CN1472525A - 在线近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线近红外光谱仪，该仪器是由光源、透镜组、光纤耦合器、光纤、光纤开关、光纤测样器、空白参比池、标准滤光片、狭缝、平面镜、光栅、平场正交光学组和线阵电荷耦合器件检测器组成的。该近红外光谱仪分辨率高，价格低，易维护，稳定性能好。

Description

在线近红外光谱仪

技术领域

本发明是关于一种在线仪表，更进一步说是关于一种在线近红外光谱仪。

背景技术

传统化验室分析技术测定一个数据需要几小时或更多时间，数据反馈速度很慢，不适合装置及时和精确控制，不能进行质量卡边操作。而在线仪表能快速地向控制系统提供参数，控制系统可根据这些参数及时进行优化和精确控制装置，因此，能在降低装置苛刻度和能耗，节约如汽油调和组分等高附加值组分，保障装置在较高生产负荷下平稳运行，以及提高自动化程度，降低人工成本等方面都发挥重要作用。

传统的各种在线分析仪大多是将同类实验室测试仪器进行改进，其测量原理保持不变，如干点、凝点、冰点、倾点、闪点等，通常为直接测量油品的化学或物理性质方式，由于原理所限，其测量过程往往费时和影响结果精确度的因素多。

现存的在线近红外光谱仪产品类型，按照分光方式划分，主要包括滤光片、光栅扫描、傅立叶变换、光栅二极管阵列检测、声光调谐类型。

USP5406084、CN1215837A、CN114472A和USP4286327提到的滤光片式在线近红外光谱仪大多应用在农产品、食品加工、造纸等行业的过程检测。该类型仪器的特点为：原理简单，操作与维护方便，制造成本相对低；主要局限为光谱分辨率差，波长选择受到限制，获取的样品信息少。因此，主要用于测量水分、蛋白和淀粉等，对于分辨率要求高的分析指标如烃类组成等受到限制。

USP5187368披露的光栅扫描型近红外光谱仪属传统光谱仪类型，原理简单，分辨率适中，波长范围宽；其主要局限为光栅的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，抗震动性较差。

USP6072579披露的傅立叶变换型近红外光谱仪分辨率高，光通量高，灵敏度高，波长范围宽；其主要局限为仪器的核心部件干涉仪有移动部件，相对抗振动和长期稳定性对现场环境条件及仪器维护要求较高，在线长久性受到一定限制。

USP5406084和USP5751421公开的光栅二极管阵列型、USP5317379公开的声光调谐型近红外光谱仪产品的共同特点是无移动部件，扫描速度快，适合于在线现场测量；但两者的价格均十分昂贵。

阵线电荷耦合器件检测器，其光路固定，无移动部件，具有相应速度快，可累加多次测量值和信噪比高的优点。

迄今未见以线阵电荷耦合器件为检测器用于工业在线测量的近红外光谱仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分辨率高，价格低，易维护，稳定性能好的在线近红外光谱仪。

本发明提供的在线近红外光谱仪是由光源、透镜组、光纤耦合器、光纤、光纤开关、光纤测样器、空白参比池、标准滤光片、狭缝、平面镜、光栅、平场正交光学组和线阵电荷耦合器件检测器组成的。

所说的光纤耦合器，可选用不同的方式，如光纤直接耦合或透镜耦合，其中优选透镜耦合，这里所指的透镜包括端面球透镜、柱透镜、凸透镜、圆锥形透镜、自聚焦透镜、其它异形透镜，或由这些透镜组合成的透镜组，也可用变折射率的光纤棒代替。

所说的光纤的光导材料为普通的低羟基石英，只要能够传输近红外区域的光，也可用其它材料的光纤。光纤包层的材料可根据需要选择，如聚酰亚胺包层等。光纤芯直径的范围为50-1500μm。光纤外表根据现场需要可进行各式保护，如塑料外壳或不锈钢螺旋管等。光纤的长度依据实际需要在0.5-500米内。

所说的光纤开关可选用不同的实现结构，如机械式、电光式、磁光式、声光式等。其中优选机械式，这里所指的机械式包括以下两种形式，棱镜移动式和光纤移动直对式。

所说的光纤测样器根据实际需要有不同的形式，对透明液体优选透射流通池或透射探头，对半透明、固体或半固体样品优选漫反射探头，对光程依据不同情况在1毫米-100毫米范围内调节。

所说的电荷耦合器件，它是将光信息转换成与光强成正比例的电荷量的一种光电转换器，分为线阵和面阵两类；本发明提供的在线近红外光谱仪选用线阵电荷耦合器件。

线阵电荷耦合器件主要由敏感元件、驱动器、视频处理器和A/D卡等组成。不同型号的线阵电荷耦合器件的象元数也不相同，在线近红外光谱仪可使用各种象元数(如1024，2048，3456等)的线阵电荷耦合器件。在线近红外光谱仪所用线阵电荷耦合器件的波长响应范围优选为700～1100nm，也可采用更长波长(1100nm～2500nm)的线阵电荷耦合器件。

标准滤光片是一种具有特征吸收峰的波长标准物质，其吸收峰锐利且稳定。在在线近红外光谱仪中，它主要用来检定波长的准确性和重复性，自动校正波长的位移。可选用多种标准滤光片，如镨铷滤光片和氧化钬滤光片等。在线近红外光谱仪中的滤光片为镨铷滤光片，其特征吸收峰位置为807.6nm。

参比池主要用来盛放参比物质如空气或CCl₄试剂等，用于背景的测量。可使用光纤测样器做参比池，也可使用其它类型的样品池做参比池。

另外，该发明提供的光谱仪还可以设置附件，例如样品前处理附件，因为在某些场合，样品前处理附件可以对液体样品的压力、温度和流速进行控制以及对样品中的气泡、水分和机械杂质进行滤除；液体流通池恒温附件，依据实际情况，对液体流通池进行恒温，恒温范围为5℃～100℃；现场防爆附件，在石油炼厂、石油化工和化工过程中，要求具有防爆功能，需对在线近红外光谱仪配备现场防爆附件，防爆箱的类型及等级根据需要灵活配置；样品自动取样附件，出现异常样品，需用传统方法进行测量时，该附件可自动留出样品；标准样品循环附件，为建立适合现场测量的分析模型，该附件对标准样品进行循环，模拟实际样品的运动状态来测量标准样品的光谱。

本发明提供的在线近红外光谱仪，对于在线物质的测量中，可以结合化学计量学，针对测量的某一通道，首先选取一定数量的有代表性的样品，用基础方法(标准方法或常规方法)测量其性质或组成，再用在线近红外光谱仪测量这些样品的光谱，对测定的光谱进行必要的预处理(如微分、平滑、多元散射校正、均值中心化、标准化、正交信号处理等)后，用多元校正方法(如多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归、人工神经网络等)将得到的谱图和性质(或组成)数据建立校正模型。对未知在线样品，只需测量其近红外光谱，利用已建的分析模型便可快速地计算出其性质或组成。

本发明提供的在线近红外光谱仪可同时测量多个测量点的物料的多种性质参数，并将测量结果直接送至用户装置控制系统(如DCS等)；控制系统分为线上部分(负责仪器控制、测量与数据传输)和线下部分(负责对测量的数据存档、建立与传递模型等)；线下部分具有数据库功能，特别是将被测物料的性质参数对应装置的工况参数存储，为装置运行存储巨大信息库。

本发明提供的在线近红外光谱仪具有下列特点：

1、其光学系统为正交平场光路设计，无可移动部件，使整机性能可靠和长期稳定。

2、由于线阵电荷耦合器件检测器无须制冷，光谱仪操作方便，寿命延长。

3、时间双光束设计，瞬时测量背景信号，使整机抗漂移性强。

4、光谱仪内置有标准物质，实时检测光谱仪的稳定性，自动进行光谱波长校准，使安全性能大大提高。

附图说明

在附图中，1表示光源，2、16为透镜组，3、5、7、11、13为光纤耦合器，4、14为光纤，6、12为光纤开关，8为光纤测样器，9为空白参比，10为标准物质，17为狭缝，18为平面镜，19为光栅，20为平场正交光学组，21为线阵耦合器件检测器。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明提供的在线近红外光谱仪。

在附图中，1表示光源，2、16为透镜组，3、5、7、11、13为光纤耦合器，4、14为光纤，6、12为光纤开关，8为光纤测样器，9为空白参比池，10为标准滤光片，17为狭缝，18为平面镜，19为光栅，20为平场正交光学组，21为线阵耦合器件检测器。

本发明提供的在线近红外光谱仪，其光传输过程为：光源(1)发出的光经透镜组(2)准直滤波后变为平行光，经光纤耦合器(3)将光导入光纤(4)，经光纤耦合器(5)、光纤开关(6)和光纤耦合器(7)将光进行切换依次进入各路光纤测样器(8)、空白参比池(9)和标准滤光片(10)光路，各路光经光纤耦合器(11)、光开关(12)和光纤耦合器(13)依次进入光纤(14)，再由光纤耦合器(16)将光导入透镜组(16)，将光会聚到狭缝(17)后由平面镜(18)将光改变方向反射到光栅(19)，光束通过光栅(19)分光后，进入平场正交光学组(20)，由平场正交光学组(20)将光变为平场正交光照射到线阵耦合器件检测器(21)上。

Claims (12)

1、一种在线近红外光谱仪，其特征在于该光谱仪是由光源1、透镜组2、16、光纤耦合器3、5、7、11、13、光纤4、14、光纤开关6、12、光纤测样器8、空白参比池9、标准滤光片10、狭缝17、平面镜18、光栅19、平场正交光学组20和线阵电荷耦合器件检测器21组成的。

2、按照权利要求1所述在线近红外光谱仪，其特征在于所说的光纤耦合器方式为光纤直接耦合或透镜耦合。

3、按照权利要求2所述的光谱仪，所说的光纤耦合方式为透镜耦合。

4、按照权利要求1所述的光谱仪，所说的透镜选自端面球透镜、柱透镜、凸透镜、圆锥形透镜或自聚焦透镜中的一种或它们组合的透镜组。

5、按照权利要求2所述的光谱仪，所说的透镜可用变折射率的光纤棒代替。

6、按照权利要求1所述的光谱仪，所说的光纤开关为机械式、电光式、磁光式或声光式中的一种。

7、按照权利要求6所述的光谱仪，所说的机械式光纤开关的形式选自棱镜移动式或光纤移动直对式。

8、按照权利要求1所述的光谱仪，对透明液体的测量时，所说的光纤测样器选用透射流通池或透射探头。

9、按照权利要求1所述的光谱仪，对半透明、固体或半固体样品的测量时，所说的光纤测样器为漫反射探头。

10、按照权利要求1所述的光谱仪，所说的标准滤光片为镨铷滤光片。

11、按照权利要求1所述的光谱仪，所说的线阵电荷耦合器件检测器波长响应范围为700nm～2500nm。

12、按照权利要求11所述的光谱仪，所说的线阵电荷耦合器件检测器波长响应范围为700～1100nm。