CN1140790C - 基于液滴体积的光谱液滴分析系统 - Google Patents

Abstract

基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其光源位于输入光路的入口，输入光路、输出光路及供液装置均与液滴传感器相连，分光光路一路通过快速红外傅立叶变换装置到计算机，另一路通过光电转换器、放大滤波电路、A/D转换器到计算机，液滴传感器还通过A/D转换器到计算机，摄像机通过图像卡与计算机相连接。该装置可以同时测量得出液滴形成过程的瞬时液滴体积、光谱吸收以及接受光信号强度的三维关系图，液滴体积和接收光强变化的二维关系图。

Description

基于液滴体积的光谱液滴分析系统

本发明涉及液滴分析技术，特别是一种基于液滴体积的光谱液滴分析系统。

液滴分析技术是指在一定测试系统条件下，在被测液体形成液滴的过程中，采用各种手段对被测液滴实施监测，以获得有关该被测液体的物理、化学特性参数的技术。

分析仪器的种类繁多，如何选择分析方法需要考虑仪器的适用范围、测试精度、测试时间、测试费用、所需样品数量和状态等诸多因数。现有诸多分析仪器的特点是性能单一，综合测试功能弱，若要测量某一物质的多种物理、化学特性，不但得用到多种仪器，而且得到得数据相关性液不好，有的装置还很复杂，价格昂贵，使用不方便。

对于液滴分析技术，国内没有类似专利。国外有同一发明人得两项专利(专利号为：EP0 286 419 A2和EP 0 364 203 A1)涉及到类似的内容，其权项要求主要为液滴形成方法及光纤信号在液滴成长过程中的基于时间的变化关系。这种基于时间的光纤信号变化曲线将随形成液滴的时间长短而变化，使得液滴的这种关系曲线失去了唯一性，进而从根本上否定了液滴分析技术的理论基础。即使是装备十分精密的计量泵，液难以做到对不同粘度、不同密度的液体具有完全相同的供液流量。尤其是对具有挥发性液体的测量，由于挥发造成的计量流量与实际液滴瞬时体积的不同，使得不同液体液滴的这种关系曲线失去了可比性。

本发明的目的在于提供一种可克服上述不足，能够连续或间断地测出液滴的瞬时体积的基于液滴体积的光谱液滴分析系统。

本发明的目的是这样实现：基于液滴体积的光谱液滴分析系统，包括光源、输入光路、输出光路、供液装置，还包括液滴传感器、分光光路、快速红外傅立叶变换装置、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换器、CCD摄像机和计算机，具体连接是：光源位于输入光路的入口，输入光路、输出光路及供液装置均与液滴传感器相连，分光光路将接收到的光信号分成两路，一路通过快速红外傅立叶变换仪到计算机，另一路通过光电转换器、放大滤波电路、A/D转换器到计算机，CCD摄像机通过图像卡与计算机相连接。

本发明是一种集光学、光路技术，光谱分析技术、图像分析技术和电容测试技术为一体的液滴分析系统装置。该装置可以同时测量出液滴形成过程的瞬时液滴体积、被测液体的吸收光谱，液滴瞬时体积和光信号强度的关系。本发明采用信息融合技术，给出液滴成长过程中液滴瞬时体积、光谱吸收以及接收光信号强度的关系图，其关系图是一个三维曲面，对确定的液体该图是唯一的。该曲面的形状与被测液体的物理化学性质有关。分析该曲面可以得到被测液体的密度、表面张力、折射率、粘度、吸光度、浑浊度、颜色、浓度、蒸发度、液体的化学成分和有关的液体电特性参数。本发明具有很强的液体鉴别能力，即对两种液体，只要其物理或化学性质有所不同，均可以在该关系图上得到反映。本系统还可得到被测液滴体积和接收光强度变化的二维关系图。

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

图1是本发明的系统装置示意图

图2是装有电容—几何光路光谱液滴传感器系统装置示意图

图3是装有图像—几何光路光谱液滴传感器系统装置示意图

图4是装有电容—光纤光路光谱液滴传感器系统装置示意图

图5是装有图像—光纤光路光谱液滴传感器系统装置示意图

图6是本发明的数据处理和采集程序流程图

图7是本系统装置对纯乙醇测试的实施例的三维关系图。

如图1所示，基于液滴体积的光谱液滴分析系统，是由光源1、输入光路2、输出光路3、供液装置11、液滴传感器12、分光光路4、快速红外傅立叶变换装置7、光电转换器5、放大滤波电路9、A/D转换器10、CCD摄像机8和计算机6共同构成，具体连接是：光源1位于输入光路2的入口，输入光路2、输出光路3及供液装置11均与液滴传感器12相连，分光光路4将接收到的光信号分成两路，一路通过快速红外傅立叶变换仪7到计算机6，另一路通过光电转换器5、放大滤波电路9、A/D转换器10到计算机6，液滴传感器12也通过A/D转换器10到计算机6，CCD摄像机8通过图像卡13与计算机6相连接。其中，液滴传感器12可采用电容—几何光路光谱液滴传感器，或图像—几何光路光谱液滴传感器，或电容—光纤液滴传感器，或图像—光纤液滴传感器。上述振荡电路15可采用ICM17555或NE555组成的振荡电路。

如图2所示，电容—几何光路光谱液滴传感器是由输入光路2和输出光路3相连的滴头21、滴头21内设置的几何光路和在几何光路内对应供液管11两侧设置的两对凸透镜20、两个反射镜16、几何光路下滴头21内对应供液管1 1设置的两个透镜17以及滴头21下设置的环形极板19、与环形极板19和滴头21相连的振荡电路15和与振荡电路15相连的F/V转换电路14构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机8和图像卡13与计算机6断开连接。其工作原理是：经调制的宽谱红外光1通过输入几何光路中的透镜20、反射镜16和透镜17进入液滴18，经过液滴18，经过液滴18的光信号通过另一透镜17从反射镜16和透镜组传出，传出的光信号经分光镜4分别通过快速红外傅立叶变换装置7和光电转换器5进入计算机6；滴头21、液滴18和环形极板19组成的电容器的电容会随着液滴18的生长过程变化，该变化将造成振荡电路15的频率变化，在经过F/V转换电路14和A/D转换器10将液滴体积的信息送入计算机6。放大滤波电路9的功用是将光源的调制载波滤掉，只有低频的光强变化信号通过A/D转换器10进入计算机6。计算机6经过数据处理可以给出关于被测液滴的光强、光谱和瞬时液滴体积的三维关系图。

如图3所示，图像—几何光路光谱液滴传感器是由输入光路2和输出光路3相连的滴头21、滴头21内设置的几何光路和在几何光路内对应供液管11两侧设置的两对凸透镜20、两个反射镜16、几何光路下滴头21内对应供液管11设置的两个透镜17共同构成，此时CCD摄像机8的镜头对应滴头21下的液滴18，而液滴传感器12与振荡电路15、A/D转换器10断开连接。CCD摄像机8将液滴18生长过程进行拍摄，经图像卡13经液滴18的轮廓信息送入计算机6，计算机的图像分析程序可以给出被测液滴的瞬时体积；其余的部分与图2的结构原理相同。

如图4所示，电容—光纤液滴传感器是由与光纤输入光路2和光纤输出光路3相连的滴头21，滴头21下设置的环形极板19以及与滴头21和极板19相连的振荡电路15、与振荡电路15相连的F/V转换电路14构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机8和图像卡13与计算机6断开连接。

如图5所示，图像—光纤传感器是由与光纤输入光路和光纤输出光路相连的滴头21，此时CCD摄像机8的镜头对应滴头下的液滴18，而液滴传感器12与振荡电路15、A/D转换器10断开连接。

图6为本发明的数据处理和采集程序流程图。程序执行开始时，首先为将要采集的数据分配地址，采集前还需要判断体积计算方法是电容法还是图像方法，然后启用相应的采样驱动子程序；对于电容方法测试液滴瞬时体积，则先将振荡电路的频率用F/V转换成电压，再用A/D转换将电压模拟量转换成数字量，然后计算液滴的瞬时体积作为数据存档。如果是用图像方法测试液滴体积，则先驱动CCD，通过图像卡(CG200)采样，然后进行边缘提取，计算液滴的瞬时体积并作为数据存档；与此同时，输入光路的光经过被测液滴由输出光路和分光器，分两路传出光信号，一路经光电转换器、A/D转换以数字信号作为数据存档；另一路进入快速傅立叶光谱分析装置，将光信号进行频谱分析然后将光强—波长(或波数)数据存档。上述过程同时进行并完成数据存档后，判断是否液滴已经分离，如果本次采样数据与上次采样数据比较有突变，则停止采样(或进行液滴计数待达到预定滴数后停止采样)，否则继续下一次采样。采样结束后进行数据分析，可采用MATLAB5.2等通用数据处理软件完成此项工作。在此系统中，液滴瞬时体积、通过液滴的光强信号和光谱接收信号是同时采集的。图7是本系统装置对纯乙醇测试的实施例的三维关系图。

Claims (8)

1.一种基于液滴体积的光谱液滴分析系统，包括光源、输入光路、输出光路、供液装置，其特征在于，它还包括液滴传感器、分光光路、快速红外傅立叶变换装置、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换器、CCD摄像机和计算机，所述的分光光路一路通过快速红外傅立叶变换仪到计算机，另一路通过光电转换器、放大滤波电路、A/D转换器到计算机，CCD摄像机通过图像卡与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，液滴传感器采用电容—几何光路光谱液滴传感器，或图像—几何光路光谱液滴传感器，或电容—光纤液滴传感器，或图像—光纤液滴传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，电容—几何光路光谱液滴传感器是由与输入光路和输出光路相连的滴头、滴头内设置的几何光路和在几何光路内对应供液管两侧设置的两对凸透镜、两个反射镜、几何光路下滴头内对应供液管设置的两个透镜以及滴头下设置的环形极板、与环形极板和滴头相连的振荡电路和与振荡电路相连的F/V转换电路构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机和图像卡与计算机断开连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，图像—几何光路光谱液滴传感器是由与输入光路和输出光路相连的滴头、滴头内设置的几何光路和在几何光路内对应供液管两侧设置的两对凸透镜、两个反射镜、几何光路下滴头内对应供液管设置的两个透镜共同构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机镜头对应滴头下的液滴，而液滴传感器与A/D转换器断开连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，电容—光纤液滴传感器是由与输入光路和输出光路相连的滴头，滴头下设置的环形极板以及与滴头和极板相连的振荡电路、与振荡电路相连的F/V转换电路构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机和图像卡与计算机断开连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，图像—光纤液滴传感器是由与输入光路和输出光路相连的滴头构成，采用此液滴传感器时，CCD摄像机镜头对应滴头下的液滴，而液滴传感器与A/D转换器断开连接。

7.根据权利要求1所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，分光光路是由光学分光棱镜或Y型光纤构成。

8.根据权利要求1所述的基于液滴体积的光谱液滴分析系统，其特征在于，液滴瞬时体积、通过液滴的光强信号和光谱接收信号是同时采集的。

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