[发明专利]用于确定溶液中物质浓度的系统和方法

说明书

描述了协同使用光学传感器和电磁传感器检测溶液中一种或多种物质浓度的系统和方法。在根据实施例的协同光学和电磁传感器的物质浓度检测器运行时，协同地使用光学传感器和电磁传感器两者以检测具有某种物理特征的物质浓度，该物理特征和一个或另一个传感器不兼容，和/或该物质的测量会受到样本中另一种物质的影响。例如，实施例经配置协同使用光学和电磁传感器，用来检测溶液中金属离子和酸的浓度，例如用于实时物质浓度检测。

【技术领域】

本发明涉及检测溶液中一种或多种物质的浓度，特别涉及协同地使用光学传感器和电磁传感器得出溶液中物质的浓度。

【背景技术】

通常会希望知道溶液中一种或多种物质的浓度，甚至很多时候是非常重要的。例如，检测水中各种物质的浓度对于保持水质是重要的，例如用于各种设备中的水、淡水供应等。同样，工业过程中使用的溶液中的物质浓度检测也是令人期待的，例如以确保过程的正确操作、过程效率、所得产品的质量等。

工业过程中监测溶液中物质的一个例子是阳极氧化过程。阳极氧化是一种电解钝化工艺，用于在金属(例如铝)的表面上形成一层硬氧化膜，其提供防腐蚀保护，并可以以任何颜色涂漆或染色。在铝阳极氧化工艺的操作中，例如，通过使直流电流通过电解质溶液来生长一层阳极氧化铝层，其中铝物体用作阳极。在这种阳极氧化过程中使用的电解质溶液通常含有各种成分，包括酸(例如硫酸、H₂SO₄)和金属离子(例如铝离子、Al³⁺)。

可以控制诸如酸度、溶液温度、电解质中的物质浓度、电流等条件，来促进阳极氧化过程中形成一致的氧化物层。但是，在阳极氧化过程中，电解质中的物质浓度会连续变化。例如，在阳极氧化过程中硫酸浓度会降低，铝离子浓度会增加，这将直接影响氧化膜的厚度和质量。因此，实时监测物质(例如硫酸和铝离子)的浓度对于保持产品产量及质量是非常有用的。

滴定是用于确定阳极氧化过程中物质浓度的传统方法。特别是，常用的滴定方法是手动滴定和自动电位滴定。这两种滴定方法都需要消耗额外的化学品用于稀释、pH平衡、化学反应和颜色指示等，从而产生化学消耗品和化学废物处理的成本。此外，滴定通常会导致有关溶液中物质浓度测量时出现主观误差。手动滴定方法可能在溶液中物质浓度测量方面存在主观误差，诸如因人而异的个人判断。例如，在分析过程中关键点时，有些人对指示剂颜色的分辨偏深，有些人偏浅；有些人喜欢根据之前的滴定结果下意识地控制随后的滴定过程，从而导致系统测量结果偏高或偏低。手动滴定方法通常取样率较低(例如，每天两次)，测量过程需要较长的时间才能完成(例如，在实验室中进行滴定测试需要10分钟)。因此，手动滴定不能用于在线监测而及时获得浓度信息，例如实时监测和调节工业过程中电解质的浓度。与手动滴定相比，自动电位滴定更准确，也更精确。但是，尽管自动电位滴定可以检测ppm级的目标物质，但自动电位滴定对仪器有相当高的要求，使得成本和维护要求(例如，需要频繁的日常维护)可能非常高。因此，滴定方法可能不适合在这些过程中实时监测溶液浓度。

使用光学传感器的分析仪，例如紫外-可见光谱(UV-VIS)分析仪或可见近红外(VIS-NIR)分析仪，可用于通过计算光吸收量来测量某些化学品的浓度。但是，这种分析仪包括具有可以进行复杂处理的光谱仪和适用于各种物质的光学传感器系统，因此通常相对昂贵。光学分析仪在测量具有特定物理特征(如无色，可以定义为在UV-VIS-NIR范围(200-1700nm)中没有明显的吸收峰，如铝离子)的物质浓度方面是无效的。一些光学分析仪的操作需要将额外化学物质添加到观察溶液中和/或需要化学反应。因此，光学分析仪不适用于监测某些溶液中的物质浓度，例如上述电解质溶液。