液体计量/检测/处理的装置和方法及具有该装置的在线分析仪器与流程

1.本技术涉及液体处理、分析或检测领域，具体地，涉及一种液体计量/ 检测/处理的装置和方法及具有该装置的在线分析仪器。


背景技术：

2.针对液体的在线处理与分析监测技术是现代环境监测的一个重要发展方向。在上述处理与检测分析过程中，微液量(0.05至0.5毫升)的定量与输送的准确性对于检测结果有至关重要的直接影响。一旦不能准确获知所截取的小试样，则会导致检测结果的较大误差。
3.例如：就目前诸多的液体在线分析仪而言，微液量的计量是依靠液位检测器或通过截取某段特定长度管路的液体来实现的，这样的计量方式要么液位检测不稳定，容易受气泡干扰，要么就只能截取特定长度管路中的液体。既不能灵活地截取液体，也不能知晓流路在计量、输送和反应时的工作状态。此外，定容过程时间长，还容易造成液位检测部分以及通道多次污染，从而导致检测不准确。
4.因此，如何能够提供一种至少在一定程度上克服至少部分缺陷的解决方案，成为本领域需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种适用于自动化处理或分析且准确率相对较高的对微液量计量/检测/处理的装置。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种液体计量/检测/处理的装置，该装置包括流路模块、至少一个摄像头、至少一个背景板和控制模块。
7.该流路模块包括可视的若干通道，以及通过该若干通道连接的流路器件，所述流路器件包括泵、阀、反应器/皿、检测器/皿中的一种或多种；需要计量、检测或处理的各种液体，以及气体在上述流路模块中流动，所述摄像头邻近所述流路模块设置，用于拍摄所述流路模块工作时的全局或局部影像，并通过对所获图像的处理与分析计算得到液体在计量、输送、检测、处理过程中的各项信息，所述背景板紧贴所述流路模块中被摄像头所采集图像的区域背后，该控制模块负责处理与分析所获图像信息、控制和协调所述流路器件的运行。
8.优选地，所述背景板距所述流路模块被拍摄区域的距离小于50mm。
9.优选地，所述背景板距所述流路模块被拍摄区域的距离小于1mm。
10.优选地，所述通道是细通道或局部采用粗通道的组合通道，所述细通道的内径为0.01mm至5mm，所述粗通道的内径大于5mm，优选的，所述细通道的内径为0.1mm至3mm，再优选的，所述细通道的内径为0.5mm 至2mm。
11.优选地，所述通道是透明的或半透明的，或局部透明的或半透明的。
12.优选地，所述背景板或通道上设置有标识线或图案。
13.优选地，所述背景板上设置有至少一条平行于通道走向的标识线。
14.优选地，所述标识线或图案位于透明或半透明通道在背景板上的投影区域内。
15.优选地，所述标识线位于透明或半透明通道的侧壁在背景板上的投影区域内。
16.优选地，所述装置包括光源，所述光源设置于背景板中和/或背景板的前面和/或后面。
17.优选地，所述摄像头采集分析的图像区域不仅包含有通道，还包含有泵、阀、反应器/皿、检测器/皿中至少一者的器件状态和/或其内部所含液体的状态。
18.根据本技术的另一个方面，本发明提供一种在线分析仪器，所述在线分析仪器包括有上述液体计量/检测/处理的装置。
19.根据本技术的另一个方面，本发明提供一种液体计量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.步骤1：根据控制模块发出的指令信号，控制流路模块中的泵和/或阀对指定液体进行输送，摄像头拍摄其视场以内的所述流路模块工作时的全局或局部影像，实时监控所述流路模块的运行状态；
21.步骤2：当第一种液体的水头和/或水尾进入到特定区域时，对应的泵和 /或阀停止，截取预定体积的第一种液体，通过对第一种液体的水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第一种液体的体积v1；
22.步骤3：重复步骤1和步骤2类似的步骤，当第二种液体的水头和/或水尾进入到特定区域时，对应的泵和/或阀停止，截取预定体积的第二种液体，通过对第二种液体的水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第二种液体的体积v2；
23.步骤4：不断重复步骤1和步骤2类似的步骤，以截取预定体积的第三种液体、第四种液体...第n种液体，通过对水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第三种液体的体积v3、所截取的第四种液体的体积 v4、...、所截取的第n种液体的体积vn，n为大于2的自然数；
24.步骤5：根据所截取的各段液体的体积v1，v2，...，vn，计算出样本中待测物质的浓度c，其中，c＝f(v1，v2，...，vn)。
25.优选地，所述通道t上或邻近通道设置有标识线或图案，以便于摄像头识别液体状态。
26.通过上述技术方案，能够通过图像视觉来计量、检测、处理液体，以较高精准度来截取预定体积量的液体，从而实现适用于自动化处理或分析且较高准确率的处理液体的技术方案。
27.本技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施方式及其说明用于解释本技术。在附图中：
29.图1是根据本技术的液体计量/检测/处理的装置的结构示意图；
30.图2是根据本技术的投影区域的结构示意图；
31.图3是根据本技术的通道无液体流经时标识线的示意图；
32.图4是根据本技术的通道无液体流经时的光束传播图；
33.图5是根据本技术的通道有液体流经时标识线的示意图；以及
34.图6是根据本技术的通道有液体流经时的光束传播图。
具体实施方式
35.下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本技术的技术方案。
36.如图1和图2所示，根据本技术的一个方面，提出了一种液体计量/检测/处理的装置，该装置包括流路模块12、至少一个摄像头13、至少一个背景板14和控制模块16。
37.流路模块12包括可视的若干通道t，以及通过该若干通道t连接的流路器件，其中，流路器件包括泵、阀、反应器/皿、检测器/皿中的一种或多种；需要计量、检测或处理的各种液体，以及气体在上述流路模块12中流动。
38.进一步说明，通道t是细通道t或局部采用粗通道t的组合通道t，细通道t的内径为0.01mm至5mm，粗通道t的内径大于5mm，优选的，细通道t的内径为0.1mm至3mm，再优选的，细通道t的内径为0.5mm至 2mm。
39.若采用内径大于2mm，小于5mm的通道t，液体通过通道t后容易产生气泡和残液，严重影响检测准度和精度，而采用小于2mm(最优为小于 1mm)内径的通道t时，其内径将小于残液的直径，形成液体段自然汇聚进而封闭细管，因此，能够以较小体积的液体样本进行定容和进液，实现高精度的检测分析，同时，减少了检测试剂的用量，降低了成本。
40.当然，在不影响实现本技术目的的情况下，也可以局部采用内径更大的通道t，提高液体处理和分析速度。例如，采用粗管对超过1ml的常规体积定容、泵入液体或排出废液。
41.为了便于观察通道t内的液体的状态，如液体的体积、颜色、光谱吸光特性、浊度、是否含有气泡与液体残留等，通道t可以是透明的或半透明的，或局部透明的或半透明的。
42.摄像头13邻近流路模块12设置，用于拍摄流路模块12工作时的全局或局部影像，并通过对所获图像的处理与分析计算得到液体在计量、输送、检测、处理过程中的各项信息。摄像头13采集分析的图像区域不仅包含有通道t，还包含有泵、阀、反应器/皿、检测器/皿中至少一者的器件状态和/ 或其内部所含液体的状态，上述器件状态可以是器件运行状态或维护状态，上述液体状态可以是液体的体积、颜色、光谱吸光特性、浊度、是否含有气泡与液体残留等。
43.通过监控和分析通道t、器件和液体状态，能灵活且准确地截取指定段液体，且定容过程时间短，不容易造成液位检测部分以及通道多次污染，从而提高了检测的准确性，此外，能知晓流路在计量、输送和反应时的工作状态，发现检测过程中的异常状态，方便了仪器的日常维护，上述异常状态可以是通道t内有气泡、通道t内有残液、液体有浊度、流路器件运转异常、试剂失效等。
44.进一步说明，摄像头13的数量和位置可以根据需要采集的图像的区域进行调整。
45.背景板14紧贴流路模块12中被摄像头13所采集图像的区域背后。通过背景板14的设置，可以将图像标准化，且背景板14上的标识线x和图案 y能帮助识别更多的元素特征，能更好地反应液体的实际形貌，以便于后续的图像识别。
46.优选情况下，为了方便摄像头13采集准确的图像，背景板14距流路模块12被拍摄区域的距离小于50mm，更优选的，背景板14距流路模块 12被拍摄区域的距离小于1mm。
47.需要说明的是，本技术的“前方”、“背后”等指示的方位或位置关为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
48.控制模块16负责处理与分析所获图像信息、控制和协调流路器件的运行。
49.此外，装置还包括光源18和显示模块19。
50.光源18可以设置于背景板14中和/或背景板14的前面和/或后面。光源 18的数量和位置可以根据需要采集的图像的区域进行调整，如，光源可以是点光源，也可以是面光源。
51.显示模块19与控制模块16和摄像头13连接，实时同步显示检测数据。如图1所示，显示模块19可以设置于背景板14上的显示屏，当然，本案不限于此，显示模块19可以是其他合理的方式，如，显示模块19可以设置于在线分析仪器柜门上，也可以是外接的计算机或手持终端，如，手机、平板电脑、专用显示屏等。
52.如图3所示，为了清楚地识别通道t内是否有液体，提高装置的检测精度。背景板14或通道t上可以设置有标识线x或图案y，通过标识线x或图案y的成像位置、形状、深浅或有无的变化可以识别通道t内是否有液体。优选情况下，背景板14上设置有至少一条平行于通道t走向的标识线 x。进一步，当通道t为细管时，优选采用标识线x，当通道t为粗管时，优选采用图案y，图案y具有更多的元素特征，能更好地反应液体的实际形貌，以便于后续的图像识别。
53.进一步说明，标识线x或图案y可以位于透明或半透明通道t在背景板14上的投影区域内，或者，标识线x可以位于透明或半透明通道t的侧壁在背景板14上的投影区域内。
54.需要说明的是，本技术的投影区域指，以摄像头13为投影中心，摄像头13发出假想的光线，将流路模块12投影至背景板14上，背景板14上的影子所在区域为投影区域，即摄像头13视场以内的区域。本技术中光源18 所投射的区域不一定是投影区域。
55.如图3和图4所示，图中标识线x是在通道t下方或通道t的侧壁上。当通道t内无液体流经时，光源18发射光束，投射在通道t外壁上产生第一次折射，并将光束投射在通道t内壁，光束会在通道t内壁上产生全反射，并经通道t外壁折射至摄像头13的视场内，使得摄像头13能采集到标识线 x或图案y。
56.如图5和图6所示，图中标识线x是在通道t下方或通道t的侧壁上。当通道t内有液体流经时，光源18发射光束，投射在通道t外壁上产生第一次折射，并将光束投射在通道t内壁，光束在通道t内壁上不会产生全反射，而是产生第二次折射进入通道t内，并在通道t内壁和通道t外壁分别产生第三次折射和第四次折射，最后投射到通道t外，光束不能投射到摄像头13的视场内，使得摄像头13不能采集到标识线x或图案y。
57.通过图像识别标识线x或图案y的成像位置、形状、深浅或有无的变化，识别和分析通道t内的液体状态，计算所截取的液体的实际体积，能对液体进行准确计量，极大地提高了仪器检测的准确性。
58.优选情况下，为了清楚地识别通道t内是否有液体，提高装置的检测精度。标识线x设置于通道t沿中心线剖切的剖切面中管壁的位置，即图4 和图6中点a所在位置，通道t内无液体时摄像头13采集到的图像中有标识线x，通道t内有液体时摄像头13采集到的图像中无标识线x。
59.若标识线x设置于通道t沿中心线剖切的剖切面中空腔的位置，即图4 和图6中点b所在位置，通道t内有液体时，液体相当于透镜，对光束起到汇聚作用，能增大光强，便于摄像头13识别特征，通过识别和对比通道t 内有液体时和无液体时的标识线x成像位置、形状、深浅的变化，能判断通道t内是否有液体。
60.根据本技术的另一个方面，本发明提供一种在线分析仪器，在线分析仪器包括有上述液体计量/检测/处理的装置。
61.根据本技术的另一个方面，本发明提供一种液体计量/检测/处理的方法，包括以下几个步骤。
62.步骤1：根据控制模块16发出的指令信号，控制流路模块12中的泵和/ 或阀对指定液体进行输送，摄像头13拍摄其视场以内的流路模块12工作时的全局或局部影像，实时监控所述流路模块12的运行状态。
63.进一步说明，摄像头13采集分析的图像区域不仅包含有通道t，还包含有泵、阀、反应器/皿、检测器/皿中至少一者的器件状态和/或其内部所含液体的状态，上述器件状态可以是器件运行状态或维护状态，上述液体状态可以是液体的体积、颜色、光谱吸光特性、浊度、是否含有气泡与液体残留等。
64.通过监控和分析通道t、器件和液体状态，能灵活且准确地截取指定段液体，且定容过程时间短，不容易造成液位检测部分以及通道多次污染，从而提高了检测的准确性，此外，能知晓流路在计量、输送和反应时的工作状态，方便了仪器的日常维护。
65.为了便于识别通道t内液体的状态，提高装置的检测精度。通道t上或邻近通道t设置有标识线x或图案y，通过标识线x或图案y成像位置、形态、深浅或有无的变化可以识别通道t内是否有液体。优选情况下，背景板14上设置有至少一条平行于通道t走向的标识线x。进一步，当通道t 为细管时，优选采用标识线x，当通道t为粗管时，优选采用图案y，图案 y具有更多的元素特征，能更好地反应液体的实际形貌，以便于后续的图像识别。
66.步骤2：当第一种液体的水头和/或水尾进入到特定区域时，对应的泵和 /或阀停止，截取预定体积的第一种液体，通过对第一种液体的水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第一种液体的体积v1；
67.步骤3：重复步骤1和步骤2类似的步骤，当第二种液体的水头和/或水尾进入到特定区域时，对应的泵和/或阀停止，截取预定体积的第二种液体，通过对第二种液体的水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第二种液体的体积v2；
68.步骤4：不断重复步骤1和步骤2类似的步骤，以截取预定体积的第三种液体、第四种液体...第n种液体，通过对水头和/或水尾的图像进行处理与分析，计算出所截取的第三种液体的体积v3、所截取的第四种液体的体积 v4、...、所截取的第n种液体的体积vn，n为大于2的自然数；
69.步骤5：根据所截取的各段液体的体积v1，v2，...，vn，计算出样本中待测物质的浓度c，其中，c＝f(v1，v2，...，vn)。优选情况下，摄像头 13可以通过识别混合液体的颜色变化，对比标准色和标准试剂使用量，计算出水样中待测物质的浓度c，或者，摄像头13配合光检模块识别出液体的光谱吸光特性，对比标准吸光特性，计算出水样中待测物质的浓度c。
70.上述步骤中，通过对液体的水头和/或水尾的图像进行处理与分析，能计算出所截取的液体的体积v0、所截取的液体中气泡的体积vq、残液的体积 vc，其中，所截取的实际液
体体积记为vs，则vs＝v0-vq-vc。
71.目前的液体在线分析仪是根据所截取的液体的体积v0计算样本中待测物质的浓度c，假设所截取的液体的体积v0为0.5ml，截取的实际液体体积 vs是0.45ml，就存在10％的体积误差，严重影响仪器的检测精度，而本技术通过图像识别异常状态，并计算出截取的实际液体体积vs，以截取的实际液体体积vs代入浓度计算公式中，能通过算法精确扣除误差，极大地提高了检测精度。
72.优选情况下，可以根据所截取的液体在通道t内的长度l计算体积，其中，通道t的内径为r，则v0＝π(r^2)l。
73.当然，本案不限于此，也可以通过特定的算法对异常状态进行控制，从而实现对进液时的各种不确定因素补偿误差，以获得更为精准的预定体积的液体样本。例如，当蠕动泵进液时的脉动进液误差，可以通过提前或延后停止泵和/或阀来实现；当液体中含有气泡时，可通过图像识别选取没有气泡的液段，或通过算法进行误差补偿；当液体有浊度时，可以通过对比标准背景板与光源，对测量值的浊度进行修正。
74.通过上述技术方案，本技术所提供的液体计量/检测/处理的装置及具有该装置的在线分析仪器与现有技术相比，具有以下优点：
75.1、通过摄像头13实时监控流路模块12工作，拍摄流路模块12工作时的全局或局部影像，并通过对所获图像的处理与分析计算得到液体在计量、输送、检测、处理过程中的各项信息，能以较高精准度来截取预定微液量体积的液体，从而实现适用于自动化处理或分析且较高准确率的处理液体的技术方案。
76.2、通过背景板14的设置，可以将图像标识别环境准化，且背景板14 上的标识线x和图案y能帮助识别更多的元素特征，能更好地反应液体的实际形貌，以便于后续的图像识别。
77.3、此装置截取液体过程中，不需要用蠕动泵或液位检测器等器件来进行液体定容计量，极大地缩减了检测时间，通过摄像头13识别图像来进行检测，替代了液位检测器，节省了成本，同时，也不容易造成蠕动泵等器件以及通道多次污染，使得装置的检测效率高，稳定性高。
78.4、通过对摄像头13所获图像的处理与分析，能快速知道蠕动泵或截止阀等器件的运转情况，方便仪器日常维护。
79.以上详细描述了本技术的优选实施方式，但是，本技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本技术的技术构思范围内，可以对本技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本技术的保护范围。
80.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本技术对各种可能的组合方式不再另行说明。
81.此外，本技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本技术的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。