專利名稱：：測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明應(yīng)用于電子光學(xué)，特別是化學(xué)元素量的測(cè)量，通過讀取試紙上所產(chǎn)生的顏色或測(cè)量穿過溶液的吸光率來進(jìn)行。
背景技術(shù)：
：過去要測(cè)量例如水的含砷量、血糖、酸堿性等化學(xué)元素含量，可以將預(yù)先涂有試劑(反應(yīng)物)的試紙浸泡在需要化驗(yàn)的溶液里。試紙上的反應(yīng)物與溶液中的化學(xué)元素發(fā)生內(nèi)部反應(yīng)時(shí)，將發(fā)生顏色變化。顏色會(huì)隨著所測(cè)化學(xué)元素的濃度而變化。例如，在測(cè)量酸堿值(pH值)時(shí)，pH值在0(酸)～14(堿)的范圍內(nèi)，試紙將根據(jù)樣品的酸堿性發(fā)生從紅色到藍(lán)色范圍內(nèi)的變化?；蛟跍y(cè)量砷的含量時(shí)，試紙上的反應(yīng)物將發(fā)生諸如從白色到灰色或天藍(lán)色范圍內(nèi)(含砷0～100ppb)的變化。之后，將試紙進(jìn)行顏色比較，來讀取濃度值。一般情況下用肉眼將試紙與已知濃度樣品的顏色樣本進(jìn)行比較，這樣所讀取的值與原值偏離的大小取決于觀察能力、外界光源、以及比較分析人員的經(jīng)驗(yàn)，因此可能會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，特別是當(dāng)所測(cè)化學(xué)元素的濃度很低時(shí)。如今已發(fā)明了許多種通過測(cè)量樣品物質(zhì)的色度或光的強(qiáng)度來測(cè)量濃度數(shù)值的裝置以代替用肉眼比較顏色的方法。工作人員經(jīng)常利用這些裝置來檢測(cè)，可以立即顯示所測(cè)物質(zhì)的濃度和含量，適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。具有諸如尺寸小，可以用電池維持工作等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用此項(xiàng)發(fā)明技術(shù)的裝置可根據(jù)其工作性質(zhì)分成三組視覺輔助比色裝置(Visual-aidedDevices)，樣品反射光比色裝置(Lightreflectingsamples)，樣品透射光比色裝置(Lighttransmittingsamples)視覺輔助比色裝置有助于更好地觀察顏色，特別是在被測(cè)物質(zhì)濃度很低的情況下。當(dāng)繼續(xù)與反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)時(shí)，顏色往往會(huì)褪去許多，致使肉眼很難分辨?，F(xiàn)在所售的設(shè)備之一是德國(guó)Tintometer公司的Lovibondcomparator(比色計(jì))產(chǎn)品，該設(shè)備采用玻璃濾光片代替印在紙或塑料上的已知濃度樣品顏色樣本的方式，內(nèi)部設(shè)有光源，用于照射和比較樣本與玻璃片的顏色，并設(shè)有預(yù)防外界光線干擾的暗盒。所測(cè)量的樣品物質(zhì)為允許透射光透過的溶液或液體狀態(tài)時(shí)，不使用試紙樣品。測(cè)量一種化學(xué)元素可能要用玻璃濾光片5～10色(一色對(duì)應(yīng)一片)，當(dāng)需要測(cè)量別的物質(zhì)時(shí)，就要換用對(duì)應(yīng)的玻璃濾光片，仍然解決不了用肉眼觀察時(shí)所產(chǎn)生的對(duì)顏色反應(yīng)不一這一問題。然而，現(xiàn)在仍有人使用這種工具，因?yàn)槠鋬r(jià)格相對(duì)低廉。第二類裝置適用于測(cè)量不透光的樣品或透光極少的樣品，所以總是測(cè)量樣品的反射光狀態(tài)。例如，正常情況下試紙是白色的，并不允許透射光通過，或在有些情況下有極少的透射光通過。當(dāng)試紙與涂在其上需要測(cè)量的化學(xué)元素反應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生顏色。這種裝置叫反射光度計(jì)(Reflectometer)反射光度計(jì)測(cè)量的原則是樣品反射光的強(qiáng)度與需要測(cè)量的化學(xué)元素的濃度相聯(lián)系。因此需要選擇最合適的波長(zhǎng)來測(cè)量該物質(zhì)。這種情況下不是直接測(cè)量樣品的顏色，而是用測(cè)量反射光的強(qiáng)度代替。知道了反射光的強(qiáng)度就能計(jì)算出被測(cè)化學(xué)元素的濃度。這種發(fā)明申請(qǐng)了WO9923479專利(TechnicalChemicals&Products，Inc.)，在測(cè)量中使用某一種波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。當(dāng)需要測(cè)量其他物質(zhì)時(shí)，必須選用另一種波長(zhǎng)的光或PetersEngineering公司的PeCoAS75代(g)工具，該工具使用試紙讀色，用于砷元素(Arsenic，As)的成套化驗(yàn)。由于反射光度計(jì)只能使用一種波長(zhǎng)，所以存在不能用于多種化學(xué)元素分析的局限性。第三類設(shè)備稱為光度計(jì)或色度計(jì)(PhotometerorColorimeter)，用于不完全透光的溶液的測(cè)量，廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作。它采用測(cè)量吸光率的原理，并與化學(xué)元素的濃度值相關(guān)。依據(jù)Beer-Lambert’sLaw定律，一定波長(zhǎng)的吸光率將直接隨著化學(xué)元素的濃度變化，這就使得測(cè)量工具的檢測(cè)和設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行。在設(shè)計(jì)時(shí)總是使用一種波長(zhǎng)，在實(shí)際使用時(shí)工作人員將選用發(fā)光二極管作為光源，因?yàn)榘l(fā)光二極管價(jià)格低廉，耗能少，壽命長(zhǎng)。為了滿足足夠波長(zhǎng)的需要，有些情況下可能會(huì)加用濾光片?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，有多家生產(chǎn)這種用來反應(yīng)并產(chǎn)生顏色的反應(yīng)物工具的制造商，例如Merck，Hach，Hanna，Tintometer等。盡管有這么多優(yōu)點(diǎn)，但光度計(jì)或色度計(jì)還是存在局限性。例如，一臺(tái)配有一個(gè)發(fā)光二極管的裝置，只能用于1～2種物質(zhì)的測(cè)量。當(dāng)需要用一臺(tái)裝置測(cè)量多種物質(zhì)時(shí)，需要增加發(fā)光二極管的數(shù)量，例如，在波長(zhǎng)是400～700納米nanometer(nm)時(shí)，就需使用6個(gè)發(fā)光二極管，這就增加了發(fā)光二極管的數(shù)量，從而提高了設(shè)備的價(jià)格和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是用于測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，該色度讀取器價(jià)格低廉、尺寸小、降低了肉眼觀察的局限性以及外界光源所導(dǎo)致的誤差。本發(fā)明的另一目的是使得測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器能夠準(zhǔn)確無誤的測(cè)量出多種化學(xué)元素。為了達(dá)到第一個(gè)目的，此發(fā)明使用裝有三原色光源，即紅光、綠光和藍(lán)光的用于測(cè)量化學(xué)元素濃度的顏色測(cè)量比較裝置。此裝置使光線照射到試紙反應(yīng)區(qū)或穿過需要檢測(cè)的溶液并進(jìn)入光電檢測(cè)器(Photodetector)，三種顏色的反射光或透射光的強(qiáng)度被用來計(jì)算，并與已知濃度顏色樣本(查表(Look-uptable))相比較后得出與其中的何種顏色相一致，并記錄一定數(shù)量的Pi(Ri，Gi，Bi)和Ci的值。Pi(Ri，Gi，Bi)是第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的光的強(qiáng)度，Ci是第i個(gè)樣品物質(zhì)的化學(xué)濃度值，i的取值范圍是1，2，3……n，n是進(jìn)行檢驗(yàn)和比較的全部標(biāo)準(zhǔn)樣品的數(shù)量。如果P(R，G，B)指的是每次被測(cè)量樣品的光的強(qiáng)度，該工具將通過計(jì)算求出P(R，G，B)與Pi(Ri，Gi，Bi)之間每點(diǎn)的色差(colordifference)，進(jìn)而得出所測(cè)樣品物質(zhì)的濃度。為了換算出需要測(cè)量的化學(xué)元素濃度值，選擇色差最小的兩個(gè)Pi(Ri，Gi，Bi)值進(jìn)行插值法(interpolation)處理。這就降低了觀察的誤差，更加準(zhǔn)確的計(jì)算并測(cè)量出化學(xué)元素的濃度值。為了達(dá)到第二個(gè)目的，應(yīng)用本發(fā)明的比色儀具有三原色光源，使其能夠更廣泛地覆蓋化學(xué)元素與光的作用區(qū)，能夠測(cè)量多種化學(xué)元素濃度。應(yīng)用本發(fā)明的機(jī)器具有能夠保存一定數(shù)量的已知濃度顏色樣本的記憶單元，或能下載與被測(cè)化學(xué)元素相匹配的已知濃度顏色樣本。因此，當(dāng)需要測(cè)量其他化學(xué)元素時(shí)，就能選用相應(yīng)的已知濃度顏色樣本。在研究并參考了附圖和最佳發(fā)明形式的細(xì)節(jié)后，此項(xiàng)發(fā)明的這些目的和特點(diǎn)將體現(xiàn)得更清晰，下文將繼續(xù)闡述說明。圖1表示的是儀器的安裝、及用三種發(fā)光二極管(紅、綠、蘭)和一個(gè)光電探測(cè)器來測(cè)量半透明樣品物質(zhì)的顏色的儀器樣圖。圖2表示的是儀器的安裝、及用一種發(fā)光二極管(白)，三個(gè)光電探測(cè)器和三色濾光鏡(紅、綠、藍(lán))來測(cè)量半透明樣品物質(zhì)的顏色的儀器樣圖。圖3表示的是儀器的安裝、及用三種發(fā)光二極管(紅、綠、蘭)和一個(gè)光電探測(cè)器來測(cè)量不透光樣品物質(zhì)的顏色或濃度的儀器樣圖。圖4表示的是儀器的安裝、及用一種發(fā)光二極管(白)，三個(gè)光電探測(cè)器和三色濾光鏡(紅、綠、藍(lán))來測(cè)量不透光樣品物質(zhì)的顏色或濃度的儀器樣圖。具體實(shí)施方式以下通過實(shí)施例并參考附圖更好地說明本發(fā)明。圖中相同的部分將用同一個(gè)附圖標(biāo)記代替，以保持一致性。發(fā)明的范圍由本文最后所附的權(quán)利要求書確定。用于測(cè)量化學(xué)元素濃度值的比較顏色儀器的工作原理本發(fā)明的工作原理是采用測(cè)量顏色的技術(shù)讀取樣品物質(zhì)的濃度值，此技術(shù)是測(cè)量在由紅、綠、藍(lán)三色組成的原色區(qū)的光學(xué)參數(shù)(Opticalparameters)后，與已知強(qiáng)度樣本比較而求出最小的色差，從而得到被測(cè)物質(zhì)的濃度值。本發(fā)明中紅、綠、藍(lán)光的標(biāo)準(zhǔn)為紅光波長(zhǎng)范圍為580～780nm，綠光波長(zhǎng)范圍為500～580nm，藍(lán)光波長(zhǎng)范圍為400～500nm。在樣品不透光的情況下，強(qiáng)度指的是被測(cè)樣品反射光的強(qiáng)度值(反射率(Reflectance))。對(duì)于半透明的樣品，強(qiáng)度指的是被測(cè)樣品透射率或吸光率(TransmittanceorAbsorbance)。比色電子儀器的工作原理還包括使用反射率(Reflectance)，吸光率(Absorbance)和透射率(Transmittance)。下文將繼續(xù)闡述應(yīng)用本發(fā)明的例子。假設(shè)我們正在使用一種應(yīng)用本發(fā)明的裝置來測(cè)量某種叫A的化學(xué)元素的濃度，用P(R，G，B)表示每次所測(cè)得樣品的光強(qiáng)度，用Pi(Ri，Gi，Bi)表示第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的光強(qiáng)度，i的取值范圍是1，2，3……n，n是進(jìn)行比較和檢驗(yàn)的全部標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)量，通常情況下n＞1。Ci為待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的已知化學(xué)元素濃度值，Ci的值通過與該發(fā)明無關(guān)的其他方式獲得。當(dāng)該發(fā)明設(shè)計(jì)用于不透光樣品檢測(cè)時(shí)，用P(R，G，B)表示依次在紅、綠、藍(lán)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)樣品的反射率。當(dāng)該發(fā)明設(shè)計(jì)用于半透明樣品時(shí)，用P(R，G，B)表示依次在紅、綠、藍(lán)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射率或吸光率。為了更好的理解該發(fā)明的工作原理，請(qǐng)看附表1。表1是化學(xué)元素A的1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)樣品(Ref.#1)樣例比較表，A化學(xué)元素的濃度為C1，紅(Redfactor)、綠(Greenfactor)、藍(lán)(Bulefactor)光的強(qiáng)度依次為R1、G1、B1。同理，第n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度為Cn，紅、綠、藍(lán)光的強(qiáng)度依次為Rn、Gn、Bn。假設(shè)每次樣品所測(cè)的強(qiáng)度為P(R，G，B)，當(dāng)拿此值與表中的每個(gè)樣品強(qiáng)度值Pi(Ri，Gi，Bi)比較時(shí)，計(jì)算求出色差(Colordifference)。如果P(R，G，B)與Pi(Ri，Gi，Bi)的任何一個(gè)值之間存在最小色差，表示所測(cè)的樣品含化學(xué)元素A的濃度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的值最接近。例如，如果所讀取的強(qiáng)度與2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)樣品強(qiáng)度的色差最小，則所讀取的濃度值就應(yīng)是C2。表1被測(cè)物質(zhì)與光的顏色比較所讀取的色度值P(R，G，B)與標(biāo)準(zhǔn)樣品的色度值Pi(Ri，Gi，Bi)之間的色差值(CDi)可以用以下方程來計(jì)算計(jì)算色差的公式CDi=(Ri-R)2+(Gi-G)2+(Bi-B)2]]>(方程1)根據(jù)方程1，如果標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)CDi有最小值，表示所測(cè)的色度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的值最接近。那樣，所測(cè)的濃度值也應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)樣品的值最接近。如果標(biāo)準(zhǔn)樣品的數(shù)量很大，所讀取的濃度值將更加準(zhǔn)確。這樣，標(biāo)準(zhǔn)樣品的數(shù)量將取決于使用的適宜性和成套化驗(yàn)工作者的需要。如果所測(cè)量的樣品強(qiáng)度P(R，G，B)值或任何標(biāo)準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度Pi(Ri，Gi，Bi)值，在最大值P(RMAX，GMAX，BMAX)和最小值PMIN(RMIN，GMIN，BMIN)之間，則工作者根據(jù)使用的適宜性來設(shè)最大值或最小值。舉例如下例1在白色的紙上測(cè)顏色，在紙的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的色點(diǎn)可能形成圓形、正方形或其他形狀。這種情況下的強(qiáng)度值P(R，G，B)指的是紙上由色點(diǎn)反射的光的強(qiáng)度。當(dāng)色點(diǎn)為白色或直接來自紙面的顏色時(shí)，反射光的強(qiáng)度有最大值。因?yàn)榘咨镔|(zhì)反射光線強(qiáng)于別的顏色的物質(zhì)。從成套化驗(yàn)的角度看，當(dāng)色點(diǎn)為白色時(shí)，表示沒有待測(cè)化學(xué)元素或只能測(cè)量到極少的數(shù)量。當(dāng)我們使用8bit的電子系統(tǒng)，可以設(shè)白色反射光的強(qiáng)度值P(RMAX，GMAX，BMAX)＝P(255，255，255)，反射光強(qiáng)度的最小值往往來自暗色點(diǎn)。例如，黑色，我們?cè)O(shè)最小值PMIN(RMIN，GMIN，BMIN)＝P(0，0，0)。例2測(cè)量液體或溶液的顏色，這時(shí)光的強(qiáng)度值P(R，G，B)表示透射率或吸光率。假設(shè)我們選用透射率表示光的強(qiáng)度值，當(dāng)溶液無色時(shí)強(qiáng)度最大，例如，水的樣本。當(dāng)把特定的檢測(cè)物質(zhì)加入水的樣本中并產(chǎn)生顏色時(shí)，透射光的強(qiáng)度將降低。如果水的樣本顏色很暗，透射光的強(qiáng)度將大幅下降。最終，光線將不能透過水的樣本。因此在這種情況下，可以設(shè)強(qiáng)度的最大值P(RMAX，GMAX，BMAX)＝P(100，100，100)，最小值PMIN(RMIN，GMIN，BMIN)＝P(0，0，0)，方便于用百分比形式表示比較透射光的強(qiáng)度值。預(yù)測(cè)濃度的技術(shù)由于應(yīng)用本發(fā)明的儀器的工作原理是把讀取的色度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的值作比較，因此所讀取的化學(xué)元素的濃度有離散值(discretevalue)，此濃度值等于已知標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的濃度值或等于表1中C1，C2，C3，…，Ci，…Cn的任一值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)所讀取的色度與某種標(biāo)準(zhǔn)樣品色度的色差最小時(shí)，所讀取的濃度就等于該種樣品的濃度值。這一點(diǎn)前面已有所說明。如果所讀取的濃度值等于Ci，被測(cè)物質(zhì)的實(shí)際濃度將在[(Ci-Ci-1)/2]和[(Ci+1-Ci)/2]之間，該實(shí)際濃度可以通過其他方法獲取，就是說我們能夠通過使用極小濃度差的標(biāo)準(zhǔn)樣品，或加入大量標(biāo)準(zhǔn)樣品的方式來降低測(cè)量的誤差。這種作法提高了測(cè)量比較工具的費(fèi)用，增加了耗時(shí)。除此之外，從工具的設(shè)計(jì)角度看，將會(huì)使用更多的測(cè)量比較圖表以及具有更強(qiáng)存儲(chǔ)功能的電子器件。以下所要說明的計(jì)算技術(shù)，使應(yīng)用該發(fā)明的儀器所讀取的化學(xué)元素的濃度值與實(shí)際濃度值非常接近，或者說在不用增加檢測(cè)比較圖表的數(shù)量或改變工具裝置的情況下來降低誤差。例如所測(cè)的化學(xué)元素有象表1那樣的檢測(cè)比較表，給出一定的濃度值，那么應(yīng)用該發(fā)明的儀器所讀取的強(qiáng)度值等于P(R，G，B)，用方程1的公式計(jì)算所測(cè)強(qiáng)度值P(R，G，B)與每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度值Pi(Ri，Gi，Bi)的色差。并規(guī)定前兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品的色差最小，實(shí)際濃度值將在這兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值之間。假設(shè)兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值為Cm，Cn且Cm＜Cn，可以按如下方程預(yù)測(cè)新的濃度值(C)C=Cm+(Cn-Cm)(Rm-R)2+(Gm-G)2+(Bm-B)2(Rm-R)2+(Gm-G)2+(Bm-B)2+(Rn-R)2+(Gn-G)2+(Bn-B)2]]>(方程2)或C=Cn-(Cn-Cm)(Rn-R)2+(Gn-G)2+(Bn-B)2(Rm-R)2+(Gm-G)2+(Bm-B)2+(Rn-R)2+(Gn-G)2+(Bn-B)2]]>(方程3)Cm和Cn是兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值與所測(cè)強(qiáng)度的色差最小的前兩個(gè)值，且Cm＜Cn。P(R，G，B)是與濃度相對(duì)應(yīng)的的強(qiáng)度值，該強(qiáng)度可能是反射光的強(qiáng)度、透射光的強(qiáng)度或吸光率，這在4.1中已有所說明。P(Rm，Gm，Bm)是與第m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值Cm相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。P(Rn，Gn，Bn)是與第n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值Cn相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。在計(jì)算求取濃度值C的過程中，可以選用方程2或方程3，計(jì)算所得值相近，為了更好了解此種計(jì)算技術(shù)，有必要思考以下例子表2表示化學(xué)元素A的檢測(cè)比較表，通過技術(shù)處理在紙上產(chǎn)生顏色。因此這里的強(qiáng)度P(R，G，B)指的是反射光的強(qiáng)度，且規(guī)定反射光的強(qiáng)度有最大值PMAX(100，100，100)。當(dāng)反射來自白紙，反射光的強(qiáng)度有最小值PMIN(0，0，0)。當(dāng)色點(diǎn)為黑色時(shí)，表中標(biāo)準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度值及相關(guān)數(shù)值使用ppb(十億分之一)單位。假設(shè)在一次求取化學(xué)元素A的含量的試驗(yàn)中，所測(cè)的強(qiáng)度是P(x，y，z)，當(dāng)根據(jù)方程l中的公式計(jì)算求得的色差(CDi)表示5號(hào)樣品有最小色差，因此化學(xué)元素的濃度就應(yīng)該等于100ppb。但通過觀察，強(qiáng)度值P(100，100，40)在4號(hào)與5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)樣品的強(qiáng)度值之間，濃度值應(yīng)在80～100ppb之間，與100ppb的值很相近。為使預(yù)測(cè)值與實(shí)際數(shù)值更接近，可以用方程3計(jì)算這種濃度值C＝100-(100-80)(4/16)＝100-5＝95ppb計(jì)算得出化學(xué)元素A的濃度值等于95ppb，介于4號(hào)和5號(hào)樣品的濃度值之間。在不增加或改進(jìn)檢測(cè)比較表的情況下，這種計(jì)算技術(shù)將有助于讀取的數(shù)值與實(shí)際值更相近。表2化學(xué)元素A的檢測(cè)比較表裝置安裝實(shí)施例以下將說明各種裝置安裝的方法，為了更好的理解應(yīng)用本發(fā)明的儀器的工作原理和實(shí)際應(yīng)用，將分別對(duì)裝有半透明樣品式和不透光樣品式的裝置進(jìn)行說明，主要闡述對(duì)此發(fā)明設(shè)計(jì)的基本原理，并簡(jiǎn)述各種裝置設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。應(yīng)用本發(fā)明的裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與光度測(cè)定器(photometer)，色度計(jì)，反射光度計(jì)相似，這一點(diǎn)大家已廣泛知曉。說明將采用特定符號(hào)和數(shù)字代替某一裝置的圖形，除非在資料中有特別說明，一種裝置將使用一種符號(hào)和數(shù)字。安裝用于測(cè)量半透明樣品物質(zhì)顏色的裝置圖1和圖2表示安裝用于測(cè)量各種半透明樣品物質(zhì)顏色的裝置。其基本原理是測(cè)量透射光強(qiáng)度的結(jié)果是表示與透射光強(qiáng)度相同的強(qiáng)度值P(R，G，B)，然后將所得強(qiáng)度值收集，根據(jù)先前所說的原理，可應(yīng)用于化學(xué)元素濃度值的讀取。圖1用紅(3a)、綠(3b)、藍(lán)色(3c)的發(fā)光二極管(LED)做光源。圖2中用通用性白色發(fā)光二極管(White-lightLED)(22)，安裝這種裝置是為了滿足液體或溶液樣品的要求，該裝置也能夠應(yīng)用于其他任何光能透射的樣品。例如，固體、粉末、顆粒等。在樣品是液體的情況下，要使用透明容器(Transparentcontainer)(1)，例如，瓶狀、筒狀、正方形或圓形的透明玻璃或塑料制品。然而在圖1中光源分別是由紅、綠、藍(lán)色的發(fā)光二極管組成的三色發(fā)光二極管，下文稱為“RGBLED”。此發(fā)光二極管將三個(gè)顏色的發(fā)光二極管置于一個(gè)發(fā)光二極管中，或是將三色發(fā)光二極管分離，每個(gè)依次為紅、綠、藍(lán)色。微控制器(11)(Microcontroller)應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)裝置。在發(fā)光二極管(3a，3b，3c)部分有發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路(10)，用于控制RGBLED并向其輸送由工作者根據(jù)需要設(shè)定的電流。電子開關(guān)(9)用于控制每次每個(gè)發(fā)光二極管的照射，進(jìn)行交替照射，直到三色齊全。當(dāng)紅、綠、藍(lán)色的入射光(5)照到被測(cè)樣品物質(zhì)(2)上，在穿過透明器皿(1)過程中，有些光被吸收，剩余的光(7)將透射過被測(cè)樣品。每種顏色的透射光強(qiáng)度值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。為得到進(jìn)行測(cè)量所需的光線可以加入透鏡(4)(6)，紅、綠、藍(lán)色透射光的強(qiáng)度將用光電探測(cè)器或測(cè)光頭(8)來測(cè)量。例如，光電二極管等，測(cè)光頭將把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，來自測(cè)光頭的電流值將被轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)度值。由于來自測(cè)光頭的信號(hào)往往信號(hào)值很低，所以一定要使用前置放大器(Pre-amplifier)和放大器(Amplifier)來適當(dāng)調(diào)節(jié)信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DConverter)用于轉(zhuǎn)換來自測(cè)光探頭，或通過濾光鏡輸入的、由光電二極管采集的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(digital)。即，依次為紅色信號(hào)R、綠色信號(hào)G、和藍(lán)色信號(hào)B，用于比較數(shù)字信號(hào)P(R，G，B)在透射率中的變化，以及存在于圖表數(shù)據(jù)記憶單元中的比較顏色圖表中的值的變化。以便通過計(jì)算求得與儲(chǔ)存在該儀器的記憶單元(17)中的比較顏色圖中的參考值相近的化學(xué)元素的濃度值，以及用終端顯示屏(12)顯示所得濃度值的結(jié)果。圖2表示安裝用于測(cè)量另一種半透明樣品物質(zhì)的顏色或濃度的光學(xué)儀器。這種情況下，光源是白色發(fā)光二極管或燈泡，例如白熾燈。驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管電路(10)用于控制發(fā)光二極管的工作，微控制器(11)用于控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。當(dāng)光(5)照射到被測(cè)樣品物質(zhì)上，在穿過透明器皿(1)過程中，有些光被吸收，剩余的光(7)將透射過被測(cè)樣品。每種顏色的透射光強(qiáng)度值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。為得到進(jìn)行測(cè)量所需的光線可以加入透鏡(4)(6)。樣品物質(zhì)的透射光(7)將被分為三種顏色紅色、綠色和藍(lán)色。使用特定的第一種窄帶濾光器(Narrow-bandfilter)(16)使紅光可以透射，第二種使綠光可以透射，第三種使藍(lán)光可以透射。測(cè)量三種顏色光的強(qiáng)度要使用三個(gè)相同的測(cè)光探頭(16a，16b，16c)，與每種濾光鏡相同，測(cè)光探頭需安裝在窄帶濾光器后部，測(cè)光探頭會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。每種顏色的透射光值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。一般情況下，由于來自測(cè)光探頭的信號(hào)值很低，所以一定要使用前置放大器(Pre-amplifier)(14)。多路轉(zhuǎn)換器(Multiplexer)(23)匯集來自三個(gè)測(cè)光探頭的信號(hào)，信號(hào)將被放大器(13)放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DConverter)用于轉(zhuǎn)換來自測(cè)光探頭，或通過濾光鏡輸入的、由光電二極管采集的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(digital)(15)。即，依次為紅色信號(hào)R、綠色信號(hào)G、和藍(lán)色信號(hào)B，用于比較數(shù)字信號(hào)P(R，G，B)在透射率中的變化，以及存在于圖表數(shù)據(jù)記憶單元中的比較顏色圖表中的值的變化。以便通過計(jì)算求得與儲(chǔ)存在該儀器的記憶單元(17)中的比較顏色圖中的參考值相近的化學(xué)元素的濃度值，以及用終端顯示屏(12)顯示所得濃度值的結(jié)果。安裝用于測(cè)量不透光樣品顏色的光學(xué)儀器對(duì)于不透光的樣品，例如，試紙，用測(cè)量反射強(qiáng)度來測(cè)量顏色。因此先前所提的強(qiáng)度值P(R，G，B)，表示反射光強(qiáng)度。圖3和圖4表示安裝用于測(cè)量各種不透光樣品物質(zhì)顏色或濃度的裝置。圖3用由紅(3a)、綠(3b)、藍(lán)色(3c)組成的三色發(fā)光二極管(LED)或RGBLED做光源。RGBLED發(fā)光二極管將三個(gè)顏色的發(fā)光二極管置于一個(gè)發(fā)光二極管中，或是將三色發(fā)光二極管分開，每個(gè)依次為紅、綠、藍(lán)色。其他裝置與圖1相同。當(dāng)紅、綠、藍(lán)色的入射光(20)照到需要測(cè)量的樣品物質(zhì)(18)上，一定要測(cè)量照射在色點(diǎn)區(qū)域(19)內(nèi)的入射光(20)。有些光將被吸收，剩余的光產(chǎn)生反射(21)。每種顏色的反射光強(qiáng)度值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。來自測(cè)光頭的數(shù)據(jù)或強(qiáng)度P(R，G，B)將被用來收集結(jié)果以便繼續(xù)計(jì)算樣品物質(zhì)的顏色和濃度。根據(jù)先前所說的比較顏色的原理，所讀取的濃度結(jié)果將通過終端顯示設(shè)備(12)顯示。圖4表示安裝用于測(cè)量另一種不透明樣品物質(zhì)的顏色或濃度的光學(xué)儀器。這種情況下，光源是白色發(fā)光二極管或燈泡，例如，白熾燈。其他裝置與圖2相同。當(dāng)入射光(20)照到需要測(cè)量的樣品物質(zhì)(18)上，定要測(cè)量照射在色點(diǎn)區(qū)域(19)內(nèi)的入射光(20)。有些光將被吸收，剩余的光由被測(cè)樣品物質(zhì)的反射(21)產(chǎn)生。每種顏色的反射光強(qiáng)度值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。來自樣品物質(zhì)的反射光(21)將被分為三種顏色紅色、綠色和藍(lán)色。使用特定的第一種窄帶濾光器(Narrow-bandfilter)(16)使紅光可以透射，第二種使綠光可以透射，第三種使藍(lán)光可以透射。測(cè)量三種顏色光的強(qiáng)度要使用三個(gè)相同的測(cè)光探頭(16)，與每種濾光鏡相同，測(cè)光探頭需安裝在窄帶濾光器后部。每種顏色的反射光強(qiáng)度值將隨著樣品物質(zhì)的種類和樣品物質(zhì)的顏色而變化。所得的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成反射率，以便測(cè)量強(qiáng)度P(R，G，B)，然后用微控制器(11)收集結(jié)果以便繼續(xù)計(jì)算樣品物質(zhì)的濃度。根據(jù)先前所說的比較顏色的原理，所讀取的濃度值結(jié)果將通過終端顯示設(shè)備(12)顯示。在圖3、圖4中安裝光學(xué)儀器，將光源放在垂直的方向并與被測(cè)樣品物質(zhì)相垂直。換句話說，光的入射角與被測(cè)樣品物質(zhì)的垂直線成0℃角，把測(cè)光探頭放置在與被測(cè)樣品物質(zhì)垂直線成0～90℃的任一個(gè)角度上。但常用角度為與被測(cè)樣品物質(zhì)的垂直線成45℃角。這樣的安裝叫做0℃/45℃式安裝。相反的，可以交換圖3和圖4中的光源單元和測(cè)光探頭的位置。例如，45℃/0℃式安裝?？傊景l(fā)明用于檢測(cè)化學(xué)元素量或樣品物質(zhì)的物理性質(zhì)。例如，土壤或水的酸堿性(PH)、飲用水或游泳池中含氯量、飲用水中含砷量、或人體中化學(xué)元素的含量等。本發(fā)明還可以普遍應(yīng)用于許多
技術(shù)領(lǐng)域：
，在每種
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中使用時(shí)，其可能性和適應(yīng)性不同。然而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，此技術(shù)應(yīng)用得很廣。將反應(yīng)物混合在樣品物質(zhì)中，當(dāng)反應(yīng)物與被測(cè)化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生顏色時(shí)，所產(chǎn)生顏色的特性能夠指明被測(cè)化學(xué)元素含量。在有些情況下，樣品需要在液體或溶液狀態(tài)中測(cè)量，反應(yīng)物和化學(xué)元素在溶液中產(chǎn)生反應(yīng)，將改變?nèi)芤旱念伾??；蛟谟行┣闆r下，顏色將在試紙上產(chǎn)生，這要取決于需要測(cè)量的化學(xué)元素或反應(yīng)物的性質(zhì)。將產(chǎn)生顏色與已知濃度顏色樣本相比較的最容易的方法是用肉眼直接觀察，但這種方法誤差高。因?yàn)橛卸喾N因素影響，例如，每人眼球?qū)︻伾姆磻?yīng)不一，觀察到的顏色的種類和強(qiáng)度受光源影響。此發(fā)明將有助于解決這些問題?？梢詫⒁阎獫舛阮伾珮颖敬嬗谠摴ぞ叩挠洃泦卧?，此發(fā)明就能立即讀出樣品的顏色，并與已知濃度顏色樣本比較，然后顯示被測(cè)化學(xué)元素含量的結(jié)果。這樣，使用將更簡(jiǎn)便，比用肉眼直接觀察的準(zhǔn)確性更高，并且不受外界光源的影響。本發(fā)明被進(jìn)一步發(fā)展為適用于價(jià)格低廉的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作業(yè)的工具。在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、控制生產(chǎn)質(zhì)量和醫(yī)藥方面，可以應(yīng)用于樣品顏色的讀取。例如，紙、液體或固體。所得樣品顏色的強(qiáng)度可以指明一些化學(xué)元素的濃度和種類。當(dāng)把讀取的顏色與已知濃度顏色樣本比較時(shí)，可以得出被測(cè)化學(xué)元素的濃度或種類。與用肉眼比較顏色相比，此工具的準(zhǔn)確性更高。因?yàn)闇y(cè)量不受外界光線及操作者的影響。此發(fā)明的另一個(gè)特性是能夠用同一工具測(cè)量多種化學(xué)元素。盡管此發(fā)明已用附圖等方式加以詳細(xì)說明，但難免會(huì)被相關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
的專業(yè)人士所修改。例如，紅、綠和藍(lán)色的濾鏡可以用黃、品紅(Magenta)和青色(Cyan)代替?；蛟谛枰那闆r下使用準(zhǔn)確率更高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DConverter)代替8bit的電子器件。總結(jié)三原色光源即紅、綠、藍(lán)測(cè)量比較顏色儀應(yīng)用于測(cè)量化學(xué)元素濃度。產(chǎn)生的光照射在試紙反應(yīng)區(qū)或透射過需要檢測(cè)的溶液射入光電探測(cè)器里，三種顏色反射光或透射光的強(qiáng)度將被拿來計(jì)算并比較后得出與何種已知濃度顏色樣本(查表(look-uptable))中的顏色相同，并保留一定數(shù)量的Pi(Ri，Gi，Bi)和Ci的值。Pi(Ri，Gi，Bi)是第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的光的強(qiáng)度，Ci是第i個(gè)樣品物質(zhì)的化學(xué)濃度值，i的取值范圍是1，2，3……n，n是比較和檢驗(yàn)的全部標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)量。如果P(R，G，B)指的是每次被測(cè)樣品的光的強(qiáng)度，該裝置將通過計(jì)算求出P(R，G，B)與Pi(Ri，Gi，Bi)之間每點(diǎn)的色差的方法，并得到被測(cè)樣品物質(zhì)的濃度，選擇帶有色差Pi(Ri，Gi，Bi)值的數(shù)據(jù)中的兩個(gè)最小值，進(jìn)而得出被測(cè)化學(xué)元素的濃度值，該濃度值與標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的化學(xué)元素濃度值相等。此外，在不用增加標(biāo)準(zhǔn)樣品物質(zhì)的數(shù)量的情況下，當(dāng)需要更精確的讀取濃度值時(shí)，儀器將選擇Pi(Ri，Gi，Bi)值中色差值最小的前兩個(gè)數(shù)，根據(jù)求色差比例的原理進(jìn)行插值法(interpolation)處理，以便更精確地得出被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。權(quán)利要求1.一種測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，其特征在于，包括一組光源；安裝在上述光源照射不透光物體所產(chǎn)生的反射光的光路上的至少一個(gè)測(cè)光探頭，其將所接收的反射光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號(hào)；與所述測(cè)光探頭連接的轉(zhuǎn)換單元，其將所接收的所述測(cè)光探頭輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；存儲(chǔ)有標(biāo)準(zhǔn)參考色度以及程序的記憶單元；與所述轉(zhuǎn)換單元、記憶單元連接的控制器，該控制器根據(jù)所述記憶單元中存儲(chǔ)的程序進(jìn)行控制，以及接收所述轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字信號(hào)，并將對(duì)應(yīng)于所述一組光源的光發(fā)射而產(chǎn)生的一組數(shù)字信號(hào)與記憶單元中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參考色度相比較，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值；與所述控制器連接的顯示單元，其接收并顯示所述控制器輸出的被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色度讀取器，其特征在于，所述一組光源包括紅、綠、藍(lán)三原色光源。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值作為被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的前兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。5.一種測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，其特征在于，包括一組光源；安裝在上述光源照射半透明物體所產(chǎn)生的透射光的光路上的至少一個(gè)測(cè)光探頭，其將所接收的透射光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號(hào)；與所述測(cè)光探頭連接的轉(zhuǎn)換單元，其將所接收的所述測(cè)光探頭輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；存儲(chǔ)有標(biāo)準(zhǔn)參考色度以及程序的記憶單元；與所述轉(zhuǎn)換單元、記憶單元連接的控制器，該控制器根據(jù)所述記憶單元中存儲(chǔ)的程序進(jìn)行控制，以及接收所述轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字信號(hào)，并將對(duì)應(yīng)于所述一組光源的光發(fā)射而產(chǎn)生的一組數(shù)字信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)參考色度相比較，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值；與所述控制器連接的顯示單元，其接收并顯示所述控制器輸出的被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的色度讀取器，其特征在于，所述一組光源包括紅、綠、藍(lán)三原色光源。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值作為被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的前兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。9.一種測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，其特征在于，包括光源；安裝在適于接收上述光源照射不透光物體所產(chǎn)生的反射光的位置上的一組濾光鏡；安裝在所述反射光通過所述一組濾光鏡之后的光路上、與所述濾光鏡平行的至少一個(gè)測(cè)光探頭，其接收通過所述濾光鏡的所述反射光，并將所接收的該反射光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號(hào)；與所述測(cè)光探頭連接的轉(zhuǎn)換單元，其將所接收的所述測(cè)光探頭輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；存儲(chǔ)有標(biāo)準(zhǔn)參考色度以及程序的記憶單元；與所述轉(zhuǎn)換單元、記憶單元連接的控制器，其根據(jù)所述記憶單元中存儲(chǔ)的程序進(jìn)行控制，以及接收所述轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字信號(hào)，并將對(duì)應(yīng)于通過所述一組濾光鏡之后的所述反射光而產(chǎn)生的一組數(shù)字信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)參考色度相比較，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值；與所述控制器連接的顯示單元，其接收并顯示所述控制器輸出的被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的色度讀取器，其特征在于，所述光源包括白光源；所述一組濾光鏡包括可通過紅、綠、藍(lán)三原色光的濾光鏡。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值作為被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的前兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。13.一種測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，其特征在于，包括光源；安裝在適于接收上述光源照射半透明物體所產(chǎn)生的透射光的位置上的一組濾光鏡；安裝在所述透射光通過所述一組濾光鏡之后的光路上、與所述一組濾光鏡平行的至少一個(gè)測(cè)光探頭，其接收通過所述濾光鏡的所述透射光，并將所接收的該透射光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號(hào)；與所述測(cè)光探頭連接的轉(zhuǎn)換單元，其將所接收的所述測(cè)光探頭輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)參考色度以及程序的記憶單元；與所述轉(zhuǎn)換單元、記憶單元連接的控制器，其根據(jù)所述記憶單元中存儲(chǔ)的程序進(jìn)行控制，以及接收所述轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字信號(hào)，并將對(duì)應(yīng)于通過所述一組濾光鏡之后的所述透射光而產(chǎn)生的一組數(shù)字信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)參考色度相比較，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值；與所述控制器連接的顯示單元，其接收并顯示所述控制器輸出的被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的色度讀取器，其特征在于，所述光源包括白光源；所述一組濾光鏡包括可通過紅、綠、藍(lán)三原色光的濾光鏡。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值作為被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的色度讀取器，其特征在于，所述控制器采用對(duì)應(yīng)于與所述一組數(shù)字信號(hào)色差最小的前兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考色度的化學(xué)元素濃度值進(jìn)行插值運(yùn)算，獲得被測(cè)化學(xué)元素的濃度值。專利摘要本實(shí)用新型涉及測(cè)量化學(xué)元素濃度的色度讀取器，該色度讀取器具有三原色光源，使其能夠更廣泛地覆蓋化學(xué)元素與光的作用區(qū)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量多種化學(xué)元素濃度。文檔編號(hào)G01N21/27GK2844906SQ20042005090公開日2006年12月6日申請(qǐng)日期2004年5月10日優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日發(fā)明者布恩松·薩塔普,阿莫特·索姆布齊,拉撒薩塔·阿瑪里特,斯塔鮑恩·坎霍姆申請(qǐng)人:泰國(guó)國(guó)家科技發(fā)展署