CN1327153A

CN1327153A - 固定光栅分光阵列检测型测油仪

Info

Publication number: CN1327153A
Application number: CN 01114036
Authority: CN
Inventors: 金钦汉; 郑健; 李宝华; 周建光; 于爱民; 张寒琦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2001-06-02
Filing date: 2001-06-02
Publication date: 2001-12-19
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: CN1157598C

Abstract

本发明属测量矿物油含量的仪器。按光路顺序,它由电源(1),光源(2),调制盘(20),调制光聚光镜(23),液芯波导吸收池(24),光栅分光系统(34),由三个以上检测单元集成的阵列检测器(44)及单片机系统构成。光栅分光系统(34)包括平面反射镜(41)、固定光栅(42)、聚光镜(43)和截止滤光片(30),它能同时发出三个以上波长的光谱信息。本发明提高了体系的灵敏度和定位精度、缩短了分析时间、操作简单、便于携带。

Description

固定光栅分光阵列检测型测油仪

本发明属一种测量装置，特别涉及测量矿物油含量的仪器。

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，是稳压源，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、样品切换机构构成。吸收池24内的被测样品接受光信号。该仪器采用单光路结构，参比、样品依次进入光路进行测定，因此，由程序控制参比、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26、余割型波长扫描机构、光栅27、成像物镜28、截止滤光片30、入射狭缝25和出射狭缝29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电机使样品切换机构4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22、调制光聚光镜23，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，由朗伯一比尔定律可知，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，需进行样品、参比的切换，并且不能同时获得两个以上波长的信息，所以分析速度慢。另外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。

本发明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三个或三个以上波长信息，提高分析速度、操作简便、携带方便的目的。

为实现上述的目的，本发明采用液芯波导吸收池来增加有效光程，提高测量灵敏度；采用固定光栅分光和阵列检测器联用技术，实现同时、准确获得三个或三个以上波长的高精度信息，从而提高分析速度；省去机械传动、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、图4、图5给出，具体叙述如下。

图3中，1为电源，给光源2和调制器3的电机供电，本发明电源1可以采用稳流电源模式工作，也可以在电源1和光源2之间加光反馈系统，即以“稳光”工作模式工作，使光源2发光更加稳定；光源2为钨卤素灯；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器3中的调制盘20的机加难度。按光传播顺序，其后分别为吸收池24、光栅分光系统34、阵列检测器44。本发明的吸收池24是液芯波导吸收池。具体结构参见图5。其主体是密封的一段人工合成的、低折射率的、疏油疏水的材料吹拉而成的管体46，管体46内装被检测的液体，光在其内服从光波导传播原理。由于管体46可弯曲制得很长，既可减小装置的体积，又可获得很长的有效光程。光栅分光系统34由平面反射镜41、固定光栅42、聚光镜43和截止滤光片30组成(参见图4)。阵列检测器44是由三个或三个以上检测单元集成的检测器，能同时获得光栅分光系统34同时发出的三个或三个以上波长的光谱信息。经阵列检测器44将三个或三个以上波长的单色光信号变为相应的电信号后传给信号处理电路7，最后由单片机8，液晶显示器9，打印机10，键盘11组成的单片机系统进行分析处理。前述的本发明的各组成部分，分别为独立构件，它们的位置关系由按需要设计的光学系统决定。

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。

图4中，光源2处加装光源聚光镜33，提高光源2的利用率。20是调制器3的调制盘，22是反射镜，23是调制光聚光镜，25是入射狭缝，它们与现有技术的结构基本相同。24是吸收池，采用液芯波导吸收池。平面反射镜41、固定光栅42、聚光镜43和截止滤光片30组成光栅分光系统34。从吸收池24经入射狭缝25的光线，经平面反射镜41反射、经固定光栅42分光、经聚光镜43聚光后，由阵列检测器44接收检测。

图5给出液芯波导吸收池的结构。图5中，46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46，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46，同时要做到密封，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46两端的金属套47上还分别装有进样管51，出样管52。本发明中液芯波导吸收池，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。采用程控自动或手动注射器的样品引入机构，从而避免有机溶剂曝露在空气中带来的污染，使操作变得安全简便，减少操作人员与有机试剂接触造成伤害。

本发明电源1和光源2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或稳流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”。

本发明的固定光栅分光阵列检测型测油仪，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。由于同时进行三个或三个以上波长的测量，大大缩短了分析时可，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图。

图4是本发明的光学系统原理图。

图5是本发明的液芯波导吸收池结构示意图

Claims

1、一种固定光栅分光阵列检测型测油仪，结构包括有光源(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；按光路顺序，调制器(3)之后是反射镜(22)、调制光聚光镜(23)和吸收池(24)，其特征在于，结构还包括光栅分光系统(34)、阵列检测器(44)；光栅分光系统(34)由平面反射镜(41)、固定光栅(42)、聚光镜(43)和截止滤光片(30)组成；阵列检测器(44)由三个或三个以上热释电检测单元集成；所说的吸收池(24)是液芯波导吸收池；经阵列检测器(44)将三个或三个以上波长的单色光信号变为电信号后传给信号处理电路(7)。

2、按照权利要求1所述的固定光栅分光阵列检测型测油仪，其特征在于，所说的液芯波导吸收池，其结构包括密封的一段低折射率的、疏油疏水的材料制成的管体(46)，管体(46)内装有被检测液体时光服从光波导传输原理，管体(46)两端各装有中空的金属套(47)，金属套(47)一端装入管体(46)，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)，并装有密封内衬(50)，管体(46)两端的金属套(47)还分别装有进样管(51)和出样管(52)。

3、按照权利要求1或2所述的固定光栅分光阵列检测型测油仪，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、控制电路和调节电路构成。

4、按照权利要求1或2所述的固定光栅分光阵列检测型测油仪，其特征在于，调制器(3)，它由单片机系统、光耦合器、驱动电路、步进电机和调制盘(20)构成。

5、按照权利要求3所述的固定光栅分光阵列检测型测油仪，其特征在于，调制器(3)，它由单片机系统、光耦合器、驱动电路、步进电机和调制盘(20)构成。