CN108956580B - 一种可用于野外勘测的便携式元素分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于野外勘测的便携式元素分析仪，包括：进样系统，电解液放电等离子体产生系统，光路收集和滤光分选系统，数据处理系统和控制系统；所述进样系统将样品引入电解液放电等离子体产生系统进行辉光放电发出元素光谱，由所述光路收集和滤光分选系统采集并传至数据处理系统，最后由所述控制系统进行显示与采集，所述控制系统控制进样系统、电解液放电等离子体产生系统、光路收集和滤光分选系统以及数据处理系统。本发明提供了一种无需提前酸化样品，无需载气，放电更为稳定，操作简便，设备便宜和体积较小的金属元素分析装置。本发明的检测方法，自动检测，操作简单，野外适应性强，大大提高野外检测速度和精度。

Description

一种可用于野外勘测的便携式元素分析仪

技术领域

本发明涉及一种金属元素分析装置，具体的为一种用于液体样品在线检测的体积较小，成本较低，操作简便的便携式元素分析仪。

背景技术

在水中金属元素检测方面，传统检测方法如络合滴定法、电化学法、电感耦合原子发射光谱法等往往存在着这样或那样的缺陷与不足，具体表现为设备体积庞大、价格昂贵，预处理操作复杂及不易实现对水中金属元素的实时连续检测，而近几年兴起的电解液辉光放电技术恰恰可以弥补这些缺点。其基本结构为：电解质溶液通过进样装置经一根竖直导管的一端导出，形成喷泉，而在导出端上方附近用金属电极加上一定正电压，从而产生放电等离子体。Webb等从缩小阴极表面积，减小等离子体体积等方面对放电系统进行改进，采用“J”型导流式结构，所构建的系统放电所需试样体积减小，且降低了外部电路功率，而系统对金属元素的检测能力则大大提高，可达到μg/L及以下。

但是目前针对电解液辉光放电技术研究方面，其光谱探测部分均采用光谱仪进行采集和处理，比如采用单色分光仪与光电倍增管作为探测器的组合光谱仪或采用便携式光谱仪等，使得整套检测设备体积偏大、成本偏高，降低了依托电解液辉光放电原理的金属离子检测仪器的便携性，从而限制了电解液放电放电光电检测技术获得普遍应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种便携式金属元素检测装置及其检测方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种可用于野外勘测的便携式元素分析仪，包括：进样系统，电解液放电等离子体产生系统，光路收集和滤光分选系统，数据处理系统和控制系统；所述进样系统将样品引入电解液放电等离子体产生系统进行辉光放电发出元素光谱，由所述光路收集和滤光分选系统采集并传至数据处理系统，最后由所述控制系统进行显示与采集，所述控制系统控制进样系统、电解液放电等离子体产生系统、光路收集和滤光分选系统以及数据处理系统；所述的光路收集和滤光分选系统集成于笼式共轴系统上，包括依次沿光路设置的双凸透镜(2)，空间滤波器(3)，前平凸透镜、窄带滤光片和后平凸透镜，所述的电解液放电等离子体发出的发射光谱由位于等离子体后的双凸透镜收集并汇聚成像到位于双凸透镜(2)后的空间滤波器(3)，空间滤波器(3)选出等离子体中金属元素的主要放电发光区负辉光区，再由位于空间滤波器(3)后f2处的前平凸透镜(4)将负辉光区的平行光式光谱汇聚到窄带滤光片(5)，再由后平凸透镜(6)将选定金属元素特征光谱收集汇聚到位于后平凸透镜(6)后的光电倍增管的光敏面上，其中双凸透镜的焦距为3cm～10cm，f2为前平凸透镜的焦距，f2为3cm～10cm，后平凸透镜结构与前平凸透镜完全相同，所述双凸透镜和平凸透镜均为熔融石英材料制成。

所述的进样系统包括两个用以分别将未酸化样品和标准酸溶液泵入缓冲腔的单通道蠕动泵，一端与所述的缓冲腔连通另一端连接至电解液放电等离子体产生系统的毛细玻璃管的导管，多个被容纳在所述的导管内的缓冲球，以及等离子体辅助产生装置，所述的等离子体辅助产生装置包括串接在导管和毛细玻璃管间的气囊，设置在所述的气囊上且与所述的控制系统可控连接的电控注射阀，所述单通道蠕动泵的转速分别由所述控制系统控制。

数据处理系统包括光电倍增管、电流放大器和数据采集器。

所述的缓冲球由玻璃或耐酸材料制成，缓冲球放置于水平放置的导管内，缓冲球直径为导管直径的3/4-4/3。

所述窄带滤光片为电动滤光片轮上的安装的窄带通干涉滤光片，带宽为5-30nm，且窄带滤光片的通光中心波长为金属元素共振线的发射波长，所述的电动滤光片轮与所述的控制系统可控连接以通过控制电动滤光片轮选择对应所测金属元素的窄带滤光片滤除其他波段的杂散光，选出金属元素特征光谱。

所述空间滤波器为长度为1～5mm、宽度为50μm～100μm的光学狭缝，且空间滤波器上下空间位置可调。

所述分析仪中数据采集器还具有WiFi和/或蓝牙传输功能，所述数据采集器存储测定结果并通过进行数据无线传输。

一种可用于野外勘测的便携式元素分析仪的检测方法，包括以下步骤，

1)根据缓冲腔内测量的pH值或者未酸化样品和标准酸溶液的实验标定值控制两个单通道蠕动泵的转速以调整待测样品与标准酸溶液的混合比例，使混合后溶液的pH值为1；

2)混合后溶液在单通道蠕动泵的压力下由缓冲腔进入导管，导管内的缓冲球进一步消弱溶液的脉动；

3)控制系统控制锂电池与变压器构成的电源给辉光放电原子化器提供工作电压并控制电动注射阀向下推动以压缩气囊，加快溶液的流速，使溶液从玻璃毛细管喷出从而自动点火；

4)控制系统控制电动滤光片轮转动以选择对应所测金属元素的窄带滤光片滤除其他波段的杂散光，选出金属元素特征光谱；

5)控制系统控制安装电解液放电等离子体激发光源的三维调整装置，实现电解液放电等离子体激发光源与光路收集和滤光分选系统的相对位移，获得金属元素特征光谱的最佳信号；

6)数据处理系统中的光电倍增管采集经光路收集和滤光分选系统透来的光转化为电信号，经电流放大器放大后由数据采集器存储数据，通过蓝牙功能将存储数据传输到计算机或其他终端设备并对数据进行分析和处理；

7)重复步骤4、步骤5和6直至测量出预定元素的数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种无需提前酸化样品，无需载气，放电更为稳定，操作简便，设备便宜和体积较小的金属元素分析装置。

本发明的检测方法，自动检测，操作简单，野外适应性强，大大提高野外检测速度和精度。

附图说明

图1所示为本发明的一种便携式元素分析仪的结构示意图；

图2所示为进样系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明的一种便携式元素分析仪包括：进样系统，电解液放电等离子体产生系统，光路收集和滤光分选系统，数据处理系统和控制系统；所述的电解液放电等离子体产生系统包括锂电池与变压器构成的电源、变压器16和辉光放电原子化器1，光路收集和滤光分选系统包括双凸透镜2、空间滤波器3、平凸透镜4和6、以及窄带滤光片5，所述的光路收集和滤光分选系统包括光电倍增管7和电流放大器8，以及变压器17，数据处理系统为具有蓝牙功能的数据采集器9，所述的控制线为控制器，如计算机10，所述的进样系统包括单通道蠕动泵11、12、15、样品缓冲腔13、进样缓冲和等离子体辅助产生装置14，即单通道蠕动泵11、12、15，样品缓冲腔13，以及进样缓冲和等离子体辅助产生装置14组成分析仪的进样系统，进样系统中的单通道蠕动泵11、12、15以及等离子体辅助产生装置的动作由控制系统，如计算机10控制。

分析仪的电解液放电等离子体产生系统由电解液辉光放电原子化器1和变压器16组成，外加12V锂电池提供一输入电压，通过变压器16输出的高压给放电系统提供一个工作电压，变压器的输出电压受控于计算机10。即，整个元素分析仪由12V锂电池供电。锂电池和变压器为辉光放电原子化器提供工作电压，对由进样系统进入的样品进行辉光放电，产生放电等离子体，发出元素特征光谱。

双凸透镜2、空间滤波器3、平凸透镜4和6、窄带滤光片5组成的光路收集和滤光分选系统对元素特征谱线进行采集，并由光电倍增管7、电流放大器8、具有蓝牙功能的数据采集器9组成的数据处理系统将光学系统收集的光谱信号转换成电信号并进行采集与存储。

数据采集器9和计算机10为整个分析仪的数据存储、传输和计算分析中心，计算机控制进样系统、电解液放电等离子体产生系统，同时控制光路收集和滤光分选系统中的电动滤光片轮转动选择对应所测金属元素的窄带滤光片以及控制变压器17的输出电压为光电倍增管7提供工作电压。数据采集器采集并存储的数据通过蓝牙传输到计算机或其他终端设备进行数据分析和处理，从而得到待测样品中金属元素浓度。

本方案中采用功耗低、无需辅助气体且在大气压下工作的电解液辉光放电作为激发源，比ICP、MIP和DBD等其他等离子体激发源具有更大的便携化优势，特别适用于便携仪器。依据此便携式仪器，可实现用于野外勘测的便携式金属元素分析仪，为野外勘测盐湖中金属钾矿和锂矿等金属矿源提供现场的快速测量设备，具有极大的应用价值。

基于上述方案构成的元素分析仪在进行元素测定的过程如下：

计算机10控制进样系统中单通道蠕动泵11、12的转速，分别将待测样品和标准酸溶液泵入样品缓冲腔13并在样品缓冲腔13内形成pH值为1的待测样品，待测样品经等离子体辅助产生装置14进入到电解液放电原子化器1，计算机10控制由锂电池和变压器16构成的电源给电解液放电等离子体产生系统提供工作电压并控制气囊20上的电控注射阀21向下推动，使待测样品从毛细玻璃管上端喷出从而自动点火，产生放电等离子体，不需对待测样品进行预先调制，简化了检测步骤，而且自动点火进一步提高野外操作的便利性。

等离子体发射出的元素特征谱线经过双凸透镜2、空间滤波器3、平凸透镜4和6、窄带滤光片5组成的光路收集和滤光分选系统进入到光电倍增管7转换成电信号，经电流放大器8放大后由数据采集器9对数据进行采集和存储，通过其蓝牙功能将数据传输到计算机10或其他终端设备计算得到待测金属元素浓度。

该元素分析仪中的进样系统使用两个单通道蠕动泵将待测样品和酸溶液泵入导管，通过控制两个蠕动泵转速使酸溶液和待测样品在样品缓冲腔汇集并形成pH为1的标准样品溶液，标准样品经放有缓冲球的导管稳流后进入到辉光放电原子化器。本发明利用两个单通道蠕动泵的进样结构将未酸化待测样品和标准酸溶液引入导管，使得样品不需预先酸化，再通过放有缓冲球的导管，使得样品在导管内更平稳的流动，最后进入电解液放电等离子体产生系统，使得放电更为稳定。

同时该元素分析仪使用带有电控注射阀的气囊组成的等离子体辅助产生装置，通过计算机控制阀门来实现自动点火。

元素分析仪的光路系统中采用空间滤波器来提取放电等离子体中金属元素的光谱发射区的光谱信号，提高了信号接收的信背比，从而提高该分析仪的检测灵敏度。

由于电解液辉光放电等离子体发射光谱较少，而且不同金属元素的谱线分离较宽，该元素分析仪使用窄带滤光片来代替传统的单色分光仪，使得其结构更加简单，体积更小，操作更为方便，产品价格更加低廉。

该元素分析仪使用石英透镜收集光信号，辅以窄带滤光片和光电倍增管选取特征光谱信号并将其转换成电信号由后续数据处理系统进行数据采集并处理，在保证检测精度的同时使得光路系统以及数据处理系统体积更小，便于集成，同时降低了检测装置成本。

该元素分析仪内部具体结构为：所述进样系统中的单通道蠕动泵11、12与所述的缓冲腔13连通，通过放置多个缓冲球18的导管19连接至电解液放电等离子体产生系统的毛细玻璃管，所述的等离子体辅助产生装置包括与所述的串接在导管和毛细玻璃管间的气囊20，在所述的气囊20上设置有与所述的控制系统可控连接的电控注射阀21；所述的光路收集和滤光分选系统包括依次沿光路设置的双凸透镜2，空间滤波器3，前平凸透镜4、窄带滤光片5和后平凸透镜6，所述的等离子体发出的发射光谱由位于等离子体的双凸透镜1收集并汇聚成像到位于双凸透镜1后的空间滤波器3，如等离子体于双凸透镜1前2f1处，空间滤波器位于双凸透镜后2f1处以成等大的像，空间滤波器选出等离子体的主要放电区负辉光区，再由位于空间滤波器3后f2处的前平凸透镜4将负辉光区的平行光式光谱汇聚到窄带滤光片，再由后平凸透镜6将选定金属元素特征光谱收集汇聚到位于后平凸透镜6后的光电倍增管7的光敏面上。其中为双凸透镜的焦距f1为3cm～10cm，前平凸透镜和后平凸透镜完全相同，焦距f2均为3cm～10cm，所述双凸透镜和平凸透镜均为熔融石英材料制成。所述的数据处理系统包括光电倍增管7、电流放大器8以及具有WiFi和蓝牙功能的数据采集器9，其用以获得并存储各元素的电流强度，通过蓝牙功能将存储数据传输到计算机10或其他终端设备，从而定量分析其中的金属元素含量。同时，废液经单通道蠕动泵15排入废液池。

即未酸化待测样品和酸溶液分别经单通道蠕动泵进入导管，通过控制两个蠕动泵转速使酸溶液和待测样品在样品缓冲腔汇集并形成pH为1的标准样品溶液，标准样品经放有缓冲球的导管稳流后进入到辉光放电原子化器，本发明利用两个单通道蠕动泵的进样结构将未酸化待测样品和酸溶液引入导管，使得样品不需预先酸化，再通过放有缓冲球的导管，使得样品在导管内更平稳的流动，最后进入电解液放电等离子体产生系统，使得放电更为稳定。

优选地，所述进样系统包括两个单通道蠕动泵，装有缓冲球的导管，样品缓冲腔以及等离子体辅助产生装置，所述等离子体辅助产生装置包括带有自动阀门的气囊，所述蠕动泵和等离子体辅助产生装置的动作由控制系统控制。

优选地，所述窄带滤光片为电动滤光片轮上的窄带滤光片，所述的电动滤光片与所述的控制系统可控连接以通过计算机控制转动滤光片轮选择对应所测金属元素的窄带滤光片滤除其他波段的杂散光，选出金属元素特征光谱。

其中，所述空间滤波器的宽度在为50μm～100μm范围内可调，所述空间滤波器的作用在于对等离子体经双凸透镜在空间滤波器所在处成像后，对放电等离子体的主放电区的空间选择性。同时，所述的电解液放电等离子体产生系统设置在高度和前后均可调的支撑架上。

优选的，所述双凸透镜，空间滤波器，前平凸透镜、窄带滤光片、后平凸透镜和光电倍增管固定集成于一个笼式共轴系统，保证所有光学器件同轴心且位置固定，便于调节。

优选地，所述元素分析仪还包括具有蓝牙功能的数据采集器，所述数据采集器与电流放大器相连接，收集存储数据，并通过蓝牙功能向外部计算机或其他终端设备传输数据，便于数据分析与处理。

本发明将电解液放电等离子体产生系统与一套三维可调的支撑架上，通过控制系统来调节等离子体发生系统与光路收集和滤光分选系统的相对位移，同时辅以调节空间滤波器宽度，观察信号强弱，从而可以选出最佳放电位置，不需要调节后续光路收集装置，使得该套检测装置操作更加便捷。采用空间滤波器对等离子体的区域进行空间选择，通过调节调节等离子体发生系统与光路收集和滤光分选系统的相对位移选出等离子体的主要放电区域，即等离子体的负辉光区，让有效光信号充分的进入到光电倍增管，从而提高了信号接收的信背比，提高了该套元素分析仪的检测灵敏度，空间滤波器配合滤光片的检测装置使该套分析仪较已有的光电检测装置体积更小，设备也更便宜。

综上所述，本发明的可用于野外勘测的元素分析仪的光路收集和滤光分选系统，不同于现有技术中采用单色分光仪加光电倍增管的检测技术，本发明采用石英透镜、空间滤波器和窄带滤光片来代替单色分光仪，在同样具有较高光谱分辨率的情况下使得整套检测系统价格更便宜，体积更小，结合三维可调电解液放电等离子体产生系统，使该检测系统操作也更为简便。

具体检测方法，包括以下步骤，

1)根据缓冲腔内测量的pH值或者未酸化样品和标准酸溶液的实验标定值控制两个单通道蠕动泵的转速以调整待测样品与标准酸溶液的混合比例，使混合后溶液的pH值为1；即，可在缓冲腔内设置与控制系统通讯连接的pH计即可实现自动调整两个单通道蠕动泵的转速配合；

2)混合后溶液在单通道蠕动泵的压力下由缓冲腔进入导管，导管内的缓冲球进一步消弱溶液的脉动；

3)控制系统控制锂电池与变压器构成的电源给辉光放电原子化器提供工作电压并控制电动注射阀向下推动以压缩气囊，加快溶液的流速，使溶液从玻璃毛细管喷出从而自动点火；

4)控制系统控制电动滤光片轮转动以选择对应所测金属元素的窄带滤光片滤除其他波段的杂散光，选出金属元素特征光谱；

5)控制系统控制安装电解液放电等离子体激发光源的三维调整装置，实现电解液放电等离子体激发光源与光路收集和滤光分选系统的相对位移，获得金属元素特征光谱的最佳信号。

6)数据处理系统中的光电倍增管采集经光路收集和滤光分选系统透来的光转化为电信号，经电流放大器放大后由数据采集器存储数据，通过蓝牙功能将存储数据传输到计算机或其他终端设备并对数据进行分析和处理；

7)重复步骤4、步骤5和6直至测量出预定元素的数据。

本发明的元素分析仪实现了自动调整液体pH值以及自动点火和持续测量，同时可自动调整滤光片实现多元素依次测量，有效提高了测量效率，降低使用成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于野外勘测的便携式元素分析仪，其特征在于，包括：进样系统，电解液放电等离子体产生系统，光路收集和滤光分选系统，数据处理系统和控制系统；所述进样系统将样品引入电解液放电等离子体产生系统进行辉光放电发出元素光谱，由所述光路收集和滤光分选系统采集并传至数据处理系统，最后由所述控制系统进行显示与采集，所述控制系统控制进样系统、电解液放电等离子体产生系统、光路收集和滤光分选系统以及数据处理系统；所述的光路收集和滤光分选系统集成于笼式共轴系统上，包括依次沿光路设置的双凸透镜（2），空间滤波器（3），前平凸透镜、窄带滤光片和后平凸透镜，所述的电解液放电等离子体发出的发射光谱由位于等离子体后的双凸透镜收集并汇聚成像到位于双凸透镜（2）后的空间滤波器（3），空间滤波器（3）选出等离子体中金属元素的主要放电发光区负辉光区，再由位于空间滤波器（3）后f2处的前平凸透镜（4）将负辉光区的平行光式光谱汇聚到窄带滤光片（5），再由后平凸透镜（6）将选定金属元素特征光谱收集汇聚到位于后平凸透镜（6）后的光电倍增管的光敏面上，其中双凸透镜的焦距为3cm~10cm，f2为前平凸透镜的焦距，f2为3cm~10cm，后平凸透镜结构与前平凸透镜完全相同，所述双凸透镜和平凸透镜均为熔融石英材料制成；所述的进样系统包括两个用以分别将未酸化样品和标准酸溶液泵入缓冲腔的单通道蠕动泵，一端与所述的缓冲腔连通另一端连接至电解液放电等离子体产生系统的毛细玻璃管的导管，多个被容纳在所述的导管内的缓冲球，以及等离子体辅助产生装置，所述的等离子体辅助产生装置包括串接在导管和毛细玻璃管间的气囊，设置在所述的气囊上且与所述的控制系统可控连接的电控注射阀，所述单通道蠕动泵的转速分别由所述控制系统控制。

2.如权利要求1所述的一种用于野外勘测的便携式元素分析仪，其特征在于，数据处理系统包括光电倍增管、电流放大器和数据采集器。

3.如权利要求1所述的一种用于野外勘测的便携式元素分析仪，其特征在于，所述窄带滤光片为电动滤光片轮上安装的窄带通干涉滤光片，带宽为5-30nm，且窄带滤光片的通光中心波长为金属元素共振线的发射波长，所述的电动滤光片轮与所述的控制系统可控连接以通过控制电动滤光片轮选择对应所测金属元素的窄带滤光片滤除其他波段的杂散光，选出金属元素特征光谱。

4.如权利要求1所述的一种用于野外勘测的便携式元素分析仪，其特征在于，所述空间滤波器为长度为1~5mm、宽度为50μm~100μm的光学狭缝，且空间滤波器上下空间位置可调。

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