CN107209117A - 用于监测和控制工业流体的光电化学感测系统 - Google Patents

用于监测和控制工业流体的光电化学感测系统 Download PDF

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Abstract

用于基于光学和电化学特性的测量来控制工业流体系统的操作参数的系统和方法。该系统包括手持或便携式仪表，该仪表可基本上同时测量来自流体系统体的样本的一个或多个光学特性和一个或多个电化学特性。基于系统进行的测量或计算的信息可用于手动或自动地改变各种操作参数以控制流体系统，并有助于维持优选规范内的流体系统的稳定操作。

Description

用于监测和控制工业流体的光电化学感测系统
技术领域
本发明涉及使用简单的集成传感单元，测量流体或流体混合物的光电化学特性，或基于光电化学特性来测量流体或流体混合物的其它特性。该系统将用于测量或计算工业流体或流体混合物的特性，并提供必要的信息，以正确控制工业流体系统的操作和处理。
背景技术
需要精确测量诸如冷却塔和锅炉系统的工业流体系统中的各种特性，以确保流体系统的正确特性、安全性和可靠性，并降低流体系统中组件的单位寿命成本。存在用来测量处理流体的许多传感方法，但是更常见的是光学和电化学两种。通常，诸如荧光、吸光率或透射率的光学特性的测量以及诸如导电性的电化学特性的测量涉及使用两个单独的测量仪器和来自流体系统的两个单独的样本。例如，如美国专利4,112,741所述，可串联使用荧光计和导电率仪，以测量水体中的光学和电化学特性。作为另外的实例，美国专利号4,783,314和6,369,894公开了，结合在流体系统中使用的单独的导电率仪，添加到工业流体系统中的处理产品中包含的荧光示踪剂的浓度的荧光测量，所述荧光示踪剂的浓度表明流体系统中处理产品的浓度。然后可使用这些测量的结果来调节流体系统内的各种操作参数，以便控制流体系统。已知使用来自各种测量特性的数据来控制流体系统的其它方法和装置。例如，美国专利号6,280,635公开了使用荧光和补充水组合物(make-up watercomposition)来控制冷却塔。在美国专利号6,315,909中公开了一种复杂的矩阵控制平台，其中，单独测量的导电率和荧光是可用来对流体系统做出调节的两种工具。
还已知在相同的水样本上进行荧光测量和导电率测量，但是使用的是未集成在单个手持式装置中的荧光计和单独的导电率仪。例如，美国专利号5,691,809公开了一种用于监测原油和其它有机液体的处理过程中的流体相变的系统。’809专利中的系统使用含有待分析液体样本的加热加压单元与电极接触。该单元连接到单元外部的光纤探针和荧光计，并连接到外部导电率仪。另外，电导通过盘电极和压力单元体来测量。已知这种配置缺乏灵敏度，如’809专利的图5所示，其变化范围小，并且不足以监测大多数工业处理流体。
将荧光测量和导电率或其它电化学特性测量结合到单个装置中的更复杂的仪器也是已知的。例如，在美国专利号7,550,746和8,440,062中公开了浸渍型或浸入型传感器，用于测量荧光和导电率。这些仪器被浸入被测试的水中，这可能导致不准确的测量。’062专利中的多组件传感器系统的复杂性还要求电导电极在与其它电化学电极进行测量时浮动，这在进行电导测量时会造成桥接平衡不准确的风险。在美国专利号4,555,936中公开了用于测量荧光、吸收率和导电率的流通样本池仪器。电极作为样本通过样本池的入口和出口流动管道。用流动的流体测量导电率，并且在正方形池配置中进行混合的情况下容易出错。
测量血样中的导电率和荧光也在美国专利号6,228,652中公开。在’652专利中公开的仪器使用荧光测量的标准配置，但具有大量的滤光器、反射镜和光电倍增管。电导测量使用两个电极，但它测量射频(RF)电导，其中导电率与RF功率的损耗成比例。这是为了测量血液细胞内的电导而设计的，并且它要求将场(field)聚焦在单细胞被测量的小细胞窗口处。另外，样本池是设计用于允许血细胞一次通过一个的细胞流通池。’652专利中公开的测量方法对块流体或流体混合物是不合适的。
几个现有技术的仪器利用多个光电检测器和单个光源来测量多个光学特性或改进荧光检测。例如，’936专利测量荧光和吸光率，而美国专利号7,652,267测量荧光和浊度。’267和’894专利中的第二光电检测器也可以用作参考检测器，以测量UV强度以提供荧光信号的校正。’652专利中还公开了另外的光电检测器，以对应于样本中染料和荧光染料发射的荧光光谱的数量。在美国专利号7,095,500中还公开了两个光源，一个是激发光源和不诱导荧光的第二光源，但用于校正由于结垢或浊度引起的对荧光测量的影响。为了提供额外的光学特性的测量，多个仪器可在模块化装置中堆叠在一起或具有可互换部件。例如，’894专利公开了在两个和十六个模块化荧光计之间进行堆叠，每个具有流通的样本池、光源和两个光电检测器，以便在水样本含有具有不同发射光谱的多种物种时测量不同物种的荧光。’500专利公开了一种可互换的探针尖端，每个尖端具有不同的光学配置以测量不同的特性，诸如荧光和吸光率，使得必须在测量之间改变尖端以测量两个特性。
已知的参考文献都没有公开具有多个光源和多个光学检测器以测量样本池中包含的单个样本上的多个特性的单个单元。另外，已知的参考文献都没有公开通过在单个装置中使用两个或更多个电极来组合光学特性检测和多种电化学特性的检测。也没有任何已知的参考文献公开将通过单个装置获得的光学测量的结果与电化学测量的结果进行比较以增强流体系统的控制。需要一种简单、集成的手持系统，其能够基于来自单个样本的光学和电化学数据或信号精确地测量和计算流体样本的多个特性。还需要一种系统和方法，其可以通过使用来自至少一个基于光学特性的测量和至少一个基于电化学特性的测量的数据以控制流体系统的操作参数来改善流体系统的操作。
发明内容
本发明提供了一种系统和方法，该系统和方法基于样本的光学和电化学测量来确定流体或流体混合物的特性并基于这些特性来控制流体系统的操作参数。根据本发明的优选实施例的感测系统可用于快速和准确地测量流体或流体混合物的光电化学特性，并且包括在便携式手持式装置中的样本池和集成的光学和电气组件。该系统可被配置为使用荧光、吸光率、率或任何其它基于光的测量技术来确定样本的各种流体特性。该系统还可被配置为使用集成的电化学组件基本上同时确定相同样本的各种流体特性以测量导电率、循环伏安法、开路电位或氧化还原电位。
根据本发明的优选实施例的感测系统包括：样本池；至少一个光源，被配置为将光引导通过样本池中的样本；至少一个光学传感器；至少两个电极，部分地设置为与样本接触；电子模块，控制测试/测量并处理从光学传感器和电极接收的数据以及小型手持式壳体，封闭样本池、光源、光学传感器、电极和电子模块。壳体优选地允许样本通过壳体中的端口添加到样本池中，允许壳体的外部被润湿，但保护感测系统的电子模块或其他敏感的内部组件。通过壳体中的端口将样本从流体系统添加到样本池中之后，使用特定版本的装置的选定测试配置(基于待测量的各种特性)在样本池内测试样本，并且可通过反转装置从感测系统中去除样本，使得样本通过重力从样本池中排出。可通过简单地将新样本添加到装置的样本池中来进行重复测量，并且可使用相同的样本池来测量不同的流体。最优选地，将样本池用水(优选地，去离子或蒸馏)或下一个待测样本的一部分冲洗数次。感测系统被设计为便携式，并由蓄电池、太阳能电池板，DC或其他便携式电源供电。感测系统不需要使用泵或化学注入来执行各种光电化学测试。另外，样本池临时容纳待测试样本的优选用途消除了与浸渍型或浸入型传感器或流动池传感器相关的不精确问题。
根据优选实施例，感测系统被配置为使用一个或多个光学检测器来检测来自一个或多个光源的通过样本或来自样本中的化合物的光的透射或发射，并测量与样本接触的电极之间的电位。来自光学传感器或传感器和电极的数据或信号由电子模块接收，该电子模块被编程为计算样本中的流体的至少一个特性，优选至少两个特性。基于来自光学传感器或传感器的数据或信号计算的特性可包括诸如荧光、透射率、吸光率或浊度的光学特性，或者可以是这样的光学特性的解释、相关性或进一步操纵以确定样本中的示踪剂化合物(诸如添加到从其获得样本的流体系统中的处理产品中包括的荧光示踪剂)的浓度或样本中的处理产品或其它化学品的浓度。基于来自电极的数据或信号计算的特性可包括诸如导电率、氧化还原电位(如果需要，具有适当的隔离桥)的电化学特性，或者可以是这种光学特性的解释、相关性或进一步操纵以确定样本中处理产品或其他化学品的浓度。
根据另一个优选实施例，关于流体样本的测量的或计算的特性的信息用于控制从其获得样本的流体系统的操作参数。可改变(诸如通过打开或关闭流体系统中的阀、操作泵，或通过手动添加处理产品或化学品)操作参数(诸如处理产品的添加速率或量、添加的新鲜水或流体、排污、进料或其他流体系统调节)，如果信息表明需要更改，诸如当特性的计算值超出该特性的指定的范围或高于或低于该特性的预设阈值时。另外，可比较计算值，其差值可指示需要改变或自动地触发流体系统的操作参数的改变，这可以提高控制流体系统的精度。
根据本发明的另一优选实施例的感测系统包括具有处理能力的电子模块，该处理能力允许其发送和接收信号、进行计算、显示数据、存储数据和/或将数据保存到可移动存储卡或其他连接的设备，并且处理由用户选择的一个或多个测试(诸如测试样本的导电率和荧光)。优选的电子模块还能够自动发送信号以改变流体系统的一个或多个操作参数，提出改变操作参数的建议，以及接受操作参数改变的手动输入和向其它装置或设备发送信号以执行手动输入改变，以控制流体系统的运行。由感测系统提供的信息可显示在感测系统壳体上的屏幕上，从而允许用户基于所述信息对流体系统做出手动改变，诸如手动调节阀门，以便手动地将之后发送到其他装置或设备的指令输入到感测系统仪表，或手动将指令输入到单独的电子控制系统中，以根据该信息对流体系统进行改变。信息还可以(通过插件连接)直接传送到单独或远程控制系统或通过无线通信传送到远程用户(诸如主管或远程操作员)，以实现对流体系统的自动化控制。感测系统优选地是具有多个应用的电子器件的配置的较大控制系统的一部分，并且这将允许多个光学和电化学测量以及将数据从感测系统传送到计算机或其他仪器以便控制流体系统的操作的能力。
根据另一优选实施例，当计算的特性或值在给定范围之外或低于或大于预设值时，可生成诸如音频信号、视觉信号或这两者的警报信号。警报信号可由便携式仪表生成，并且可无线地传送到遥控系统、计算机屏幕或用户/主管的手机或电子邮件。根据又一个优选实施例，当计算的特性或值在一个或多个范围内或者高于或低于该特性的一个或多个预设值时，也可以生成另外的警报信号。这些另外的警报信号可在特性接近需要改变操作参数的值或在该值处于需要立即关注的临界水平时警告用户。优选地，另外的警报信号在听觉或视觉上彼此不同。
附图说明
本发明的系统相对于下面的附图被进一步描述和说明，其中：
图1是根据本发明优选实施例的电化学-光学传感装置的俯视图；
图2是图1的电光传感装置的透视图；
图3是根据本发明的优选实施例的光电壳体和印刷电路板的自上而下的前透视图；以及
图4是图3的光电壳体和印刷电路板的分解透视图；
图5是图3的光电壳体和印刷电路板的俯视图；
图6是图3的光电壳体和印刷电路板的侧视图；
图7是图3的印刷电路板的底部俯视图；
图8是图6的光电壳体和印刷电路板的侧视横截面图；
图9是图5的光电壳体和印刷电路板的侧视横截面图；
图10是示出根据本发明的优选实施例的装置测量的导电率结果与由市售导电率仪测量的结果之间的偏差百分比的曲线图。
具体实施方式
图1至9描绘了根据本发明的优选实施例的电化学光学感测系统10。电化学光学感测系统10优选地包括电光学壳体12；印刷电路板14；外部壳体16；显示器18；控制面板20；样本容器，用于容纳待分析的水或其他流体的样本且至少部分由样本池80和部分电光学壳体12形成；至少一个光源22(最优选地为两个光源22，23)；至少一个光学检测器或传感器24(最优选地为两个光学检测器或传感器24，25)；以及至少两个电极26，27，允许样本的光学测量和电化学测量。图1至9所示的具体模型被设计为测量从诸如冷却塔或锅炉系统的流体系统获得的水处理流体样本的导电率和荧光。由于补充水中的离子强度，导电率是测量冷却和软化水锅炉系统中浓度循环的常用方法。经常含有添加的荧光示踪剂的处理化学品被添加到这样的流体系统中以控制腐蚀和结垢。来自示踪剂的荧光信号可用于指示流体系统中的处理化学品的浓度。本领域的技术人员将理解图1至9所示的测量其它光学或电化学特性的配置的修改。
图1至图2描绘了外部壳体16、显示器18和控制面板20的优选实施例。外部壳体16优选地包含并保护光源22，23、光学传感器24，25和电子模块(包括印刷电路板14)。样本池80(图4上所示)通过设置在壳体16的上表面上的端口154和通过电光学壳体12的开口100可进入。端口154优选地被形成用于被分析的水或其它流体的样本的水槽的凹陷区域156包围，使得样本溢出样本池80中可用的容积和样本池80上方的开口100的内部容积。这有助于确保有足够的样本量用于测试，并且样本与电极26，27接触，电极26，27优选地通过电光学壳体12的上光学模块保持体90设置在样本池80的上边缘上方的位置。凹陷区域156被示出为图1中的端口154周围的分段区域，但是也可以使用光滑的表面和其他形状配置。最优选地，系统10的各个部分，包括样本池80，样本池80上方的开口100内的空间的内部容积和凹陷区域156，配合形成用于容纳待测试的流体样本的样本容器；但是，也可以使用用于样本容器的其它配置。端口154和凹陷区域156优选地被密封并与密封环82和84以及电极26，27，28和温度传感器136周围的其它密封件配合，以将水或其它流体的样本保持在样本容器的测试区域内并且防止水或其它流体的样本进入外部壳体16或电光学壳体12或接触电子模块的敏感部分。当系统10未使用或当系统10执行样本的分析时，可选的门或盖152可用于覆盖端口154和凹陷区域156。最优选地，门152是滑动门，但是也可以使用诸如铰链门的其他配置。该可选门152可阻挡可能干扰某些光学特性的检测的环境光。显示器18提供关于由系统10执行的分析或计算的分析结果、计算和/或数据的视觉表示。如图1所示，例如，系统10可显示和添加到流体系统中的处理产品中包括的示踪剂的导电率测量值和浓度。电子模块可被编程为显示流体的其它特性，诸如计算出的处理产品的浓度(而不是示踪剂浓度)，并且可被编程为以不同的单位显示测量值。控制面板20优选地包括多个按钮15或允许用户向系统10提供输入(诸如选择要执行的特定测试、指定样本的信息、来自先前测试的存储数据的调用或将电子命令发送到正在测试的流体系统的其它装置或组件，或者控制流体系统的各种组件的控制系统)的触摸屏。结合电子模块，显示器18和控制面板20可被编程为各种功能，如本领域的技术人员将理解的。
外部壳体16优选地基本上是矩形的并且尺寸紧凑，使得其容易地由一只手手持和抓住。最优选地，外部壳体16具有小于约10英寸的长度尺寸，小于约5英寸的宽度尺寸和小于约3英寸的高度尺寸。外部壳体16还优选地包括将系统10连接到其他装置(诸如计算机或服务器)，到外部电源的各种端口(诸如USB端口)，并且可包括用于可移动存储卡的一个或多个插槽。这些端口将根据本领域的技术人员所理解的已知方法与系统10的电子模块进行交互。
如图3至9所示，电光学壳体12优选地包括下光学模块保持体30、上光学模块保持体90、样本池80、光源22，23、光学检测器24，25和电极26，27。下光学模块保持体30和上光学模块保持体90优选被类似地成形并设计成配合在一起，以将系统10的其他部分，诸如第一LED 22、第一光电二极管24和样本池80，保持在系统10中的位置上。下光学模块保持体30和上光学模块保持体90被描绘为八边形，但也可使用诸如圆形的其它形状。为了容易地观察配合在一起并相对于印刷电路板14的下光学模块保持体30和上光学模块保持体90，图8至9中的横截面图不描绘如图3至6所示的光源22，23或光学检测器24，25。
下光学模块保持体30优选地包括上表面32、下表面34、外部或外侧壁36以及基本上圆柱形的内部或内侧壁38。环形开口40由内部侧壁38形成，并且优选地从上表面32延伸通过下表面34，在上表面32处开口并在下表面34处密封。环形开口40用作样本池80的下端的容器，其具有略大于样本池80的直径，使得样本池80紧密地配合在环形开口40内。狭槽42，44，46和48从外部侧壁36向内部侧壁38延伸，并被配置为分别支撑光源24，25和光学检测器22，23。最优选地，狭槽42，44，46和48被成形为符合将由狭槽支撑的特定光源或光学检测器的下部。根据狭槽支撑的光源或检测器的类型和形状，可提供诸如64，66和68的突起以帮助相对于下光学模块保持体30和系统10支撑光源或检测器。切口50，52，54和56分别从每个狭槽42，44，46和48的内端延伸通过内部侧壁38。下光学模块保持体还优选地包括多个安装孔58，这些孔从上表面32延伸通过下表面34。每个安装孔58优选地被配置为成接收安装螺钉132。两个孔优选地设置穿过下表面34的中心部分，以允许电极28和温度传感器136插入样本池80中。
上光学模块保持体90优选地包括上表面92、外部或外侧壁96以及两个基本上圆柱形的内部或内侧壁98和111。环形开口100由内侧壁111形成。内侧壁111的直径小于内部侧壁98，在内部侧壁98和内侧壁111之间的过渡点处形成肩部，其被配置为接收样本池80的上端并将其固定在上光学模块保持体90内。开口110优选地从上表面92穿过样本池80的内部一路打开。内部侧壁98的直径略大于样本池80，使得样本池80紧密地配合在上光学模块保持体90内。内侧壁111和形成在内部侧壁98和内侧壁111之间的肩部的较小直径用于当系统被倒置以清空样本池80时将样本池80保持在系统10内，如下所述。狭槽102、104、106和108从外部侧壁96向内部侧壁98延伸，并且被配置为分别将光源24，25和光学检测器22，23保持在相对于系统10的其它部分的位置。最优选地，狭槽102、104、106和108被成形为符合将由狭槽固定的特定光源或光学检测器的上部。根据由狭槽固定的光源或检测器的类型和形状，可提供诸如124，126和128的突起，以有助于相对于上光学模块保持体30和系统10固定光源或检测器。切口110，112，114和116分别从每个狭槽102、104、106和108的内端延伸通过内部侧壁98。上光学模块保持体90还优选地包括多个安装孔118、第二电极孔120和第三电极孔121。安装孔118从上表面92延伸穿过上光学模块保持体90的下表面。每个安装孔118的下端优选地被配置为接收安装螺钉132并且每个安装孔118的上端安装孔优选地被配置为接收安装螺母134，使得当固定到螺钉132上时，每个安装螺母134的上端基本上不突出在上表面92的上方。第二电极孔120优选地位于基本上与第三电极孔121大致相反(或大约180°)的上光学模块保持体90的外周围。第一电极孔和第二电极孔120，121被设置为通过侧壁96到内侧壁111。第一电极孔120被配置为接收电极，并且第二电极孔121是被配置为接收电极27。
下光学模块保持体30上的狭槽优选地与上光学模块保持体90中的狭槽对准并配合，以便相对于样本池80将两个光源和两个光学检测器固定在电光学壳体12内的位置上。例如，狭槽42和102被成形和对准以接收第一光电二极管24；狭槽44和104被成形和对准以接收第二光电二极管25；狭槽46和106被成形和对准以接收第一LED 22；并且狭槽48和108被成形和对准以接收第二LED 23。类似地，下光学模块保持体30中的切口与上光学模块保持体90中的切口对准并配合，以形成每个光源和每个检测器的光学窗口。例如，切口50和110对准以形成用于第一光电二极管24的窗口；切口52和112对准以形成用于第二光电二极管25的窗口；切口54和114对准以形成用于第一LED 22的窗口；并且切口56和116对准以形成用于第二LED 23的窗口。这些切口优选地对准以形成圆形或基本上圆形的开口或光学窗口，通过这些窗口光可从光源22，23通过样本池80发射，然后发射或透射由检测器24，25检测或接收的光。狭槽、切口、光源和光学检测器优选地位于电光学壳体12中，使得可通过样本池80的基本中心部分发射或透射和检测光。这些狭槽和切口的形状和尺寸可根据具体的光源和所使用的光学检测器而变化。
如上所述，光学传感器或检测器24，25和光源22，23优选地设置在下光学模块保持体30和上光学模块保持体90之间的狭槽42，44，46，48，102，104，106和108内，并且围绕下光学模块保持体和上光学模块保持体30，90的外周定位在间隔开的位置。最优选地，它们相对于彼此(和延伸穿过下光学模块保持体30的中心轴线，如图4中的140所示)位于外周边周围，使得第一光源22位于等于大致0°的位置，第二光源23位于等于大致90°的位置，第一光学检测器24位于等于大致180°的位置，以及第二光学检测器25位于等于大致270°的位置。根据所使用的光源和检测器的类型以及所要进行的光学测量的类型，检测器可位于与光源相反(180°隔开)，从该光源将它检测到光，或者它可以是直角(90°隔开)，诸如用于检测光学传感器与激发源成直角处的荧光。光学检测器24，25优选地是第一光电二极管和第二光电二极管，最优选地是两个硅光电二极管。可使用其它类型的光电二极管或光学检测器，诸如磷化镓或硅光电倍增管，这取决于要做出的测量的类型、使用的光源的类型和其他因素，如本领域的技术人员将理解的。光源22，23优选地是第一LED和第二LED。第一LED 22优选地为发射波长范围为250至450nm的光的UV LED，并且第二LED 25优选为发射波长为400至1100nm的光的LED。如本领域的技术人员将理解的，根据要做出的测量的类型，可使用其他类型的光源和波长。
作为实例，系统10可被配置为使得来自一个光源(LED 23)的光束与样本池80内的样本接触，激发样本内的荧光分子中的电子，并且荧光发射由位于与光源(光电二极管24)成大约90°的检测器检测。另一个光源(LED 22)可以以不同的波长发光，并且由位于与光源成大约180°的光电检测器(光电二极管24)或与光源成大约90°的光电检测器(光电二极管25)检测，以测量其它光学特性，诸如吸光率或浊度。还可使用光源和检测器进行其它光学测量，每个检测器能够测量来自与检测器成大约90°的光源的特性，以及来自与检测器成大约180°的光源不同的特性。例如，检测器24可用于测量由LED 23激发的荧光并且还用于测量LED 22的光密度。检测器25可用于测量由LED 22激发的光散射。相同的检测器25用于测量LED 23的光密度。用系统10测量多个特性允许基于样本中的变化，诸如颜色和浊度，对测量进行补偿或校正。
如本领域的技术人员将会理解的，根据待进行的测量类型、使用的检测器类型和其他因素，可使用其他类型的LED或光源。与电光学壳体12一起使用的光源和检测器优选是市售产品，并且不需要使用供系统10使用的专门的或定制的光学组件。虽然优选的是在系统10中包括两个光源和两个检测器以增加功能，可使用单个光源或单个检测器。另外，本领域中众所周知的其他组件也可以并入电光学壳体12(或光源或检测器)中，以促进某些光学测量，诸如滤光器和反射镜。例如，荧光检测将需要必要的带通滤波器以将激发光与发射信号隔离。
提供样本池或样本管80用于容纳用系统10测试或分析的水或其他流体的全部或一部分样本。样本池80优选地由石英制成，但也可以使用适用于光学感测并且不会干扰通过样本池的光透射的其它材料(诸如玻璃)。样本池80优选地基本上为圆柱形，具有打开的顶部或部分打开的顶部和打开的底部，并且被定尺寸为提供足够容积的待分析的水或其它流体。其他形状可以用于样本池80，对电光学壳体12的其它组件，诸如开口40和100，的形状进行相应的改变，以便将样本池80容纳在主体30，90内。
在开口40的下端处，在下表面34的内侧上设置有环形唇缘或凹槽62。环形唇缘62将第一密封环82(优选地由塑料或橡胶制成的O形环)保持在相对于样本池80和下表面34的位置处。第二密封环84设置在样本池80的顶表面上。第一密封环和第二密封环82，84优选地由相同的材料制成并且具有相同的尺寸，但是也可以使用不同的密封环。开口100的较小直径部分用于将第二密封环84保持在样本池80的上端上的位置。第一密封环和第二密封环82，84在下光学模块保持体30和上光学模块保持体90之间为样本池80提供缓冲，并用于防止水或其他流体从样本池80泄漏到电光学壳体12或系统10的其他部分。其他已知的密封机构也可用于在被分析的水或其它流体的样本周围产生流体密封以防止它与系统10的内部部分接触(除了样本池80的内部)。
可替代地，样本池80可具有密封的底端，使得下表面34和第一密封环82不是必需的，使得样本池80由环形唇缘62或其它支撑结构被支撑在电光学壳体12内。在该配置中，电极28将通过样本池的底端设置。作为另外的替代实例，样本池可从感测系统10移除。在可移除的配置中，样本池优选地是包覆模制在金属电极上的光学透明池，所述金属电极将连接到感测系统10的电化学组件。
最优选地，样本池80的尺寸设定为具有1至20mL之间的内部容积。待分析的另外的5至10mL流体可包含在样本池80上方的开口100的内部容积内。系统10还可被配置为使得样本容器仅由样本池80形成，通过使样本池80延伸到上光学模块保持体90的顶部或通过上光学模块保持体的顶部表面92，而没有或者没有凹陷区域156。
温度传感器136优选地通过下表面34设置并且部分地延伸到样本池80中以接触样本池80中的样本。可替代地，温度传感器136可与下光学模块保持体30的下表面34齐平，以测量样本池80内的样本的温度或者可以以允许进行样本池80中的样本的温度测量的方式嵌入到样本池80或下表面34中。在这些替代配置中，优选地，下表面34由基本上不会干扰样本温度测量的材料和厚度制成。电极28也设置成通过孔60以接触样本池80中的样本。另外的电极26，27设置成通过孔120，121，以接触在样本池80上方的开口100的区域中的样本。在替代实施例中，其中样本池80延伸到顶部或通过顶表面92，所述另外的电极26，27可设置成通过样本池80的侧壁。作为另外的替代实例，所述另外的电极26，27中的一个或两个可设置成通过底表面34，类似于电极28。作为又一替代实例，所述另外的电极26，27可设置在样本池80上的盖或帽上，或者在端口154或门152上(如果是铰链式配置)，使得一旦盖或帽或门关闭，它们与样本接触。优选地，电极26，27和28不直接位于用于光源22，23的光路径内，并且不干涉或阻挡光学检测路径。在另一优选实施例中，将一个或多个电极形成为光学元件的外部上的涂层，但这些涂层不阻挡光学检测路径。如本领域的技术人员将理解的，如果设置为通过下表面34，诸如设置在各种部件和开口周围的可延展材料的合适的密封机构被用来在电极26，27，28和温度传感器136周围形成流体密封。
两个电极，优选地26，27用于通过施加电压并测量由样本中的电阻引起的压降来测量流体样本的电导。类似地，氧化和还原电位(ORP)或伏安法也可用作为工作电极的一个电极(例如26)，作为相反电极的另一电极(例如27)和作为参考电极的第三电极(例如28)测量。根据要用系统10测量的电化学特性的具体类型，可使用用于每个电极的不同材料。例如，优选的是，一个电极包括金或铂，第二电极是用于测量ORP的Ag/AgCl参考电极。可使用其它配置和可选的第四电极，如本领域的技术人员将理解的。
优选地使用常规的连接方法将安装螺钉132连接到印刷电路板14。安装螺钉132和螺母134配合以将下光学模块保持体30固定到上光学模块保持体90，将光源22，23和检测器24，25以及样本池80保持在电光学壳体12内的位置，并且将电光学壳体12固定到印刷电路板14。印刷电路板14优选地包括上表面140、下表面146和孔144，电极28和温度传感器136通过该孔144设置(如图6至7所示)。其他常规的附接机构可用于将下光学模块保持体30连接到上光学模块保持体90，但是它们优选地可释放地附接，使得电光学壳体12内的部件可根据需要被更换或修理。印刷电路板14优选地使用诸如螺母和螺钉的常规附接机构连接到外部壳体16。安装孔142可用于将印刷电路板14固定到外部壳体16。
印刷电路板14是系统10的电子模块的一部分，并且用于将诸如光源22，23、检测器24，25和温度传感器136的电子组件连接到集成芯片或微处理器以及诸如蓄电池的电源，其允许系统10被使用和编程以测量被分析的水或其它流体的各种电化学和光学特性，并且基于这些测量进行计算。附图中所示的印刷电路板14的配置仅代表其与电光学壳体12和系统10的其他组件的关系。电子模块的电路布局、其它电子组件以及允许系统10如本文所述进行操作所需的连接将被本领域的技术人员理解，并且在附图中没有描绘。系统10中的电子模块允许系统进行各种测量，以将结果传达给用户以发送信号以基于测量来自动控制正被测试的流体系统的组件。
最优选地，系统10被配置为与不同的装置和系统进行通信，该不同的装置和系统提供被分析的样本从中获得的流体系统的前馈、反馈、自动或手动控制。系统10基于对样本的分析和由系统10通过样本分析测量或计算的特性的某些预定和/或编程值或范围来向这些装置和系统发送控制参数。例如，系统10可测量样本的导电率，该导电率如果高于或低于某一阈值可以触发流体系统的控制系统中的动作(自动地或被手动执行)来控制流体系统导电率循环。根据由系统10确定的测量，流体系统控制装置可向流体系统添加更多的新鲜补充水或将更多的水排出流体系统。作为另一个示例，系统10可测量流体系统中的处理化学品的浓度，该浓度如果高于或低于某一阈值可触发流体系统的控制系统中的动作(自动地或被手动执行)以增加或降低处理化学品的进料速率。系统10还可被配置为发送信号，以允许基于根据基于使用系统10的样本分析的荧光反馈(或其他光学特性)自动或手动地调整流体系统中的化学品进料速率。使用系统10的以控制流体系统的操作参数的另外的实例在下文描述。
当准备使用系统10时，用户简单地填充由样本池80定义的样本容器，光学模块保持体30和90以及具有样本的至少部分凹陷区域156，使用控制面板20上的按钮15或触摸屏幕，以选择要进行的测试(优选地进行光学和电化学分析两者)，电子模块基本上同时执行所选择的测试，并且基于这些结果在显示器18上的显示每个测试的结果或计算。另外，可将光学分析的结果与电化学分析进行比较，以实现更高的精度和对流体系统更好的控制。
例如，系统10可被配置为通过测量来自光源22或23的通过来自流体系统的流体的样本的光的荧光、透射率或吸光率来测量添加到流体系统中使用的处理化学品中的光学活性示踪剂的浓度。由系统10从流体系统样本测量的荧光信号将指示泵送到流体系统中的处理产品的量。优选地，其中一个光源可以是被设计成激发示踪分子的LED-UV发射器，并且其中一个传感器是具有适当带通滤波器以测量与LED-UV源成90°的发射信号的光电二极管检测器。另一个光源和另一个传感器可用于测量样本的颜色和浊度。这两种特性都是测量或计算水处理化学品浓度所关注的，并且可用于补偿UV-LED和相应检测器所进行的荧光测量中的波动。系统10的电子模块优选地接收来自光学检测器或传感器24或25(或两者，取决于正在测量的光学特性)的信号，并执行计算以确定示踪剂的浓度，该浓度可用于计算已添加示踪剂的处理产品的浓度。
系统10还可以被配置为使用从电极26，27，28接收的信号来测量相同样本的导电率。导电率和光学测量基本上同时由系统10执行。然后可使用测量的导电率来计算样本中的处理产品的浓度，这样的计算优选地由系统10的电子模块自动执行。然后可手动或更优选由系统10自动进行两个浓度测量的比较以确定差异或偏差百分比。然后，电子模块可在显示器18上显示比较结果。比较相同特性的基于导电率的测量和基于荧光的测量(例诸如处理产品的浓度和产品剂量)提高了控制流体系统的准确性。使用基于光学的测量和基于电化学的测量允许操作者确保流体系统在适当的浓度循环下操作，并且处理化学品以在这些相同的循环控制腐蚀和沉积所需的浓度被添加。通过导电率测量的循环可用于评估通过荧光测量的材料剂量，并且它们可用于进一步评估系统的条件。
除了测量在流体系统中循环的水或其它流体的样本的各种电化学和光学特性之外，系统10还可用于测量样本的导电性(或其他电化学和光学特性)所述样本来自补充水源或可被周期添加到流体系统的其它流体。使用按钮15或触摸屏，用户还可以输入指定样本是来自流体系统还是来自补充水源的数据，使得导电率(或其它电化学和光学特性)测量可被区分。基于这些测量，系统10可计算导电率周期，该周期是来自补充源(例如冷却塔补充水)的样本的导电率与来自流体系统(例如来自冷却塔)的样本的导电率之比。该数据可用于修改流体系统的操作参数，诸如排污速率和补充水的添加速率，以使在系统中循环的流体的导电率在期望的范围内。类似地，补充水的一些来源表现出背景荧光信号。通过使用系统10分析补充水的样本的荧光，并将该荧光测量指定为补充背景荧光，来自流体系统中的流体(例如通过冷却塔循环的水)的相应样本的荧光测量可根据测量背景进行校正。优选地，如果需要，系统10可被编程和配置为自动进行这样的校正。
如果任何测量或计算的结果、结果的比较、结果的差异或偏差不在被测量的特定特性的预定或预设的期望值的范围内，或者高于或低于特定特性或特性的比较的预定或预设的阈值，则系统10可生成警报(音频、视觉或这两者，以及本地或远程或这两者)：用于流体系统的一个或多个操作参数需要调节或修改。这样的调节可手动执行，手动输入到感测系统10中以传送到控制系统以自动执行调节命令，或者可手动输入到用于流体系统的单独的控制系统中，然后由该控制系统自动执行。最优选地，系统10被配置为通过向控制系统或流体系统内的智能组件发送信号来自动启动这种调节，诸如打开或关闭阀，以便，如果一个或多个测量或比较的特性超出了该特性的指定的值得第一范围，或者高于或低于指定阈值，则改变流体系统的一个或多个操作参数。操作参数的调节可包括改变添加到流体系统中的处理产品的量、调节排污速率、调节新鲜水补充速率、增加或减少通过流体系统的流速，或根据需要使流体系统中的流体在基于光学和/或电化学测量计算的各种流体特性的期望范围内的其他调节。
一旦对样本进行期望的测试，系统10被倒置以将样本排入适当的排水口或其他用于处置的容器中。通过从流体系统和/或补充源获取新的样本并重复上述步骤来周期性地进行新的测试。最优选地，将测量的结果和比较保存到内部存储器或可移动存储卡或其他外部存储设备上，以便历史数据可被调用和查看。控制面板20上的控制按钮15或触摸屏可优选地用于检索在显示器18上显示的先前测试结果，以便用户回顾。电子模块可被配置为以数字或图形方式或两者在显示器18上显示测试结果和比较。
测试根据本发明优选实施例的几个样本装置(标记为装置#6、#7和#12)，以确定光学和电化学测量的精度。使用根据本发明的优选实施例的三个样本仪表并使用市售的Myron L导电率仪测量导电率。下文表1是使用Myron L装置和根据本发明的至少一个测试仪表的各种读数水平的导电率结果，以及由根据本发明的装置进行的测量与由Myron L装置获得测量之间的百分比偏差的计算。偏差百分比也在图10中示出。与Myron L装置相比少量的变化表明根据本发明的优选实施例的仪表能够精确且一致地测量导电性。
表1
MYRONL(uS/cm) 6#(uS/cm) 6#偏差 12#(uS/cm) 12#偏差 7#(uS/cm) 7#偏差
12.45 0％ 0％ 12.7 2％
13.55 13.2 -3％ 13.2 -3％ 0％
18.3 0％ 0％ 18.1 -1％
29.22 30.3 4％ 30.1 3％ 0％
36.2 0％ 0％ 37.4 3％
57.3 58.2 2％ 57.8 1％ 0％
72.15 0％ 0％ 69.7 -3％
85.07 83.3 -2％ 83.7 -2％ 0％
119.5 117 -2％ 117 -2％ 0％
130.8 0％ 0％ 127 -3％
151.9 150 -1％ 150 -1％ 0％
249.4 0％ 0％ 253 1％
288 0％ 0％ 293 2％
354.2 359 1％ 357 1％ 0％
465.3 0％ 0％ 472 1％
548.5 556 1％ 553 1％ 0％
672.2 679 1％ 677 1％ 0％
782.8 0％ 0％ 802 2％
851.3 854 0％ 834 -2％ 0％
936.1 0％ 0％ 947 1％
1106 0％ 0％ 1090 -1％
1141 1140 0％ 1130 -1％ 0％
1656 0％ 0％ 1660 0％
2767 2760 0％ 2770 0％ 0％
2580 0％ 0％ 2610 1％
4451 4440 0％ 4470 0％ 0％
5837 0％ 0％ 5890 1％
6629 6680 1％ 6590 -1％ 0％
8086 8200 1％ 8070 0％ 0％
8286 0％ 0％ 8210 -1％
10130 0％ 0％ 9960 -2％
12300 12800 4％ 12700 3％ 11900 -3％
13870 14500 5％ 14200 2％ 0％
14800 0％ 0％ 14200 -4％
根据本发明的感测系统10的优选实施例的测试仪表还用于测量含有PTSA(对甲苯磺酸)的样本的荧光，PTSA是添加到一些市售冷却塔处理产品中的荧光示踪剂。将已知量的PTSA加入到各种去离子水的样本中并且测试用来模拟在典型工业水系统中可能遇到的变色和浊度的含有添加剂的水。基于样本尺寸和添加的PTSA的量，将预期的PTSA的量与来自仪表的PTSA测量进行比较，并且结果列于下表2中。可以看出，测量结果非常接近预期结果，这表示根据本发明的优选实施例的仪表能够准确且一致地测量荧光。
表2
根据本发明的感测系统，诸如感测系统10，可用于测量来自待测试的流体系统的水或其它流体样本的多个光学和电化学特性。可能需要所用的光学组件(诸如光源22，23和检测器24，25)的变化来测量不同类型的特性，并且可修改电光学壳体12以适应这样的不同的组件。另外，电子模块将需要专门针对要进行的测试的编程，并且根据所测量的具体特性可能需要不同的配置。最典型地，感测系统10将用于测量吸光率、透射率、荧光或浊度，但是可以使用不同的光学组件材料进行其它光学或光测量。最典型地，系统10还将用于测量导电性，但是其它电化学特性，诸如氧化还原电位，可测量。
用于计算或测量值或特性等的参考旨在包括任何形式的直接测量、转换数据或信号、基于一个或多个数据点或信号进行计算或以其他方式比较、解释、关联或操纵一个或多个数据点或信号。本领域的技术人员在阅读本说明书和本文的优选实施方案的描述后还将理解，可在本发明的范围内对系统进行修改和更改，并且旨在于本文公开的本发明的范围仅由发明人在法律规定的所附权利要求的最广泛的解释来限制。

Claims (41)

1.一种用于检测流体或流体混合物的光学和电化学特性的便携式装置，所述装置包括：
样本容器，用于容纳所述流体或流体混合物的样本；
光源，用于将光引导到所述样本容器；
光学传感器，被配置为检测通过所述样本容器或来自所述样本中的化合物的光的发射或透射；
至少两个电极，每个电极的一部分被设置成接触所述样本容器中的样本；以及
电子模块，被配置为从所述光学传感器和电极接收信号，并且基于来自所述光学传感器的信号计算第一特性，并且基于来自所述电极的信号计算第二特性。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一特性是所述样本中的化学品的浓度、所述化合物的浓度、荧光、透射率、吸光率、浊度、颜色、光密度、光散射或所述样本的透明度；并且
其中，所述第二特性是所述样本中的化学品的浓度、导电率、确定氧化和还原电位的循环伏安法或所述样本的开路电位。
3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括第二光源和第二光学传感器，并且其中，所述电子模块被配置为从所述第二光学传感器接收信号并且基于来自所述第二光学传感器的所述信号来计算第三特性。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第三特性是所述样本中的化学品的浓度、所述化合物的浓度、荧光、透射率、吸光率、浊度、颜色、光密度、光散射或所述样本的透明度，并且其中，所述第一特性和所述第三特性彼此不同。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电子模块被配置为基于来自所述第一光学传感器的另一信号来计算第四特性，并且基于来自所述第二光学传感器的另一信号来计算第五特性。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第四特性和所述第五特性是所述样本中的化学品的浓度、所述化合物的浓度、荧光、透射率、吸光率、浊度、颜色、光密度、光散射或所述样本的透明度。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一特性是荧光，并且其中，所述第三特性、所述第四特性或所述第五特性中的一个或多个是吸光率、颜色或浊度，并且其中，所述电子模块基于所计算的第三特性、第四特性或第五特性中的一个或多个来校正所计算的荧光。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括第二光源和第二光学检测器；
其中，所述第一光源和所述第二光源以及所述第一光学检测器和第二光学检测器设置在所述容器周围，使得所述第一光源被设置为基本上与所述第一光学检测器相对，并且基本上与所述第二光学检测器成直角，并且所述第二光源被设置为基本上与所述第二光学检测器相对，并且基本上与所述第一光学检测器成直角；
其中，所述第一光学检测器被配置为基于来自所述第一光源的光向所述电子模块发送第一信号，并且基于来自所述第二光源的光向所述电子模块发送第二信号；其中，所述第二光学检测器被配置为基于来自所述第二光源的光向所述电子模块发送第三信号，并且基于来自所述第一光源的光向所述电子模块发送第四信号；
其中，基于所述第一信号计算所述第一特性；
其中，所述电子模块被配置为基于所述第二信号计算第三特性，基于所述第三信号计算第四特性，以及基于所述第四信号计算第五特性。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第三特性是荧光；其中，所述第一特性、所述第四特性和所述第五特性中的一个或多个是吸光率、颜色或浊度；并且
其中，所述电子模块基于所述第一特性、所述第四特性或第五特性中的一个或多个来校正所计算的荧光。
10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于测量所述样本的温度的温度传感器。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括电源。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述电源是蓄电池或太阳能电池。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括所述电子模块和外部电源之间的连接。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电源包括具有独立电源或直接连接至交流或直流电的外围计算机或通信装置。
15.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于显示所计算的特性的结果的显示器。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子模块包括用于存储所计算的特性的结果的存储器。
17.根据权利要求1所述的装置，进一步包括容器，该容器被配置为接收用于存储所测量的已计算的特性的结果的可移动存储器芯片，其中，所述容器允许数据从所述电子模块传送到所述可移动存储器芯片。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本容器包括具有1至20ml之间的内部容积的样本池。
19.根据权利要求1所述的装置，进一步包括壳体，用于容纳所述光源、所述光学传感器、所述电子模块、所述电极和所述样本容器，其中，所述壳体具有小于约10英寸的长度尺寸和小于约5英寸的宽度尺寸。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，每个电极的一部分设置为穿过所述样本容器的壁以允许与所述样本接触。
21.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极的一部分被设置为所述光源上的外部涂层，并且所述第二电极的一部分被设置为所述光学传感器上的外部涂层，其中，所述外部涂层与所述样本接触。
22.一种确定流体或流体混合物的特性的方法，所述方法包括：
将所述流体或流体混合物的样本放置在样本池中；
将来自光源的光引导到所述样本池；
通过光学传感器检测通过所述样本池或来自所述样本中的化合物的光的发射或透射；
测量与所述样本池中的样本接触的至少两个电极中的两个电极之间的电位变化；
基于检测到的发射或透射计算所述流体的第一特性；
基于测量的电位变化计算所述流体的第二特性；并且
其中，计算步骤由连接到所述光学传感器和电极的电子模块执行。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括提供容纳所述样本池，所述光源，所述光学传感器，所述电极和所述电子模块的单个装置。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括在设备上的显示屏上显示计算步骤的结果，并且其中，所述第一特性和所述第二特性能够是相同的特性或不同的特性。
25.一种控制流体系统的方法，所述方法包括：
将来自所述流体系统的流体的样本放置在样本池中；
检测表示所述样本的至少一个光学特性的第一信号；
检测表示所述样本的至少一个电化学特性的第二信号；
基于所述第一信号计算所述样本的第一特性；
基于所述第二信号计算所述样本的第二特性；
处理所述样本；
如果所述样本的一个或多个特性超出该特性的指定的第一范围的值或高于或低于该特性的指定的第一预设值，则改变所述流体系统的至少一个操作参数；
用来自所述流体系统的新的流体样本周期性地重复前述步骤；并且
其中，检测步骤使用便携式仪表和单个样本基本上同时进行。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一特性是荧光、透射率、吸光率、浊度、颜色、光密度、光散射或化学品的浓度；并且
其中，所述第二特性是导电率、确定氧化和还原电位的循环伏安法、开路电位或化学品的浓度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一特性是化学品浓度的第一值，并且所述第二特性是相同的化学品浓度的第二值。
28.根据权利要求27所述的方法，进一步包括比较所述第一值和所述第二值以确定这些值的差；并且
其中，所述操作参数是添加到所述流体系统中的处理产品的量，并且如果这些值的差大于预定值，则所述量被改变。
29.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤：如果所述样本的一个或多个特性超出该特性的指定的第一范围的值或高于或低于该特性的指定的预设值，则生成警报信号。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，改变的操作参数是添加到所述流体系统中的化学处理产品的量、排污速率或流体系统的流体添加速率。
31.根据权利要求20所述的方法，进一步包括基于所述第一信号、所述第二信号或这两个信号计算所述样本的第三特性。
32.根据权利要求25所述的方法，进一步包括：
检测表示所述样本的至少一个光学特性的第三信号；
基于所述第三信号计算所述样本的第三特性；并且
其中，由所述第一信号表示的光学特性不同于由所述第三信号表示的光学特性。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，被控制的所述流体系统是封闭或开放配置的冷却系统、热水系统或锅炉系统。
34.根据权利要求25所述的方法，进一步包括将数据或命令从所述便携式装置传送到远程控制系统，所述远程控制系统被配置为通过向所述流体系统中的一个或多个组件发送信号来提供所述流体系统的控制，以便，如果所述样本的一个或多个特性超出该特性的指定的第一范围的值或高于或低于该特性的指定的预设值，自动地改变所述操作参数中的至少一个操作参数。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述远程控制系统被配置为用于前馈或反馈控制。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述远程控制系统被配置为用于开环或闭环控制。
37.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在所述便携式仪表上的显示屏上显示关于所计算的特性的数据。
38.根据权利要求25所述的方法，其中，改变一个或多个操作参数的步骤包括：手动地调节所述流体系统中的一个或多个组件或者手动地将指令输入到电子控制系统中以调整所述流体系统中的一个或多个组件。
39.根据权利要求29所述的方法，其中，所述警报信号是音频信号、视觉信号或这两者，并且由所述便携式仪表生成。
40.根据权利要求39所述的方法，进一步包括：当所计算的一个或多个特性在该特性的指定的第二或第三范围的值内或高于或低于该特性的指定的预设值，则生成第二警报信号，并且其中，所述第二警报信号能够与所述第一警报信号区分开。
41.根据权利要求25所述的方法，进一步包括：
检测表示第二光学特性、第三光学特性或第四光学特性的第三信号、第四信号或第五信号中的一个或多个；
其中，所述第一特性是荧光，并且所述第二光学特性、所述第三光学特性或所述第四光学特性中的一个或多个是吸光率、颜色或浊度；以及
在改变步骤之前，基于所述第二光学特性、所述第三光学特性或所述第四光学特性中的一个或多个来校正所计算的荧光。
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