CN1328275A - 自动调整pH值的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种通过加入适量的酸或碱将化学溶液的pH值自动调整至一期望值的控制方法和装置。该调整过程被一个能不断完成溶液的测量值和期望值之间相减的微处理器控制。该计算差值的极性(即正或负)决定了所要加入的试剂(酸或碱)。该计算差值的大小决定了所要加入的试剂的数量,借助于一系列间断电流脉冲控制调整试剂的分配器,电流脉冲的持续时间或强度随着计算差值大小的变化而变化。

Description

自动调整pH值的方法和装置

本发明涉及一种将化学溶液的pH值自动调整到期望值的系统(方法和装置)。

pH值是生物溶液(缓冲溶液)至关重要的性质。因而，调整pH值是制备缓冲溶液的基本程序以及实验室的日常工作。通常，pH值是通过使用pH计测定的。传统地，将不想要的pH值调整到期望值是在pH计的监测下通过手动向缓冲溶液中加入适量的酸或碱来完成的。然而，这样不容易估计要加入的酸或碱溶液的量，并且难以控制所加入的酸或碱溶液的量。常常需要重复多次地交替加入酸或碱才能达到期望的pH值。因而，这使得溶液的制备过程是令人烦恼和费时的。

许多专利(US3730615、US3769178、US4058365、US4266942、US4302299、US4859608、US4940551和US5291418)公开了不同的自动滴定的方法。虽然这些自动滴定仪可用于调整溶液的pH值，但是它们不适宜实验室的日常使用。所有这些已知的方法(程序)包含复杂的计算和建立某种数学曲线。它们需要输入许多预先设定的参数。此外，它们没有自动选择要加入的合适的滴定剂的装置，并且不能很好地处理过量的问题。另外，这些滴定仪价格昂贵。因而，这些局限性限制了用于调整pH值的自动滴定仪的使用。

本发明提供了一种简单而又可行的系统(方法和装置)，该系统可自动加入所需的适量酸或碱以获得期望的pH值。因而，本发明将极大地简化pH值的调整程序，使这项工作变得更加容易、快捷、有效和准确。

本发明的主要目的是提供一种快速、有效和准确地自动调整溶液pH值的系统(方法和装置)。

本发明的又一个目的是提供一种自动的pH值调整系统，它不需要复杂的计算或建立任何数学曲线，从而不用输入许多预先设定的参数并相应地简化了操作程序。

本发明的另一个目的是提供一种能自动调整pH值的新的pH计，它简单、便宜并容易制造。

本发明的调整过程被一个微处理器控制，该处理器能不断地完成通过一种普通的pH计测得的溶液的实际pH值与通过操作者输入的期望值之间的相减。所计算差值的极性(即正或负)决定了要加入的试剂(酸或碱)。所计算差值的大小决定了借助一系列间断性的矩形波电流脉冲而加入的试剂的数量，该脉冲的持续时间或强度随着差值的变化而变化，从而控制调整试剂的分配器。这样，如果算得的结果(期望值减去实际值)是负值则意味着实际的pH值高于(碱多了)期望的pH值，基于计算结果的绝对值发出所产生的电流脉冲信号以把酸加到溶液中，直到pH值降到期望的值。相反，如果计算结果是正的则意味着实际pH值是低于(酸多了)期望的PH值，电流脉冲被发出以把碱加至溶液中，直到pH值升到期望的值。当计算结果是零或很接近于零时，该操作自动停止。

本发明的新特征在下面的权利要求中进行了阐述。然而，发明的本身(包括它的结构和它的操作方法)以及其它的目的和优点，当和附图一起阅读时将会从下面描述的具体实施例中得到最好的理解。

图1是一个描述本发明的程序和pH值调整系统的组成的流程图。

图2描述的是本发明的机械组成的结构。

图3是本发明的装置的全部外观示意图。

本发明主要包括两个主要部件：一个微处理器(电子部件)和两个液体分配器(机械部件)。

微处理器包括以下功能构件(参照图1)：计算器1、电流脉冲发生器2和输出控制器3。

计算器1不断地完成期望值(A)和测量值(B)之间的相减(A-B＝？)，其中A被操作者输入，B被一个内部相连的pH计测量。该测量值在pH调整的过程中随时变化。可以得到三种不同的测量结果5：

1)0                           (如果A＝B)

2)正值(0.5、1、2……)         (如果A＞B)

3)负值(-0.5、-1、-2……)      (如果A＜B)

计算结果5的输出作为一种信号去控制接续操作。

电流脉冲发生器2能不断地产生不同波形的DC电流脉冲6，该不同波形电流的持续时间或强度随着该差值的绝对值的大小变化而变化。如果计算结果是零(当A＝B)，电流发生器2被关闭以致于没有电流输出产生。这里用作实施例的是持续时间不一样的三种不同的矩形脉冲波形。对于这三种不同的输出波形，电流脉冲持续时间7随着绝对值的减小而从长变短，但是两脉冲之间的间隔8是同样大小的。电流脉冲持续时间7被用来控制液体分配器的开关的打开时间。在每次分配之后，电流脉冲的间隔8为加入的酸或碱试剂与被实验溶液(subject solution)相混合提供时间。

输出(线路)控制器3用来控制输出信号的目的地。有两条输出线路9和10直接将信号传递给能把酸或碱加入到缓冲溶液中的机械系统。一条线路(如线路9)传递信号实现加碱；另一条线路(线路10)传递信号实现加酸。是打开线路9还是线路10取决于由上面计算得到的A-B差值的极生(+或-)。

如果A-B是正值(0.5、1、2……)，这意味着溶液的pH值低于期望的pH值，需要加入碱。在这种情况下，线路9是开的而线路10是关的。

如果A-B是负值(-0.5、-1、-2……)，这意味着溶液的pH值高于期望的pH值，需要加入酸。在这种情况下，线路10是开的而线路9是关的。

这两种线路之间的变换可随着+/-的变化而自动发生。

上面所描述的三种构件可整装为一个单个的电子循环回路，或者被分成具有相似功能的多个部件。

机械部件(参照图2)主要包括一对液体容器11和一对开-关开闭器12。

液体容器11被用于贮存调整pH值所需的液体。一个装酸溶液，另一个装碱溶液。两者都安装在架台的顶部，但是可以取下。每个瓶子的底部连有一个管子或导管13用来将酸液或碱液加入到缓冲溶液中。这两个管子在底部被连在一起成为一个单管14并和电极15平行。

用位于每个瓶子和管子之间的两个开闭器12控制连接(管道)的开和关。开闭器12控制向缓冲溶液中放出(加入)的酸或碱。它们通常在处于关闭位置时被弹簧顶着。压紧弹簧以打开管道的力来自电流输出(脉冲)引发的电磁感应。开闭器的打开时间取决于电流脉冲的持续时间。开闭器的打开可使容器中的液体在重力作用下下降。因而，电流输出(信号)能控制向缓冲溶液里加入的适量的酸或碱溶液的量。

上面所提到的开闭器的结构只是起说明作用。因而，对于传送要加入的酸或碱(进行酸或碱的加入)的方法，还有其它的装置能令人满意地达到同样的结果。一种这样的装置(代替开闭器)是被相同电流输出推动的机械泵。

根据本发明方法一种pH调整的操作程序如下所示：

如图3所示的是总装配和连接方式。

调整缓冲溶液的pH值，

1)将装在容器17(如烧杯)中的缓冲溶液放在磁力搅拌器18上并打开搅拌器。

2)将电极15和酸/碱传送管14浸入缓冲溶液中并打开pH计4。(所用的pH计通常包括校准)。

3)输入期望的pH值并按下“ON”以启动pH自动调整系统。

4)当缓冲pH值(通过pH计读取)等于期望的pH值，关闭自动调整功能。

上面所详细描述的设备的安装和使用方法构成本发明人的优选的实施方案以及本发明的替代实施方案。本发明人知道能够提供预期结果的设备的许多构件作为一个整体或其组成部件的一部分是可以得到的。虽然本发明已经根据具体的实施方案作了描述和说明，应该理解到那些要借助本发明的其它实施方案没有背离本发明。因而上面所描述的本发明的方式只是为了说明本发明而不应理解为对下列权利要求范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于将化学溶液的pH值调整到期望值的自动控制方法，所述方法包括以下步骤：

a.测量所述溶液的起始pH值，监测所述溶液pH值的后续变化；

b.计算所述被实验溶液的pH测量值和所述pH期望值之间的差值，由此给出了所述测量值和所述期望值的差值以及所述计算差值的极性；

c.根据所述pH测量值和所述期望值之间的差值，产生一系列电流脉冲；

d.根据所述计算差值的极性将所述电流脉冲施加到要加入酸试剂或者碱试剂的分配器上，根据所述电流脉冲将所述试剂分配到所述被实验溶液中；

其中上面所述步骤在所述pH测量值和所述pH期望值的差值以及所述电流脉冲输出之间形成一个负反馈循环；不断进行所述循环，以逐渐地缩小所述溶液的pH值与所述期望值之间的差值；其中上面所述步骤在所述分配器之间还装有一个串扰(cross-talk)装置，以根据所述极性的变化自动控制要加入的所述试剂，因而可有效地处理过量问题。

2.权利要求1的方法，其中所述溶液的pH值的测量是通过pH计来进行的。

3.权利要求1的方法，其中所述计算是减法运算，因而所述计算差值是所述减法值的绝对值，所述差值的极性是正的或负的。

4.权利要求1的方法，其中所述计算是根据所述溶液的pH测量值的每次变化而不断地进行的。

5.权利要求1的方法，其中所述电流脉冲是以矩形波的形式并操作所述分配器以控制要加入的所述试剂的剂量。

6.权利要求5的方法，其中在矩形脉冲之间有固定的时间间隔，从而在每次分配之后为将所加入的所述酸试剂或碱试剂与所述被实验溶液充分混合提供时间。

7.权利要求1的方法，在pH值的调整期间，其中所述电流脉冲的大小(持续时间或强度)随着pH测量值和期望值之间的计算差值的变化而随时变化。

8.权利要求1的方法，其中使用至少两个液体分配器，至少一个所述分配器用于分配所述酸试剂，至少另外一个用于分配所述碱试剂。

9.权利要求8的方法，其中所述分配器包括：

一种由电磁装置驱动的可控制的开闭器或者一种由电机驱动的用于分配液体的泵；

一种与所述开闭器/泵可接上和可拆下地连接的容器，该容器用来贮存用于调整pH值的所述酸试剂或碱试剂。

10.权利要求1的方法，其中所述酸试剂或碱试剂指任何适于调整pH值的酸溶液或碱溶液。

11.一种用于将化学溶液的pH值调整到期望值的自动控制装置，所述装置包括：

a.用于测量所述溶液的起始pH值并监测所述溶液的pH值的后续变化的装置；

b.用于计算所述被实验溶液的pH测量值和所述pH期望值之间的差值的装置，由此给出了所述pH测量值和所述期望值的差值以及所述计算差值的极性；

c.根据所述pH测量值和所述期望值之间的计算差值，产生一系列电流脉冲的装置；

d.根据所述计算差值的极性将所述电流脉冲施加到要加入酸试剂或者碱试剂的分配器上和根据所述电流脉冲将所述试剂分配到所述被实验溶液中的装置；

其中上面所述装置在所述pH测量值和所述pH期望值的差值以及所述电流脉冲输出之间形成一个负反馈循环；不断进行所述循环，以逐渐缩小所述溶液的pH值和所述期望值之间的差值；其中上面所述装置在分配器之间还装有一个串扰(cross-talk)装置，以根据所述极性的变化自动控制要加入的所述试剂，从而有效地处理过量问题。

12.权利要求11的装置，其中用于测量所述溶液pH值的装置采用的是pH计。

13.权利要求11的装置，其中所述计算是减法运算，因而所述计算差值是所述减法值的绝对值，所述差值的极性是正的或负的。

14.权利要求11的装置，其中所述计算是根据所述溶液的pH测量值的每次变化而不断地进行的。

15.权利要求11的装置，其中所述电流脉冲是以矩形波的形式并操作所述分配器以控制要加入的所述试剂的剂量。

16.权利要求15的装置，其中所述矩形脉冲相互间被时间间隔分离开，因而在每次分配之后为将所述加入的酸试剂或碱试剂与所述被实验溶液充分混合提供时间。

17.权利要求11的装置，在pH值的调整期间，其中所述电流脉冲大小(持续时间或强度)随着pH测量值和期望值之间的计算差值的变化而随时变化。

18.权利要求11的装置，其中至少两个液体分配器被使用，至少一个所述分配器被用于分配所述酸试剂，至少另外一个用于分配所述碱试剂。

19.权利要求18的装置，其中所述分配器包括：

一种由电磁装置驱动的可控制的开闭器或者一种由电机驱动的用于分配液体的泵；

一种与所述开闭器/泵可接上和可拆下地连接的容器，该容器用来贮存用于调整pH值的所述酸试剂或碱试剂。

20.权利要求11的装置，其中所述酸试剂或碱试剂是指任何适于调整pH值的酸溶液或碱溶液。

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