CN1153057C - 多波长滤光片阵列检测器型测油仪 - Google Patents

Abstract

本发明属检测矿物油含量的仪器，由光源(2)，电源(1)，调制器(3)，液芯波导吸收池(40)，多波长滤光片(41)，阵列检测器(42)以及信号处理电路(7)，单片机系统组成。直接控光的光反馈系统、晶振及单片机调构成的调制器、有低折射率疏油疏水长管体的液芯波导吸收池和光谱视网膜使本发明的仪器灵敏度高、精密度高、准确度高、稳定性好、分析时间短、体积小、重量轻、操作简便、适于野外携带和使用。

Description

多波长滤光片阵列检测器型测油仪

技术领域

本发明属一种测量装置，特别涉及测量矿物油含量的仪器。

背景技术

随着矿物燃料的大量开采和广泛使用，矿物油对水体和环境的污染已成为一个全球关注的、越来越严重的问题，在我国也不例外，现已成为我国环境水体的主要污染物之一。由于矿物油成分中含有分别在2930cm^-1、2960cm^-1和3030cm^-1有吸收峰的不同组分，因而，为了准确测量矿物油的含量，需对上述三个吸收峰进行测量。

与本发明测油仪相近的装置是多功能红外测油仪。多功能红外测油仪由光源室、调制器、样品室、单色器、红外探测系统以及稳压电源、信号处理电路、驱动电路、显示器、打印机等部分组成。具体结构可参见图1和图2。它们分别是现有技术的工作原理方框图和光学系统原理图。图中，1为电源，采用稳压源给光源2供电。光源2是稳定性好的钨卤素灯。3为调制器，由调制盘20、同步电机及光电藕合器等部件组成，实现光信号的调制并给检测电路提供同步信号。4为样品室，由吸收池24、载板、样品切换机构构成。被测量样品在吸收池内接收光信号。该仪器采用单光路结构，参比、样品依次进入光路进行测定，由程序控制参比和样品自动切换，样品切换机构采用步进电机带动的丝杆齿轮传动机构并结合光电开关实现高精度的定位，载有吸收池24的载板沿垂直光轴方向往复运动，从而实现对吸收池24的位置切换。5为单色器，由准直物镜、余割型波长扫描机构、光栅、成像物镜、截止滤光片、入射狭缝和出射狭缝构成，扫描范围3400cm^-1至2400cm^-1。6为检测器，属于TGS型热释电检测器。7为信号处理电路，完成电信号的选频放大、同步检波及模数转换功能。最后信号由单片机系统进行分析处理，该系统包括单片机8、液晶显示器9、打印机10、键盘11等。此外，12为步进电机驱动电路，它接受单片机8控制信号并驱动步进机使样品室4的样品切换机构和单色器5的光栅转动。光学系统按光传播方向顺序为光源2、调制器3、反射镜21、聚光镜22，吸收池24，之后光线汇聚在入射狭缝25。光束进入单色器5后，经准直物镜26、光栅27、成象物镜28，将单色光谱成象在出射狭缝29上。最后经过截止滤光片30、椭球镜31，将单色光谱汇聚在探测器6窗口的TGS晶体32上。

现有技术的不足之处表现在：仪器灵敏度较低，很难满足地表水等低含量样品的检测，由朗伯—比尔定律可知，样品吸收的有效光程长度与仪器检测的灵敏度成正比，现有仪器吸收池的有效光程长度受空间和材料的限制，只有4cm左右。由于是单光路扫描测量仪器，要进行样品、参比的切换，并且不能同时获得两个以上波长处的信息，分析速度慢。机械传动的切换机构难免会造成光路光通量的差异和测量精密度降低；由于对光源稳定性要求高，并且工作电流较大，使用稳压供电模式难于达到稳定的要求。

发明内容

本发是为克服现有技术的不足，达到增长有效光程提高检测灵敏度，提高检测精度，准确度及可同时获得两个以上波长处信息提高分析速度的目的。

本发明的目的是这样实现的，采用液芯波导吸收池来增加有效光程，提高检测灵敏度；采用光谱视网膜技术，即采用多波长滤光片和阵列检测器，实现同时更准确获得二个以上波长处高精度的信息(信噪比与检测单元的个数的平方根成正比)从而提高分析速度；无机械传动、机械定位等机构从而最大限度的提高测量精度。

本发明的结构由图3给出，具体叙述如下：

一种多波长滤光片阵列检测型测油仪，由光源2，对光源2发出的光进行调制的调制器3，为光源2和调制器3的电机供电的电源1(电源1可以采用直流12V电源)，以及信号处理电路7，单片机系统等构成。按光路顺序，调制器3之后是液芯波导吸收池40，再后是构成光谱视网膜技术的多波长滤光片41和阵列检测器42。所说的多波长滤光片41是在基片上制作出两种以上波长的膜层构成，对一定波长范围的光间断或连续滤光；阵列检测器42是热释电两个以上检测单元集成化检测器，经阵列检测器42将各单色光信号变为电信号传给信号处理电路7。

与现有技术比较，省去了步进电机驱动电路12和样品切换机构等，使本发明的各种构件均为固定构件，因而提高仪器的测量精度和稳定性，便于携带。

本发明的液芯波导吸收池40的结构包括密封的管体，管体两端各装有光学耦合元件、分别装有进样管和出样管。

本发明电源和光源之间的光反馈系统，由光传感器、控制电路和调节电路构成。即用传感器把光源发出的特定波段的辐射转换为电信号，并与基准信号进行比较，得到调整信号去控制调节电路，调节供电电流，使光源2的辐射强度稳定。克服现有技术中稳压电源的间接控制模式造成的光辐射强度不稳定因素，从而真正实现“稳光”。

本发明的多波长滤光片阵列检测型测油仪，由于采用12伏直流供电，采用液芯波导技术，并减少了步进电机驱动机构。因而体积小，重量轻，便于携带，适用于野外检测。由于无可动部件，最大限度的提高了仪器的稳定性和测量精度。由于使用液芯波导技术而大大提高了检测灵敏度，灵敏度比现有技术提高5-10倍。由于同时进行两个以上波长的测量，大大缩短了分析时间，可同时得到总矿物油或烷烃和芳香烃含量的检测结果，操作简单，并能实现在线和连续监测水体中的矿物油含量。

附图说明

图1是现有技术的工作原理框图。

图2是现有技术的光学系统原理图。

图3是本发明的工作原理框图。

图4是本发明的液芯波导吸收池的结构示意图。

具体实施方式

实施例1  结合图3对本发明的结构作进一步的说明

图3中，1为电源，为光源2供电，本发明电源和光源之间采用光反馈系统即“稳光”工作模式，使光源2发光更加稳定；光源2为钨卤素灯；光源2处加装聚光镜，提高光源的利用率；3为调制器，将光源2发出的光调制成方波光信号；光源2和调制器3均采用12伏直流供电可便携使用。调制器3采用高精度的晶振提供准确频率使调制频率更加稳定，检波的相位可由单片机方便调节，提供高准确度、高精密度的检测同步信号，从而保证整机的检测性能并且降低调制盘20的机加难度。按光传播顺序，其后分别为液芯波导吸收池40、多波长滤光片41、阵列检测器42。液芯波导吸收池40的主体是密封的一段管体44。它可以是人工合成的、低折射率的(折射率应当小于1.33)、疏油疏水的材料吹拉而成的，管体内装被检测的液体，光在其内按波导传播规律传播。由于管体可制得很长并可弯曲，可减小体积的同时获得很长的有效光程。多波长滤光片41是在基片上制作出两种以上波长的膜层构成，安装在测油仪光路中，可以在很大的波长范围内间断变化或连续变化；阵列检测器42是热释电检测器，是两个以上检测单元集成化的检测器，即根据需要可采用线阵或面阵排列的检测器，能同时获得设计领域内的全部光谱信息。由多波长滤光片41与阵列检测器42配合联用，称为光谱视网膜技术，是光谱仪小型化的基础。检测电路由信号处理电路7，单片机8，液晶显示器9，打印机10，键盘11组成。前叙的本发明的各组成部分，分别为独立构件，它们的位置关系由设计的光学系统决定。

实施例2  结合图4对本发明的液芯波导吸收池40作进一步的说明

图4中，44为吸收池管体，可以用聚四氟乙烯材料制作，其折射率小于光传输介质四氯化碳、四氯乙烯等被检测的样品的折射率。其两端安装在金属套47内。金属套47为中空的，两端开口，一端装入吸收池管体44，相对的另一端装有光学耦合元件48。为了固定光学耦合元件48和吸收池管体44，并且要做到密封，在光学耦合元件48外侧装有压圈49，在金属套47内装有密封内衬50。为了装入被测样品，在吸收池管体44两端的金属套47上还分别装有进样管45，出样管46。采用程控自动或手动注射器将样品引入机构，从而避免有机溶剂曝露在空气中带来的污染，同时操作人员在测量中不直接接触有机试剂，使操作变得安全简便。本发明中液芯波导吸收池40，大大增加了有效光程，而提高了测量灵敏度，同时，样品用量少，可实现连续监测。

Claims (4)

1、一种多波长滤光片阵列检测型测油仪，由光源(2)，对光源(2)发出的光进行调制的调制器(3)，为光源(2)和调制器(3)的电机供电的电源(1)，以及信号处理电路(7)，单片机系统构成；其特征在于，按光路顺序，调制器(3)之后是液芯波导吸收池，再后是构成光谱视网膜技术的多波长滤光片(41)和阵列检测器(42)；所说的多波长滤光片(41)是在基片上制制作出两种以上波长的膜层构成，对一定波长范围的光间断或连续滤光；阵列检测器(42)是热释电两个以上检测单元集成的检测器，经阵列检测器(42)将各单色光信号变为电信号传给信号处理电路(7)。

2、按照权利要求1所述的多波长滤光片阵列检测型测油仪，其特征在于，液芯波导吸收池(40)的结构包括密封的、折射率小于1.33的疏油疏水材料制成的管体(44)，管体(44)内装有被检测液体时光服从波导传输机理，管体两端各装有中空的金属套(47)，金属套(47)一端装入吸收池管体(44)，相对的另一端装有光学耦合元件(48)，在光学耦合元件(48)外侧装有压圈(49)，金属套(44)内装有密封内衬(50)，吸收池管体(44)两端的两个金属套(47)上还分别装有进样管(45)和出样管(46)。

3、按照权利要求1或2所述的多波长滤光片阵列检测型测油仪，其特征在于，在光源(2)和电源(1)之间装有直接稳光的光反馈系统，它由光传感器件、控制电路和电路调节电路构成。

4、按照权利要求1或2所述的多波长滤光片阵列检测型测油仪，其特征在于，调制器(3)由单片机系统、光耦合器、带有晶振的驱动电路、步进电机和调制盘(20)构成。

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