一种基于颜色模块的原盐杂质自动检测装置及方法与流程

本发明属于氯碱工业原料检测，涉及一种基于颜色模块的原盐杂质自动检测装置及方法。

背景技术：

1、氯碱工业是基础化工的核心支柱产业，原盐作为其核心生产原料，其中钙、镁、硫酸根、氯离子等离子的含量直接决定离子膜电解装置的运行效率、离子膜的使用寿命及生产综合能耗，离子膜单套更换成本高达数百万元，因此原盐的精准检测是氯碱工业生产质量管控的关键环节。

2、目前行业内对原盐中钙、镁、硫酸根等杂质离子的检测方法主要依赖于传统人工实验室滴定方法，该方法存在诸多技术缺陷：其一，滴定终点依赖于人工肉眼判定，因而受操作人员色彩感知差异、操作熟练度、环境光线等因素影响，易引入人为误差，从而导致检测数据的精准性与一致性难以保障；其二，人工操作流程繁琐，需手动完成样品前处理、加液、滴定、读数、数据记录等全流程，因此批量检测时劳动强度大、作业效率低，无法满足原盐进厂高频次、批量化的检测需求；其三，数据记录依赖手工填写与人工录入，易出现记录错误、数据丢失等问题，且无法实现检测数据的实时传输与数字化管理，因而难以高效快速的为生产工艺优化、原料质量管控提供数据支撑；其四，人工操作过程中人员与化学试剂直接接触，存在一定的安全隐患，且试剂使用与操作过程的规范性难以统一把控。

3、现有部分自动滴定设备虽能实现部分操作环节的自动化，但多采用电位滴定模式，因而对无法有效开展电位滴定的原盐杂质检测场景适配性差，且此类设备缺乏针对氯碱工业原盐检测需求的定制化设计，未构建起自动化滴定与数字化管理的联动体系，因此无法实现从滴定检测到数据管理的全流程高效自动化，且检测效率与数据精准度仍有待进一步提升。

4、综上所述，研发一款高度适配氯碱工业原盐检测需求，能够实现滴定终点精准智能判定、核心检测流程全自动化的装置及方法，对原盐杂质的精准检测具有重要意义。

技术实现思路

1、为改善上述技术问题，本发明提供一种检测装置，包括颜色滴定检测单元、自动进样单元和数据处理与控制单元，各单元电性连接并由数据处理与控制单元统一调度、协同控制；

2、所述颜色滴定检测单元为装置的主体基座，设置于装置的前侧及下部区域，集成了所有与滴定相关的模块；

3、所述自动进样单元设置于装置的右侧及上部区域，与颜色滴定检测单元紧密衔接，负责样品的流转与调度；

4、所述数据处理与控制单元完成检测流程的调控、数据的分析处理及数字化传输。

5、根据本发明的实施方案，所述颜色滴定检测单元包括滴定主机、rgb全色域颜色识别模块、滴定管驱动模块、试剂存储模块和磁力搅拌模块；

6、所述滴定主机作为基座用于承载rgb全色域颜色识别模块和磁力搅拌模块；

7、所述滴定主机与滴定管驱动模块、试剂存储模块通过管路和线路连接。

8、在一些实施方案中，所述rgb全色域颜色识别模块内嵌安装在滴定主机的正上方，镜头对准滴定容器，并通过信号线与数据处理与控制单元连接，将捕捉到的溶液颜色信号实时传输至数据处理与控制单元，为滴定终点判定提供数据。

9、在一些实施方案中，所述滴定管驱动模块位于滴定主机的下方区域，并通过管路与试剂存储模块连通，将试剂输送至滴定主机的滴定头，并与数据处理与控制单元连接，接收滴定速度、加液量的控制指令，精准执行滴定动作。进一步地，所述滴定管驱动模块为多组并排的驱动泵体结构。

10、在一些实施方案中，所述试剂存储模块用于承载多组试剂瓶，并通过管路与滴定管驱动模块直接对接，为滴定系统提供稳定的试剂供给。

11、根据本发明示例性的实施方案，所述试剂存储模块配备多规格试剂瓶。例如，所述试剂存储模块包括2个100ml、4个500ml、4个1000ml试剂瓶，分别用于存放滴定剂、指示剂、缓冲溶液等，管路采用聚四氟乙烯等耐腐蚀材质，适配各类化学试剂的输送需求，延长设备使用寿命。

12、在一些实施方案中，所述磁力搅拌模块内嵌安装在滴定主机的检测位底部，位于滴定容器的正下方，并与数据处理与控制单元电连接，可根据指令调节搅拌速度，配合滴定过程实现溶液均匀混合；

13、根据本发明的实施方案，所述自动进样单元包括多个（例如36位）样品盘、样品输送机械臂和样品插队控制模块；

14、多个所述样品盘与滴定主机的检测位处于同一水平高度，并与样品输送机械臂的运动轨迹精准对接，为样品提供暂存工位；

15、所述样品输送机械臂的底座固定在滴定主机上方，所述样品输送机械臂的活动端可在多个所述样品盘与滴定主机的检测位之间水平/升降移动；并通过运动控制线缆连接数据处理与控制单元，接收转运指令；

16、所述样品插队控制模块集成于自动进样单元的电控盒内，并与样品输送机械臂、数据处理与控制单元双向信号连接，可触发优先检测逻辑，中断批量流程并执行紧急样品转运。

17、在一些实施方案中，多个所述样品盘呈环形阵列布置。

18、根据本发明的实施方案，所述数据处理与控制单元包括工业控制计算机和内置于计算机中的滴定分析软件和数据传输模块。

19、根据本发明的实施方案，所述工业控制计算机通过主板接口分别连接滴定分析软件、数据传输模块及所有执行模块。

20、根据本发明的实施方案，所述滴定分析软件通过驱动程序与滴定管驱动模块、rgb全色域颜色识别模块、磁力搅拌模块、样品输送机械臂通信，下发流程控制指令。

21、根据本发明的实施方案，所述数据传输模块通过lan/rs232/usb线缆向外连接lims系统、打印机、u盘，向内与滴定分析软件通信，实现数据双向传输。

22、根据本发明的实施方案，所述滴定分析软件支持中文操作界面，内置原盐中钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子的标准检测方法参数，可实现检测流程的自动化控制、检测数据的实时计算与存储；优选地，所述滴定分析软件支持滴定曲线实时绘制、数据自动计算、pdf检测报告生成、审计追踪等功能，满足检测数据的完整性与可追溯性要求。

23、根据本发明的实施方案，所述数据传输模块支持与实验室信息管理系统（lims）无缝对接，实现检测数据的实时上传与数字化集中管理。优选地，所述数据传输模块配备rs232、usb、lan等多种接口，可实现与lims系统、打印机、u盘等外围设备的灵活连接。

24、根据本发明的实施方案，所述滴定管驱动模块针对不同检测项目配置如下：

25、针对钙离子、镁离子、硫酸根离子检测的滴定主机配备6组滴定管驱动器，其中≥5ml的滴定/加液管5组、≤5ml的指示剂管1组；

26、针对氯离子检测的滴定主机配备2组滴定管驱动器，其中≥25ml的滴定管1组、≤5ml的指示剂管1组，且所有滴定管驱动器均支持后期功能扩展；

27、滴定泵最小滴定体积为0.02ml，滴定准确度±0.02ml，重复性±0.01ml，最大允许误差±0.035ml。

28、根据本发明的实施方案，所述rgb全色域颜色识别模块包括高清摄像头组件、颜色信号转化模块，所述颜色信号转化模块与数据处理与控制单元通信连接。

29、根据本发明的实施方案，所述rgb全色域颜色识别模块的颜色信号转化模块响应时间≤1ms，保障检测的精准性与实时性。

30、在一些实施方案中，所述rgb全色域颜色识别模块的识别算法如下：

31、（1）背景基准采集：在滴定开始前，采集空白待测溶液的rgb颜色信号作为背景基准，通过背景扣除消除溶液固有浊度、容器色差、环境光照等系统干扰，保留滴定反应产生的有效颜色变化信号；

32、（2）实时颜色采集：rgb全色域颜色识别模块的颜色信号转化模块以≤1ms响应频率实时采集溶液颜色图像，将颜色图像信号转化为标准化r、g、b数字信号；

33、（3）动态阈值拟合与斜率设置：针对钙、镁离子 edta 滴定 “红→蓝” 的典型变色特征，颜色信号转化模块同步解析 r、g、b 三通道信号，经通道灵敏度测试筛选出显色变化最敏感的特征通道；通过多批次、多浓度梯度样品结合加标试样，与手工滴定结果对比校准，确定各项目变色斜率判定区间；其中钙、镁离子的变色斜率阈值区间为25～35，硫酸根离子的变色斜率阈值区间为10～20；

34、（4）滴定速度联动控制：根据信号阈值变化度的差值，斜率阈值多组判据共同判断，自动执行 “慢-快-慢”滴定策略：当颜色变化不明显（即信号阈值变化度的差值≤300）、变色斜率较小（即钙、镁离子的变色斜率阈值小于25，硫酸根离子的变色斜率阈值小于10）时启动快速滴定，提高检测效率；当颜色变化明显（即信号阈值变化度的差值＞300）、变色斜率突变（即钙、镁离子的变色斜率阈值达到25～35，硫酸根离子的变色斜率阈值达到10～20）时切换为慢速滴定，避免过滴定；

35、（5）滴定终点锁定判定：采用连续多帧信号确认机制，当连续多次检测到颜色信号达到预设终点信号阈值（信号阈值变化度的差值达到5000左右）且趋势稳定时，才最终锁定滴定终点，有效防止单次信号波动造成的误判，确保终点判定精准可靠。

36、本发明的rgb全色域颜色识别模块结合自动化滴定与数据管理体系，实现了原盐核心检测流程的自动化，提升了检测效率与数据精准性，同时还实现了检测数据的数字化闭环管理，为氯碱工业原盐质量管控提供高效技术支撑。

37、根据本发明的实施方案，所述数据处理与控制单元的工业控制计算机配置的处理器为i5及以上、内存8g及以上、硬盘500g+256g固态，搭载windows10专业版/旗舰版系统，运行稳定、处理效率高。

38、本发明的装置整体适配实验室常规操作环境，工作温度范围为15℃~35℃，相对湿度≤80%，电源要求为220v±10%、50hz，使用过程中需避免强电磁干扰及腐蚀性气体环境；设备整体尺寸为1200mm×3600mm×2000mm，台面采用防腐材料制作，承重不小于200kg/m²，保障设备的稳定性与耐用性。

39、本发明还提供一种利用上述装置进行原盐自动检测的方法，包括在上述装置中，通过自动进样单元将待测样品输送至颜色滴定检测单元的检测位，由数据处理与控制单元下发检测任务进行滴定分析。

40、根据本发明的实施方案，所述方法包括如下步骤：

41、（1）样品上样：将装有待测样品的试剂瓶放入自动进样单元的样品盘，录入样品信息与称量数据，由数据处理与控制单元下发检测任务，设定检测参数（包括检测项目、搅拌速度、滴定方法等）；

42、（2）自动化颜色滴定检测：自动进样单元将样品转运至检测位，加入辅助试剂后，滴定管驱动模块滴加滴定剂，rgb全色域颜色识别模块实时捕捉颜色变化并转化为rgb数字信号，达到终点阈值时停止滴定，记录滴定剂消耗体积；

43、优选地，步骤（2）自动化颜色滴定检测步骤如下：

44、2.1 自动进样单元的样品输送机械臂将装有待测样品的试剂瓶转运至颜色滴定检测单元的检测位，磁力搅拌模块启动，按预设参数调节搅拌速度；

45、2.2 滴定管驱动模块根据检测项目滴定泵定量自动向待测样品中加入指示剂、缓冲溶液等辅助试剂；

46、2.3 rgb全色域颜色识别模块的高清摄像头组件实时捕捉样品溶液的颜色图像，颜色信号转化模块将颜色变化转化为标准化rgb数字信号并传输至数据处理与控制单元；

47、2.4滴定管驱动模块通过滴定泵向样品中精准滴加滴定剂，由数据处理与控制单元下发检测任务进行滴定分析；

48、（3）数据自动处理与传输：滴定分析软件自动计算杂质质量分数，生成pdf检测报告，数据传输模块将检测数据实时上传至lims系统；

49、优选地，步骤（3）数据自动处理与传输的具体方法如下：数据处理与控制单元的滴定分析软件根据滴定剂消耗体积、样品质量等参数，按照国标法计算公式自动计算原盐中钙、镁、硫酸根、氯离子的质量分数，同时绘制滴定曲线，生成包含检测数据、滴定曲线、样品信息的pdf检测报告；数据传输模块将检测数据实时上传至lims系统，实现数据的数字化存储与管理，同时支持数据的本地存储与导出。

50、根据本发明的实施方案，所述方法还包括步骤（4）：检测完成后，自动进样单元将试剂瓶转运至废液区，各机械模块与管路复位，准备下一批样品的检测。

51、根据本发明的实施方案，步骤2.3中，所述rgb全色域颜色识别模块的算法程序为：

52、（1）背景基准采集：在滴定开始前，采集空白待测溶液的rgb颜色信号作为背景基准，通过背景扣除消除溶液固有浊度、容器色差、环境光照等系统干扰，保留滴定反应产生的有效颜色变化信号；

53、（2）实时颜色采集：rgb全色域颜色识别模块的颜色信号转化模块以≤1ms响应频率实时采集溶液颜色图像，将颜色图像信号转化为标准化r、g、b数字信号；

54、（3）动态阈值拟合与斜率设置：针对钙、镁离子 edta 滴定 “红→蓝” 的典型变色特征，颜色信号转化模块同步解析 r、g、b 三通道信号，经通道灵敏度测试筛选出显色变化最敏感的特征通道；通过多批次、多浓度梯度样品结合加标试样，与手工滴定结果对比校准，确定各项目变色斜率判定区间；其中钙、镁离子的变色斜率阈值区间为25～35，硫酸根离子的变色斜率阈值区间为10～20；

55、（4）滴定速度联动控制：根据信号阈值变化度的差值，斜率阈值多组判据共同判断，自动执行 “慢-快-慢”滴定策略：当颜色变化不明显（即信号阈值变化度的差值≤300）、变色斜率较小（即钙、镁离子的变色斜率阈值小于25，硫酸根离子的变色斜率阈值小于10）时启动快速滴定，提高检测效率；当颜色变化明显（即信号阈值变化度的差值＞300）、变色斜率突变（即钙、镁离子的变色斜率阈值达到25～35，硫酸根离子的变色斜率阈值达到10～20）时切换为慢速滴定，避免过滴定；

56、（5）滴定终点锁定判定：采用连续多帧信号确认机制，当连续多次检测到颜色信号达到预设终点信号阈值（信号阈值变化度的差值达到5000左右）且趋势稳定时，才最终锁定滴定终点，有效防止单次信号波动造成的误判，确保终点判定精准可靠。

57、本发明的rgb全色域颜色识别模块与现有颜色识别算法具有本质不同：现有颜色识别算法多采用固定rgb阈值单点判定，未设置背景扣除与色域降噪处理，无法消除原盐浊度、沉淀、金属离子及光照干扰，且仅实现终点识别、不参与滴定速度联动控制；本发明算法采用动态rgb阈值拟合与变色趋势斜率判定，结合背景扣除、色域降噪及连续多帧终点锁定机制，可有效排除非反应性颜色干扰，并根据颜色变化实时调节滴定速度，从判定逻辑、抗干扰能力、滴定协同性及行业适配性上均显著区别于现有方法，更适用于氯碱工业原盐杂质滴定检测场景。

58、根据本发明的实施方案，所述终点阈值的具体设定方式为：滴定终点信号阈值根据原盐检测的国标法要求与标准样品标定结果预设，采用颜色信号转化模块同步解析 r、g、b 三通道信号，经通道灵敏度测试筛选出显色变化最敏感的特征通道；通过多批次、多浓度梯度样品结合加标试样，与手工滴定结果对比校准，确定各项目变色斜率判定区间。

59、阈值设定完成后存入滴定分析软件，检测过程中由系统自动调用，无需人工修改，仅在系统校准、环境温度显著变化或更换关键试剂时，通过标准样品重新标定并更新阈值，确保连续检测过程中终点判定的一致性与准确性。

60、根据本发明的实施方案，步骤2.4中，滴定分析采用“慢快慢”三段式智能滴定方式，具体为：滴定初期溶液颜色变化不明显（即信号阈值变化度的差值≤300）、变色斜率较小（即钙、镁离子的变色斜率阈值小于25，硫酸根离子的变色斜率阈值小于10）时，以1.0ml/s～3.0ml/s快速滴定，提升检测效率；当rgb全色域颜色识别模块检测到溶液开始变色（即信号阈值变化度的差值＞300）、变色斜率突变（即钙、镁离子的变色斜率阈值达到25～35，硫酸根离子的变色斜率阈值达到10～20）时，自动切换为0.1ml/s～0.5ml/s慢速滴定；接近终点时（当连续多次检测到颜色信号达到预设终点信号阈值（5000左右）且趋势稳定时）进一步降至0.02ml/s～0.05ml/s微滴滴定。数据处理与控制单元根据rgb数字信号的变化趋势实时调节滴定速度，当连续多次检测到颜色信号达到预设终点阈值且趋势稳定时，才最终锁定滴定终点，记录滴定剂消耗体积。

61、根据本发明示例性的实施方案，步骤2.4中，针对钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子不同检测项目，分别调用内置的标准检测方法参数完成滴定，其中钙离子的测定采用edta标准溶液在ph≈12条件下滴定，镁离子的测定采用edta标准溶液在ph≈10条件下滴定钙离子、镁离子总量并减去钙离子含量；硫酸根离子的测定采用氯化钡沉淀后edta返滴定，氯离子的测定采用专属滴定剂进行颜色滴定。

62、本发明的有益效果：

63、（1）本发明采用rgb全色域颜色识别模块，将滴定过程中溶液的颜色动态变化转化为标准化rgb数字信号，通过数字化算法实现滴定终点的智能、客观、精准判定，摒弃了人工肉眼判断的主观局限，大幅提升了检测数据的精准性与一致性，彻底消除人为误差。

64、（2）本发明集成自动化滴定与自动进样体系，人工完成样品预处理后，装置自动实现样品转运、加试剂、滴定、数据计算全流程自动化操作，无需人工干预，单次滴定检测仅需2-3分钟，运行效率≥20个检测项/小时，大幅提升了检测效率；相较传统人工滴定模式效率提升数十倍，可完美适配原盐进厂高频次、批量化的检测需求，同时支持紧急样品插队检测，提升了检测流程的灵活性。

65、（3）本发明构建了“检测-采集-计算-传输-管理”的全流程数字化闭环，检测数据由软件自动计算、存储，可实时上传至lims系统，支持pdf报告生成、审计追踪功能，避免了手工记录与人工录入带来的错误，保证了数据的完整性、可追溯性与不可篡改性，为氯碱工业原盐质量管控、生产工艺优化提供了高精度、实时化的数据支撑。

66、（4）本发明针对氯碱工业原盐中钙、镁、硫酸根、氯离子的检测需求进行定制化设计，通过颜色滴定检测单元、滴定管驱动模块与内置标准检测方法参数之间的协同作用，同时采用模块化设计，支持后期功能扩展，可根据实际检测需求增加检测模块通道或标准溶液配制等功能，以适配不同规模氯碱企业的检测需求，实用性强。

67、（5）本发明的检测流程自动化操作减少了操作人员与化学试剂的直接接触，降低了操作过程中的安全隐患；滴定泵的精准加液技术实现了滴定剂与试剂的定量使用，减少了试剂的浪费与损耗；同时大幅降低了操作人员的劳动强度，减少了人工成本的投入，提升了实验室的自动化管理水平。

68、（6）本发明通过实现原盐杂质的精准、高效检测，可严格把控原盐原料质量，有效避免钙、镁、硫酸根等杂质离子对离子膜电解装置的有害影响，以延长离子膜的使用寿命，降低离子膜更换成本，同时优化电解装置的运行效率，减少生产能耗，为氯碱企业带来显著的经济效益。

69、（7）本发明的装置及方法已完成成熟化应用验证，检测结果与国标法手工滴定结果高度契合，具备在氯碱行业大规模推广的技术条件与产业基础，可为氯碱行业原盐检测向自动化、精准化、数字化转型树立行业实践标杆，推动整个氯碱行业原料检测体系的升级。