本實用新型涉及一種能夠利用光學和CIE L^*a^*b^*色空間理論來測定液體顏色的化學分析用顏色測定儀。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)外的測定液體顏色的配置方法多為人工目視法，就是按照“目視感受→思維判斷→語言描述”的程序?qū)ε渲眠^程的即時顏色變化用語言描述，代表終點的顏色靠操作者自己理解。

其終點的判斷以酚酞變色為標志。為減小誤差，國標中對于標準滴定溶液標定時誤差控制具有如下規(guī)定：GB/T601-2002中規(guī)定，標定標準滴定溶液的濃度時，須兩人進行實驗，分別各做四平行，每人四平行測定結(jié)果極差的相對值不得大于重復性臨界極差的相對值0.15％；兩人共八平行測定結(jié)果極差的相對值不得大于重復性臨界極差的相對值0.18％，取兩人八平行測定結(jié)果的平均值為測定結(jié)果。

“目視感受→思維判斷→語言描述”方法受環(huán)境、人感官和心理影響很大，有較大的離散性和隨機誤差，已不能滿足食品快速檢驗的需要?！澳恳暩惺堋季S判斷→語言描述”方法將人眼作為傳感器，對顏色變化采用語言描述，其主要缺陷是：

1)人眼對不同顏色的敏感程度，影響滴定終點顏色的判斷，致使結(jié)果出現(xiàn)偏差；

2)年齡和人種的生理閾值差別，對有些顏色差別難以掌握，即使是經(jīng)過訓練的熟練人員也困難；

3)操作者之間對語言的理解不同，造成滴定終點顏色的不統(tǒng)一；

4)操作者之間的視覺誤差就完全可能導致實驗結(jié)果的偏差，終點判斷誤差相對較大；

5)不同滴定環(huán)境對操作者的視覺影響大；

6)滴定過程和終點信息只能用語言形容，沒有數(shù)字信息，無法量值傳遞，而且追溯困難；

7)學習和傳授時，只能采取師徒面對面的傳授方式確定終點顏色；

8)勞動強度大、易產(chǎn)生視覺疲勞，影響結(jié)果的準確；

9)受環(huán)境影響大、終點反應遲鈍，難以提高檢測精度；

10)測試步驟繁瑣，無法實現(xiàn)自動化、批量化的檢測規(guī)模。

通過人眼觀察某一種顏色時，不同人的對顏色有不同的描述，即使是同一個人，在不同的光照下對同一種顏色也會產(chǎn)生不同的視覺效果，因此，使顏色的描述變得具體化、精準化、數(shù)字化，且不必考慮光線和人的主觀因素對顏色測定的影響，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

為克服上述技術(shù)問題，提出了一種利用光學和CIE L^*a^*b^*色空間理論來測定溶液顏色的方法，其測量結(jié)果數(shù)字化，測量精度高，測試步驟簡單，可實現(xiàn)自動化、批量化的檢測規(guī)模檢測。

為實施上述基于色空間測定液體顏色方法，需要提供一種液體顏色測定裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種液體顏色測定裝置，使其能夠利用光學和CIE L^*a^*b^*色空間理論實施對液體顏色的測定。

基于上述目的，本實用新型提供一種化學分析用顏色測定儀，其包括：光源、反應池、攪拌裝置、滴定裝置、光譜儀以及數(shù)據(jù)采集和處理單元，所述滴定裝置向所述反應池內(nèi)滴入待測液體，所述攪拌裝置對反應池中的溶液進行攪拌，所述光源照射所述反應池，使光線穿過反應池被光譜儀接收，所述光譜儀測得所述反應池內(nèi)溶液的吸光度，所述數(shù)據(jù)采集和處理單元通過吸光度計算出空間色度值。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括pH計，所述pH計測量所述反應池中的溶液的酸堿度值。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述反應池具有相對的且相互平行布置的透光片。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括準直鏡和光纜，所述準直鏡將光纜從光源導出的光線校正為平行光線后，射入反應池的透光片，再將被吸收后的光線校正為平行光線后通過光纜導入光譜儀。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述光譜儀的吸光度測量時間間隔在0.1ms～10min范圍內(nèi)設(shè)置。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，每個測量時間點處對應滴定的體積數(shù),所述滴定的體積數(shù)借助于測量時間與相應的測量時間點處的計算出的色度值參數(shù)和測定的pH值相對應。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述滴定裝置為至少一個數(shù)字控制注射泵或模擬控制注射泵，所述數(shù)字控制注射泵或模擬注射泵被安排為并聯(lián)或串聯(lián)，每個數(shù)字控制注射泵或模擬注射泵都是獨立可控的。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述數(shù)字控制注射泵或模擬控制注射泵的溶液輸出端浸入到反應池的溶液中。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，其特征在于，所述數(shù)字控制注射泵或模擬控制注射泵的溶液輸出端具有防止逆流的裝置，防止在泵停止輸出時，泵的溶液輸出端和反應池中的溶液之間的相互滲入。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述攪拌裝置為機械攪拌、氣體攪拌和磁力攪拌裝置中的一種。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括反饋系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)計算給定的空間色度值及其參數(shù)與測得的空間色度值及其參數(shù)之差，和/或計算給定的pH值與測得的pH值之差，用于控制所述滴定裝置的滴定速度。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括校準系統(tǒng)，所述校準系統(tǒng)包括空白校準容器和移位裝置，所述空白校準容器中含有指定吸光度值的液體且具有與反應池中透光片相同距離的透光片，所述光源照射空白校準容器，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元將將CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)中的L^*值校正至100，參數(shù)a^*值校正至0，參數(shù)b^*值校正至0，校準完成后所述移位裝置將所述校準空白容器移離測定光路，并且將所述反應容器移入測定光路。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括溫控裝置、濕度測量與控制裝置、氣體測量與控制裝置、光環(huán)境測量與控制裝置、試劑監(jiān)控裝置、氣泡監(jiān)控裝置、溶液溢出報警裝置。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述化學分析用顏色測定儀還包括一個殼體，所述殼體至少將所述反應池容納在其中。

本實用新型提供的化學分析用顏色測定儀適用于利用光學和CIE L^*a^*b^*色空間理論對溶液顏色進行測定，其測量結(jié)果數(shù)字化，測量精度高，測試步驟簡單，可實現(xiàn)自動化、批量化的檢測規(guī)模檢測。

附圖說明

圖1為根據(jù)本實用新型的一個實施方案的化學分析用顏色測定儀的示意圖；

圖2為根據(jù)本實用新型的一個化學分析用顏色測定儀的工作流程框圖；

圖3為根據(jù)本實用新型的一個化學分析用顏色測定儀的校正系統(tǒng)的工作原理框圖；

圖4為根據(jù)本實用新型的化學分析用顏色測定儀的反應池、光源和攪拌裝置部分的示意圖；

圖中：1為光源，2為反應池，3為攪拌裝置，4為滴定裝置，5為光譜儀、6為數(shù)據(jù)采集和處理單元，7為準直鏡，8為聚焦鏡，9為傳感器，11為入射光源，12校準光源，2a為反應池，3a為磁力攪拌器。

具體實施方式

下面將詳細描述本實用新型的實施方案，所述實施方案的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。

應理解，以下實施方案僅是舉例性的，對本實用新型不構(gòu)成限制。本實用新型的保護范圍由權(quán)利要求書限定。還應理解，在實施本實用新型的過程中，不必包括下述實施方案中的所有技術(shù)特征，這些技術(shù)特征可以有多種組合。

圖1示出了根據(jù)本實用新型的一個實施方案的化學分析用顏色測定儀，圖2示出了根據(jù)本實用新型的化學分析用顏色測定儀的工作流程框圖。現(xiàn)結(jié)合圖1和2對本實用新型的化學分析用顏色測定儀進行描述。該化學分析用顏色測定儀包括：光源1、反應池2、攪拌裝置3、滴定裝置4、光譜儀5和數(shù)據(jù)采集和處理單元6。所述滴定裝置4向所述反應池內(nèi)滴入待測液體，所述攪拌裝置3對反應池中的溶液體進行攪拌，所述光源1照射所述反應池2，使光線穿過反應池被光譜儀5接收，所述光譜儀測得所述反應池內(nèi)溶液的吸光度，傳遞給數(shù)據(jù)采集和處理單元6，所述數(shù)據(jù)采集和處理單元通過吸光度計算出空間色度值。

優(yōu)選地，所述反應池具有相對的且相互平行布置的透光片，光線可穿過透光片被光譜儀吸收。

更為優(yōu)選地，所述化學分析用顏色測定儀還包括準直鏡和光纜，光源、準直鏡、光纜、透光片和光譜儀組成一個光路系統(tǒng)，所述光源能夠發(fā)出包含280nm～1100nm光譜范圍的光譜，所述準直鏡將光纜從光源導出的光線校正為平行光線后，射入反應池的透光片，再將被吸收后的光線校正為平行光線后通過光纜導入光譜儀，所述光譜儀在測定過程中，選擇性的測量280nm～1100nm光譜范圍內(nèi)、波長間隔0.1nm～100nm的指定任意一組波長的吸光度，用于CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)的計算。所述光譜儀的吸光度測量時間間隔在0.1ms～10min范圍內(nèi)設(shè)置，使得光譜儀能夠動態(tài)地測量吸光度，并且在每個測量時間點處對應一個滴定的體積數(shù)，即每個吸光度值都對應一個滴定的體積數(shù)，更進一步，每組CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)、pH值都對應一個滴定的體積數(shù)。

在圖1中，化學分析用顏色測定儀還包括準直鏡7、聚焦鏡8和傳感器9。其中，準直鏡被用在光束傳遞系統(tǒng)中，以維持激光諧振腔和聚焦光學元件之間的光束的準直性。聚焦鏡能夠提高邊緣光束入射到探測器的能力，在相同的主光學系統(tǒng)中，附加場鏡將減少探測器的面積，如果使用同樣的探測器面積，可擴大視場，增加入射的通量，此外，還能夠使傳感器光敏面上的非均勻光照得以均勻化。

光源1可以是鹵鎢燈光源、LED等光源或其他可見光光源,其波長范圍為280nm～1100nm。光源可以通過準直鏡射入反應池，也可以通過光纜將光路傳遞至反應池。光纜的種類繁多，可以分為單模光纜、多模光纜、單芯光纜、雙芯光纜、無金屬光纜、普通光纜、綜合光纜等等。

優(yōu)選地，所述化學分析用顏色測定儀還包括pH計，所述pH計測量所述反應池中的溶液的酸堿度值。所述pH將測得的酸堿度值發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理單元，用于與給定的滴定終點的pH值進行比較，從而確定滴定終點。此外，由pH計測得酸堿度值可以被記錄，用于描述測量顏色與酸堿度之間的關(guān)系。

對于一種給定的顏色，在已知其在CIE L^*a^*b^*體系中的空間色度值的情況下，操作人員可以根據(jù)該給定的空間色度值進行滴定，對反應池中的溶液顏色進行測定，當數(shù)據(jù)采集和處理單元計算的空間色度值達到給定的空間色度值時，結(jié)束滴定，即可獲得期望的顏色。此外，本實用新型的化學分析用顏色測定儀還可以對每一次測得的空間色度值進行記錄，對每一種顏色進行標定。

可選地，所述滴定裝置4可以為手動式滴定裝置，還可以是自動式滴定裝置，優(yōu)選地，所述滴定裝置4為數(shù)字控制或模擬控制注射泵。數(shù)字控制或模擬控制注射泵的數(shù)目可以是一個或多個，可以被安排為串聯(lián)或并聯(lián)使用，另外，當多個注射泵同時使用時，每個注射泵加入溶液的速度和時間可分別控制。

所述數(shù)據(jù)采集和處理單元根據(jù)計算得到的空間色度值和/或測得的pH值，確定滴定終點，從而控制數(shù)字控制/模擬控制注射泵停止滴定。

優(yōu)選地，所述數(shù)字控制注射泵或模擬控制注射泵的溶液輸出端浸入到反應池的溶液中。這是因為當?shù)味w積小時，試劑由于液體表面張力的原因不易從注射泵的輸出端滴落，因此將溶液輸出端浸入到反應池的溶液中是有利的。

更為優(yōu)選地，所述數(shù)字控制注射泵或模擬控制注射泵的溶液輸出端具有防止逆流的裝置，防止在泵停止輸出時，防止注射泵的溶液輸出端繼續(xù)滲入到反應池中，同時也防止反應池中的溶液滲入到注射泵中。

在本實施方案中，光源采用LED光源，其波長范圍為280nm～1100nm，選用注射泵SP1用于進行滴定操作，SP1是一款結(jié)構(gòu)緊湊，用于精密流體傳輸?shù)漠a(chǎn)品，通過計算機或微處理器對其進行控制，自動完成移液、稀釋和分配功能，有較高的精度，相關(guān)配置參數(shù)如下：滿行程：60mm(6000步)；控制分辨率：0.01mm(1步)；行程控制精度：≤5‰。

光譜儀選用admesy公司的hera01型號微型光譜儀，用于測量溶液的光譜。它具有以下功能特點：體積小，便于靈活地搭建光譜系統(tǒng)；具有模塊化和高速采集的特點；結(jié)合光源、光纖、測量附件，可以搭配成各種光學測量系統(tǒng)；具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、無移動部件、波長范圍寬、測量速度快、價格經(jīng)濟等優(yōu)點；廣泛應用于便攜式、智能化檢測系統(tǒng)開發(fā)及工業(yè)在線監(jiān)控等領(lǐng)域。微型光譜儀在采集過程中具有高分辨率、高精確度、高速采集、高實時性的優(yōu)點。

更為優(yōu)選地，所述化學分析用顏色測定儀還包括反饋系統(tǒng)，圖3示出了根據(jù)本實用新型的化學分析用顏色測定儀的反饋系統(tǒng)的工作原理框圖。所述反饋系統(tǒng)計算給定的空間色度值與測得的空間色度值之差，和/或計算給定的pH值與測得的pH值之差，從而根據(jù)偏差值控制所述滴定裝置的滴定速度。具體地，滴定裝置可被設(shè)定為能夠變速滴定，當計算得到的空間色度值與給定的空間色度值之間，和/或測得的pH值與給定的pH至之間的偏差較大時，采用高速滴定，當計算得到的空間色度值與給定的空間色度值之間，和/或測得的pH值與給定的pH至之間的偏差較小時，采用低速滴定。應注意，滴定速度太快不利于溶液的混合，太慢影響注射泵電機的性能，技術(shù)人員可根據(jù)滴定裝置的性能和實際情況進行設(shè)定。

此外，本實用新型化學分析用顏色測定儀還可以包括校準系統(tǒng)，所述校準系統(tǒng)由空白校準容器和移位裝置組成，所述空白校準容器中含有指定吸光度值的液體，且具空白校準容器的透光光程與反應池的透光光程相同，優(yōu)選地，空白校準容器采用與反應池相同間距的平行透光片，用光源照射所述空白校準容器，利用光譜儀計算CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)，并將CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)中的L^*值校正至100，參數(shù)a^*值校正至0，參數(shù)b^*值校正至0，用于比較滴定前空白值的CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)與滴定后的CIE L^*a^*b^*色空間參數(shù)之間的絕對差別。校準后利用移位裝置將空白校準容器移開，并且將反應池移動到測定位置。

由于在滴定時對周圍環(huán)境的溫度也有要求，優(yōu)選地在15°～30°范圍內(nèi)，太高或太低都會影響測量結(jié)果的準確性，因此，本實用新型的化學分析用顏色測定儀還可以包括溫控裝置(未示出)，其包括溫度測量和溫度控制組件，可以對反應池中的溶液進行溫度測量和溫度控制，將溫度保持在適宜的滴定測量溫度處。將測得的反應池中的溶液溫度與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時停止滴定過程，對反應池中的溶液進行加熱或冷卻，使其被調(diào)節(jié)至設(shè)定的反應溫度范圍內(nèi)。

此外，本實用新型的化學分析用顏色測定儀還可以包括濕度測量與控制裝置、氣體測量與控制裝置、試劑監(jiān)控裝置、氣泡監(jiān)控裝置、光環(huán)境測量與控制裝置、溶液溢出報警裝置。

濕度測量與控制裝置，用于即時測定反應環(huán)境中的濕度，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。所述濕度測量與控制裝置中的控制裝置能夠增加/減少反應腔內(nèi)的濕度，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，將濕度調(diào)節(jié)到設(shè)定值范圍內(nèi)。所述氣體測量與控制裝置中的測量裝置用于即時測定反應環(huán)境內(nèi)氣體成分與濃度，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。氣體測量與控制裝置中的控制裝置用于即時控制反應腔內(nèi)氣體成分與濃度，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，增加/減少反應腔內(nèi)的氣體成分與濃度，將氣體成分與濃度調(diào)節(jié)到設(shè)定值范圍內(nèi)。

試劑監(jiān)控裝置，用于即時測定反應試劑的狀態(tài)，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。所述試劑監(jiān)控裝置中的在試劑低于預設(shè)體積時報警/停止滴定過程。

氣泡監(jiān)控裝置，用于即時測定試劑流動管道和反應容器內(nèi)氣泡的狀態(tài)，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。所述試劑監(jiān)控裝置中的在試劑低于預設(shè)體積時報警/停止滴定過程。

光環(huán)境測量與控制裝置中的測量裝置用于即時測定反應環(huán)境內(nèi)280nm～1100nm光譜范圍內(nèi)任意波長的光強度，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。

所述溶液溢出報警裝置的傳感器用于即時測定測量腔內(nèi)底部的溶液，當感受到溶液后，與設(shè)置程序中的預設(shè)值進行比較，在超出設(shè)定范圍時報警/停止滴定過程。

本實用新型的化學分析用顏色測定儀還可以包括顯示模塊，用于顯示測得的pH值、計算的空間色度值以及偏差值相對于滴定溶液的體積的曲線。

圖4示出了根據(jù)本實用新型的化學分析用顏色測定儀的反應池、光源和攪拌裝置部分的示意圖。

可選地，所述攪拌裝置可以是機械攪拌裝置，氣體攪拌裝置或磁力攪拌裝置。機械攪拌裝置具有一個從上部伸入至反應池溶液中的攪拌棒，通過電機驅(qū)動攪拌棒旋轉(zhuǎn)，使反應池內(nèi)溶液通過旋轉(zhuǎn)方式混合。

氣體攪拌裝置具有一個從上部延伸至反應池的溶液表面上方的氣體通道，向氣體通道內(nèi)通入氣體，然后氣體吹向溶液液面，推動溶液旋轉(zhuǎn)，使溶液旋轉(zhuǎn)混合。

磁力攪拌裝置具有一個容納在反應池中的、可自由移動的磁化攪拌棒，通過反應池外部磁場的旋轉(zhuǎn)帶動溶液內(nèi)攪拌棒的旋轉(zhuǎn)，使溶液混合。

在圖4示出的化學分析用顏色測定儀中，反應池1a具有相對的且相互平行布置的透光片和位于所述透光片外圍的遮光層，攪拌裝置為磁力攪拌器3a，且所述反應池中容納有一個攪拌棒(未示出)。磁力攪拌器3a帶動攪拌棒旋轉(zhuǎn)，從而達到攪拌反應池1a中的溶液的目的。采用磁力攪拌器的好處在于，利用磁力使攪拌棒旋轉(zhuǎn)，采用非接觸方式實現(xiàn)攪拌，使攪拌裝置和反應池之間的布置更為簡單。

優(yōu)選地，如圖4所示，光源1包括入射光源11和校準光源12。光源1通過光纖或者反射鏡將光線調(diào)整為垂直于透光片的入射光，透射入反應溶液，再通過相對布置的透光片透射出反應池，繼續(xù)通過接收器的反射鏡和光纖接收，在光譜儀上的光電檢測器將光線的輻射能轉(zhuǎn)換成電能信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換為吸光度，對測量到不同波長對應的吸光度進行計算。

此外，校準光源可通過光纖或者反射鏡被光譜儀直接接收，用于校準入射光源。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，本實用新型的化學分析用顏色測定儀還可以包括一個殼體，所述殼體至少將所述反應池容納在其中，優(yōu)選地將所述化學分析用顏色測定儀裝置全部容納在其中。該殼體可以是透明的或非透明的，為反應池提供有利的反應條件，例如，向所述殼體內(nèi)充入惰性氣體，例如氮氣，為所述反應池提供一個無氧環(huán)境，以減小外界環(huán)境對溶液顏色測定的影響，還可以避免氧化反應。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方案，所述光源可以通過光纜被傳導到所述反應池，垂直于所述反應池的透光部射入光線，且穿過所述反應后經(jīng)由光纜被接入至所述光譜儀的光纖接口。

本實用新型的化學分析用顏色測定儀能夠基于色度測量原理實施精準化學滴定，利用自動控制、智能檢測技術(shù)，搭建了一套自動定量滴定的系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)字化、定量化、精準化的化學滴定測量與控制。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實用新型內(nèi)。不應將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。