專利名稱：用于測量超純水的純度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置，用于分析在純化處理之后獲得的液體的純度水平，并且特別涉及實現(xiàn)該方法的所謂超純水(低于十億分之十(ppb)
的純度。
背景技術(shù)：
通常用于凈化水或者任何其它液體的方法以穿過第一裝置的通道開始，包括過濾和凈化裝置，類型是活性炭過濾，離子交換樹脂過濾或者反滲透過濾。在第一處理裝置的出口處，超純水含有非常少的離子，
并且特征是電阻率接近或者甚至等于18.2 Ma^，但是仍然含有有機
化合物。它然后穿過第二裝置，那些有機化合物在第二裝置中被氧化，
從而使它們離子化。在這個氧化過程中，有機化合物被降解(degraded)，并且碳原子然后以二氧化碳?xì)怏w的形式存在，其溶解于水中，從而形成碳酸氫鹽離子HC03—。這個氧化通過紫外線燈前面的通道或者通過增加過氧化氫而獲得。
第三凈化步驟包括拋光水(polishing the water),即使它穿過離子交換樹脂，其阻塞在前面步驟中產(chǎn)生的離子，并且因此完成水的凈化。在這個步驟中，在氧化階段沒有降解的有機化合物不受影響。
還需要確定這個過程結(jié)束時獲得的水的純度。通常使用的一種方法測量氧化裝置的出口處它的電阻率(resistivity),其直接與溶解的二氧化碳?xì)怏w的含量相關(guān)聯(lián)，即與碳酸氫鹽離子的數(shù)量相關(guān)聯(lián)，并且然后確定如果氧化過程已經(jīng)持續(xù)直到最后它將具有的電阻率，即如果它的有機化合物已經(jīng)降解的話。這個過程，需要無限的時間段，顯然不能使用，并且因此需要使用估算這個極限電阻率的方法。
特別是從Millipore公司的專利EP0581157已經(jīng)知道一種裝置和方法，用來分析水的純度，其使用了氧化裝置的上游側(cè)和下游側(cè)之間的 水的電阻率的差來估算無限遠(yuǎn)處的這個電阻率。這種方法使用處于第一 或者基準(zhǔn)模式中的裝置，從而在已經(jīng)暴露到氧化裝置持續(xù)不同時間的水 試樣上測量氧化裝置的上游側(cè)和下游側(cè)之間的電阻率差。暴露時間通常
是10、 20、 30、 40、 50和60秒的量級。通過根據(jù)獲得的曲線外推，可 以確定在無限長暴露時間之后獲得的水的電阻率，即如果所有的碳原子 被降解的話，水的電阻率。利用適合的模型程序，例如美國環(huán)境保護(hù)協(xié) 會的公開文獻(xiàn)EPA/600/3-91/021 (1991)中描述的MINTEQA2程序，可 以根據(jù)無限遠(yuǎn)處的電阻率來確定基準(zhǔn)水中的總的有機碳(TOC)含量。
第二或者凈化或者分析模式然后使用，該過程中，超純水以給定 的流速穿過氧化裝置，以確定它的有機化合物雜質(zhì)的含量，并且因此驗 證它的純度保持為標(biāo)稱的(nominal )。氧化裝置的上游側(cè)和下游側(cè)之間 的電阻率差異被連續(xù)測量，并且有機化合物的總量根據(jù)它通過假定的線 性關(guān)系被推斷出來，即凈化模式中測量的電阻率差和基準(zhǔn)模式中估算的 無限遠(yuǎn)處的電阻率差之間的線性關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種裝置，用于分析凈化裝置的出口處液體中 存在的有機化合物的量，該裝置更廉價，并且使用更方便。
為此，本發(fā)明的裝置，用于分析凈化裝置的出口處的液體例如超 純水中存在的有機化合物的量，包括一系列的過濾裝置、氧化裝置和拋 光裝置，還包括用于測量水的電阻率以確定其純度的裝置，特征在于， 所述測量裝置僅包括一個電阻率測量傳感器，并且設(shè)置有連接裝置和流
體循環(huán)控制裝置，適用于
-防止流體在過濾裝置的出口點和氧化裝置的入口點之間循環(huán)， 同時允許流體在過濾裝置的出口點和電阻率測量傳感器的入口點之間 循環(huán)，或者減少為單個傳感器避免了發(fā)生不確定性的問題，特別是當(dāng)計算過程使用了多個傳感器之間的差值的時候，并且最重要的是降低了成本，因為給定它們的復(fù)雜度，這些傳感器占到了裝置總成本的大部分。
根據(jù)優(yōu)選特征，為了簡化液體回路的制造
-所述電阻率測量傳感器連續(xù)地定位在氧化裝置的出口點和拋光裝置的入口點之間的回路中；
-過濾裝置的出口點通過支路回路連接到所述電阻率傳感器，所述支路回路包括單向閥，僅當(dāng)入口壓力達(dá)到預(yù)定值時，該單向閥才開啟；
-過濾裝置的出口點通過簡單的分析閥連接到氧化裝置的入口點，該閥具有兩個位置，開啟和閉合；
-所述兩位置閥設(shè)置在支路回路的起始點的下游側(cè)上；
-分析閥和測量裝置連接到控制和計算單元，該單元包括控制模塊，適用于以預(yù)定的順序命令所述分析閥開啟和閉合；和計算模塊，適用于從所述測量傳感器采集電阻率值，以根據(jù)它實時推斷出水的純度。


下面參考附圖，通過非限制性說明給出的優(yōu)選實施例的描述來繼
續(xù)公開本發(fā)明，附圖中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)水凈化裝置的示意圖2是本發(fā)明一個實施例的水凈化裝置的示意圖3的曲線表示了利用現(xiàn)有技術(shù)的近似方法，在基準(zhǔn)模式中，
水的電阻率作為反應(yīng)器中消耗的時間的函數(shù)從任何值減?。缓?br> 圖4的曲線表示了利用本發(fā)明的近似方法，在基準(zhǔn)模式中，水
的電阻率作為反應(yīng)器中消耗的時間的函數(shù)從任何值的減小。
具體實施例方式
圖l示出了現(xiàn)有技術(shù)水凈化裝置，連續(xù)地包括過濾裝置1、氧化
裝置2和水拋光(water polishing)裝置3。用于測量水的電阻率的兩個傳感器(cell) 4插入到分別位于過濾裝置1的出口處和氧化裝置2的出口處的回路中。
6過濾裝置1通常包括基于活性炭的過濾器，例如由Millipore公 司以Q-GARD⑧商標(biāo)銷售的那些。在這些過濾裝置的出口處，水的純度大 約為10 ppb，并且電阻率接近或等于18. 2MQ,cm。
這里，氧化裝置2包括汞蒸氣UV燈，在185到254納米的范圍內(nèi) 照射。流動穿過凈化裝置的水暴露到這種照射，持續(xù)2-120秒的時間。
水拋光裝置3通常包括離子交換樹脂，并且產(chǎn)生的水的最終純度 為1-5 ppb的量級。
水穿過過濾裝置的入口點ll進(jìn)入裝置。過濾裝置的出口點12通 過管道連接到第一電阻率傳感器(cell) 4的入口點41，其出口連接到 三通閥16。這個三通閥16—方面連接到氧化裝置的入口點21，另一方 面連接到排空回路(未示出)。它使得離開過濾裝置的水進(jìn)入氧化裝置 2，或者將它從回路排出。
氧化裝置22的出口點通過管道連接到第二電阻率傳感器4的入口 點41，它的出口點42本身連接到水拋光裝置的入口點31。獲得的超純 水然后在水拋光裝置的出口點32處可以獲得。
圖2示出了本發(fā)明一個實施例的水凈化裝置，與上面一樣連續(xù)地 包括過濾裝置l、氧化裝置2和水拋光裝置3。這個回路與現(xiàn)有技術(shù)的 回路的區(qū)別在于它僅包括一個測量傳感器4，連續(xù)地置于氧化裝置2 的出口點22和水拋光裝置3的入口點31之間，并且三通閥16被簡單 的分析閥(analysis valve) 6代替，其具有兩個位置，即開啟和閉合 位置，分析閥6價格便宜并且易于使用。
過濾裝置出口處的水被分隔到兩個管道中，其中一個延伸到分析 閥6，與上面一樣，第二個形成了旁路回路，通過單向閥5直接延伸到 電阻率測量傳感器4，單向閥5被校準(zhǔn)成在一定值以上開啟。
來自過濾裝置1的水完全通過分析閥6上的作用被引導(dǎo)到氧化裝 置2或者通過支路回路被直接引導(dǎo)到測量傳感器4，支路回路裝配有單 向閥5。當(dāng)分析閥6處于開啟位置時，它允許液體到達(dá)氧化裝置；支路 回路中的壓力下降，并且單向閥5保持閉合。如果分析閥6閉合，那么 支路回路中的壓力升高，并且單向閥5開啟，允許水到達(dá)電阻率測量傳 感器4。圖2還示出了用于水凈化裝置的控制裝置，其包括控制和計算單
元7以及顯示裝置8，適于實時地為操作者提供關(guān)于獲得的純度等級的 信息。這個控制和計算單元7通過控制模塊9控制著分析閥6的位置， 并且在計算模塊10中處理所述電阻率測量傳感器4提供的信息。計算 模塊IO執(zhí)行水純度計算方法，并且將獲得的結(jié)果傳遞給顯示裝置8。
與現(xiàn)有技術(shù)一樣，用于測量水純度的方法包括過濾裝置的出口 處的水的電阻率的第一測量，之后，使用凈化裝置的兩個不同的操作模 式，即基準(zhǔn)模式和分析模式。為了評定過濾裝置1提供的水的電阻率， 分析閥6閉合，并且單向閥上游側(cè)上的壓力增加；當(dāng)壓力達(dá)到名義開啟 值時閥開啟，并且流體流在支路回路中通過單向閥5循環(huán)。在分析模式 或者基準(zhǔn)模式中，當(dāng)分析閥開啟時，單向閥5阻止液體在支路回路中循 環(huán)，它的入口處的壓力保持低于標(biāo)稱開啟壓力。分析閥在分析模式中連 續(xù)開啟。然而在基準(zhǔn)模式，在預(yù)定時間段中它保持閉合，在該時間段中， 位于氧化裝置中的水持續(xù)暴露到UV照射。分析閥然后開啟從而將照射 過的水送到測量傳感器4。由于顯著不同的時間段，基準(zhǔn)模塊將水的電 阻率的演變(evolution)作為它在氧化裝置中經(jīng)歷的時間的函數(shù)而確 定。
具有單向閥5和分析閥6的結(jié)構(gòu)意味著單個測量傳感器4可以 用于測量過濾裝置1的出口處和氧化裝置2的出口處的電阻率。這首先 反映為主要節(jié)省了制造該裝置的成本，并且其次極大地便于使用，現(xiàn)有 技術(shù)的三通閥在裝置的液壓操作狀態(tài)下使用復(fù)雜。
圖3示出了多個點，表示氧化裝置2出口處的水的電阻率，作為 它在那些裝置中消耗的時間的函數(shù)。圖3還給出了通過 P(^A^ + (A-^)e《類型的指數(shù)函數(shù)對那些點進(jìn)行近似的曲線。圖4給 出了相同的點的電阻率值以及通過混合的(指數(shù)和線性)函數(shù)產(chǎn)生的近 似曲線，其可以表示如下:/ (f) = Ao+(A>-"r+A/。pe"An,^P() 。rt，—,/I")， 其中，/W和/W^是線性函數(shù)的起點處的斜率和坐標(biāo)，并且^。一"0是 一個函數(shù)，其在與純指數(shù)函數(shù)相對應(yīng)的橫坐標(biāo)軸的第一部分上具有數(shù)值 0，并且在該函數(shù)可以作為指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)之和被處理的橫坐標(biāo)軸 線的其它部分上具有數(shù)值l。
8圖4的曲線是電阻率的演變作為UV照射時間的函數(shù)的更好的近似，尤其是如果UV反應(yīng)器具有塑料材料部件，該部件與水接觸，并且受到這種照射。該曲線的線性部分考慮了水中有機化合物的存在，該化合物通過這些材料的光化電離或者通過來自大氣的二氧化碳?xì)怏w的溶解而產(chǎn)生。這種新的近似曲線將利用最小二乘法實現(xiàn)的平差
(adjustment)降低了 50%。
下面描述在穿過凈化裝置之后獲得的水的純度的測量的過程。第一操作是通過閉合所述分析閥6測量過濾裝置1的出口處水的電阻率。水然后通過支路回路和單向閥5直接流動到電阻率測量傳感器4中，該傳感器給出了過濾裝置1的出口處的水的電阻率值。這個值^，在整個凈化操作過程中保持既定的(priori)恒定，因為它僅取決于凈化之前液體的特性。
接下來，所謂的基準(zhǔn)模式中的一系列操作開始。這個模式的冃的是確定水的無窮處電阻率凡，，其將用作對于剩余測量的基準(zhǔn)流體。分析閥6暫時開啟，持續(xù)一定時間，以利用來自過濾裝置的新的水代替氧化裝置中存在的水，之后，這個分析闊6閉合。這個閥保持閉合持續(xù)特定的第一時間段，并且然后開啟，從而保持在氧化裝置中的水進(jìn)入電阻率測量傳感器4;這個水的電阻率值被記錄，并且然后再次開始相同的操作，改變水在氧化裝置中消耗的時間。這樣獲得了作為時間的函數(shù)的一系列的電阻率測量，并且在將電阻率作為時間函數(shù)給出的圖中，回歸(regression)技術(shù)用于推斷出穿過這些點的最近似的曲線。然后獲得
了函數(shù)/^)-Ao鵬+(A)-Ac娜K"r+A—"/^^,)."^,—/^)的參數(shù)的解(resolution),其是未知的，直到現(xiàn)在，即參數(shù)/^，,/ 。，7>,一,/^,，，和函數(shù)^,。^一的分界點(cut-off)。具有六個未知參數(shù)的這個函數(shù)使得需要以至少六個不同時長來執(zhí)行實驗。這特別確定了參數(shù)A,，其給出了如果水在氧化裝置中保持無限長時間時將具有的電阻率值，換句話說，如果它的有機成分已經(jīng)被降解成碳酸氫鹽離子。
這兩個值的知識(過濾裝置出口處的電阻率值A(chǔ)^和完全氧化之后無限遠(yuǎn)處的電阻率值&^)規(guī)定了開始這樣的階段，即分析來自凈化裝置的水，并且時刻了解它的碳原子的濃度，即它的純度水平。為此，分
9析閥持續(xù)保持開啟。
已經(jīng)穿過過濾裝置的水以給定的流速經(jīng)過氧化裝置，在其處，它經(jīng)歷它的有機組分的部分降解，并且由于這種方式產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的溶解，它的電阻率發(fā)生演變。在氧化裝置的出口處，它的電阻率p通過測量傳感器4測量，并且是停留時間t的函數(shù)，該時間內(nèi)，它持續(xù)暴
露到氧化裝置2的照射。
對于電阻率演變模型，采用單指數(shù)曲線，我們可以寫下
MO = ^ + (A，-A>-〃、這里應(yīng)用的近似，僅保留作為時間函數(shù)的電阻
率演變的曲線的指數(shù)部分，并且對于包括塑料材料部件的反應(yīng)器，其沒
有被考慮到基準(zhǔn)模式中，這種近似在這里是可接受的，因為水在UV反應(yīng)器中的暴露時間保持較短，其并不是在基準(zhǔn)模式中的情況。
接下來待確定的值是數(shù)值&，該數(shù)值用于獲得凈化裝置出口處的水的純度。這個參數(shù)通過下面解釋的分析外推(extrapolation)方法計算。
通過it。表示項;a(r)和/^之間的比率，并且通過e-。表示公式e-'〃 ，為了簡單，我們獲得了
1/、" + ( /A^-o
通過說明這個公式同樣應(yīng)用到基準(zhǔn)模式中，在對于相同停留時間的它的曲線(",,。rt，,OTg(AW = 0)的左側(cè)部分中，我們獲得尺靜=/ (0艦/ Ao艦，以及
e = (1 - X朋F ) /尺KEF X AoAEF《A/PW - Pm艦)°
然后可以將*。表示為&和利用基準(zhǔn)模式可獲知的參數(shù)
(^^，P匿，P。腿F)的函數(shù)。
將停留時間t用作趨向于無窮的工作參數(shù)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)迭代法，
使得t和&連續(xù)演化，直到后者參數(shù)收斂。
這樣獲得了如果氧化裝置中的水在氧化裝置中停留無限長時間將具有的電阻率值，即如果它的有機化合物的氧化持續(xù)到完全進(jìn)行。
例如MINTEQA2程序使用的標(biāo)準(zhǔn)方法然后根據(jù)無窮遠(yuǎn)處的電阻率值反向計算水的總的有機碳含量，即ppb表示的它的純度。
許多變形根據(jù)實際情況是可行的，并且在這點上，必須指出，本發(fā)明不限于所述和所示的實例
權(quán)利要求
1.一種裝置，用于分析凈化裝置的出口處的液體例如超純水中存在的有機化合物的量，其連續(xù)地包括過濾裝置(1)、氧化裝置(2)和拋光裝置(3)，還包括用于測量水的電阻率以確定其純度的裝置(4)，其特征在于，所述測量裝置僅包括一個電阻率測量傳感器(4)，并且設(shè)置有連接裝置和流體循環(huán)控制裝置，適用于-防止流體在過濾裝置(1)的出口點(12)和氧化裝置(2)的入口點(21)之間循環(huán)，同時允許流體在過濾裝置(1)的出口點(12)和電阻率測量傳感器(4)的入口點(41)之間循環(huán)，或者-允許流體在過濾裝置(1)的出口點(12)和氧化裝置(2)的入口點(21)之間循環(huán)，同時阻止流體在過濾裝置(1)的出口點(12)和電阻率測量傳感器(4)的入口點(41)之間循環(huán)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于分析液體中存在的有機化合物的量的 裝置，其特征在于，所述電阻率測量傳感器(4)連續(xù)定位在氧化裝置(2)的出口點(12)和拋光裝置(3)的入口點(31)之間的流路中。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于分析液體中存在的有機化合物的 量的裝置，其特征在于，過濾裝置的出口點(12)通過支路回路連接到 所述電阻率測量傳感器(4)，支路回路包括單向閥(5)，僅如果入口處 的壓力達(dá)到預(yù)定值時，所述單向閥才開啟。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項所述的用于分析液體中存在的有機化 合物的量的裝置，其特征在于，過濾裝置(1)的出口點(12)通過簡 單的分析閥(6)連接到氧化裝置(2)的入口點(21)，所述分析閥具 有開啟和閉合兩個位置。
5. 如權(quán)利要求3與4結(jié)合所述的用于分析液體中存在的有機化合 物的量的裝置，其特征在于，所述兩位置閥設(shè)置在支路回路的起始點的 下游側(cè)上。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的用于分析液體中存在的有機化 合物的量的裝置，其特征在于，分析閥(6)和測量裝置(4)連接到控 制和計算單元(7)，所述控制和計算單元包括控制模塊(9)和計算模 塊(10)，控制模塊適用于以預(yù)定的順序命令所述分析閥(6)開啟和閉 合，所述計算模塊適用于從所述測量傳感器(4)采集電阻率值，以根 據(jù)它實時地推斷出水的純度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種裝置，用于分析凈化裝置的出口處的液體例如超純水中存在的有機化合物的量，所述凈化裝置連續(xù)包括過濾裝置(1)、氧化裝置(2)和拋光裝置(3)，還包括用于測量水的電阻率以確定其純度的裝置，其特征在于，它包括僅一個電阻率測量傳感器(4)，并且所述過濾裝置(1)和所述氧化裝置(2)的出口點通過管道連接到所述電阻率測量傳感器(4)，所述管道設(shè)置有分析閥(6)和/或單向閥(5)，所述閥選擇性地使得所述液體在它們內(nèi)部循環(huán)。
文檔編號G01N27/07GK101598694SQ20091014139
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者A·范海赫, A·迪米特拉科普洛斯, C·勒尼尼溫, P·拉賈戈帕藍(lán) 申請人:米利波爾公司