CN201075082Y - 一种n2o4相当水含量测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种N₂O₄相当水含量测量仪器，该仪器由光源、单色器、样品室、探测器及测控系统组成。光源(1)发出的复合光，经光阑(2)及聚光透镜(3)聚焦在单色器(4)的入射狭缝(5)上，经单色器(4)色散，在出射狭缝(9)处得到参考波长/测试波长的单色光，经准直镜(10)形成平行光，透过样品后经聚光透镜(13)聚焦在探测器(14)的光敏面上，并转化为电信号，经WSHW－002型测控模块分析处理后，给出样品的相当水含量。仪器采用光学衰减器(17)对参考波长/测试波长的信号进行相对衰减，使其信号响应差＜10％后，直接根据仪器示值与标准物质的对应关系建立测量模型，从而简化了仪器的光路结构，提高了仪器的稳定性与准确性。

Description

一种N2O4相当水含量测量仪

一、技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及光谱法N₂O₄相当水含量测量仪。

二、背景技术

N₂O₄是一种重要的航天推进剂，其相当水含量直接影响氧化剂储罐的腐蚀速率和腐蚀产物的物理状态，严重时甚至影响发射。因此在N₂O₄的生产、运输、贮存、发射等各个环节必须对N₂O₄相当水含量进行严格控制。

N₂O₄相当水含量的测试方法主要有微波法、色谱法、光谱法等，其中光谱法因方便实用、为用户所接受，适用面最广。

光谱法N₂O₄相当水含量测量仪器一般由光源1、单色器4、样品室12、探测器14等组成。仪器光路结构如附图1所示：测量及标定时，通过调节视场光阑11使得测试光路与参考光路的空白信号值一致，根据样品在测试波长(1470nm，下同)与参考波长(1315nm，下同)处吸光度值之差确定N₂O₄样品的相当水含量，如关系式(1)所示：

$C\⇔(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}}}{U_{\mathrm{ri}}})---\left(1\right)$

式中：C--N₂O₄样品相当水含量；

U_ri、U_mi--参考波长、测试波长空白信号值；

U_ro、U_mo--参考波长、测试波长样品信号值。

光谱法N₂O₄相当水含量测量仪器采用标准曲线法进行测量，即调节仪器光阑11使得测试波长与参考波长的空白信号响应值相等后，再根据仪器示值 $[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}}}{U_{\mathrm{ri}}})]$ 与N₂O₄标准物质相当水含量的线性关系确定仪器的标准曲线。

假设浓度为C₁的样品在参考波长信号响应值为U_ro1、测试波长信号响应值为U_mo1；浓度为C₂的样品在参考波长信号响应值为U_ro2、测试波长信号响应值为U_mo2。则由C₁、C₂确定的标准曲线为：

$C-C_1=\frac{C_2-C_1}{[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}2}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}2}}{U_{\mathrm{ri}}})]-[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}1}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}1}}{U_{\mathrm{ri}}})]}[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}}}{U_{\mathrm{ri}}})]-[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}1}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}1}}{U_{\mathrm{ri}}})]---\left(2\right)$

式中：C₁、C₂--N₂O₄相当水含量标准物质浓度；

如附图1所示：仪器通过步进电机6转动螺杆18，按测量程序将测试波长滤光片16及参考波长滤光片15平移至光路中，得到测量用单色光。分别在测试波长滤光片16及参考波长滤光片15后安装孔径可调的光阑11，通过光阑调节旋钮19调节光阑11的透光孔径，以调节测试光路及参考光路的光强，使其信号响应值相等，保证测量条件符合仪器的标准曲线。由于在机械平移过程中光阑孔径即使发生微小变化，信号响应也会随之变化，从而导致测量一致性较差。因此测量时必须耗费大量的时间调节光路，以保证测量结果的准确度与重复性。而N₂O₄样品易挥发，取样后须迅速测试，否则测量结果将偏离实际值。

三、发明内容

本发明旨在针对现在使用的N₂O₄相当水含量测量仪器存在的问题，提供一种测量迅速、测量结果准确、稳定的N₂O₄相当水含量测量仪器。

本发明是这样实现的，选择适当功率的卤钨灯为光源1，以光栅或干涉滤光片为单色器4，选择适当孔径的光阑11，将参考波长/测试波长的光信号调节至探测器的线性响应范围，将光学衰减器17置于光路中对参考波长及测试波长的光强进行相对衰减，使其信号响应差＜10％，直接根据仪器示值与标准样品相当水含量的对应关系确定仪器的标准曲线，测量时无须再调节光路，根据仪器示值即可确定被测样品的相当水含量。

假设标定时参考波长空白信号值为U_ri′，测试波长空白信号值为U_mi′、浓度为C₁的样品在参考波长的信号响应值为U_ro1′、测试波长信号响应值为U_mo1′；浓度为C₂的样品在参考波长信号响应值为U_ri2′，测试波长信号响应值为U_mo2′，则由C₁、C₂确定的标准曲线为：

$C-C_1=\frac{C_2-C_1}{[(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}2}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}2}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})]-[(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})]}[(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})]-[(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})]---\left(3\right)$

假设 $(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}1}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})=k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}1}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}1}}{U_{\mathrm{ri}}})]$ (其中：k为与空白信号值及仪器探测器响应相关的系数)，根据Lambert-beer定律， $(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}2}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}2}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})=k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}2}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}2}}{U_{\mathrm{ri}}})].$

因此：公式(3)为：

$C-C_1=\frac{C_2-C_1}{k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}2}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}2}}{U_{\mathrm{ri}}})]-k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}1}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}1}}{U_{\mathrm{ri}}})]}[(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})]-k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}1}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}1}}{U_{\mathrm{ri}}})]---\left(4\right)$

式中：U_ri′、U_mi′--参考波长、测试波长的空白信号值；

U_ro′、U_mo′-参考波长、测试波长的样品信号值。

由公式(2)(4)，对于同一样品，在测试光路与参考光路信号响应不同时，有关系式 $(-\lg \frac{{U_{\mathrm{mo}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}})-(-\lg \frac{{U_{\mathrm{ro}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}})=k\·[(-\lg \frac{U_{\mathrm{mo}}}{U_{\mathrm{mi}}})-(-\lg \frac{U_{\mathrm{ro}}}{U_{\mathrm{ri}}})]$ 成立，即在探测器线性响应范围内，是否调节测试光路与参考光路信号响应一致，仪器示值均分别与各自的标定曲线相对应。

为降低探测器的非线性误差，一方面通过选择适当功率的光源1及适当孔径的光阑2、光阑11将测量仪器的光强调节在探测器线性响应范围内、并照射在探测器14受光表面，同时采用光学衰减器17将测试光路与参考光路信号响应差调节在10％以内，按公式(4)根据仪器示值与标准物质相当水含量的对应关系进行标定，测量时无须再调节光强。

为减小因环境及仪器自身等原因导致的信号漂移对测量结果的影响，对测量结果进行补偿，补偿方法如下：

假设仪器标定时参考波长与测试波长的空白信号值分别为U_ri′、U_mi′；测量时参考波长与测试波长的空白信号值可能会发生微小变化，假设分别为U_ri″、U_mi″、样品信号测量值分别为U_ro″、U_mo″。则样品信号值分别记为：

${U_{\mathrm{ro}}}^{\′\′\′}={U_{\mathrm{ro}}}^{\′\′}\frac{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{ri}}}^{\′\′}}---\left(5\right)$

${U_{\mathrm{mo}}}^{\′\′\′}={U_{\mathrm{mo}}}^{\′\′}\frac{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′}}{{U_{\mathrm{mi}}}^{\′\′}}---\left(6\right)$

式中：U_ri′、U_mi′--仪器标定时参考波长、测试波长的空白信号值；

U_ri″、U_mi″--测量时参考波长、测试波长的空白信号值；

U_ro″、U_mo″--测量时参考波长、测试波长的样品信号测量值；

U_ro″′、U_mo″′--测量时参考波长、测试波长的样品信号补偿值；

本发明涉及的N₂O₄相当水含量测量仪由光源系统、单色器系统、样品室系统、检测系统及测控系统组成，基本结构如附图2所示。光源1发出稳定的复合光，经光阑2及聚光透镜3聚焦在单色器4的入射狭缝5上，经单色器4色散，在出射狭缝9处得到参考波长(1315nm)/测试波长(1470nm)的单色光，参考波长/测试波长单色光经准直镜10形成平行光，选择适当孔径的光阑11，将透过样品的光强调节在探测器线性范围内，采用光学衰减器17置于光路中对参考波长或测试波长间的信号进行相对衰减，使其信号响应差＜10％。经衰减后的出射平行光照射在样品室12中被测样品的中间有效位置，透过被测样品的单色光经聚光透镜13聚焦在探测器14的光敏面上，并转化为电信号，经WSHW-002型专用测控模块对信号按公式(4)、(5)、(6)分析处理后，给出样品的相当水含量。

本发明涉及的N₂O₄相当水含量测量仪所用单色器可以是不同原理的单色器，优选凹面光栅单色器或滤光片单色器。光栅单色器采用f≥100mm的凹面光栅，结构如附图2所示，步进电机驱动光栅7，在出射狭缝9产生参考波长(1315nm)及测试波长(1470nm)的单色光。入射狭缝5、出射狭缝9的宽度为0.2mm～0.5mm，以保证出射光的单色性。

滤光片单色器采用光谱带宽小于10nm、背景噪声小于1％、峰值波长分别为1315nm±5nm、1470nm±5nm的干涉滤光片，将参考波长滤光片15、测试波长滤光片16嵌入滤光片轮8的滤光片专用孔中，如附图3所示。采用齿轮传动结构，通过步进电机6驱动滤光片轮8，分别将参考波长滤光片15、测试波长滤光片16置于光路中，得到参考波长(1315nm)/测试波长(1470nm)的单色光。

光阑2的孔径为φ5～φ20mm、光阑11的孔径为φ2～φ5mm；采用光学玻璃如石英玻璃、中性暗色玻璃、红外透射可见光区截止型光学玻璃等作为衰减器17置于样品光路或参考光路中，将测试波长与参考波长信号之差调节在10％以内。

仪器样品室由不锈钢材料制成，采用半导体制冷技术将样品室恒温于15℃，采用石英玻璃将样品室与仪器其他单元隔离，以防止N₂O₄对仪器光学、电子元器件的腐蚀。

本发明涉及的N₂O₄相当水含量测量仪，无须调节测试光路与参考光路信号响应一致，即可根据仪器示值与标准物质的对应关系建立测量模型，测量过程中无须调节光路，从而简化了仪器的光路结构，可有效提高测量效率和测量结果的稳定性；另外在测量过程中根据标定信号对仪器进行实时修正，实现测量过程与标定过程的统一性，可消除环境及仪器自身因素对测量结果的影响，保证测量结果的准确性。

四、附图说明

附图1一种现有的N₂O₄相当水含量测量仪结构示意图

附图2本发明涉及的一种N₂O₄相当水含量测量仪结构示意图

附图3本发明涉及的一种N₂O₄相当水含量测量仪用单色器结构示意图

其中：1-光源；2-光阑；3-聚光透镜；4-单色器；5-入射狭缝；6-步进电机；7-光栅；8-滤光片轮；9-出射狭缝；10-准直镜；11-光阑；12-样品室；13-聚光透镜；14-探测器；15-参考波长滤光片；16-测试波长滤光片；17-光学衰减器；18-螺杆；19--光阑调节旋钮

五、具体实施方式

下面结合附图对发明内容作进一步详细说明，但不作为对发明内容的限制。

实施例一

一种N₂O₄相当水含量测量仪器基本结构如附图2所示。光源1为电流稳定度为1％的恒流源驱动的24V50W的溴钨灯，光阑2的透光孔径为φ10mm，聚光透镜3为φ30mmf50mm的石英双凸透镜，单色器4为f150mm光栅单色器，单色器的入射狭缝5/出射狭缝9的宽度均为0.2mm。光学衰减器17采用光程长度为1.5mmHB720红外透射可见光区截止型光学玻璃，准直镜10采用φ20mmf-150mm的石英准直镜，光阑11的透光孔径为φ4mm，聚光透镜13为φ10mmf10mm的石英聚光镜，探测器14为GD3563T型InCaAs探测器，采用WSHW-002型专用测控模块进行数据处理，仪器样品室由1Gr18Ni9Ti不锈钢材料制成，并用石英玻璃将样品室与仪器其它单元隔离，以防止N₂O₄对仪器光学、电子元器件的腐蚀；采用TEC1-7106半导体制冷片，采用PID控制器将样品室恒温于15℃，以减小测量过程中N₂O₄的挥发。

恒流源驱动的24V50W的溴钨灯在(1300nm～1500nm)内产生稳定的带光谱。将φ10mm的光阑2、φ30mmf50mm的石英双凸透镜3置于光源1与f150mm光栅单色器4之间，将光源产生的单色光聚焦在单色器4的入射狭缝5上，在出射狭缝9处得到参考波长(1315nm)及测试波长(1470nm)的单色光。

当出射单色光的波长为1315nm时，光学衰减器17置于单色器4的出射狭缝9后、出射单色光的波长为1470nm时，将光学衰减器17自动移出光路，参考波长与测试波长信号响应差为2.1％。

由单色器出射的单色光经φ20mmf-150mm石英准直镜10后形成平行光，经孔径为φ4mm的光阑11后、透过样品室12，经φ10mmf10mm石英聚光镜13，聚焦在GD3563T型InCaAs探测器14的受光表面上，探测器将接收的光信号转化为电信号，经WSHW-002型专用测控模块分析处理，给出样品的相当水含量。

实施例二

一种N₂O₄相当水含量测量仪，所用单色器4为干涉滤光片，单色器结构原理如附图3所示，参考波长滤光片15采用峰值波长为1315.2nm、光谱带宽8.2nm、背景噪声0.6％的干涉滤光片，测试波长滤光片16采用峰值波长为1470.3nm、光谱带宽8.0nm、背景噪声0.5％的干涉滤光片。参考波长滤光片15、测试波长滤光片16分别嵌入滤光片轮8的滤光片专用孔中，步进电机6通过齿轮驱动滤光片轮8，将参考波长滤光片15、测试波长滤光片16置于光路中，分别得到参考波长(1315nm)及测试波长(1470nm)的单色光。光学衰减器17采用光程长度为2.0的JB450型光学玻璃，直接置于参考波长光路中。

本方案给出的测试波长与参考波长信号响应差为3.1％，仪器其他结构及测量方式与实施例一相同。

Claims (5)

1.一种N₂O₄相当水含量测量仪由光源系统、单色器系统、样品室系统、检测系统及测控系统组成，其特征在于光源(1)发出的稳定复合光，经光阑(2)及聚光透镜(3)聚焦在单色器(4)上，经单色器(4)色散得到参考波长/测试波长的单色光，单色光经准直镜(10)形成平行光，平行光通过光阑(11)和光学衰减器(17)后照射在样品室(12)中被测样品上，透过样品室的单色光经聚光透镜(13)聚焦在探测器(14)的光敏面上，经测控模块分析处理，给出样品的相当水含量。

2.权利要求1所述的N₂O₄相当水含量测量仪，其特征在于所采用单色器(4)为凹面光栅单色器或干涉滤光片单色器中的一种。

3.权利要求2所述的N₂O₄相当水含量测量仪，其特征在于所采用单色器(4)为嵌于滤光片轮(8)中的参考波长滤光片(15)、测试波长滤光片(16)，步进电机(6)通过传动齿轮驱动滤光片轮(8)，将参考波长滤光片(15)、测试波长滤光片(16)置于光路中。

4.权利要求1所述的N₂O₄相当水含量测量仪，其特征在于光学衰减器(17)选自光学玻璃如石英玻璃、中性暗色玻璃、红外透射可见光区截止型光学玻璃中的一种。

5.权利要求1所述的N₂O₄相当水含量测量仪，其特征在于所采用的测控模块为WSHW-002测控模块。

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