CN204882359U - 基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，包括微型混合器、流通装置、光源、光纤、光电二极管阵列检测器和计算机处理系统。工作时将不同PH值的待测液体与指示剂分别通过微型混合器实现快速高效混合，混合液流入流通装置，光源发射的紫外可见光透过流通装置后被光电二级管阵列检测器接收，读取其中紫外可见光并将光信号迅速转化为电信号得到不同波长的吸光度值，通过数据处理得到待测溶液的pH值，在计算机处理系统上显示。与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：检测为非接触式，不容易受污染，而且简单、高效、稳定、精确度高，实现强电解质水溶液pH值的快速在线检测；并且适用于快反应过程的追踪，有助于其反应机理研究。

Description

基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置

技术领域

本实用新型涉及pH值在线检测设备，具体来说是一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置。

背景技术

溶液pH值是表征溶液酸碱度的一个重要物理化学参数，它对溶液的物理化学性质、化学反应速度、生成物的成分及性质等都有很大影响。在工业过程控制、农业、医药、生物工程、环境监测等领域中，溶液pH值的测量与控制占有重要地位。

现有的传统pH值测量技术大多采用pH玻璃电极来测量，但pH玻璃电极尺寸大、易碎、保存和使用不方便，且为接触式检测，容易受污染，而且响应时间慢；另外，它对低离子强度体系的测试值不稳定，容易受电磁和无线电频率干扰，无法对其进行快速准确测定。而光度法pH检测装置，相对于传统的pH玻璃电极而言，其具有所需被测液检测量少、抗电磁和无线电频率干扰、动态范围大、响应时间短、测量精度高等优点，但其检测速度仍无法达到追踪溶液快速化学反应过程中pH值变化的要求(亚秒级)。因此，为了探讨溶液pH值与溶液化学反应的内在关系，研究溶液化学反应过程的速率和反应机理，则需要进一步探索检测速度更快、检测稳定性更好的光度法pH在线检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其能快速准确地对溶液pH值进行测定，提高检测效率，同时实时追踪溶液pH值变化过程。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，包括：

微型混合器，用于混合待测溶液与指示剂；

流通装置，具有供待测溶液与指示剂的混合液流过的石英毛细管；

光源，用于输出200～1800nm的紫外可见光；

光纤，用于传输上述紫外可见光，包括第一光纤和第二光纤，第一光纤的输入端连接上述光源的输出端，第一光纤的输出端对应于上述石英毛细管的一侧设置，第二光纤的输入端对应于上述石英毛细管相对的另一侧设置，第二光纤的输出端连接至下述光电二极管阵列检测器的输入端；

光电二极管阵列检测器，接收透过待测溶液与指示剂的混合液的光波，并快速将光信号转化为电信号；

计算机处理系统，接收来自上述光电二极管阵列检测器的处理信号，实时显示吸收光谱以及处理显示待测溶液pH值。

所述微型混合器为Y型微混合器，具有两个进液口、一个出液口和连通进液口与出液口的微通道，此微通道内设计有周期交叉排列导流块使待测溶液和指示剂在轴向的压力梯度作用下产生横向的流动，从而在微通道内充分接触，实现溶液亚秒级的快速高效混合。

所述流通装置包括外壳和置于外壳内的上述石英毛细管，上述外壳呈长方体状，上述外壳的一对底面上开设有相对应的光入射口和光出射口，上述第一光纤的输出端安装于此光入射口内，上述第二光纤的输入端安装于此光出射口内；上述外壳的另一对底面上开设有一对管道连接口，上述石英毛细管的两端分别密封连接有聚四氟乙烯输入连接管和聚四氟乙烯输出连接管，此聚四氟乙烯输入连接管和聚四氟乙烯输出连接管的自由端分别穿设固定于上述一对管道连接口内；上述微型混合器的出液口与上述聚四氟乙烯输入连接管的自由端之间密封连接有聚四氟乙烯入口管，上述聚四氟乙烯输出连接管的自由端密封连接有聚四氟乙烯出口管。

上述外壳的光入射口和光出射口分别对应于上述石英毛细管相应侧的中心位置。

所述光电二极管阵列检测器为多通道检测器，其检测速度快，可以在同一时间接收处理透过试样的所有波长的紫外可见光波，而且可通过光电二极管阵列检测器获得的光谱数据得到实时的吸收光谱图。

采用上述方案后，本实用新型中，指示剂在混合液中的解离随着混合液pH值的变化而变化，从而指示剂的紫外可见吸收光谱也随之变化，通过对吸收光谱线性拟合后计算处理得到混合液pH值，指示剂的浓度确定，从而计算得到待测溶液的pH值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：检测为非接触式，不容易受污染，而且简单、高效、稳定、精确度高，实现强电解质水溶液pH值的快速在线检测；并且适用于快反应过程的追踪，有助于其反应机理研究。同时，相对于其他光谱法pH检测装置，该装置时间分辨率更高，消耗被测混合液少，能实时追踪溶液pH变化，适合应用到各个相关领域，如工业pH原位在线监测等。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中C部分的局部放大示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例，来对本实用新型作进一步的说明。应该理解，下面的实施例只是作为具体说明，并不限制本实用新型的范围，本领域的技术人员根据本实用新型所做的显而易见的改变和修饰也包含在本实用新型范围之内，而且在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

本实用新型一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，如图1-2所示，包括微型混合器1、流通装置2、光源3、光纤4、光电二极管阵列检测器5和计算机处理系统6。

微型混合器1用于混合待测溶液A与指示剂B。在本实施例中，微型混合器采用常规的Y型微混合器，具有两个进液口、一个出液口和连通进液口与出液口的微通道，此微通道内设计有周期交叉排列导流块使待测溶液A和指示剂B在轴向的压力梯度作用下产生横向的流动，从而在微通道内充分接触，实现溶液亚秒级的快速高效混合。

流通装置2具有供待测溶液A和指示剂B的混合液流过的石英毛细管21，石英毛细管21置于金属外壳22内(金属外壳22可用其他材质的外壳来替代，只要满足一定的硬度即可)。石英毛细管对光的透过性好，耐化学性能好，且方便清洗和更换，本实施例中，采用的石英毛细管21长为1cm、内直径为1mm。金属外壳22呈方形，按照图1-2的方位，金属外壳22的上下底面上开设有相对应的光入射口和光出射口，此光入射口和光出射口分别对应于石英毛细管21上下两侧的中心位置；金属外壳22的左、右底面上开设有一对管道连接口(图中未示出)，石英毛细管21的两端分别密封连接有聚四氟乙烯输入连接管(图中未示出)和聚四氟乙烯输出连接管(图中未示出)，此聚四氟乙烯输入连接管和聚四氟乙烯输出连接管的自由端分别穿设固定于上述一对管道连接口内。微型混合器1的出液口与聚四氟乙烯输入连接管的自由端(输入端)之间密封连接有聚四氟乙烯入口管23，聚四氟乙烯输出连接管的自由端(输出端)密封连接有聚四氟乙烯出口管24。

聚四氟乙烯输入连接管的自由端与聚四氟乙烯入口管23之间、聚四氟乙烯输出连接管的自由端与聚四氟乙烯出口管24之间的密封方式可采用常规的方式。如，在金属外壳22的一对管道连接口沿石英毛细管21的轴向分别向外延伸有连接管，此连接管的外壁设有外螺纹，聚四氟乙烯入口管23的相应端穿设于螺母25的螺纹孔内并与螺母25背离金属外壳21的端面固定在一起，螺母25(带着聚四氟乙烯入口管23)通过其螺纹孔与管道连接口的连接管相螺合连接，通过拧紧螺母25使聚四氟乙烯入口管23与聚四氟乙烯输入连接管的自由端结合更加紧密，起到防水作用。同样，聚四氟乙烯输出连接管的自由端与聚四氟乙烯出口管24之间也可采用这样的密封方式。

光源3用于输出200～1800nm的紫外可见光。

光纤4用于传输上述紫外可见光，包括第一光纤41和第二光纤42，第一光纤41的输入端连接光源3的输出端，第一光纤41的输出端安装于金属外壳23的光入射口内，第二光纤42的输入端安装于金属外壳23的光出射口内，第二光纤的输出端连接至下述光电二极管阵列检测器5的输入端。本实施例中，第一光纤41和第二光纤42的直径均为200～400μm。安装时，通过对光纤调整固定实现第一光纤41与第二光纤42对齐，且对准石英毛细管21相应侧的中心位置，从而使得混合液检测厚度等同于石英毛细管21的内直径，金属外壳23的光入射口和光出射口与相应的光纤之间采用常规方式用螺钉固定。

光电二极管阵列检测器5用于接收透过待测溶液A与指示剂B的混合液的光波，并快速将光信号转化为电信号。光电二极管阵列检测器5为多通道检测器，其检测速度快，可以在同一时间接收处理透过试样的所有波长的紫外光波，快速光谱扫描获得全光谱信息；另外，可通过光电二极管阵列检测器获得的光谱数据得到实时的吸收光谱图。

计算机处理系统6用于接收来自光电二极管阵列检测器5的处理数据，实时显示吸收光谱以及处理显示待测溶液pH值。

适用于本实用新型的检测装置的指示剂B，需具有一定解离度，且其一级解离后的离子与未解离的分子具有不同的紫外可见吸收特征谱。

本实施例中，指示剂B以抗坏血酸为例来说明。抗坏血酸有两个解离系数，分别为4.17和11.6。同时抗坏血酸在水溶液中以C₆H₈O₆、C₆H₇O₆ ^-和C₆H₇O₆ ^2-三种形式存在，其中C₆H₈O₆与C₆H₇O₆ ^-都稳定存在，被检测到有紫外可见吸收特征谱，而C₆H₇O₆ ^2-不稳定且没有紫外可见吸收特征谱。因此，本实施例针对抗坏血酸的一级解离情况进行检测分析。

本实用新型的基于吸收光谱的pH值在线检测装置，工作过程如下：

将不同PH值的待测液体A与抗坏血酸B分别由微型混合器3的两个进液口注入，在微型混合器3内实现快速高效混合，待测液体A和抗坏血酸B的混合液由微型混合器1的出液口流出，经过聚四氟乙烯入口管23以5～30ml/min的流速流入石英毛细管21中，光源3发射的200～1800nm紫外可见光通过第一光纤41由石英毛细管21(及其内的待测液体A和抗坏血酸B的混合液)上侧的中心位置入射并由石英毛细管21下侧的中心位置透出，继续在第二光纤42中传输，被光电二级管阵列检测器5接收，并将其中200～800nm波长的紫外可见光的光信号迅速转化为电信号得到相应不同波长的吸光度值，数据获取时间少于20ms，抗坏血酸B的吸收光谱图由Matlab程序实时显示，抗坏血酸B的最大吸收峰处的吸光度值调节在0.2～1.0范围内(此范围内光度准确度高)，光谱带宽为0.95nm，波长准确度为0.5nm。通过计算机处理系统6将此吸收光谱按常规方式经过线性拟合以及计算处理得出pH值，而作为指示剂的抗坏血酸浓度是已知的，从而可以计算得到待测溶液的pH值，在计算机处理系统6上显示。

Claims (5)

1.一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其特征在于，包括：

微型混合器，用于混合待测溶液与指示剂；

流通装置，具有供待测溶液与指示剂的混合液流过的石英毛细管；

光源，用于输出200～1800nm的紫外可见光；

光纤，用于传输上述紫外可见光，包括第一光纤和第二光纤，第一光纤的输入端连接上述光源的输出端，第一光纤的输出端对应于上述石英毛细管的一侧设置，第二光纤的输入端对应于上述石英毛细管相对的另一侧设置，第二光纤的输出端连接至下述光电二极管阵列检测器的输入端；

光电二极管阵列检测器，接收透过待测溶液与指示剂的混合液的光波，并快速将光信号转化为电信号；

计算机处理系统，接收来自上述光电二极管阵列检测器的处理信号，实时显示吸收光谱以及处理显示待测溶液pH值。

2.根据权利要求1所述的一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其特征在于：所述微型混合器为Y型微混合器，具有两个进液口、一个出液口和连通进液口与出液口的微通道，此微通道内设计有周期交叉排列导流块。

3.根据权利要求1所述的一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其特征在于：所述流通装置包括外壳和置于外壳内的上述石英毛细管，上述外壳呈长方体状，上述外壳的一对底面上开设有相对应的光入射口和光出射口，上述第一光纤的输出端安装于此光入射口内，上述第二光纤的输入端安装于此光出射口内；上述外壳的另一对底面上开设有一对管道连接口，上述石英毛细管的两端分别密封连接有聚四氟乙烯输入连接管和聚四氟乙烯输出连接管，此聚四氟乙烯输入连接管和聚四氟乙烯输出连接管的自由端分别穿设固定于上述一对管道连接口内；上述微型混合器的出液口与上述聚四氟乙烯输入连接管的自由端之间密封连接有聚四氟乙烯入口管，上述聚四氟乙烯输出连接管的自由端密封连接有聚四氟乙烯出口管。

4.根据权利要求3所述的一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其特征在于：上述外壳的光入射口和光出射口分别对应于上述石英毛细管相应侧的中心位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于吸收光谱的pH值快速在线检测装置，其特征在于：所述光电二极管阵列检测器为多通道检测器。