专利名称：一种染液浓度原位在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体浓度测量领域，具体地说是染液浓度在线测量系统。
背景技术：
纺织产品在我们的生活中随处可见，这些纺织品的颜色以及图案一般是通过印染的方式来加工的。在纺织印染过程中，染液中染料的浓度随时都在变化。为了保证纺织品在染色过程中的产品颜色与标样一致，需要随时监测染液中染料的组分和浓度变化、上染温度、上染率等。纺织物的染色方法可分为浸染和轧染两种。一直以来，在印染过程中，负责染色的技术人员主要依靠其长期积累的经验，对染液中染料组分和浓度进行调整，来获得满足订单要求的色差级别。如以轧染的染色方式对纺织品进行染色，轧液槽中染液的浓度随着染色的进行在不断变化，为保证染色织物上色的前后一致性，必须了解轧液槽中各 组分染料的实时浓度，然后再补充染液，此时完全凭借经验来判断轧液槽中的染料组分以及染液的补充量。而对于以浸染对纺织品染色的方式，染料在不同时间及温度区间内的上染行为(即上染速度)对制定染色升温曲线、选择染料与助剂、控制染色质量、提高生产效率等至关重要。但是，由于现有技术中缺少有效的染料浓度的在线监测设备，只能根据实验室模拟生产的结果和积累的经验，在生产设备运行时边生产边调整。在这种情况下，由于印染过程过多的依赖人为经验，就很难保证染色的均匀性、一致性以及印染效率。由于实时动态的监测染料浓度的变化，可以为染色工作者提供实时信息，从而为准确、及时地调整染液浓度创造条件，因此实时动态的监测染料浓度至关重要。此外，在纺织品的生产领域中，对纤维的染色性能分析、染料的性能分析、染色过程中染料之间以及染料与助剂之间的相互作用分析等，均是以测试染液的浓度变化为依据，再进行不同方向的深层次分析，因此印染过程的浓度变化为上述众多项目的分析提供条件。随着技术的发展，国外出现了染料浓度在线监测的试验机，主要包括染色机器、泵以及分光光度计，由管路连接并形成环路，其工作原理为工作时染色机中的染液通过泵的加压作用被输送到分光光度计的样品池中，染液的吸光度值被测量，然后再经过软件系统计算出浓度值，同时被测试的染液又被泵打回到染色机中。由于这种监测设备是先取出液体、再测试，因此监测结果明显滞后于染液的实时浓度，在调整当前的染液浓度时存在误差，容易造成误判。在中国专利文献CN100429597C中公开了一种对染色机的染液组分进行在线监测和控制的系统，具有染液组分添加装置、染液还原剂在线监测装置、染液PH值在线监测装置、染液采样泵和工业控制计算机，使用实时在线采集染色机染槽中的染液样品，以工业控制计算机为控制核心，利用电位滴定方法在线监测出染液中还原剂的浓度，还在线即时监测出染液的PH值，将在线监测值与设定值进行比较，根据比较结果控制染液组分添加装置的添加量，使在线控制染槽中的染液的成分与设定值一致，从而保证染色织物的染色质量。但是，由于该技术方案是通过采用电位滴定的方法在线监测还原染料染色系统的还原电位来监测与控制染色过程，因而只能被用于还原染料对织物的染色，而不适合其它类型染料染色过程；而且采用电位滴定方法在线监测的方式，还存在着一定的滴定反应误差，监测结果还有一定的滞后性；此外，该技术方案中的设备复杂，存在着实施难度较大、成本高等问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的是现有技术中染液监测方法存在滞后性、误差大，无法实时动态的监测染液浓度的变化等技术问题，从而提出一种可以实时动态的监测染液浓度的染液浓度原位在线监测系统。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下一种染液浓度原位在线监测系统，包括光源、光纤传感探头、光纤光谱仪和分析 处理装置，光源用于产生光束；光纤传感探头包括光纤和探头，所述探头包括发射镜面和反射镜面，相对放置在所需监测的染液中，所述发射镜面通过光纤与所述光源连接，所述光源发射的光束经所述光纤传导后，由所述发射镜面发射出，经所述染液吸收后透过的光束到达所述反射镜面，所述反射镜面反射该光束，将所述光束反射到所述染液中，所述光束经所述染液再次吸收后，透过的光束返回到所述发射镜面；所述发射镜面还通过光纤与所述光纤光谱仪连接，返回所述发射镜面的光束经所述光纤传输到所述光纤光谱仪；光纤光谱仪，对返回的光束进行光电转换、信号处理与分析，得到全波段、多波段的染液光谱图，同时可以获得在设定波长的吸光度值和透射率值，设定取值时间间隔，可以获得不同时间该波长处吸光度值。分析处理装置，与所述光纤光谱仪连接，获得所述光纤光谱仪的光谱数据，并根据光谱数据计算染液中染料的浓度，也可以获得染液物料浓度随时间变化值。本发明所述的染液浓度原位在线监测系统，所述发射镜面和反射镜面均为金属镜面，直径为3-7臟，两镜面的间距为O. 2-5mm。本发明所述的染液浓度原位在线监测系统，所述光源为紫外-可见光。本发明所述的染液浓度原位在线监测系统，所述分析处理装置为高速处理计算机。本发明所述的一种染液浓度原位在线监测方法，包括如下步骤(I)将光纤传感探头置于所需监测的染液中，所述探头的发射镜面和反射镜面相对放置在染液内；(2)光源发射出光束，所述光束经所述光纤传导后，由所述发射镜面发射出，经所述染液吸收后透过的光束到达所述反射镜面，所述反射镜面反射该光束，将所述光束反射到所述染液中，所述光束经所述染液再次吸收后，透过的光束返回到所述发射镜面；(3)返回所述发射镜面的光束经所述光纤传输到所述光纤光谱仪，所述光纤光谱仪对返回的光束进行光电转换、信号处理与分析，得到全波段、多波段的染液光谱图，同时可以获得在设定波长的吸光度值和透射率值；(4)将所述光纤光谱仪的分析结果发送到所述分析处理装置，所述分析处理装置对所述光纤光谱仪传输的结果进行计算，获得染液物料浓度随时间变化情况。
本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，所述物料浓度随时间变化情况包括染液瞬时浓度的测定、染液浓度随时间变化百分率以及染液浓度随时间变化曲线。本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，当所述染液中包含两种物料时，染液瞬时浓度的计算方法如下(I)配置一定浓度的溶液，进行全波长扫描，记录每一种物料吸光度最大时对应的波长，获得物料的最大吸收波长；(2)通过步骤(I)计算出的物料I和物料2的最大吸收波长分别为入1和λ2，物料I在波长λ i和λ 2处的吸光系数分别为kn和k12，物料2在波长λ i和λ 2处的吸光系数分别为k21和k22，针对物料I，配置浓度为C的标准溶液，分别测试系列浓度的物料在波长λ i和λ 2处的吸光度值A1和A2，根据吸光度与溶液浓度之间的线性方程A=kC，即求出物料I在波长 λ :和λ 2处的k值，即kn、k12。按照相同的方法，确定物料2在波长λ i和λ 2处的k值，即k21、k22 ；(3)假设工艺过程中某一时刻t混合溶液中物料I和物料2的浓度分别为C1和C2,测得混合溶液在波长λ i和λ 2处的吸光度分别为A1和A2,则根据吸光度加和性原则A1=Ii11C^k21C2 (I)A2=Ii12C^k22C2 (2)由(I)、(2)组成的方程组求解得C1和C2，这样就获得了物料I和物料2的瞬时浓度。本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，单一物料的染液浓度随时间变化百分率的计算方法如下在物料最大吸收波长处，测试初始溶液的吸光度Atl,工艺过程中某一时刻溶液的吸光度为At，溶液浓度随时间变化的上染百分率为
上染百分率(％)=(1-Α)χ100。
A0本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，两种物料混合时染液浓度随时间变化百分率的计算方法如下工艺过程开始时溶液在λ i和λ 2处吸光度分别为Altl和A2tl,计算溶液初始浓度Cltl和C2tl,工艺过程中某一时刻t物料I和物料2的溶液浓度随时间变化百分率EpE2分别为I' = ( '' ( X I 00%
C10E2J —(iXiooy0
C20
O本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，所述染液浓度随时间变化曲线的绘制方法如下在工艺过程中，计算每隔一段时间的物料浓度变化百分率，以此百分率E1、E2为纵坐标，以工艺时间t为横坐标，绘制物料浓度随时间变化曲线。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点(I)本发明所述的染液浓度原位在线监测系统和方法，监测系统包括光源、光纤传感探头、光纤光谱仪和分析处理装置，通过所述光源产生光束，光纤探头传输并感应经染液吸收后的光束，此处通过相对设置的镜面来实现，通过镜面的反射和染液的吸收，所述返回的光束可以很好的反应染液的信息，然后将返回的光束输送到所述光纤光谱仪，光纤光谱仪对返回的光束进行光电转换、信号分析，获得所述染液物料的全波段、多波段的染液光谱图，同时获得设定波长处的吸光度值以及透射率值，所述分析处理装置根据所述光纤光谱仪的分析结果，进行相应的计算，获得染液物料浓度随时间的变化情况，这样就可以及时的了解染液在印染过程中的实时变化，更好的分析染料的上染过程，同时为纤维的染色性能分析、染料的性能分析、染色过程中染料之间以及染料与助剂之间的相互作用分析提供条件，更好的保证了印染的均匀性和一致性。此外，本系统采用模块化设计，体积小、精度高、无移动部件，具有良好的抗干扰如震动等的能力。(2)本发明所述的染液浓度原位在线监测系统，所述发射镜面和反射镜面为均金属镜面，易于发射和接受光束，直径为3-7mm，两镜面的间距为O. 2_5mm，为光源发射的光束形成通道，同时将染液的信息承载到返回的光束中，便于分析和计算，并且光束的传输速度快，可以达到瞬时传输，提高了设备的实时性。
(3)本发明所述的染液浓度原位在线监测系统，采用光纤光谱仪和高速处理计算机相结合的方式，具有质量轻、体积小、测量速度快的优点，不必使用机械扫描仪就能获得全谱数据，通过光纤的传导作用，适用于在线实时监测。(4)本发明所述的染液浓度原位在线监测方法，通过计算可以获得所述物料浓度随时间变化情况包括染液瞬时浓度的测定、染液浓度随时间变化百分率以及染液浓度随时间变化曲线，这样就可以及时的获得所述染液在印染过程中的浓度变化，实时了解染液信息，为印染的均匀一致性提供保证。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图I为本发明所述的染液浓度原位在线监测系统的结构图；图2为对染液进行监测的监测信息图；图3是本发明所述的染液浓度原位在线监测方法的算法流程框图。
具体实施例方式下面给出本发明所述的染液浓度原位在线监测系统及方法的具体实施方式
。实施例I :一种染液浓度原位在线监测系统，包括光源、光纤传感探头、光纤光谱仪和分析处理装置，如图I所示。所述光源用于产生光束，本实施例中所述光源为卤钨灯，发射可见光波段的光束。作为其他实施装置，所述光源也可以为氘-卤素灯，包括紫外光波段。所述光源产生的光束用于提供一种监测光，光源发出的光由光纤稳定传导，在探头处光束能量被染液吸收，透过的光束能量被检测。通过发射的原光束与通过染液吸收后返回的光束对比，来获得染液的吸光度信息，从而间接计算出染液的浓度等变化。在此可以选择紫外-可见光源。
所述光纤传感探头包括光纤和探头，光纤具有很好的传输效果，不仅速度快，而且能量损失小，可以保持光束的本质特征。所述探头设置在染液中，用于探测染液的信息，在此，所述探头包括两个镜面，即发射镜面和反射镜面，相对放置(即镜面与镜面相对)在所需监测的染液中。本实施例中，所述两个镜面为金属镜面，直径为5mm，两镜面之间的距离为3_。所述发射镜面通过光纤与所述光源连接，所述光源发射的光束经所述光纤传导后，由所述发射镜面发射出，经所述染液吸收后透过的光束到达所述反射镜面，所述反射镜面反射该光束，将所述光束反射到所述染液中，所述光束经所述染液再次吸收后，透过的光束返回到所述发射镜面；所述发射镜面还通过光纤与所述光纤光谱仪连接，返回所述发射镜面的光束经所述光纤传输到所述光纤光谱仪。此处的所述光纤传感探头设计科学、灵巧，使用方便，不受染液流动，环境温湿度和染色机正常使用时震动的影响。传统光谱仪器通常都需要将采来的样品经过预处理手段后(例如溶解、稀释、萃取或化学反应等)放在仪器的固定样品室内进行测量分析，因而被局限于实验室内使用；还由于这些光谱仪器庞大笨重，很难到现场去工作。但是现代工业各行业都不断面临着提高产品质量、节能降耗的要求，这就需要实现原位在线监测工业过程的新技术。在流程工业的过程控制中，目前能在线测量与控制的变量仅限于温度、压力和流量等，而对过程中化学成分和许多物性变量仍不能进行有效的连续测量，而这些特殊变量(例如染色过程中的染液浓 度随时间变化的情况)却是表征生产状况的重要甚至是决定性的指标参数，因而严重影响了产品的生产率和质量的及时监测和控制；所述光纤光谱技术是一项新兴的技术，因为它的应用对象和条件与传统光谱技术不同，因为它具有自己的技术特征在线光谱测量与生产流程相协调，不干扰生产流程正常进行，实现生产、测量、控制与优化相融合，形成一个有机的整体，即智能型生产。所述光谱技术采用小型化全固定件光学设计，以适应高震动、狭窄空间等复杂的工况环境检测的需要；采用低能耗便携技术，以适应工业现场环境检测的需要。此处的光纤光谱仪是采用现有技术中的设备系统集成而成，例如可以选择诸如MUT、Ocean Optics、StellarNets等公司生产的相关设备，其具有模块化和灵活性的特点，可以根据具体应用需要实现前述的功能。图2为对染液进行监测的监测信息图，上半图显示了在设定的8个不同波长下，染液随着时间的推移吸光度发生变化的情况，反应了直接蓝染料溶液在不同波长下的吸光度值；随着时间变化吸光度的变化。根据此信息，可对染液进行横向、纵向多方位的分析。图2下半图为设定的8个波长下，每隔设定的时间间隔(如15s)显示吸光度的具体数值。所述分析处理装置，此处选择高速处理的计算机，具有很好的运算处理能力，提高数据处理的速度。所述计算机与所述光纤光谱仪连接，获得所述光纤光谱仪的计算结果，根据所述结果计算出染液物料浓度随时间变化值。此处的计算机具有强大的软件计算系统，对基础数据进行运算，实时将吸光度值换算为染液浓度、上染率、上染速率等信息。上述染液浓度原位在线监测系统对应的监测方法，包括如下步骤( I)将光纤传感探头置于所需监测的染液中，染液温度一般为20-100°C，所述探头的发射镜面和反射镜面相对放置在染液内；(2)光源发射出光束，所述光束经所述光纤传导后，由所述发射镜面发射出，经所述染液吸收后透过的光束到达所述反射镜面，所述反射镜面反射该光束，将所述光束反射到所述染液中，所述光束经所述染液再次吸收后，透过的光束返回到所述发射镜面；(3)返回所述发射镜面的光束经所述光纤传输到所述光纤光谱仪，所述光纤光谱仪对返回的光束进行光电转换、信号处理与分析，得到全波段、多波段的染液光谱图，同时可以获得在设定波长的吸光度值和透射率值；(4)将所述光纤光谱仪的分析结果发送到所述分析处理装置，所述分析处理装置对所述光纤光谱仪传输的结果进行计算，获得染液物料浓度随时间变化情况。在本实施例中，所述物料浓度随时间变化情况包括染液瞬时浓度的测定、染液浓度随时间变化百分率以及染液浓度随时间变化曲线，其计算方法如下一、当所述染液中包含两种物料时，染液瞬时浓度的计算方法如下(I)配置一定浓度的溶液，进行全波长扫描，记录每一种物料吸光度最大时对应的波长，获得物料的最大吸收波长； (2)通过步骤(I)计算出的物料I和物料2的最大吸收波长分别为入1和λ2，物料I在波长λ i和λ 2处的吸光系数分别为kn和k12，物料2在波长λ i和λ 2处的吸光系数分别为k21和k22，针对物料I，配置浓度为C的标准溶液，分别测试系列浓度的物料在波长λ i和λ 2处的吸光度值A1和A2，根据吸光度与溶液浓度之间的线性方程A=kC，即求出物料I在波长λ :和λ 2处的k值，即kn、k12。按照相同的方法，确定物料2在波长λ i和λ 2处的k值，即k21、k22 ；(3)假设工艺过程中某一时刻t混合溶液中物料I和物料2的浓度分别为C1和C2,测得混合溶液在波长λ i和λ 2处的吸光度分别为A1和A2,则根据吸光度加和性原则A1=Ii11C^k21C2(I)A2=Ii12C^k22C2(2)由(I)、(2)组成的方程组求解得C1和C2，这样就获得了物料I和物料2的瞬时浓度。二、单一物料的染液浓度随时间变化百分率的计算方法如下在物料最大吸收波长处，测试初始溶液的吸光度Atl,工艺过程中某一时刻溶液的吸光度为At，溶液浓度随时间变化百分率为
上染百分率(％ )=( I - A) X 100。
j4O三、两种物料混合时染液浓度随时间变化百分率的计算方法如下工艺过程开始时溶液在λ i和λ 2处吸光度分别为Altl和A2tl,计算溶液初始浓度Cltl和C2tl,工艺过程中某一时刻t物料I和物料2的溶液浓度随时间变化百分率EpE2分别为Ei=X I 00%
C10El =X 100%
C
O四、所述染液浓度随时间变化曲线的绘制方法如下在工艺过程中，计算每隔一段时间的物料浓度变化百分率，以此百分率El、Ε2为纵坐标，以工艺时间t为横坐标，绘制物料浓度随时间变化曲线。作为可以变换的实施方式，所述发射镜面和反射镜面可以为其他材质(如水银等)的镜面，其直径可以选择为3mm或7mm,两镜面的间距为或5mm。本发明所述的染液浓度原位在线监测系统及其方法，实现了对染液中染料浓度的原位和实时在线监测，可以瞬时给出全波段、多波段染液吸光度或透射率光谱图了，给出一个或同时给出在190nm-900nm区间多个任意设定波长下的吸光度值或透射率值，根据需要可设定读出吸光度值或透射率值的时间间隔，可实现对纺织品在轧染过程中的浓度变化进行监测，浸染过程中染料上染行为的分析。此外，还可以对染色过程中染料浓度的变化进行实时监控，以掌握染料在染液中的多种行为，为印染企业在提高实验室准确度，染色处方中染料的管理，选择相容性及直接性优秀的染料拟定最佳处方，以及在短时间内掌握并标准化实验室与现场间的色差要素，掌握发生色差的原因，减少色差，减低复染率等方面提供强大的解决方案。此外，本发明的光纤传感技术原位在线监测染液中染料浓度，可了解和掌握染色过程中的很多细节，如染料的配伍性、匀染剂的作用效果、PH值和温度的影响以及皂洗 效率等，这些基础数据的积累可为染色工艺从宏观经验控制向过程参数精细化调节，以及向数字化控制方向转变提供重要了基础。纺织印染企业采用本技术后，还可控制上染率，减少复染率，并通过减少染料、助剂的用量、减少染色时间等，减少水、电、汽的用量等，提高经济效益，减少染色成本(可降低染色成本10%-30%)，同时还降低污染排放，对节能减排具有重大意义。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1.一种染液浓度原位在线监测系统，其特征在于，包括光源、光纤传感探头、光纤光谱仪和分析处理装置， 光源用于产生光束； 光纤传感探头包括光纤和探头，所述探头包括发射镜面和反射镜面，相对放置在所需监测的染液中，所述发射镜面通过光纤与所述光源连接，所述光源发射的光束经所述光纤传导后，由所述发射镜面发射出，经所述染液吸收后透过的光束到达所述反射镜面，所述反射镜面反射该光束，将所述光束反射到所述染液中，所述光束经所述染液再次吸收后，透过的光束返回到所述发射镜面；所述发射镜面还通过光纤与所述光纤光谱仪连接，返回所述发射镜面的光束经所述光纤传输到所述光纤光谱仪； 光纤光谱仪，对返回的光束进行光电转换、信号分析与处理，得到全波段、多波段的染液光谱图，同时可以获得在设定波长处的吸光度值和透射率值，设定取值时间间隔，可获得不同时间该波长处吸光度值； 分析处理装置，与所述光纤光谱仪连接，获得所述光纤光谱仪的光谱数据，并根据光谱数据计算染液中染料的浓度，获得染液物料浓度随时间变化值。
2.根据权利要求I所述的染液浓度原位在线监测系统，其特征在于所述发射镜面和反射镜面均为金属镜面，直径为3-7mm，两镜面的间距为O. 2_5mm。
3.根据权利要求I所述的染液浓度原位在线监测系统，其特征在于所述光源为卤钨灯或氘-卤素灯。
4.根据权利要求I或2或3所述的染液浓度原位在线监测系统，其特征在于所述分析处理装置为高速处理计算机。
全文摘要
本发明提出一种染液浓度原位实时在线监测的系统，监测系统包括光源、光纤传感探头、光纤光谱仪和分析处理装置。光纤传输所述光源产生光束至探头，探头通过相对设置的镜面来实现，光束经过镜面的反射和染液的吸收，返回的光束输送到所述光纤光谱仪，光纤光谱仪对返回的光束进行光电转换，经信号分析，获得所述染液物料的全波段的染液光谱图，同时获得设定波长处的吸光度值以及透射率值，所述分析处理装置根据所述光纤光谱仪的分析结果，进行相应的计算，获得染液物料浓度随时间的变化情况。解决了现有染液浓度在线监测技术中染液监测方法的滞后性、误差大等技术问题，是一种可以实时动态监测染液浓度的原位在线监测系统。
文档编号G01N21/25GK102818776SQ20121028089
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者赵晓明, 申向, 张强, 李绩 申请人:赵晓明