CN2844906Y

CN2844906Y - 测量化学元素浓度的色度读取器

Info

Publication number: CN2844906Y
Application number: CNU2004200509028U
Authority: CN
Inventors: 布恩松·萨塔普; 阿莫特·索姆布齐; 拉撒萨塔·阿玛里特; 斯塔鲍恩·坎霍姆
Original assignee: NATIONAL SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT OFFICE
Current assignee: NATIONAL SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT OFFICE
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2014-05-10

Abstract

本实用新型涉及测量化学元素浓度的色度读取器，该色度读取器具有三原色光源，使其能够更广泛地覆盖化学元素与光的作用区，能够准确测量多种化学元素浓度。

Description

测量化学元素浓度的色度读取器

技术领域

本发明应用于电子光学，特别是化学元素量的测量，通过读取试纸上所产生的颜色或测量穿过溶液的吸光率来进行。

背景技术

过去要测量例如水的含砷量、血糖、酸碱性等化学元素含量，可以将预先涂有试剂(反应物)的试纸浸泡在需要化验的溶液里。试纸上的反应物与溶液中的化学元素发生内部反应时，将发生颜色变化。颜色会随着所测化学元素的浓度而变化。例如，在测量酸碱值(pH值)时，pH值在0(酸)～14(碱)的范围内，试纸将根据样品的酸碱性发生从红色到蓝色范围内的变化。或在测量砷的含量时，试纸上的反应物将发生诸如从白色到灰色或天蓝色范围内(含砷0～100ppb)的变化。之后，将试纸进行颜色比较，来读取浓度值。一般情况下用肉眼将试纸与已知浓度样品的颜色样本进行比较，这样所读取的值与原值偏离的大小取决于观察能力、外界光源、以及比较分析人员的经验，因此可能会产生很大的误差，特别是当所测化学元素的浓度很低时。

如今已发明了许多种通过测量样品物质的色度或光的强度来测量浓度数值的装置以代替用肉眼比较颜色的方法。工作人员经常利用这些装置来检测，可以立即显示所测物质的浓度和含量，适用于现场作业。具有诸如尺寸小，可以用电池维持工作等优点。

应用此项发明技术的装置可根据其工作性质分成三组：

视觉辅助比色装置(Visual-aided Devices)，

样品反射光比色装置(Light reflecting samples)，

样品透射光比色装置(Light transmitting samples)

视觉辅助比色装置有助于更好地观察颜色，特别是在被测物质浓度很低的情况下。当继续与反应物发生反应时，颜色往往会褪去许多，致使肉眼很难分辨。现在所售的设备之一是德国Tintometer公司的Lovibondcomparator(比色计)产品，该设备采用玻璃滤光片代替印在纸或塑料上的已知浓度样品颜色样本的方式，内部设有光源，用于照射和比较样本与玻璃片的颜色，并设有预防外界光线干扰的暗盒。所测量的样品物质为允许透射光透过的溶液或液体状态时，不使用试纸样品。测量一种化学元素可能要用玻璃滤光片5～10色(一色对应一片)，当需要测量别的物质时，就要换用对应的玻璃滤光片，仍然解决不了用肉眼观察时所产生的对颜色反应不一这一问题。然而，现在仍有人使用这种工具，因为其价格相对低廉。

第二类装置适用于测量不透光的样品或透光极少的样品，所以总是测量样品的反射光状态。例如，正常情况下试纸是白色的，并不允许透射光通过，或在有些情况下有极少的透射光通过。当试纸与涂在其上需要测量的化学元素反应时，就会产生颜色。这种装置叫反射光度计(Reflectometer)

反射光度计测量的原则是样品反射光的强度与需要测量的化学元素的浓度相联系。因此需要选择最合适的波长来测量该物质。这种情况下不是直接测量样品的颜色，而是用测量反射光的强度代替。知道了反射光的强度就能计算出被测化学元素的浓度。这种发明申请了WO9923479专利(Technical Chemicals&Products，Inc.)，在测量中使用某一种波长的发光二极管。当需要测量其他物质时，必须选用另一种波长的光或Peters Engineering公司的PeCoAS75代(g)工具，该工具使用试纸读色，用于砷元素(Arsenic，As)的成套化验。由于反射光度计只能使用一种波长，所以存在不能用于多种化学元素分析的局限性。

第三类设备称为光度计或色度计(Photometer or Colorimeter)，用于不完全透光的溶液的测量，广泛用于现场测量工作。它采用测量吸光率的原理，并与化学元素的浓度值相关。依据Beer-Lambert’s Law定律，一定波长的吸光率将直接随着化学元素的浓度变化，这就使得测量工具的检测和设计变得简单易行。在设计时总是使用一种波长，在实际使用时工作人员将选用发光二极管作为光源，因为发光二极管价格低廉，耗能少，寿命长。为了满足足够波长的需要，有些情况下可能会加用滤光片。基于这些优点，有多家生产这种用来反应并产生颜色的反应物工具的制造商，例如Merck，Hach，Hanna，Tintometer等。

尽管有这么多优点，但光度计或色度计还是存在局限性。例如，一台配有一个发光二极管的装置，只能用于1～2种物质的测量。当需要用一台装置测量多种物质时，需要增加发光二极管的数量，例如，在波长是400～700纳米nanometer(nm)时，就需使用6个发光二极管，这就增加了发光二极管的数量，从而提高了设备的价格和光学系统设计的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是用于测量化学元素浓度的色度读取器，该色度读取器价格低廉、尺寸小、降低了肉眼观察的局限性以及外界光源所导致的误差。

本发明的另一目的是使得测量化学元素浓度的色度读取器能够准确无误的测量出多种化学元素。

为了达到第一个目的，此发明使用装有三原色光源，即红光、绿光和蓝光的用于测量化学元素浓度的颜色测量比较装置。此装置使光线照射到试纸反应区或穿过需要检测的溶液并进入光电检测器(Photodetector)，三种颜色的反射光或透射光的强度被用来计算，并与已知浓度颜色样本(查表(Look-up table))相比较后得出与其中的何种颜色相一致，并记录一定数量的P_i(R_i，G_i，B_i)和C_i的值。P_i(R_i，G_i，B_i)是第i个标准样品的光的强度，C_i是第i个样品物质的化学浓度值，i的取值范围是1，2，3……n，n是进行检验和比较的全部标准样品的数量。如果P(R，G，B)指的是每次被测量样品的光的强度，该工具将通过计算求出P(R，G，B)与P_i(R_i，G_i，B_i)之间每点的色差(colordifference)，进而得出所测样品物质的浓度。为了换算出需要测量的化学元素浓度值，选择色差最小的两个P_i(R_i，G_i，B_i)值进行插值法(interpolation)处理。这就降低了观察的误差，更加准确的计算并测量出化学元素的浓度值。

为了达到第二个目的，应用本发明的比色仪具有三原色光源，使其能够更广泛地覆盖化学元素与光的作用区，能够测量多种化学元素浓度。应用本发明的机器具有能够保存一定数量的已知浓度颜色样本的记忆单元，或能下载与被测化学元素相匹配的已知浓度颜色样本。因此，当需要测量其他化学元素时，就能选用相应的已知浓度颜色样本。

在研究并参考了附图和最佳发明形式的细节后，此项发明的这些目的和特点将体现得更清晰，下文将继续阐述说明。

附图说明

图1表示的是仪器的安装、及用三种发光二极管(红、绿、兰)和一个光电探测器来测量半透明样品物质的颜色的仪器样图。

图2表示的是仪器的安装、及用一种发光二极管(白)，三个光电探测器和三色滤光镜(红、绿、蓝)来测量半透明样品物质的颜色的仪器样图。

图3表示的是仪器的安装、及用三种发光二极管(红、绿、兰)和一个光电探测器来测量不透光样品物质的颜色或浓度的仪器样图。

图4表示的是仪器的安装、及用一种发光二极管(白)，三个光电探测器和三色滤光镜(红、绿、蓝)来测量不透光样品物质的颜色或浓度的仪器样图。

具体实施方式

以下通过实施例并参考附图更好地说明本发明。图中相同的部分将用同一个附图标记代替，以保持一致性。发明的范围由本文最后所附的权利要求书确定。

用于测量化学元素浓度值的比较颜色仪器的工作原理

本发明的工作原理是采用测量颜色的技术读取样品物质的浓度值，此技术是测量在由红、绿、蓝三色组成的原色区的光学参数(Opticalparameters)后，与已知强度样本比较而求出最小的色差，从而得到被测物质的浓度值。本发明中红、绿、蓝光的标准为：红光波长范围为580～780nm，绿光波长范围为500～580nm，蓝光波长范围为400～500nm。在样品不透光的情况下，强度指的是被测样品反射光的强度值(反射率(Reflectance))。对于半透明的样品，强度指的是被测样品透射率或吸光率(Transmittance or Absorbance)。比色电子仪器的工作原理还包括使用反射率(Reflectance)，吸光率(Absorbance)和透射率(Transmittance)。下文将继续阐述应用本发明的例子。

假设我们正在使用一种应用本发明的装置来测量某种叫A的化学元素的浓度，用P(R，G，B)表示每次所测得样品的光强度，用P_i(R_i，G_i，B_i)表示第i个标准样品物质的光强度，i的取值范围是1，2，3……n，n是进行比较和检验的全部标准样品数量，通常情况下n＞1。C_i为待测标准样品物质的已知化学元素浓度值，C_i的值通过与该发明无关的其他方式获得。当该发明设计用于不透光样品检测时，用P(R，G，B)表示依次在红、绿、蓝光波长范围内样品的反射率。当该发明设计用于半透明样品时，用P(R，G，B)表示依次在红、绿、蓝光波长范围内的透射率或吸光率。

为了更好的理解该发明的工作原理，请看附表1。表1是化学元素A的1号标准样品(Ref.#1)样例比较表，A化学元素的浓度为C₁，红(Redfactor)、绿(Green factor)、蓝(Bule factor)光的强度依次为R₁、G₁、B₁。同理，第n个标准样品的浓度为C_n，红、绿、蓝光的强度依次为R_n、G_n、B_n。假设每次样品所测的强度为P(R，G，B)，当拿此值与表中的每个样品强度值P_i(R_i，G_i，B_i)比较时，计算求出色差(Colordifference)。如果P(R，G，B)与P_i(R_i，G_i，B_i)的任何一个值之间存在最小色差，表示所测的样品含化学元素A的浓度与标准样品的值最接近。例如，如果所读取的强度与2号标准样品强度的色差最小，则所读取的浓度值就应是C₂。

表1被测物质与光的颜色比较

	红色光的强度(R)	绿色光的强度(G)	蓝色光的强度(B)	化学元素的浓度(mg/l，ppb)
	红色光的强度(R)	绿色光的强度(G)	蓝色光的强度(B)	化学元素的浓度(mg/l，ppb)	Ref.#1	R₁	G₁	B₁	C₁
Ref.#2	R₂	G₂	B₂	C₂	Ref.#1	R₁	G₁	B₁	C₁
Ref.#2	R₂	G₂	B₂	C₂	Ref.#3	R₃	G₃	B₃	C₃
…	…	…	…	…	Ref.#3	R₃	G₃	B₃	C₃
…	…	…	…	…	Ref.#i-1	R_i-1	G_i-1	B_i-1	C_i-1
Ref.#i	R_i-1	G_i	B_i	C_i	Ref.#i-1	R_i-1	G_i-1	B_i-1	C_i-1
Ref.#i	R_i-1	G_i	B_i	C_i	Ref.#i+1	R_i+1	G_i+1	B_i+1	C_i+1
…	…	…	…	…	Ref.#i+1	R_i+1	G_i+1	B_i+1	C_i+1
…	…	…	…	…	Ref.#n	R_n	G_n	B_n	C_n

所读取的色度值P(R，G，B)与标准样品的色度值P_i(R_i，G_i，B_i)之间的色差值(CD_i)可以用以下方程来计算：

计算色差的公式

{CD}_{i} = \sqrt{{(R_{i} - R)}^{2} + {(G_{i} - G)}^{2} + {(B_{i} - B)}^{2}}

(方程1)

根据方程1，如果标准样品物质CD_i有最小值，表示所测的色度与标准样品的值最接近。那样，所测的浓度值也应与标准样品的值最接近。如果标准样品的数量很大，所读取的浓度值将更加准确。这样，标准样品的数量将取决于使用的适宜性和成套化验工作者的需要。

如果所测量的样品强度P(R，G，B)值或任何标准样品的强度P_i(R_i，G_i，B_i)值，在最大值P(R_MAX，G_MAX，B_MAX)和最小值P_MIN(R_MIN，G_MIN，B_MIN)之间，则工作者根据使用的适宜性来设最大值或最小值。举例如下：

例1：在白色的纸上测颜色，在纸的区域内所产生的色点可能形成圆形、正方形或其他形状。这种情况下的强度值P(R，G，B)指的是纸上由色点反射的光的强度。当色点为白色或直接来自纸面的颜色时，反射光的强度有最大值。因为白色物质反射光线强于别的颜色的物质。从成套化验的角度看，当色点为白色时，表示没有待测化学元素或只能测量到极少的数量。当我们使用8bit的电子系统，可以设白色反射光的强度值P(R_MAX，G_MAX，B_MAX)＝P(255，255，255)，反射光强度的最小值往往来自暗色点。例如，黑色，我们设最小值P_MIN(R_MIN，G_MIN，B_MIN)＝P(0，0，0)。

例2：测量液体或溶液的颜色，这时光的强度值P(R，G，B)表示透射率或吸光率。假设我们选用透射率表示光的强度值，当溶液无色时强度最大，例如，水的样本。当把特定的检测物质加入水的样本中并产生颜色时，透射光的强度将降低。如果水的样本颜色很暗，透射光的强度将大幅下降。最终，光线将不能透过水的样本。因此在这种情况下，可以设强度的最大值P(R_MAX，G_MAX，B_MAX)＝P(100，100，100)，最小值P_MIN(R_MIN，G_MIN，B_MIN)＝P(0，0，0)，方便于用百分比形式表示比较透射光的强度值。

预测浓度的技术

由于应用本发明的仪器的工作原理是把读取的色度与标准样品的值作比较，因此所读取的化学元素的浓度有离散值(discrete value)，此浓度值等于已知标准样品物质的浓度值或等于表1中C₁，C₂，C₃，…，C_i，…C_n的任一值。当发现所读取的色度与某种标准样品色度的色差最小时，所读取的浓度就等于该种样品的浓度值。这一点前面已有所说明。如果所读取的浓度值等于C_i，被测物质的实际浓度将在[(C_i-C_i-1)/2]和[(C_i+1-C_i)/2]之间，该实际浓度可以通过其他方法获取，就是说我们能够通过使用极小浓度差的标准样品，或加入大量标准样品的方式来降低测量的误差。这种作法提高了测量比较工具的费用，增加了耗时。除此之外，从工具的设计角度看，将会使用更多的测量比较图表以及具有更强存储功能的电子器件。

以下所要说明的计算技术，使应用该发明的仪器所读取的化学元素的浓度值与实际浓度值非常接近，或者说在不用增加检测比较图表的数量或改变工具装置的情况下来降低误差。

例如所测的化学元素有象表1那样的检测比较表，给出一定的浓度值，那么应用该发明的仪器所读取的强度值等于P(R，G，B)，用方程1的公式计算所测强度值P(R，G，B)与每个标准样品的强度值P_i(R_i，G_i，B_i)的色差。并规定前两种标准样品的色差最小，实际浓度值将在这两种标准样品的浓度值之间。假设两种标准样品的浓度值为C_m，C_n且C_m＜C_n，可以按如下方程预测新的浓度值(C)：

C = C_{m} + (C_{n} - C_{m}) \frac{\sqrt{{(R_{m} - R)}^{2} + {(G_{m} - G)}^{2} + {(B_{m} - B)}^{2}}}{\sqrt{{(R_{m} - R)}^{2} + {(G_{m} - G)}^{2} + {(B_{m} - B)}^{2}} + \sqrt{{(R_{n} - R)}^{2} + {(G_{n} - G)}^{2} + {(B_{n} - B)}^{2}}}

(方程2)

或

C = C_{n} - (C_{n} - C_{m}) \frac{\sqrt{{(R_{n} - R)}^{2} + {(G_{n} - G)}^{2} + {(B_{n} - B)}^{2}}}{\sqrt{{(R_{m} - R)}^{2} + {(G_{m} - G)}^{2} + {(B_{m} - B)}^{2}} + \sqrt{{(R_{n} - R)}^{2} + {(G_{n} - G)}^{2} + {(B_{n} - B)}^{2}}}

(方程3)

C_m和C_n是两种标准样品的浓度值与所测强度的色差最小的前两个值，且C_m＜C_n。

P(R，G，B)是与浓度相对应的的强度值，该强度可能是反射光的强度、透射光的强度或吸光率，这在4.1中已有所说明。

P(R_m，G_m，B_m)是与第m个标准样品的浓度值C_m相对应的强度值。P(R_n，G_n，B_n)是与第n个标准样品的浓度值C_n相对应的强度值。

在计算求取浓度值C的过程中，可以选用方程2或方程3，计算所得值相近，为了更好了解此种计算技术，有必要思考以下例子：

表2表示化学元素A的检测比较表，通过技术处理在纸上产生颜色。因此这里的强度P(R，G，B)指的是反射光的强度，且规定反射光的强度有最大值P_MAX(100，100，100)。当反射来自白纸，反射光的强度有最小值P_MIN(0，0，0)。当色点为黑色时，表中标准样品的强度值及相关数值使用ppb(十亿分之一)单位。

假设在一次求取化学元素A的含量的试验中，所测的强度是P(x，y，z)，当根据方程l中的公式计算求得的色差(CD_i)表示5号样品有最小色差，因此化学元素的浓度就应该等于100ppb。但通过观察，强度值P(100，100，40)在4号与5号标准样品的强度值之间，浓度值应在80～100ppb之间，与100ppb的值很相近。为使预测值与实际数值更接近，可以用方程3计算这种浓度值：

C＝100-(100-80)(4/16)＝100-5＝95ppb

计算得出化学元素A的浓度值等于95ppb，介于4号和5号样品的浓度值之间。在不增加或改进检测比较表的情况下，这种计算技术将有助于读取的数值与实际值更相近。

表2化学元素A的检测比较表

参考编号	红色光的强度(R)	绿色光的强度(G)	蓝色光的强度(B)	化学元素的浓度(mg/l，ppb)	色差(CD_i)
参考编号	红色光的强度(R)	绿色光的强度(G)	蓝色光的强度(B)	化学元素的浓度(mg/l，ppb)	色差(CD_i)	Ref.#1	100	100	100	0	60

Ref.#2	100	100	85	30	45
Ref.#2	100	100	85	30	45	Ref.#3	100	100	73	50	33
Ref.#4	100	100	52	80	12	Ref.#3	100	100	73	50	33
Ref.#4	100	100	52	80	12	Ref.#5	100	100	36	100	4
Ref.#6	95	73	39	120	27	Ref.#5	100	100	36	100	4
Ref.#6	95	73	39	120	27	Ref.#7	77	55	30	200	51
Ref.#8	61	48	29	300	66	Ref.#7	77	55	30	200	51
Ref.#8	61	48	29	300	66	Ref.#9	50	45	30	500	75

装置安装实施例

以下将说明各种装置安装的方法，为了更好的理解应用本发明的仪器的工作原理和实际应用，将分别对装有半透明样品式和不透光样品式的装置进行说明，主要阐述对此发明设计的基本原理，并简述各种装置设计细节。应用本发明的装置设计基础与光度测定器(photometer)，色度计，反射光度计相似，这一点大家已广泛知晓。说明将采用特定符号和数字代替某一装置的图形，除非在资料中有特别说明，一种装置将使用一种符号和数字。

安装用于测量半透明样品物质颜色的装置

图1和图2表示安装用于测量各种半透明样品物质颜色的装置。其基本原理是：测量透射光强度的结果是表示与透射光强度相同的强度值P(R，G，B)，然后将所得强度值收集，根据先前所说的原理，可应用于化学元素浓度值的读取。

图1用红(3a)、绿(3b)、蓝色(3c)的发光二极管(LED)做光源。图2中用通用性白色发光二极管(White-light LED)(22)，安装这种装置是为了满足液体或溶液样品的要求，该装置也能够应用于其他任何光能透射的样品。例如，固体、粉末、颗粒等。在样品是液体的情况下，要使用透明容器(Transparent container)(1)，例如，瓶状、筒状、正方形或圆形的透明玻璃或塑料制品。

然而在图1中光源分别是由红、绿、蓝色的发光二极管组成的三色发光二极管，下文称为“RGB LED”。此发光二极管将三个颜色的发光二极管置于一个发光二极管中，或是将三色发光二极管分离，每个依次为红、绿、蓝色。微控制器(11)(Microcontroller)应用于整个系统装置。在发光二极管(3a，3b，3c)部分有发光二极管驱动电路(10)，用于控制RGB LED并向其输送由工作者根据需要设定的电流。电子开关(9)用于控制每次每个发光二极管的照射，进行交替照射，直到三色齐全。当红、绿、蓝色的入射光(5)照到被测样品物质(2)上，在穿过透明器皿(1)过程中，有些光被吸收，剩余的光(7)将透射过被测样品。

每种颜色的透射光强度值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。为得到进行测量所需的光线可以加入透镜(4)(6)，红、绿、蓝色透射光的强度将用光电探测器或测光头(8)来测量。例如，光电二极管等，测光头将把光信号转换成电信号，来自测光头的电流值将被转化为光的强度值。由于来自测光头的信号往往信号值很低，所以一定要使用前置放大器(Pre-amplifier)和放大器(Amplifier)来适当调节信号。模数转换器(A/D Converter)用于转换来自测光探头，或通过滤光镜输入的、由光电二极管采集的电信号，并将其转换为数字信号(digital)。即，依次为红色信号R、绿色信号G、和蓝色信号B，用于比较数字信号P(R，G，B)在透射率中的变化，以及存在于图表数据记忆单元中的比较颜色图表中的值的变化。以便通过计算求得与储存在该仪器的记忆单元(17)中的比较颜色图中的参考值相近的化学元素的浓度值，以及用终端显示屏(12)显示所得浓度值的结果。

图2表示安装用于测量另一种半透明样品物质的颜色或浓度的光学仪器。这种情况下，光源是白色发光二极管或灯泡，例如白炽灯。驱动发光二极管电路(10)用于控制发光二极管的工作，微控制器(11)用于控制整个系统的工作。当光(5)照射到被测样品物质上，在穿过透明器皿(1)过程中，有些光被吸收，剩余的光(7)将透射过被测样品。每种颜色的透射光强度值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。为得到进行测量所需的光线可以加入透镜(4)(6)。

样品物质的透射光(7)将被分为三种颜色：红色、绿色和蓝色。使用特定的第一种窄带滤光器(Narrow-band filter)(16)使红光可以透射，第二种使绿光可以透射，第三种使蓝光可以透射。测量三种颜色光的强度要使用三个相同的测光探头(16a，16b，16c)，与每种滤光镜相同，测光探头需安装在窄带滤光器后部，测光探头会将光信号转换为电信号。每种颜色的透射光值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。一般情况下，由于来自测光探头的信号值很低，所以一定要使用前置放大器(Pre-amplifier)(14)。多路转换器(Multiplexer)(23)汇集来自三个测光探头的信号，信号将被放大器(13)放大。模数转换器(A/D Converter)用于转换来自测光探头，或通过滤光镜输入的、由光电二极管采集的电信号，并将其转换为数字信号(digital)(15)。即，依次为红色信号R、绿色信号G、和蓝色信号B，用于比较数字信号P(R，G，B)在透射率中的变化，以及存在于图表数据记忆单元中的比较颜色图表中的值的变化。以便通过计算求得与储存在该仪器的记忆单元(17)中的比较颜色图中的参考值相近的化学元素的浓度值，以及用终端显示屏(12)显示所得浓度值的结果。

安装用于测量不透光样品颜色的光学仪器

对于不透光的样品，例如，试纸，用测量反射强度来测量颜色。因此先前所提的强度值P(R，G，B)，表示反射光强度。

图3和图4表示安装用于测量各种不透光样品物质颜色或浓度的装置。

图3用由红(3a)、绿(3b)、蓝色(3c)组成的三色发光二极管(LED)或RGB LED做光源。RGB LED发光二极管将三个颜色的发光二极管置于一个发光二极管中，或是将三色发光二极管分开，每个依次为红、绿、蓝色。其他装置与图1相同。当红、绿、蓝色的入射光(20)照到需要测量的样品物质(18)上，一定要测量照射在色点区域(19)内的入射光(20)。有些光将被吸收，剩余的光产生反射(21)。每种颜色的反射光强度值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。来自测光头的数据或强度P(R，G，B)将被用来收集结果以便继续计算样品物质的颜色和浓度。根据先前所说的比较颜色的原理，所读取的浓度结果将通过终端显示设备(12)显示。

图4表示安装用于测量另一种不透明样品物质的颜色或浓度的光学仪器。这种情况下，光源是白色发光二极管或灯泡，例如，白炽灯。其他装置与图2相同。当入射光(20)照到需要测量的样品物质(18)上，定要测量照射在色点区域(19)内的入射光(20)。有些光将被吸收，剩余的光由被测样品物质的反射(21)产生。每种颜色的反射光强度值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。来自样品物质的反射光(21)将被分为三种颜色：红色、绿色和蓝色。使用特定的第一种窄带滤光器(Narrow-band filter)(16)使红光可以透射，第二种使绿光可以透射，第三种使蓝光可以透射。测量三种颜色光的强度要使用三个相同的测光探头(16)，与每种滤光镜相同，测光探头需安装在窄带滤光器后部。每种颜色的反射光强度值将随着样品物质的种类和样品物质的颜色而变化。所得的数据被转换成反射率，以便测量强度P(R，G，B)，然后用微控制器(11)收集结果以便继续计算样品物质的浓度。根据先前所说的比较颜色的原理，所读取的浓度值结果将通过终端显示设备(12)显示。

在图3、图4中安装光学仪器，将光源放在垂直的方向并与被测样品物质相垂直。换句话说，光的入射角与被测样品物质的垂直线成0℃角，把测光探头放置在与被测样品物质垂直线成0～90℃的任一个角度上。但常用角度为与被测样品物质的垂直线成45℃角。这样的安装叫做0℃/45℃式安装。相反的，可以交换图3和图4中的光源单元和测光探头的位置。例如，45℃/0℃式安装。

总之，本发明用于检测化学元素量或样品物质的物理性质。例如，土壤或水的酸碱性(PH)、饮用水或游泳池中含氯量、饮用水中含砷量、或人体中化学元素的含量等。本发明还可以普遍应用于许多技术领域，在每种技术领域中使用时，其可能性和适应性不同。然而对于现场作业，此技术应用得很广。将反应物混合在样品物质中，当反应物与被测化学元素发生反应并产生颜色时，所产生颜色的特性能够指明被测化学元素含量。

在有些情况下，样品需要在液体或溶液状态中测量，反应物和化学元素在溶液中产生反应，将改变溶液的颜色。或在有些情况下，颜色将在试纸上产生，这要取决于需要测量的化学元素或反应物的性质。

将产生颜色与已知浓度颜色样本相比较的最容易的方法是用肉眼直接观察，但这种方法误差高。因为有多种因素影响，例如，每人眼球对颜色的反应不一，观察到的颜色的种类和强度受光源影响。此发明将有助于解决这些问题。可以将已知浓度颜色样本存于该工具的记忆单元，此发明就能立即读出样品的颜色，并与已知浓度颜色样本比较，然后显示被测化学元素含量的结果。这样，使用将更简便，比用肉眼直接观察的准确性更高，并且不受外界光源的影响。

本发明被进一步发展为适用于价格低廉的现场测量作业的工具。在农业、环境、控制生产质量和医药方面，可以应用于样品颜色的读取。例如，纸、液体或固体。所得样品颜色的强度可以指明一些化学元素的浓度和种类。当把读取的颜色与已知浓度颜色样本比较时，可以得出被测化学元素的浓度或种类。与用肉眼比较颜色相比，此工具的准确性更高。因为测量不受外界光线及操作者的影响。此发明的另一个特性是能够用同一工具测量多种化学元素。

尽管此发明已用附图等方式加以详细说明，但难免会被相关技术领域的专业人士所修改。例如，红、绿和蓝色的滤镜可以用黄、品红(Magenta)和青色(Cyan)代替。或在需要的情况下使用准确率更高的模数转换器(A/D Converter)代替8bit的电子器件。

总结

三原色光源即红、绿、蓝测量比较颜色仪应用于测量化学元素浓度。产生的光照射在试纸反应区或透射过需要检测的溶液射入光电探测器里，三种颜色反射光或透射光的强度将被拿来计算并比较后得出与何种已知浓度颜色样本(查表(look-up table))中的颜色相同，并保留一定数量的P_i(R_i，G_i，B_i)和C_i的值。P_i(R_i，G_i，B_i)是第i个标准样品物质的光的强度，C_i是第i个样品物质的化学浓度值，i的取值范围是1，2，3……n，n是比较和检验的全部标准样品数量。如果P(R，G，B)指的是每次被测样品的光的强度，该装置将通过计算求出P(R，G，B)与P_i(R_i，G_i，B_i)之间每点的色差的方法，并得到被测样品物质的浓度，选择带有色差P_i(R_i，G_i，B_i)值的数据中的两个最小值，进而得出被测化学元素的浓度值，该浓度值与标准样品物质的化学元素浓度值相等。此外，在不用增加标准样品物质的数量的情况下，当需要更精确的读取浓度值时，仪器将选择P_i(R_i，G_i，B_i)值中色差值最小的前两个数，根据求色差比例的原理进行插值法(interpolation)处理，以便更精确地得出被测化学元素的浓度值。

Claims

1、一种测量化学元素浓度的色度读取器，其特征在于，包括：

一组光源；

安装在上述光源照射不透光物体所产生的反射光的光路上的至少一个测光探头，其将所接收的反射光转换为相应的模拟电信号；

与所述测光探头连接的转换单元，其将所接收的所述测光探头输出的模拟电信号转换为数字信号输出；

存储有标准参考色度以及程序的记忆单元；

与所述转换单元、记忆单元连接的控制器，该控制器根据所述记忆单元中存储的程序进行控制，以及接收所述转换单元输出的数字信号，并将对应于所述一组光源的光发射而产生的一组数字信号与记忆单元中存储的标准参考色度相比较，获得被测化学元素的浓度值；

与所述控制器连接的显示单元，其接收并显示所述控制器输出的被测化学元素的浓度值。

2、根据权利要求1所述的色度读取器，其特征在于，所述一组光源包括红、绿、蓝三原色光源。

3、根据权利要求1所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的标准参考色度的化学元素浓度值作为被测化学元素的浓度值。

4、根据权利要求1所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的前两个或多个标准参考色度的化学元素浓度值进行插值运算，获得被测化学元素的浓度值。

5、一种测量化学元素浓度的色度读取器，其特征在于，包括：

一组光源；

安装在上述光源照射半透明物体所产生的透射光的光路上的至少一个测光探头，其将所接收的透射光转换为相应的模拟电信号；

存储有标准参考色度以及程序的记忆单元；

与所述转换单元、记忆单元连接的控制器，该控制器根据所述记忆单元中存储的程序进行控制，以及接收所述转换单元输出的数字信号，并将对应于所述一组光源的光发射而产生的一组数字信号与标准参考色度相比较，获得被测化学元素的浓度值；

6、根据权利要求5所述的色度读取器，其特征在于，所述一组光源包括红、绿、蓝三原色光源。

7、根据权利要求5所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的标准参考色度的化学元素浓度值作为被测化学元素的浓度值。

8、根据权利要求5所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的前两个或多个标准参考色度的化学元素浓度值进行插值运算，获得被测化学元素的浓度值。

9、一种测量化学元素浓度的色度读取器，其特征在于，包括：

光源；

安装在适于接收上述光源照射不透光物体所产生的反射光的位置上的一组滤光镜；

安装在所述反射光通过所述一组滤光镜之后的光路上、与所述滤光镜平行的至少一个测光探头，其接收通过所述滤光镜的所述反射光，并将所接收的该反射光转换为相应的模拟电信号；

存储有标准参考色度以及程序的记忆单元；

与所述转换单元、记忆单元连接的控制器，其根据所述记忆单元中存储的程序进行控制，以及接收所述转换单元输出的数字信号，并将对应于通过所述一组滤光镜之后的所述反射光而产生的一组数字信号与标准参考色度相比较，获得被测化学元素的浓度值；

10、根据权利要求9所述的色度读取器，其特征在于，所述光源包括白光源；所述一组滤光镜包括可通过红、绿、蓝三原色光的滤光镜。

11、根据权利要求9所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的标准参考色度的化学元素浓度值作为被测化学元素的浓度值。

12、根据权利要求9所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的前两个或多个标准参考色度的化学元素浓度值进行插值运算，获得被测化学元素的浓度值。

13、一种测量化学元素浓度的色度读取器，其特征在于，包括：

光源；

安装在适于接收上述光源照射半透明物体所产生的透射光的位置上的一组滤光镜；

安装在所述透射光通过所述一组滤光镜之后的光路上、与所述一组滤光镜平行的至少一个测光探头，其接收通过所述滤光镜的所述透射光，并将所接收的该透射光转换为相应的模拟电信号；

存储标准参考色度以及程序的记忆单元；

与所述转换单元、记忆单元连接的控制器，其根据所述记忆单元中存储的程序进行控制，以及接收所述转换单元输出的数字信号，并将对应于通过所述一组滤光镜之后的所述透射光而产生的一组数字信号与标准参考色度相比较，获得被测化学元素的浓度值；

14、根据权利要求13所述的色度读取器，其特征在于，所述光源包括白光源；所述一组滤光镜包括可通过红、绿、蓝三原色光的滤光镜。

15、根据权利要求13所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的标准参考色度的化学元素浓度值作为被测化学元素的浓度值。

16、根据权利要求13所述的色度读取器，其特征在于，所述控制器采用对应于与所述一组数字信号色差最小的前两个或多个标准参考色度的化学元素浓度值进行插值运算，获得被测化学元素的浓度值。