12(3):20–25)。这条A-D-E曲线展示了被测溶液物质浓度和显色反应溶液颜色特性的对应关系，包括色度ρ和色调θ的对应关系。正是本发明提出要应用的“标准曲线”。

应用颜色传感器可以测得显色溶液的三基色RGB。通过以下步骤和计算公式，可以把RGB转换为L,a,b和L,ρ,θ值(Jain Anil K.,Fundamentals ofDigital ImageProcessing.Prentince-Hall Inc.,New Jersey,1989,68,71,73；CIE Technical Report:COLORIMETRY,CIE 15,3rd Ed.,2004)：

先转换三基色刺激值(X、Y、Z)：

进而按下式分别计算显色溶液的L、a、b值(当时)：

色调由式(1)计算：

由图5，DC//OA，BD//OE，由□OCDB，即是由D点所包含产物XR(目标物)在L_e明度水平面内对应的色差与所包含R'对应的色差复合而成。此外，DK//FE，DG//FA，□FGDK，即是由D点所包含R'在L₀明度水平面内对应的色差与所包含产物XR(目标物)对应的色差复合而成，即OC和FG是D点分别投影在和射线上的目标物XR的色差，本发明称OC和FG为“靶色差”，OC由式(2)计算：

α、β值通过△OAE、△ODE由余弦定理计算：

上述(2)式减小了明度变化的影响，更适合于增色反应体系的检测。FG则由式(3)计算：

γ、δ值通过△FAE、△FAD由余弦定理计算：

上述(3)式增加了明度变化的影响，更适合于退色和浊度反应体系的检测。

由公式(1)、(2)、(3)可以分别计算显色溶液的色调θ、靶色差c_t和d_t，分别称为色调法(实例4)、靶色差C法(实例5)、靶色差D法(实例6)。

实施例2

请看图1。

本发明的装置包括上位机和下位机，由下位机壳体1、样品池2、盖板3、下位机通信接口4、下位机电路板5、传感器接口6、下位机程序下载接口7、传感器数据线8、LED光源接口9、LED光源电源线10、颜色传感器11、传感器支架12、样品槽13、LED光源14、透光板15、通信数据线16、上位机外壳17、上位机电路18、触摸液晶屏19、上位机程序下载接口20、电源开关21、充电插口22、锂电池组23、上位机通信接口24、稳压电路25、传感器接口电路26、TTL电平和RS232转换电路27、单片机28、光源控制电路29、DD311芯片30、光源调节器31组成。

样品池2是由无锡市晶禾光学仪器有限公司生产，光程30mm。颜色传感器11的型号是TCS230，美国TAOS公司生产。上位机电路是嵌入式系统，型号Sam-Wince070H-L，输入电压12V，功率8w，广州三青创工自动化科技有限公司生产，该系统由电路板18、触摸液晶屏19组成，嵌入式系统板运行WIN CE6.0操作系统，其中触摸液晶屏19为7寸TFT液晶显示屏，分辨率800×480，亮度250cd/m²,对比度300:1。锂电池组23的输入电压220V，输出电压10.8～14.4V，储存容量4400mAh，由深圳国特科技有限公司生产。将电源开关21、充电插口22、下位机通信接口4、上位机通信接口23等分别安装到上位机外壳17相应位置，将LED光源电源线10和传感器数据线8以及通信数据线16内外全部连接好，即可使用。

下位机电路5结构示意图请看图2。

下位机电路5自行设计、安装。由稳压电路25、传感器接口电路26、TTL电平和RS232转换电路27、单片机28、光源控制电路29和颜色传感器11的附带电路组成，其中，稳压电路25由市售的稳压芯片和附属电路组成，输入电压9～15v，稳压输出5V，滤波后为整个下位机电路供电。传感器接口电路26由市售的普通阻容元件组成，TTL电平和RS232转换电路27由Maxim公司生产的MAX232和附带电路组成，单片机28型号STC12C5A60S2，由深圳市宏晶科技公司生产，光源控制电路29为LED光源提供5～20mA恒定电流，是由台湾点晶科技股份有限公司生产的LED DD311芯片30、光源调节器31及其附带电路组成，TTL电平和RS232转换电路27连接单片机28和下位机通信接口4，单片机28还与传感器接口6和下位机程序下载接口7连接，光源控制电路25连接LED光源接口9。

上述其他的电源开关21、充电插口22、数据线接口、数据线、电源线等均为普通市售品。

实施例3

按照实施例2所设计安装的检测装置的操作方法

首先，通过下位机程序下载接口7将下位机工作程序下载到实施例2所设计安装的装置中的下位机电路5的单片机28，通过上位机程序下载接口20将上位机工作程序下载到上位机18的存储器中。取约3ml被测溶液(加了显色剂的有色溶液)于样品池2，将样品池2置于样品槽10中，打开电源开关15，触摸液晶屏19和LED光源14自动开启，在触摸触摸屏19上选择测量项目(溶液中的被测物质)，LED光源14发出的白色光照射到样品池2溶液，透过光被颜色传感器11接收，经颜色传感器11内部V/F电路转换为三基色对应的频率信号，送给单片机28的计数引脚，下位机电路5的工作程序读取三基色的计数值，转换为三基色RGB值，并和白平衡数据比较，得到颜色真实值，并对颜色数据打包形成数据帧，同时还完成下位机状态、电源电压、白平衡等功能读取。通过上位机通信接口24和通信数据线16，上位机电路18读取下位机电路5发送的串行数据信号，校验后取出颜色数据、状态信号以及白平衡系数，然后对取出的颜色数据进行加工处理，并按照选定的测量项目确定计算方法(色调法、靶色差C法、靶色差D法)，计算溶液的色调或靶色差值，代入标准曲线计算被测物质浓度。

除了读取下位机的颜色数据计算物质的浓度外，上位机电路18的功能还包括测量项目管理(建立和修改)、白平衡系数处理、拟合方法和浓度计算方法、标准曲线建立、空白测量和保存、样品测量和系统帮助等。

下位机工作程序流程请看图3。

开始：接通电源，系统首先进行初始化，设置颜色传感器11工作方式，设置通信协议，开启定时器和计数器。然后检查光源电路、电源供电和传感器工作是否正常，如果不正常，就报出错代码，结束。如果工作正常，就转到等待上位机握手信号。

握手正确就等待上位机指令，收到上位机要求数据采集指令后，下位机就读取颜色数据，提取三基色的数值，并对三基色数据进行打包并增加效验后发送数据到上位机。

上位机工作程序流程请看图4。

开始：接通电源，系统进行初始化，设置通信协议。向下位机发送握手信号，如果下位机反馈的握手信号正常，进入置数据采集模式；没有反馈信号或者反馈信号不正确就进入数据浏览模式，在数据浏览模式下，不能采集颜色数据，但可以对测量项目添加或修改，可以浏览已有项目的标准曲线。

上位机软件主要功能有：测量项目添加或修改；白平衡；系统帮助；测量项目选择；标准曲线建立和更新；空白测量；样品测量。

测量项目添加或修改，测量项目清单里没有的可以新加测量项目，包括输入项目名称、计量单位、检测标准号、测量方法文字信息、最低检测限，并选择计算方法(色调法、靶色差C法和靶色差D法)，确认后保存；如果测量项目清单里原有的上述信息需要改变，可进行修改，确认修改后保存。

白平衡功能实现白平衡因子的获取并保存，当颜色传感器更换，或者仪器使用一端时间后都要进行白平衡校正。

系统帮助，显示仪器使用操作方法的详细信息，帮助用户快速熟悉仪器操作。

测量项目选择，仪器使用时首先选择所要进行的测量项目，如果标准溶液数据完整，显示标准曲线，如果标准溶液数据不完整，先选择计算方法，包括色调法和靶色差法，标准溶液测量后，程序将按照色调、靶色差计算公式计算标准溶液的色调、靶色差数据，并分别按照分段多项式或二次多项式对数据进行拟合，显示标准曲线、方程和拟合相关系数，

标准曲线建立和更新，实现对应测量项目的标准曲线的建立和更新。

空白测量，测量空白对应的颜色数据，并保存为前次空白。

样品测量，测量样品对应的浓度，在触摸液晶屏上显示测量结果。

实施例4：海水pH测定

先按照海水pH值的检测方法(酸碱指示剂法)进行显色反应：取5ml海水注入10ml玻璃试管中，加入1滴pH试剂(即显色剂，上海馨晟试化工科技有限公司提供)，混合均匀，即为待测溶液(海水显色液)，放置2min。同时，取市售pH4、5、6、7、8、9、10标准溶液各5ml共7支于10ml玻璃试管中，各加入1滴上述pH试剂，混合均匀，即作为标准曲线检测用的被测溶液(标准显色液)，放置2min。

标准曲线测量：打开实施例2所设计安装仪器的电源开关21，取上述pH4标准显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸液晶屏19上点触“测量项目添加或修改”，在新开窗口的测量项目栏输入“pH”、单位栏输入“pH”、测量方法栏输入“酸碱指示剂法”、标准栏输入“GB/T 604-2002”，在计算方法栏选择“色调法”，保存，退出后，点触“样品测量”图标，测得pH4显色液的颜色参数，即明度、绿-红色品位和蓝-黄色品位，内部程序通过色调计算公式计算该溶液色调显示在触摸液晶屏19上，点触标准色列的第一浓度条，在弹出的新窗口依次输入pH值“4”，点触保存。然后将样品池2标准显色液倒掉，依次倒入pH5、6、7、8、9、10标准显色液3ml，按同样步骤测量，全部测量完毕后，程序将对7个标准溶液的测量数据进行分段多项式拟合，色调θ～pH变化曲线显示在触摸液晶屏19上，并自动保存。

海水pH测定：取上述待测海水显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸屏19上选择测量项目“pH”，点触“样品测量”图标，即在触摸液晶屏19上显示色调θ“1.85”和pH检测结果“6.68”，此结果与实验室pH计检测方法测定结果pH6.61比较，误差约为1％，表明该检测仪检测结果准确可靠。另外，测量过程不足5秒，而实验室法包括调试、校正pH计，需要3分钟；本实施例进行了6次重复检测，获得相对标准偏差为5％，与实验室法误差相同。由此证明，本检测仪不仅快速、而且可靠。

实施例5：河水氨氮含量测定

按照氨氮标准检测方法(纳氏试剂法)进行显色反应：取5ml某河水于10ml玻璃试管中，依次加入20％KOH溶液0.5ml、5％酒石酸钾钠溶液0.2ml和15％碘化汞钾溶液0.5ml,混合均匀，即为待测溶液(河水显色液)，放置10min。同时，用市售1000mg/L氨氮标准溶液分别配制浓度为：0、0.100、0.200、0.300、0.500、1.00、2.00mg/L氨氮标准溶液，按照制备待测溶液(河水显色液)同样方法配制标准曲线检测用显色液。

标准曲线测量：打开实施例2所设计安装仪器的电源开关15，取上述零浓度氨氮标准显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸液晶屏19上点触“测量项目添加或修改”，在新开窗口的测量项目栏输入“氨氮”、单位栏输入“mg/L”、测量方法栏输入“纳氏试剂法”、标准栏输入“HJ 535-2009”，在计算方法栏选择“靶色差C法”，保存，退出后，点触“空白测量”图标，测得空白试验溶液的颜色参数，显示明度、绿-红色品位和蓝-黄色品位L₀，a₀，b₀值，点触标准色列的第一浓度条，在弹出的新窗口输入浓度值“0”，保存，然后将样品池2液体倒掉，使用蒸馏水洗涤，倒入0.100mg/L氨氮标准显色液3ml，点触“样品测量”图标，内部程序通过靶色差c_t计算公式计算该溶液靶色差c_t值显示在触摸液晶屏19上，点标准色列相对应的浓度条，然后在弹出的新窗口输入氨氮浓度x“0.100”，保存，依次类推，当全部标准显色液测量完毕后，程序将对7个标准溶液的靶色差c_t～氨氮浓度测量数据进行二次多项式拟合，在0～1.00mg/L氨氮浓度范围，曲线方程“y＝-8.91x²+20.7x,R＝0.9999”自动显示在触摸液晶屏19上。上述测量数据、标准曲线会自动保存，可长期使用。

河水氨氮测定：按照上述同样的测量方法，取上述河水氨氮显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸屏19上选择测量项目“氨氮”，点触“样品测量”图标，即刻在触摸液晶屏19上显示靶色差c_t“6.74”和氨氮浓度“0.392”，此结果与实验室标准检测方法(HJ 535-2009)测定结果0.401mg/L比较，相差仅2.2％，表明该检测仪检测结果准确可靠。另外，测量过程不足5秒，而实验室法包括设置波长、试剂空白校正等步骤，需要5分钟；6次重复检测相对标准偏差(RSD)5％，与实验室法4％接近，因此，该检测仪测量快速、可靠。

实施例6：自来水中氯化物测定

按照氯化物检测方法进行显色反应：取5ml自来水于10ml玻璃试管中，依次加入10％硫酸溶液1ml和0.5％硝酸银溶液0.5ml,混合均匀，即为待测溶液(自来水显色液)，放置5min。同时，用市售1000mg/L氯化物标准溶液分别配制浓度为：0、2.00、5.00、10.0、15.0、20.0、30.0mg/L氯化物标准溶液，按照制备待测溶液(自来水显色液)同样方法配制标准曲线检测用显色液。

标准曲线测量：打开实施例2所设计安装仪器的电源开关15，取上述零浓度氯化物标准显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸液晶屏19上点触“测量项目添加或修改”，在新开窗口的测量项目栏输入“氯化物”、单位栏输入“mg/L”、测量方法栏输入“氯化银浊度法”、标准栏输入“GB/T13748.18-2005”，在计算方法栏选择“靶色差D法”，保存，退出后，点触“空白测量”图标，测得空白试验溶液的颜色参数，显示明度、绿-红色品位和蓝-黄色品位L₀，a₀，b₀值，点触标准色列的第一浓度条，在弹出的新窗口输入浓度值“0”，保存，然后将样品池2液体倒掉，使用蒸馏水洗涤，倒入2.00mg/L氯化物标准显色液3ml，点触“样品测量”图标，内部程序通过靶色差d_t计算公式计算该溶液靶色差d_t值显示在触摸液晶屏19上，点触标准色列相对应的浓度条，然后在弹出的新窗口输入氯化物浓度“2.00”，保存，依次类推，当全部标准显色液测量完毕后，程序将对7个标准溶液的靶色差d_t～氯化物浓度测量数据进行二次多项式拟合，在0～20mg/L氯化物浓度范围，曲线方程“y＝0.042x²+1.36x-0.064,R＝0.996”自动显示在触摸液晶屏19上。上述测量数据、标准曲线会自动保存，可长期使用。

自来水氯化物测定：按照上述同样的测量方法，取上述自来水显色液约3ml于样品池2，置于样品槽11，拉合盖板3，在触摸屏19上选择测量项目“氯化物”，点触“样品测量”图标，即刻在触摸液晶屏19上显示靶色差d_t“6.48”和氯化物浓度“4.25”，此结果与实验室检测方法测定结果4.46mg/L比较，相差7％，表明该检测仪检测结果准确可靠。另外，测量过程不足5秒，而实验室法包括设置波长、试剂空白校正等步骤，需要5分钟；6次重复检测相对标准偏差(RSD)8％，与实验室法9％接近，因此，该检测仪测量快速、可靠。

Claims (6)

1.一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：

通过通信数据线(16)将上位机和下位机连接，下位机包括置于下位机壳体(1)内的用于溶液显色反应颜色信息获取与传输的下位机电路(5)以及带盖板(3)的样品槽(13)，样品槽(13)内放置样品池(2)，样品槽(13)一侧设有透光板(15)和LED光源(14)，通过LED光源电源线(10)将LED光源(14)和下位机电路(5)上的LED光源接口(9)连接；样品槽(13)另一侧设有颜色传感器(11)，颜色传感器(11)安装在传感器支架(12)上，传感器支架(12)与下位机壳体(1)固结，通过传感器数据线(8)将颜色传感器(11)的传感器接口电路(26)和下位机电路(5)上的传感器接口(6)连接；

下位机电路(5)是由稳压电路(25)、传感器接口电路(26)、TTL电平和RS232转换电路(27)、单片机(28)、光源控制电路(29)和颜色传感器(11)组成；光源控制电路(29)包括DD311芯片(30)、光源调节器(31)及其附带电路，与LED光源接口(9)连接，实现光源的恒流控制；单片机(28)通过其附带电路与传感器接口(6)连接，负责读取颜色传感器(11)的红、绿和蓝三基色信号，将颜色信号进行处理，提取红、绿和蓝三基色数据，并对颜色数据分组打包和添加校验，负责下位机的整体控制，同时还通过TTL电平和RS232转换电路(27)实现TTL电平到RS232电平的转化，将颜色数据通过通信数据线(16)发送到上位机，以及接收上位机下发的握手指令；通过下位机程序下载接口(7)将下位机程序装入下位机的单片机(28)中，完成读取，处理，提取三基色数据和传输数据并将校验后的三基色数据上传给上位机；

上位机包括置于上位机外壳(17)中的上位机电路(18)、触摸液晶屏(19)、上位机程序下载接口(20)、电源开关(21)、充电插口(22)、锂电池组(23)和上位机通信接口(24)，将它们分别安装到上位机外壳(17)相应位置，用供电线连接好，并用通信数据线(16)将下位机通信接口(4)和上位机通信接口(24)连接，通过上位机程序下载接口(20)分别将上位机程序中的待测物信息模块、计算方法选择模块、测量模块、标准系列模块、检测项目管理模块装入上位机电路(18)的CPU中，即可使用；

上位机程序包含了通过采用如下两个公式计算显色反应溶液的靶色差(c_t和d_t)的程序：此公式适用于增色反应溶液，以及此公式则适用于退色和浊度反应溶液，上述 L₀、a₀、b₀分别指无待测物质时溶液显色反应所测量的明度、绿红色品位、蓝黄色品位值，L_e、a_e、b_e分别指待测物质高浓度时溶液显色反应所测量的明度、绿红色品位、蓝黄色品位值，L、a、b分别指水样显色反应所测量的明度、绿红色品位、蓝黄色品位值，α、β、γ、δ值范围均为0～π，L₀、L_e、L取值范围为50～100。

2.根据权利要求1所述的一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：上位机电路(18)由嵌入式系统板和外围接口组成，市售的嵌入式系统板运行WINCE操作系统，由CPU、RAM、ROM、串口控制器和电源电路组成。

3.根据权利要求1所述的一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：触摸液晶屏(19)为5～10寸TFT LCD液晶显示屏，分辨率640×480以上，亮度250～400cd/m²，对比度300～400：1，输入电压12～24V，功率5～10w。

4.根据权利要求1所述的一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：LED光源(14)的输入电压3～5V，功率0.2～0.5w。

5.根据权利要求1所述的一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：上述样品池(2)的光程5～30mm。

6.根据权利要求1所述一种溶液显色反应定量分析检测装置，其特征是：上述锂电池组(23)的输入电压110V或220V，输出电压12～24V，容量4400～12000mAh。