CN114174808A - 自校准光学浊度测量装置 - Google Patents

Abstract

自校准光学浊度测量装置(10)，包括：壳体(20)，包括具有内壁(26)的腔(25)，其中内壁(26)包括在腔(25)的第一端部(21)的区域中的基本笔直的区段(22)以及针对介质(28)的开口；光学标准件(40)，其在基本笔直的区段(22)内的第一区段(23)和第二区段(24)之间是可移动的；以及光源(30)和光传感器(35)，被布置在第一区段(23)处，并且在光学标准件(40)处于第二区段(24)处时被配置为测量介质的浊度，以及在光学标准件(40)处于第一区段(23)处时被配置为测量光学标准件(40)的浊度并且根据所测量的浊度来确定用于执行自校准的校准系数。

Description

自校准光学浊度测量装置

技术领域

本发明涉及自校准光学浊度测量装置、用于自校准光学吸收测量装置的方法、用途、计算机程序和计算机可读存储介质。

背景技术

浊度是通过或穿过液体介质施加的光束的混浊度、浑浊度、吸光度或散射量的量度。介质的浊度可能由在介质内散光的大量单独颗粒引起。浊度可以例如以“福尔马肼浊度单位(FTU)”或“比浊法浊度单位(NTU)”的值来测量。对于浊度测量，使用光传感器的光学浊度测量装置被使用。至少某些类型的浊度测量装置需要定期校准光传感器。附加地，至少某些类型的浊度测量装置使用福尔马肼(在水溶液或悬浮液中)作为浊度校准的标准。但是，使用福尔马肼有一些缺点。福尔马肼本质上不稳定并且可能会很快从溶液中脱落。此外，搅拌福尔马肼溶液的速度可能会影响测量值。

发明内容

可能需要改进的浊度测量装置。

该任务由独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求和以下描述中阐述了进一步的实施例。

根据第一方面，用于测量介质浊度的自校准光学浊度测量装置，装置包括：

-包括腔的壳体；

-光学标准件，其在腔内的第一区段和第二区段之间是可移动的；以及

-光源和光传感器，被布置在第一区段处并且

当光学标准件处于第二区段处时，被配置为测量介质的浊度，以及

当光学标准件处于第一区段处时，被配置为测量光学标准件的浊度，并且根据所测量的浊度，确定用于执行自校准的校准系数。

光学浊度测量装置可以例如与光源方向成90°角测量介质的散射光(针对FTU和NTU值)。一些浊度测量装置可以测量直射光，即，以0°角，例如用于测量“福尔马肼衰减单位(FAU)”。自校准装置是能够和/或被配置为例如根据校准方法例如通过改变测量装置的相关值来自动执行浊度校准的装置。介质可以是流体或固体，例如细粒度的固体。

装置的壳体可以被形成为任何形状。壳体的材料可以与待测量的介质相关。壳体包括腔。腔和/或壳体有时可以被称为浊度流通池。

光学浊度测量装置包括光学标准件，光学标准件在腔内的第一区段和第二区段之间是可移动的。光学标准件可以提供校准所需的散射介质。光学标准件可以是固体，这可以对其处理的某些方面有利。光学标准件可以是流体，例如，液体或凝胶。流体可以被保持在保持件中或在没有保持件的情况下进行处理。当光学标准件是固体(和/或被保持)时，移动可以经由与固体光学标准件连接的活塞来执行。移动可以手动完成，也可以由电机完成。当光学标准件是流体时，它可以被放置在与液体标准或凝胶分离的隔室中。移动然后可以通过使用泵、阀和致动器的组合来执行(以从传感器的光路中去除样品或介质，并且将浊度标准件放置在适当位置)。当光学标准件是被保持的流体时，保持件与流体的移动可以以与移动固体光学标准件类似的方式来完成。

光学标准件在腔内的第一区段和第二区段之间是可移动的。第二区段可以被形成为光学标准件的一种“归属地”。光学标准件可以在介质的浊度测量期间被存储在第二区段中。可以存在在介质的浊度测量期间将第一区段与第二区段分离的部件。至少对于光学标准件的一些实施例，光学标准件不与介质接触可以是有利的。例如，固体光学标准件在被液体介质润湿时可能会改变其光学(和/或其他)性质。

光学浊度测量装置还包括用于浊度测量的光源和光传感器。用于浊度测量的光源或光发射器可以是LED(例如，IR-LED、红外发光二极管，具有例如约860nm的波长)、激光二极管、闪光灯等。光传感器可以是用于浊度测量的光接收器。在光学浊度测量装置中，光源和/或光传感器中的每一者可以多于一个。光源与光感测器均被布置在第一区段处。光传感器(或多个光传感器)可以位于与光源(或多个光源)的方向成0°(即，在相对位置)和/或90°和/或其他预定角度。光源和光传感器被配置为测量放置在它们之间的材料的浊度。当光学标准件处于第二区段处时，介质被放置在光源和光传感器之间，并且介质的浊度可以被测量。当光学标准件处于第一区段处时，可以测量光学标准件的浊度。当测量和/或已测量光学标准件的浊度时，可以确定光学标准的校准系数。例如通过将光学标准件的“旧”测量浊度与新测量浊度进行比较，校准系数可以根据所测量的浊度来确定。然后，该新的、更新的和/或校正的校准系数可以被馈送到光传感器的评估路径中，从而执行自校准。

该装置带来了很多益处。每次自校准被执行并且结果被用于重新校准传感器(和/或与传感器连接的评估模块)时，校正干扰效应(例如传感器漂移、温度漂移、光学元件污染和/或其他效应)被实现。通过该自校准，处理通常被改进。因此，可以减少用户必须花费在校准仪器上的时间量。通过提供用于自校准的部件，大多数测量可以远程执行，从而减少了在执行测量时有人在现场的需要。测量的可靠性和精度被改进，因为与需要由专业人员进行现场校准相比，自校准可以更容易地执行并且可以更频繁地执行。

在各种实施例中，腔包括内壁，其中内壁包括在腔的第一端部的区域中的基本笔直的区段，

其中基本笔直的区段包括第一区段和第二区段，其中第二区段与第一区段不同并且比第一区段更靠近腔的第一端部；和/或

腔包括在腔的第二端部的区域中的开口，其中开口被配置为使得腔针对介质开放。

壳体包括具有内壁的腔。腔可以被形成为任何形状，但是它包括基本笔直的区段，即，至少在该基本笔直的区段中，内壁基本上平行于中轴线。基本笔直的区段位于腔的第一端部的区域中。在腔的第二端部的区域处，开口被定位。第二端部的区域和开口可以是任何形状。开口可以连接或不连接到管。开口是一种流通池入口/出口，被配置用于使得腔针对介质开放，例如以为介质提供入口来进行介质的浊度测量。开口可以一直开放，也可以针对测量来开放。光学浊度测量装置包括光学标准件，光学标准件在腔中的基本笔直的区段内的第一区段和第二区段之间是可移动的。

光学标准件在腔中的第一区段和第二区段之间是可移动的。两个区段彼此不同并且位于腔的基本笔直的区段内。第二区段比第一区段更靠近腔的第一端部。在介质的浊度测量期间，光学标准件可以被存储在第二区段中。在介质的浊度测量期间，可以存在将第一区段与第二区段分离的部件。至少对于光学标准件的一些实施例，光学标准件不与介质接触可以是有利的。例如，固体光学标准件在被液体介质润湿时可能会改变其光学(和/或其他)性质。

在各种实施例中，浊度测量装置还包括分离件，分离件被配置为当光学标准件处于第二区段处时，将光学标准件与介质分离。

这可以有助于更长寿命和/或更好或更可靠的光学标准件，因为许多类型的光学标准件可能例如通过被介质润湿而与介质接触。这可以进一步减少清洁光学标准件和/或腔的需要。

在各种实施例中，分离件在第一区段和第二区段之间提供密封件和/或包括被附接到光学标准件底部的密封环，和/或分离件包括类似于相机光圈的薄片。

密封件可以被形成为O形环密封件，具有类似相机光圈的薄片和/或其他解决方案。密封件可以被附接到光学标准件的底部，密封件可以被紧密地或松散地耦合或者可以被可拆卸地连接到底部。这可以具有清洁装置的内壁的至少部分的进一步效果。

在各种实施例中，测量装置还包括凸缘或刷部。凸缘或刷部被附接到光学标准件，其中凸缘或刷部被配置为清洁第一区段。这可以代替密封件来实现，特别是在光学标准件底部处的密封件。

至少对于几种类型的流通池，结垢可能会引起测量问题。结垢可能发生在例如流动池壁和光学窗口上。这可能会影响浊度读数，并且可能意味着流通池需要清洁和/或重新校准。由于这种清洁至少在每次完成自校准时执行，因此这并不耗时。由于结垢是浊度测量装置中经常出现的问题，特别是在测量液体时，清洁装置(诸如凸缘或刷部)可以进一步改进处理并且可以减少例如由受污染的光传感器引起的错误的数量和/或可以延长装置的维护间隔。

在各种实施例中，光学标准件包括固体、流体和/或凝胶或由固体、流体和/或凝胶组成。

在一个实施例中，光学标准件包括固体校准标准件或由固体校准标准件组成。这带来了避免使用福尔马肼的缺点和有害影响的益处。

在一个实施例中，固体校准标准件在校准期间以各种角度来测量。这可以通过转动固体校准标准件和/或通过提供多个光源和/或光传感器来执行，在一些实施例中为对应的光传感器。这可以有利地有助于考虑固体校准标准件的非线性。

在一个实施例中，基本笔直的截面具有圆形、椭圆形和/或多边形截面，和/或光学标准件具有圆形、椭圆形和/或多边形截面。笔直区段和光学标准件的形式(作为固体或其保持件)在很宽的范围内可能相似或不同。

在各种实施例中，腔的内壁包括锥形区段或基本上为锥形形式。在这个意义上，开口或开口部分可以不是腔的一部分。在一些实施例中，锥形区段可以跨越内壁的最大部分，例如超过60％、超过80％或超过90％。这可以有助于将该面上例如由样本中可能存在的悬浮固体和/或沙粒引起的污垢积聚最小化。

在各种实施例中，测量装置还包括腔内的清洁装置。这可以延长维护间隔，因为例如结垢效应可以通过这种方式减少。

在各种实施例中，测量光学标准件的浊度包括在多个时间点处测量。多个时间点可以包括在多于两个、多于五个或多于十个时间点处进行测量。例如，测量装置最初可以每小时执行一次自动校准，并且获得例如由结垢引起的0.1NTU/小时的漂移。测量装置然后可以降低自动校准频率，以有利地应对测量装置的漂移、减少电机系统的磨损和/或延长测量装置的寿命，同时仍然意识到这对测量装置漂移的影响。

在测量装置还包括用于清洁和/或减少结垢效应的凸缘或刷部的实施例中，多个时间点可以例如包括每小时清洁一次并且可以导致如下所示的校准结果，在表1中：

表1

第1天

第2天

第3天

第4天

第5天

第6天

第7天

100NTU

99NTU

98NTU

97NTU

96NTU

95NTU

94NTU

该数据可以以下列方式使用：测量装置的漂移可以基于该多个时间点来计算。用户可以将最大漂移输入到传感器中，并且基于该预定义和/或重新调整的值，测量装置可以推断漂移率来呈现时间长度，例如直到最大漂移被打破。例如，这将触发警报和/或引发另一动作。因此，测量装置可以确定在清洁频率为一次/小时时漂移为1NTU/天。测量装置然后可以例如将频率自动改变为10次/小时并获得如下数据，如表2所示：

表2

第1天

第2天

第3天

第4天

第5天

第6天

第7天

100NTU

100NTU

100NTU

100NTU

100NTU

100NTU

100NTU

基于此，测量装置可以确定在10次/天时没有漂移，因此可以将清洁频率降低到2次/小时，并且获得以下数据，如表3所示：

表3

该示例可以示出应对“污垢水平”的方法，即，使得测量装置自动改变清洁频率，并且为测量装置提供足够的数据，以在用户无需了解其过程并配置参数的情况下，在由于污垢引起的漂移和擦拭器(或其他清洁工具)的使用寿命之间做出权衡。这可能在预定义的容差水平内增加可以进行精确测量的时间。

在多个时间点处的测量还可以被用于校准系数的自动更新。例如，如果测量装置被配置为自动更新校准系数，则“平滑算法”可以用于平滑校准中的任何异常值。该“平滑算法”可以包括公式：新校准斜率＝a*旧校准斜率+(1-a)*上次校准的斜率，其中“a”的值可以在开发中确定，以提供合适的平滑。附加地或备选地，可以应用基于结果的标准偏差而忽略异常值的其他和/或更复杂的算法。

在各种实施例中，测量装置还包括电机。光学标准件被连接到电机，电机被配置为平行于基本笔直区段的中轴线移动光学标准件。移动可以例如通过使用与光学标准件连接的活塞来实现。电机可以是电动电极，也可以是线性电机和/或它可以直接或经由齿轮(例如像螺钉一样的齿轮和/或齿轮的其他实现方式)来移动光学标准件和/或活塞。使用电机进一步增加了浊度测量装置的自动化程度并且可以进一步减少用于校准和/或用于校准过程的手动部分的时间量。

在一个实施例中，内壁包括另一区段，另一区段不同于基本笔直的区段并且具有锥形形式。这对于某种介质和/或其连接通道可以是有利的。

另一方面包括用于自校准光学浊度测量装置的方法，方法包括：

–-在装置壳体内的腔的第一区段处提供可移动的光学标准件，其中光源和光感测器被布置在第一区段处；

–-借助光源和光传感器来测量光学标准件的浊度；

–-根据所测量的浊度来确定校准系数；

–-使用所确定的校准系数作为新的校准系数进行自校准；

–-将光学标准件移动到基本笔直区段内的第二区段，

其中第二区段不同于第一区段并且比第一区段更靠近腔的第一端部；

–-在第一区段(23)处提供介质；以及

–-当光学标准件位于第二区段处时，借助光源和光传感器并且使用新的校准系数来测量介质的浊度。

在一个实施例中，方法还包括以下步骤：

–-当所确定的校准系数超过预定义的限值时，发送警报；或者

–-当所确定的校准系数在预定义的范围内时，继续测量。

用户可以将预定义的限值的限制设置为例如绝对值和/或可容忍的校准漂移。当所确定的校准系数超过该预定义限值时，可以发出或发送警报，例如用于通知用户(例如“仪器超出规格”)、用于启动诊断部件、用于启动清洁和/或其他预定义操作。此外，用户然后可以重新校准仪器和/或开始自校准和/或进一步校准。

在一个实施例中，方法还包括以下步骤：

–-闭合和/或移动密封部件，

其中分离件包括在第一区段和第二区段之间的密封件和/或与光学标准件底部附接的密封件。

另一方面包括如上所述和/或下文所述的自校准光学浊度测量装置和/或如上所述和/或下文所述的方法的用途，用于测量介质的浊度或吸收，和/或用于水质的光学测量，其中介质包括流体和/或固体。水质的测量可以包括测量通过和/或穿过液体介质施加的光束的混浊度、浑浊度、吸光度或散射量。

自校准光学浊度测量装置可以支持在较宽的浊度值范围内进行测量，例如对于比浊法浊度单位NTU，例如介于0.016和200,000之间。

另一方面包括包含指令的计算机程序产品，当程序由浊度测量装置的处理器执行时，指令使得装置执行如上文和/或下文所述的方法。

另一方面包括其中存储有如上所述的计算机程序的计算机可读存储介质。

附图说明

图1示意性地描绘了根据一个实施例的自校准光学浊度测量装置；

图2示意性地描绘了根据另一实施例的自校准光学浊度测量装置；

图3示意性地描绘了根据一个实施例的方法。

具体实施方式

在图1中，示意性地描绘了根据一个实施例的自校准光学浊度测量装置10。装置10包括具有腔25的壳体20。腔25的内壁26的下部27形成为锥形，其中在腔25的第二端部29的区域中具有开口28。开口28是被配置为例如通过将介质泵入腔25中，使得腔25针对待测量的介质开放。腔25的上部，即，在腔25的第一端部21的区域中，是内壁26中基本笔直形成的区段22。基本笔直的区段22包括第一(在该图中：下)区段23和第二(上)区段24。光学标准件40被示出在第二(上)区段24内的位置中。第二区段24通过O形环密封件42与第一区段23分离。在光学标准件40的该位置，可以执行介质的浊度测量。为此目的，介质被放置和/或泵入光源30和光传感器35之间的光束39的区域中。光源30可以是IR-LED，其波长例如为860纳米。在该实施例中，描绘了两个光传感器35，一个相对于光束39处于0°位置而另一个处于90°位置。

对于自校准，光学标准件40可以当然在从腔25移除介质之后，从第二区段24移动到第一区段23。这可以借助活塞48，通过手动或通过马达移动光学标准件40来执行。当被放置在第一区段23中时，光学标准件40的浊度可以借助光源30和光传感器35来测量。结果，可以确定校准系数。这可以被用于更新浊度测量装置10的控制值(例如，放大率)。

图2示意性地描绘了根据另一实施例的自校准光学浊度测量装置10。与图1中相同的附图标记指示相同的元件。光学标准件40可以被形成为具有圆柱形区段或侧壁45的圆柱体。光学标准件40可以通过活塞48，平行于中轴线46从其在第二区段24中的位置移动到第一区段23，并且也可以返回；参见箭头47。活塞48可以由电机50(例如通过电动机)移动。

分离件42被形成为凸缘。至少在每次自校准时，可以使用凸缘，例如连同刷部，用于清洁基本笔直的区段22。这可以通过去除光学组件的潜在污垢来改进测量结果的质量。备选地或附加地，刷部可以被实现为单独的工具。与图1不同，包括开口28的下部形成为圆柱体。这可以减轻某种介质的进入。

图3示意性地描绘了根据一个实施例的方法的流程图50。在步骤51中，光学标准件40(参见图1或图2)被移动到装置10的壳体20内的内壁26处的基本笔直区段22的第一区段23。光源30和光传感器35被布置在该第一区段23处。在步骤52中，光学标准件40的浊度借助光源30和光传感器35来测量。在步骤53中，校准系数根据所测量的浊度被确定。在步骤54中，所确定的校准系数被用作新的校准系数，从而执行自校准，例如通过使用所确定的校准系数作为新的校准系数来重新校准光传感器35。在步骤55中，光学标准件40被移动到基本笔直的区段22内的第二区段24，其中第二区段24不同于第一区段23并且比第一区段23更靠近腔25的第一端部21。在步骤56中，腔25针对介质开放，以将介质带到第一区段23。在步骤57中，当光学标准件40处于第二区段24处时，借助光源30和光传感器35并且通过使用新的校准系数，介质的浊度被测量。

附图标记列表

10 光学浊度测量装置

20 壳体

21 第一端部

22 笔直区段

23 第一区段

24 第二区段

25 腔

26 内壁

27 锥形区段

28 开口

29 第二端部

30 光源

35 光传感器

39 光束

40 光学标准件

41 光学标准件的底部

42 分离件

43 凸缘或刷部

45 侧壁

46 中轴线

47 箭头

48 活塞

49 轴

50 流程图

51-57 步骤

Claims (15)

1.一种用于测量介质的浊度的自校准光学浊度测量装置(10)，所述装置(10)包括：

壳体(20)，包括腔(25)，

光学标准件(40)，其在所述腔(25)内的第一区段(23)和第二区段(24)之间是可移动的，以及

光源(30)和光传感器(35)，被布置在所述第一区段(23)处，并且

当所述光学标准件(40)处于所述第二区段(24)处时，被配置为测量所述介质的浊度，以及

当所述光学标准件(40)处于所述第一区段(23)处时，被配置为测量所述光学标准件(40)的浊度，并且根据所测量的浊度来确定用于执行自校准的校准系数。

2.根据权利要求1所述的浊度测量装置(10)，

其中所述腔(25)包括内壁(26)，

其中所述内壁(26)包括在所述腔(25)的第一端部(21)的区域中的基本笔直的区段(22)，

其中所述基本笔直的区段(22)包括所述第一区段(23)和所述第二区段(24)，其中所述第二区段(24)与所述第一区段(23)

不同，并且比所述第一区段(23)更靠近所述腔(25)的所述第一端部(21)；和/或

其中所述腔(25)包括在所述腔(25)的第二端部(29)的区域中的开口(28)，其中所述开口(28)被配置为使得所述腔(25)针对所述介质开放。

3.根据权利要求1或2所述的浊度测量装置(10)，还包括：

分离件(42)，被配置为当所述光学标准件(40)位于所述第二区段(24)处时，将所述光学标准件(40)与所述介质分离，

其中所述分离件(42)提供在所述第一区段(23)和所述第二区段(24)之间的密封件、和/或包括与所述光学标准件(40)的底部(41)附接的密封环，和/或

所述分离件(42)包括类似于相机光圈的薄片。

4.根据前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置(10)，还包括凸缘或刷部(43)，

其中所述凸缘或所述刷部(43)被附接到所述光学标准件(40)，其中所述凸缘或刷部(43)被配置为清洁所述第一区段(23)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置(10)，

其中所述光学标准件(40)包括固体、流体和/或凝胶或者由固体、流体和/或凝胶组成。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的浊度测量装置(10)，

所述腔(25)的所述内壁(26)包括锥形区段(27)或基本上为锥形。

7.根据前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置(10)，进一步包括在所述腔(25)内的清洁装置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置(10)，

其中测量所述光学标准件(40)的浊度包括在多个时间点测量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置(10)，还包括电机(50)，

其中所述光学标准件(40)被连接到所述电机(50)，所述电机(50)被配置为平行于所述基本笔直的区段(22)的中轴线(46)来移动所述光学标准件(40)。

10.一种用于自校准光学浊度测量装置(10)的方法，所述方法包括：

-在所述装置(10)的壳体(20)内的腔(25)的第一区段(23)处提供可移动光学标准件(40)，

其中光源(30)和光传感器(35)被布置在所述第一区段(23)处；

-借助所述光源(30)和所述光传感器(35)，测量所述光学标准件(40)的浊度；

-根据所测量的浊度，确定校准系数；

-通过使用所确定的校准系数作为新的校准系数来执行自校准；

-将所述光学标准件(40)移动到所述基本笔直的区段(22)内的第二区段(24)，

其中所述第二区段(24)不同于所述第一区段(23)，并且比所述第一区段(23)更靠近所述腔(25)的第一端部(21)；

-在所述第一区段(23)处提供介质；以及

-借助所述光源(30)和所述光传感器(35)、并且通过使用新的校准系数来测量所述介质的浊度。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

-当所确定的校准系数超过预定义的限值时，发送警报；或者

-当所确定的校准系数在预定义的范围内时，继续测量。

12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括以下步骤：

其中测量所述光学标准件(40)的浊度包括在多个时间点测量。

13.一种根据权利要求1至9中任一项所述的自校准光学浊度测量装置(10)和/或根据权利要求10至12中任一项所述的方法的用途，用于测量介质的浊度或吸收度，和/或用于水质的光学测量，其中所述介质包括流体和/或固体。

14.一种包括指令的计算机程序产品，当所述程序由浊度测量装置(10)的处理器执行时，所述指令使得所述装置执行根据权利要求10至12中任一项所述的方法。

15.一种计算机可读存储介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。

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