CN203203922U - 一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置。本实用新型属于检测设备领域，特别涉及溶液中物质浓度检测设备。一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，由光纤和设置于光纤末端的探头装置组成，探头装置由一对相对组装的“金属镜面”构件组成。本实用新型通过特殊设计的光纤传感探头实现了对染液中染料浓度的原位实时在线监测，可将探头装置直接置于染色设备中，此光纤探头装置设计科学、性能稳定，使用方便，能适应染色机高温、高压、酸碱环境、染液流动及设备正常工作时产生的震动等环境不安定因素。

Description

一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置

技术领域：

本实用新型属于检测设备领域，特别涉及溶液中物质浓度检测设备。 

背景技术：

纺织品的染色历史悠久，实际生产中，操作人员一般凭经验判断调整工艺获得所需的产品，因此产品质量稳定性差，质量得不到保证。即使在近代开发了电气控制染色设备和自动测配色设备，但由于缺乏染色过程参数实时监控系统，染色一次成功率也不高，修色或拨色复染不仅浪费能源，降低产品质量，增加废水排放，而且延长交货时间，影响企业信誉。因此，开发在线检测与控制设备，对纺织品染色过程中染液状况进行原位实时在线检测与控制，提高纺织品染色一次成功率，对提高产品质量，降低成本，减少污水排放具有重要的实际意义。染料浓度在线监测设备的缺乏，使我国的染色工作者对染料上染过程的研究和认识还只能停留在较低的水平，这也是多年来我国纺织品染色技术难有重大发展的原因之一。而国外的现有技术提供的在线监测设备也存在着局限性和不足。可见，在线检测和控制设备的开发是具有很高实用价值的研究课题，可为印染企业带来可观的经济效益。 

由于染色过程的复杂性，我国现有的相关在线自控设备，主要是轧染中轧液率(液位)的实时监测与控制系统，因存在种种问题，至今尚不能实时检测染色过程中染液浓度的变化。目前，对染液浓度的测试，需要从染缸中取出染液，经过冷却，用分光光度计测其吸光度，根据标准曲线求出染液浓度，这种测试方法操作繁琐、费时，不能实时反应染液中各染料的状况。染色过程原位在线实时监测技术的关键问题之一是探头的设计与应用，分光光度计用的比色皿不能适应连续监测的要求，不能耐高温高压染色环境，染液流动和机械振动影响测试准确度，而此探头能适应纺织品常规染色条件，耐高温高压，耐酸碱腐蚀，染液流动及机械正常运转时的振动不会影响测量准确度，将探头装置安装于染色机中，结合光谱测试与分析系统，可实现原位在线实时监测染色过程。染色过程的原位在线实时检测，可了解和掌握上染过程中很多细节，如染料配伍性、上染速率、匀染剂的作用、温度和pH值的影响以及皂洗效率等，这些数据的积累，可为染色工艺从宏观经验控制向过程参数精细化调节，以及向数字化控制方向转变提供重要基础。通过在线监测染色过程，可控制上染速率、减少复染率，减少染料、助剂用量，缩短染色时间，减少水、电、汽用量，从而节能减排、降低废水排放、提高经济效益。 

目前测定工作液浓度最常用的、最成熟的方法是分光光度法，它是基于物质对光的选择性吸收与物质的含量之间的关系而建立的分析方法，不同物质都有各自的吸收光带，当光色散后的光谱通过某一溶液时，其中某些波长的光线就会被溶液吸收，在一定的波长下，溶液中物质的浓度与光能量减弱程度有一定的比例关系，即符合Lambert-Beer定律：A＝εbc，当被测物质种类、入射光波长、溶剂、温度、光程通过液层的厚度不变时，物质对光的吸收程度与物质的浓度成正比。将工作液置于一定厚度的玻璃或石英样品池中，测试一系列已知浓度的工作液的吸光度值，在一定浓度范围内，吸光度与物质浓度呈线性关系，然后，测试该物质未知浓度溶液的吸光度，由两者之间线性关系求得该溶液浓度。 

近几年来，国内外科技人员在染料浓度在线检测方面投入了很大的研发力量，有一些在线检测设备问世。英国利兹大学和瑞士Mathis AG公司合作开发了SMART LIQUOR在线监测设备，该设备依据分光光度法原理，改变样品池的构造(见图1)，使测试溶液可以连续通过样品池，从而实现连 续监测。其硬件部分主要包括分光光度计、比色皿切换器、冷却装置、滤光器、若干阀门和高质量不锈钢机箱中的流量计(见图2)。软件系统采用基于郎伯-比尔定律光吸收的算法。此设备可与任何带有染液循环的染色设备相连接，此外，如果染色机安装Mathis AG公司的Univision控制设备，结果可显示工艺参数(温度、pH值、差压、浓度曲线等)，以便于解释测试数据。该设备以一定时间间隔(如每5～10min)从染液中取样分析，以电子数据表格形式给出吸光度值，也有配套软件绘制上染速率曲线，并以图形形式记录数据。 

英国Roaches公司研发了具有类似功能的Colortec型试验机，这些设备是将普通分光光度计中的比色皿改为流动池比色皿，并加上一些辅助装置，使染浴中染液通过毛细管导入冷却器降温后，进入分光光度计的流动池比色皿，电脑通过分光光度计的数据接口，定时读取染液的吸光度数据，实现染液浓度在线分析。 

瑞士Mathis公司的Smart Liquor试验机和英国Roaches公司的Colortec型试验机，能够检测320-800nm波段的吸光度或透射率谱图及染色速率曲线。是目前技术较为成熟的染液浓度在线检测系统，目前这些设备主要用于实验室进行工艺研究，尚未用于实际生产染料浓度的监控，而且这些设备价格昂贵，一般企业难以负担；因这些试验机在工作时，染色机中的染液先通过泵的加压作用被输送到分光光度计的样品池中，再检测样品池中染液的吸光度值，是“先取出染液，经冷却再测试”的工作原理，显然存在着输出的数据有明显的滞后于染液“实时浓度”的不足，这使染液浓度的控制存在滞后；其不足还表现在，因用于检测吸光度的仪器为常规的光电分光光度计，光传递即光路是通过反光镜的多次反射，再经过狭缝射出光束照射到液体来测试吸光度值，反光镜和狭缝会因为震动等外部环境因素，影响测试灵敏度和准确度；测试时仪器对染液温度有要求，也给在线实时监测带来麻烦。此方法对单组分染料浓度的在线测定取得较好的效果，但存在浓度测试范围小、多波长检测速度慢等问题。 

实用新型内容：

针对现有技术的不足，本发明采用特殊设计的光纤传感探头装置代替比色皿，解决现有技术不能原位实时监测染液浓度的问题，实现真正意义上的原位实时监测。对染液进行原位全波段或多波段的实时光谱分析，得到瞬时的UV/VIS光谱，从而获得染液中染料的瞬时上染率等相关信息。此探头监测装置设计科学、性能稳定，使用方便，能适应染色机高温、高压、酸碱环境、染液流动及设备正常工作时产生的震动等环境不安定因素。 

所述一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，由光纤和设置于光纤末端的探头装置组成，探头装置由一对相对组装的“金属镜面”构件组成，金属镜面的直径为0.2-5mm； 

两镜面间距约为1-5mm。 

探头外侧设置罩体，罩体上端与探头上端连接固定，连接处采用弹性橡胶或塑料材质； 

罩体侧面或上部安装金属网，罩筒长度大于探头，可使探头浸于筒内液体中。 

所述光纤连接到由主要由光源和光纤光谱仪组成的主机，主机连接电脑。 

罩体为不锈钢或塑料等材料。 

主机中设置光源、光纤光谱仪及相关配件，使光信号被快速处理，得到原位全波段实时光谱图，获得在设定波长下的吸光度值或透射率值，以及按设定时间间隔不断地给出监测值。结合强大的软件分析计算系统，对基础数据进行运算，实时将吸光度值换算为染液浓度、上染率、上染速率等信息。 

电脑上显示具体检测数据。 

金属网的作用，一方面便于罩筒内液体与染缸内染液交换，确保检测染液状况的实时性；另一方面，阻挡纤维屑进入探头测试区域，确保测试的准确性。 

本发明应用特殊设计的光纤传感探头装置，可将光纤探头装置直接置于工作液中，光源发出的光由光纤稳定传导，在探头处光束能量被染液吸收，透过的光束能量被检测。通过光纤光谱仪，使光信号被快速处理，得到原位全波段实时光谱图，获得在设定波长下的吸光度值或透射率值，以及按设定时间间隔不断地给出监测值。结合强大的软件分析计算系统，对基础数据进行运算，实时将吸光度值换算为染液浓度、上染率、上染速率等信息。解决了现有光谱分析技术不能原位在线连续实时监测的技术难题。 

本发明所述的“基于光纤传感原位在线监测探头装置”，可将此探头装置直接放入待测工作液中，比如，可将探头装置直接放进染缸中，原位监测染色过程中参数的实时变化情况；也可将探头装置放进反应釜中，原位实时监测反应过程中组分的变化情况。通过高速光谱扫描装置，可瞬间测试工作液光谱图，实现原位实时监测工作液状况，再通过软件系统对光谱的分析，可获得如下信息： 

①实时给出全波段(190nm-900nm)范围内吸光度-波长和透射率-波长光谱图； 

②同时给出在190nm-900nm波长范围内多个任意设定波长如320nm、400nm、530nm等处的吸光度值和设定波长处的吸光度-时间曲线；可根据需要设定读数时间间隔，如设置读数时间间隔为10秒，则光纤检测系统会每隔10秒钟扫描一次，给出吸光度数值。 

③给出工作液中一个或多个测试目标物质的浓度与时间的关系曲线，即测试目标物质随时间变化曲线，对目标物质在过程中的变化进行实时监测。 

此探头装置设计小巧，使用方便，不受环境温湿度、化学试剂腐蚀、工作液流动和一般震动影响。可安装在反应设备中，在线实时监测过程参数变化状况。 

例如，应用于染色过程监测与控制，将此探头装置安装于染色机中，可原位实时监测染液浓度的变化，及时发现由于染色工艺波动或操作失误而引起的上染速率变化，控制染色过程在理想的状况。应用于生物反应过程监测，可将此探头装置置于生物反应器中，原位在线检测生物反应过程，及时发现由于环境条件变化而引起的生物反应体系的变化。应用于环境化工，可原位在线监测环境目标物质的变化情况，为污染控制提供基础数据，在化工反应过程中，实时监测产物组分的变化，控制反应工艺，提高产量。 

测试时探头放入染液中，被测染液存在于两镜面之间，光源发出的光由光纤传播，光束通过光纤的传导，保持了光的组成及光路传递的稳定性。与光纤直接连接的镜面发射来自光纤的光束，通过染液吸收后，相对的镜面随即反射透过的光束，光束再次通过染液并被染液吸收，最终回到发射光束的 镜面，通过光纤将此光束输送至光电转换、信号分析及运算装置，测试被染液吸收的光强度，计算出吸光度值。这种装置设计，保证了在染色机正常运行时实现原位监测染液浓度和真正意义上的实时监测。 

有益效果： 

本发明通过特殊设计的光纤传感探头实现了对染液中染料浓度的原位实时在线监测，可将探头装置直接置于染色设备中，光源发出的光由光纤传输到安装于光纤末端的探头，光通过液层并被染液吸收，由镜面反射到CCD阵列检测器，从而及时测得染浴中的吸光度变化情况，再由分析软件计算出染液浓度的实时变化情况。此光纤探头装置设计科学、性能稳定，使用方便，能适应染色机高温、高压、酸碱环境、染液流动及设备正常工作时产生的震动等环境不安定因素。 

对染色过程中染料浓度的变化进行实时监控，以掌握染料在染液中的多种行为，为印染企业提高实验室准确度，提高从实验室小样到生产放样准确度，选择配伍性及直接性优秀的染料拼色，确定最佳工艺条件，以及在短时间内掌握并标准化实验室与生产现场间的色差要素，掌握发生色差的原因，减少色差，降低复染率，提高产品颜色一致性等方面提供强大的解决方案。印染企业采用此装置进行染色过程控制，还可控制上染速率，减少复染率，并通过减少染料、助剂的用量、减少染色时间等，减少水、电、汽的用量等，提高经济效益，减少染色成本，同时还降低污染排放，对提高经济效益和社会效益具有重要实际意义。 

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图 

图2为探头结构示意图 

其中，1——染液容器，2——探头，3——金属管，4——光纤线，5——处理主机，6——数据线，7——计算机，8——金属镜面，9——不锈钢罩体，10——金属网。 

具体实施方式：

本发明装置由光纤线4和安装于光纤末端的探头2组成，探头由一对相对组装的金属镜面8和放置光纤的金属管3组成； 

金属镜面的直径为5mm，两镜面间距约为3mm。探头通过光纤线4连接数据转换和处理主机5，处理主机5通过数据线6连接计算机7。探头装置放置于染液容器1内。 

探头外侧设置不锈钢罩体9，罩体上端与探头连接固定，连接处采用弹性橡胶或塑料材质；罩体侧面或上部安装金属网10，罩体长度大于探头；使探头浸于筒内液体中。所述光纤连接到由光源、光纤光谱仪及相关配件组成的主机，主机连接电脑。 

主机中设置光源、光纤光谱仪及相关配件，可使光信号被快速处理，得到原位全波段实时光谱图，获得在设定波长下的吸光度值或透射率值，以及按设定时间间隔不断地给出监测值。结合强大的软件分析计算系统，对基础数据进行运算，实时将吸光度值换算为染液浓度、上染率、上染速率等信息。电脑上显示具体检测数据。 

Claims (6)

1.一种基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，由光纤和设置于光纤末端的探头装置组成，探头装置由一对相对组装的“金属镜面”构件组成。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，其特征在于所述金属镜面的直径为0.2-5mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，其特征在于所述探头外侧设置罩体，罩体上端与探头上端连接固定，罩体侧面或上部设置金属网。

4.根据权利要求3所述的基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，其特征在于所述罩筒长度大于探头，可使探头浸于筒内液体中。

5.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，其特征在于所述光纤连接到主要由光源和光纤光谱仪组成的主机，主机连接电脑。

6.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感原位在线监测染液浓度的探头装置，其特征在于所述罩体为不锈钢或塑料。

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