CN106908466A - 一种在线x射线荧光光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在线X射线荧光光谱分析系统，包括检测子系统、自控子系统以及数据处理子系统；检测子系统包括X射线源、X射线检测器以及样品采集器；X射线入射到样品采集器内，样品在X射线的激发下生成二次X射线，X射线检测器对二次X射线能量进行检测；自控子系统用于将样品转变到常温常压状态，并传输到样品采集器中以备检测子系统进行分析测试；自控子系统将样品的温度和压力参数传输到数据处理子系统，接收并执行来自数据处理子系统的指令；数据处理子系统接收检测信号，通过二次X射线波长来鉴别样品的元素种类，通过二次X射线强度来计算元素在样品内的含量；数据处理子系统还接收自控子系统的信号，根据该信号来控制自控子系统。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，特别涉及一种在线X射线荧光光谱分析系统。
背景技术
X射线指电磁波谱中波长介于0.01-10nm的电磁波，其特性通常由能量(Kev)和波长(nm)来决定。X射线荧光(XRF)是一种原子内部变化所引起的现象。稳定的原子结构由原子核和核外电子组成，核外电子以其特有的能量在原子核外运动。当内层电子(如K层)受到足够多能量的X射线照射时，内层电子就会脱离原来的轨道，电子释放出来，从而形成相应的电子空穴，此时处于较高壳层的电子(如L层)就会跃迁到该较低的电子层上来弥补相应的电子空穴。由于不同电子层的电子能量不同，这些能量差值以二次X射线的形式释放出来，就形成了X射线荧光(XRF)。不同的元素所释放出来的二次射线具有特定的能量特征。通过对XRF光谱的检测可以测量元素的种类，现有技术中有效的元素测量范围为11号元素(Na)到92号元素(U)。
由于XRF光谱与样品的化学结合状态无关，经过多年的发展，台式和手持式X射线荧光光谱分析已经广泛的应用于固体、液体和粉末的测试。如在公开号为CN102735705 B的中国专利中公开了一种便携式XRF检测仪，其典型结构包括用于将X射线引导至试样的X射线源以及响应该试样发射的X射线的检测器。分析子系统对信号进行定量和定性分析，对特定元素种类鉴别和含量分析。但现有技术中的此类台式和手持式X射线荧光光谱仪不能对过程工业中的样品进行快速联系的分析，也不能在分析数据后对整个过程反馈进行自动化控制，从而提升整个流程的效率。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的X射线荧光光谱仪不能对过程工业中的样品进行快速联系的分析，也不能在分析数据后对整个过程反馈进行自动化控制的缺陷，从而提供一种在线X射线荧光光谱分析系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种在线X射线荧光光谱分析系统，包括检测子系统、自控子系统以及数据处理子系统；其中，
所述检测子系统包括X射线源、X射线检测器以及样品采集器；X射线源所发出的X射线入射到样品采集器内，所述样品采集器内的样品在X射线的激发下生成二次X射线，X射线检测器对该二次X射线能量进行检测，包含有检测结果的信号传输给数据处理子系统；
所述自控子系统用于将以流体形态存在的样品从高温高压或者低温低压状态转变到常温常压状态，并将所述以流体形态存在的样品传输到样品采集器中以备检测子系统进行分析测试；所述自控子系统同时还将以流体形态存在的样品的温度和压力参数传输到数据处理子系统，接收并执行来自数据处理子系统的指令；
所述数据处理子系统接收来自检测子系统的检测信号，通过二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类，通过二次X射线的强度来计算元素在所述样品内的含量；所述数据处理子系统还接收来自自控子系统的信号，根据该信号来控制自控子系统，使样品满足进入到样品采集器的条件，并预先判断采集样品的条件是否满足。
上述技术方案中，所述样品采集器为一盒状结构，其包括盒体21、一个流体进样口22、一个流体出样口23、一个样品检测窗口24、一个流体状态检测器接口25；所述流体进样口22位于盒体21的一侧且位置较低处；所述流体出样口23位于盒体21的另一侧且位置较高处；所述样品检测窗口24位于所述盒体21的上表面；所述流体状态检测器接口25位于盒体21的一侧。
上述技术方案中，所述样品采集器在安装时需保证样品采集器内的样品、X射线源、X射线检测器三者的角度和距离一致性。
上述技术方案中，所述自控子系统具体包括：反应器或管线、泵、换热装置、温度计、流量计、三通阀；
以流体形态存在的样品从反应器或管线流出后，依次经流量控制泵、变压器、换热装置、温度计、流量计、三通阀传输到样品采集器；以流体形态存在的样品当需要从样品采集器内流出时，其从样品采集器流出后直接传输到反应器或管线。
上述技术方案中，所述数据处理子系统进一步包括：信号放大反馈电路、元素种类鉴别模块、元素含量计算模块、控制模块；其中，所述信号放大反馈电路对所接收到的信号加以放大；所述元素鉴别模块依据检测信号中所包含的二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类；元素含量计算模块依据检测信号中所包含的二次X射线的强度来计算元素在所述试样内的含量；所述控制模块根据从自控子系统所接收的样品温度信息和压力信息对自控子系统中的换温装置和变压器进行控制，使流体样品满足进入到样品采集器的条件，还能够预先判断采集样品的条件是否满足。
本发明的优点在于：
1、本发明的在线X射线荧光光谱分析系统能够对流体形态存在的样品实现在线检测与分析，具有实时性高的优点；
2、本发明的在线X射线荧光光谱分析系统能够根据检测过程中的参数对检测、分析过程做自动化控制，具有自动化程度高的优点；
3、本发明的在线X射线荧光光谱分析系统采用了样品采集器，该样品采集器能够避免以流体形态存在的样品对X射线检测器和X射线源的污染，且有助于提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的在线X射线荧光光谱分析系统的结构示意图；
图2(a)是样品采集器一个侧面上的结构示意图；
图2(b)是样品采集器另一个侧面上的结构示意图；
图3是本发明的在线X射线荧光光谱分析系统的工作流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
为了便于理解，对本发明的在线X射线荧光光谱分析系统实现定性分析与定量分析的依据进行说明。
定性分析依据：根据扫描测量的谱图进行谱峰的检索并与标准谱的比对确定样品的元素(或化合物)组成。主要依据莫塞莱定律：特征X射线谱的频率的平方根与原子序数成正比，即：
式中，v表示频率，Z表示原子序数，Q为常数，σ为屏蔽常数。
定量分析依据：通过将测得的特征X射线荧光光谱强度转换成浓度的过程。
Ci＝KiIiMiSi；
其中，C表示待测元素的浓度、下标i表示待测元素、K表示仪器校正因子、I表示待测元素的X射线荧光纯强度、M表示元素间吸收增强效应校正、S表示样品物理形态因素。
参考图1，本发明的在线X射线荧光光谱分析系统包括：检测子系统、自控子系统以及数据处理子系统。
所述检测子系统包括X射线源、X射线检测器以及样品采集器；X射线源所发出的X射线入射到样品采集器内，所述样品采集器内的样品在X射线的激发下生成二次X射线，X射线检测器对该二次X射线能量进行检测，包含有检测结果的信号传输给数据处理子系统。
图2(a)和图2(b)为样品采集器的结构示意图，如图所示，样品采集器用于避免以流体形态存在的样品对X射线检测器和X射线源的污染。所述样品采集器为一盒状结构，其包括盒体21、一个流体进样口22、一个流体出样口23、一个样品检测窗口24、一个流体状态检测器接口25；所述流体进样口22位于盒体21的一侧且位置较低处；所述流体出样口23位于盒体21的另一侧且位置较高处；所述样品检测窗口24位于所述盒体21的上表面，其可用碳酸脂或者金刚石薄膜制成；所述流体状态检测器接口25位于盒体21的一侧。所述盒体21本身可采用聚四氟乙烯、不锈钢、玻璃、石英中的任意一种实现。所述样品采集器在安装时应保证样品采集器内的样品、X射线源、X射线检测器三者的角度和距离一致性，从而提高测量精度。
所述自控子系统用于将来自反应器或者管线的以流体形态存在的样品(也可简称流体样品)从高温高压或者低温低压状态转变到常温常压状态，并将所述以流体形态存在的样品传输到样品采集器中以备检测子系统进行分析测试；所述自控子系统同时还将以流体形态存在的样品的温度和压力参数传输到数据处理子系统，能接收并执行来自数据处理子系统的指令。
如图1所示，在一个实施例中，所述自控子系统具体包括：反应器或管线(可以从反应器直接获得样品，也可以从工厂的管线里面获得样品)、泵、换热装置、温度计、流量计、三通阀；以流体形态存在的样品从反应器或管线流出后，依次经流量控制泵、变压器、换热装置、温度计、流量计、三通阀传输到样品采集器，从样品采集器的流体进样口流入，其中的三通阀主要用于流量控制或者截止控制；以流体形态存在的样品当需要从样品采集器内流出时，其从流体出样口流出后直接传输到反应器或管线。
所述数据处理子系统接收来自检测子系统的检测信号，根据前文所述的定性分析依据通过二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类，根据前文所述的定量分析依据通过二次X射线的强度来计算元素在所述样品内的含量；所述数据处理子系统还接收来自自控子系统的信号(如流体样品的温度和压力参数)，根据样品温度和压力特征来控制自控子系统中的换温装置和变压器，使流体样品满足进入到样品采集器的条件，并预先判断采集样品的条件是否满足。
如1所示，所述数据处理子系统进一步包括：信号放大反馈电路、元素种类鉴别模块、元素含量计算模块、控制模块；其中，所述信号放大反馈电路对所接收到的信号加以放大；所述元素鉴别模块依据检测信号中所包含的二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类；元素含量计算模块依据检测信号中所包含的二次X射线的强度来计算元素在所述试样内的含量；控制模块根据从自控子系统所接收的样品温度信息和压力信息对自控子系统中的换温装置和变压器进行控制，使流体样品满足进入到样品采集器的条件，还能够预先判断采集样品的条件是否满足。
本发明的在线X射线荧光光谱分析系统在进行检测时，如图3所示，首先开启流量控制泵，流体(溶液是流体的一种)通过传输线路进入到样品采集器内，当其充满样品采集器后，调节流量并开始检测过程，X射线检测器探测来此样品的特征X射线波长及其强度，然后将特征X射线波长及其强度传输给数据处理子系统，所述数据处理子系统根据样品的特征X射线波长及其强度确定样品中所含元素的种类与含量；当检测完毕后，用清洁剂或清水清洁内部管道，之后流量控制泵排水，检测过程结束。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种在线X射线荧光光谱分析系统，其特征在于，包括检测子系统、自控子系统以及数据处理子系统；其中，
所述检测子系统包括X射线源、X射线检测器以及样品采集器；X射线源所发出的X射线入射到样品采集器内，所述样品采集器内的样品在X射线的激发下生成二次X射线，X射线检测器对该二次X射线能量进行检测，包含有检测结果的信号传输给数据处理子系统；
所述自控子系统用于将以流体形态存在的样品从高温高压或者低温低压状态转变到常温常压状态，并将所述以流体形态存在的样品传输到样品采集器中以备检测子系统进行分析测试；所述自控子系统同时还将以流体形态存在的样品的温度和压力参数传输到数据处理子系统，接收并执行来自数据处理子系统的指令；
所述数据处理子系统接收来自检测子系统的检测信号，通过二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类，通过二次X射线的强度来计算元素在所述样品内的含量；所述数据处理子系统还接收来自自控子系统的信号，根据该信号来控制自控子系统，使样品满足进入到样品采集器的条件，并预先判断采集样品的条件是否满足。
2.根据权利要求1所述的在线X射线荧光光谱分析系统，其特征在于，所述样品采集器为一盒状结构，其包括盒体(21)、一个流体进样口(22)、一个流体出样口(23)、一个样品检测窗口(24)、一个流体状态检测器接口(25)；所述流体进样口(22)位于盒体(21)的一侧且位置较低处；所述流体出样口(23)位于盒体(21)的另一侧且位置较高处；所述样品检测窗口(24)位于所述盒体(21)的上表面；所述流体状态检测器接口(25)位于盒体(21)的一侧。
3.根据权利要求1所述的在线X射线荧光光谱分析系统，其特征在于，所述样品采集器在安装时需保证样品采集器内的样品、X射线源、X射线检测器三者的角度和距离一致性。
4.根据权利要求1所述的在线X射线荧光光谱分析系统，其特征在于，所述自控子系统具体包括：反应器或管线、泵、换热装置、温度计、流量计、三通阀；
以流体形态存在的样品从反应器或管线流出后，依次经流量控制泵、变压器、换热装置、温度计、流量计、三通阀传输到样品采集器；以流体形态存在的样品当需要从样品采集器内流出时，其从样品采集器流出后直接传输到反应器或管线。
5.根据权利要求1所述的在线X射线荧光光谱分析系统，其特征在于，所述数据处理子系统进一步包括：信号放大反馈电路、元素种类鉴别模块、元素含量计算模块、控制模块；其中，所述信号放大反馈电路对所接收到的信号加以放大；所述元素鉴别模块依据检测信号中所包含的二次X射线的波长来鉴别样品的元素种类；元素含量计算模块依据检测信号中所包含的二次X射线的强度来计算元素在所述试样内的含量；所述控制模块根据从自控子系统所接收的样品温度信息和压力信息对自控子系统中的换温装置和变压器进行控制，使流体样品满足进入到样品采集器的条件，还能够预先判断采集样品的条件是否满足。
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