CN2096065U - 红外分光水中油份测定仪 - Google Patents

Abstract

本红外分光水中油份测定仪系一种实现ISO先 进测定方法的、无需制备标准油、对水体中含石油物 质各种油份浓度测定具有通用性的、小型化、自动化、 低成本的专用测定仪器。其主要由包括光源、样品 池、光栅单色器、聚光镜、探测器等构成的单光路式是 光学系统；含光栅转动、三波数定位机构等机械构件 的机械系统；以及具有控制程序、数据处理程序的微 机系统组合而构成。可普遍应用于全国各级监测站 及有关部门。

Description

本实用新型涉及的红外分光水中油份测定仪属水体中石油类物质含量测定装置。

水体中石油类物质含量的测定问题一直是一个重要而又困难的问题，因目前尚无国家标准，实际应用的测定方法不尽相同，比较广泛采用的测定方法有非分散红外法、紫外分光光度法、荧光法。这几种方法共同存在的问题是对油的组份有较强的选择法，测定时需用标准油，而标准油又无法确定。采用国际标准化组织（以下简称ISO）推荐的国际标准方法进行测定可以解决上述方法所存在的问题。因ISO所推荐测定方法系国家有关部门根据优先采用国际标准原则而选定并加以验证予以全国推广的全新标准测定方法，目前国内尚无与之相适应的专用测定仪器，现阶段实现ISO方法尚需用大型红外分光光度计进行测量，用之实现ISO方法首先由于仪器价格昂贵，在国内各级环境监测站普遍推广使用存在着一定困难；次之其测量时间长、测试过程复杂、要求施测人员技能较高；再之其系通用的大型设备，用之完成水中油份测定成本太高亦属浪费。

本实用新型之目的在于提供一种实现ISO推荐的标准测定方法专用测定设备——红外分光水中油份测定仪。进一步目的是在满足应用该法测试条件下使本专用测定仪小型化、自动化、低成本以利于全国各级环境监测部门推广使用。再进一步目的是为我国建立与ISO方法相等同标准测定方法提供测试手段，奠定基础、创造条件。

上文中提及的ISO标准测定方法与本测定仪相关部分为：水体中石油类物质的含量可以用石油烃在光波波数为2930cm^－1、2960cm^－1、及3030cm^－1、处的吸收系数来计算，其计算公式为：

C＝X·A₂₉₃₀＋Y·A₂₉₆₀＋Z（A₃₀₃₀－A₂₉₃₀／F）。〔Ⅰ〕式中：

C是水体中油份含量浓度（毫克／升）。

A₂₉₃₀、A₂₉₆₀、A₃₀₃₀分别为对应波数下测得的吸收率。

X、Y、Z是与各种C－H键吸收率相对应的系数。

F是脂肪烃对芳烃影响的校正因子，是正十六烷在波数为2930cm^－1及3030cm^－1处的吸收系数之比。

公式（Ⅰ）中X、Y、Z、F系数获得是按ISO方法提供的以三氯三氟乙烷为溶剂按一定浓度配制甲苯（T）、姥鲛烷（P）、正十六烷（H）溶液，用该溶液在红外光谱中波数为2930cm^－1、2960cm^－1、3030cm^－1三处分别测得吸收值后按下列公式：

Y值；

按C（T）＝X·A₂₉₃₀（T）＋Y·A₂₉₆₀（T）＋Z·［A₃₀₃₀（T）－A₂₉₃₀（T）／F］式求得Z。

对于一特定仪器，当该仪器各参数确定后用之获得的X、Y、Z、F等值一旦确定，其值是比较稳定的，不需经常校正，可作为该仪器测量中的常用系数。综上所述，对本实用新型提供的测定仪而言，仅需实现快速、准确定位给出上述三波数的红外光谱对被测样品施测再利用公式（Ⅰ）计算便可快速、精确的获得被测样品的水体中油份浓度值。那么三波数红外光谱的定位给出，利用微机技术手段实现测量全过程的自动控制，按公式（Ⅰ）进行数据自动处理，直接给出被测样品含油浓度数则是本实用新型所要解决的主要问题。

为达到上述目的而采用的技术方案为：这种红外分光水中油份测定仪，由光学系统、机械系统、电气系统组合而构成：其中a光学系统为单光路式，其由依次置于光路中的红外光源、光源聚光镜、样品池、光栅单色器、聚光镜、红外探测器构成；亦可按红外光源、光源聚光镜、光栅单色器、样品池、聚光镜、红外探测器顺序排列构成测量光路。b机械系统包括实现a中所说单色器中光栅分别定位输出2930、2960、3030（cm^－1）三个波数红外光的光栅转动、三波数定位机构；包括由电机带动置于光路中样品池之前位置上的调制盘组成的机械调制器；还包括可将水中油份直接打印出来的打印机（或数字显示装置）。c电学系统包括具有控制程序、数据处理程序的微机系统；由微机按控制程序或由脉冲源电路控制b中所说的光栅转动、三波数定位机构使光栅转动从而实现三波数定位采样测量；三波数定位测量中由红外探测器将其接收的光信号转换为电信号后再依次经前置放大器、选频放大器、整流及滤波电路处理后接入微机的A／D转换器由微机进行数据处理；b中所说的打印机（或数显装置）接入微机I／O接口以打印出（或显示出）测试结果。

按上述方案制作红外分光水中油份测定仪具有如下优点：本测定仪作为一种实现ISO先进测定方法的测定手段，对水体中含石油物质各种油份浓度测定具有通用性，彻底解决了其它方法需制备标准油的难题；本测定仪采用单光路、三波数光谱定位机构加之微机组成的小型化专用性设备较之通用的大型红外分光光度计有能量损失小、结构简单、造价低廉，便于普及应用、实用性强的优点；本测定仪采用微机技术手段，控制程序的应用可实现快速、高波长精度定位给出三波数红外光谱，可大幅度减化光栅扫描定位机构的复杂程序、相对降低该机构机械加工精度以降低制造成本；微机的应用实现了数据处理的自动化，使仪器直接给出被测样品的水中油份浓度指标；微机的应用即实现了测量全过程自动化，又可提高本测定仪的测量精度。

附图给出了本实用新型的实施例。图1为本红外分光水中油份测定仪的总体构造示意图。图2为光学系统结构示意图。图3为一种光栅转动、三波数定位机构机械结构示意图。图4为电气系统结构示意图。图5为微机控制主程序框图。图6为微机控制程序子程序框图。图7为校正系数数据处理框图。图8为测量数据处理框图。以下参照附图进一步描述。

由图1给出的一种实现上述技术方案的具体实施例来看，本测定仪是由机、光、电三系统有机结合而构成的，参见图1，其工作原理为：由光源（1）发出的定光强照明光束，经光源聚光镜（2）反射聚光，并经由同步电机（3）带动置于光路中的调制盘（4）转动而使照明光束调制成频率为10Hz的交变光照射样品池（5），再经受控于微机进行波数扫描的光栅单色器（6）在ISO方法中涉及的三波数处相继定位分光，之后经滤光片（7）滤光，再经聚光镜（8）会聚至红外探测器（9）之靶面上，由探测器（9）将被测样品在三波数处的红外辐射光通量信号转换为相应的电信号，经选频放大器（10）、整流及滤波电路（11）输入微机系统（12）进行贮存、运算，然后由打印机（或数显装置）（或显示）（13）打印出样品含油量。下面依据图1给出的本测定仪总体构造，分别叙述光、机、电三系统的各自结构特点及工作原理。

图1中含光学系统构造详见图2。其中光栅单色器（6）采用了〔C－T〕型分光系统，它由入射狭缝（S₁）、球面反射镜（m₁）、光栅（G）、球面反射镜（m₂）、出射狭缝（S₂）等组成。本单色器具有结构紧凑、球面加工简单、调整方便、杂散光少等特点。其工作原理为：由红外光源（1）发出的光线经光源聚光镜（2）聚光，会聚光束通过样品池（5）至光栅单色器（6）的入射狭缝（S₁）处，依次经球面反射镜（m₁）反射、光栅（G）分光、球面反射镜（m₂）会聚至出射狭缝（S₂）射出，通过级次滤光片（7）再经聚光镜（8）会聚至红外探测器（9）之靶面上。本例中光源聚光镜（2）选用球面反射镜、样品池（5）选用石英池、聚光镜（8）选用椭球镜、红外探测器（9）选用〔GAT504〕型号。本光路系统主要特点为单测量光路形式。在图2所示光路中，将样品池（5）置于光栅单色器（6）之后亦可实现测量。

本测定仪机械系统核心部分是光栅转动、三波数定位机构。该机构可由多种方式实现，诸如光、电码盘式，或脉冲源电路控制机械定位式等。本例中采用了如图3所示正弦机构机械结构形式实现波长扫描的。参见图3，它是由光栅台（14）、正弦杆（15）、丝杆（16）、丝母（17）、传动齿轮（18）、步进电机（19）等零部件组成的。该机构以步进电机（19）为动力，带动由数对传动齿轮（18）组成的减速机构，经丝杆（16）、丝母（17）推动正弦杆（15）、带动光栅台（14）转动，从而使光栅（G）转动实现波数扫描，步进电机（19）转角受控于微机系统（12）实现三波数定位。本例中步进电机（19）转动一个步距角，波长扫描移动量为〔Δλ＝2nm〕。为实现光、电信号接收、转换、处理在光路中样品池（5）之前位置上还设置由调制盘（4）及同步电机（3）组成的机械调制器，本例中调制器使通过样品池（5）的照明光源调制成频率为10赫芝的调制测量光信号。机械系统中还包括打印机（或数显装置）（13），其采用市售产品即可。本测定仪除上述机械结构外，当然还具有如壳体、镜架、出、入射狭缝等机械结构，因属一般性机械设计不再冗述。

本测定仪电学系统总体构造请参见图4。由图4可见其核心部分为具有控制功能、及数据处理功能的微机系统，且附有电源系统，信号处理、放大系统等。下面将本实施例各部分工作原理叙述如下。光源电源为光源（1）提供精度为0.3％、7V、9A的直流电源，光源（1）工作发出的光经机械调制器（3）（4）、斩波后由光栅单色器提供3030、2960、2930波数的交流红外光，经红外探测器（9）检测输出10Hz交流信号并经与探测器制为一体的前置放大器放大后给选频放大器，选频放大器首先滤除50Hz干扰信号，同时对检测信号衰减200分贝后进行选频放大，其开环增益为100分贝以上，选频放大器的品质因数可以调整用以与调制器（3）（4）配合以得到最佳效果，选频放大器输出的交流信号给整流及滤波电路，则整流及平均滤波电路输出10伏直流电压给微机系统。本微机系统大体上有两种功能：一是控制功能；二是数据处理及打印（或显示）输出功能，其与本测定仪主要连接构造为整流及平均滤波电路与微机的A／D转换器相连接以便进行测定数据处理，打印机（或数显装置）（13）与微机I／D接口相连接以打印（或数字显示）输出测示结果，微机I／O端与步进电机（19）电连接以实现控制程序。本微机系统由直流稳压电源系统提供精度为0.5％的直流电压工作。下面结合图5、图6、图7、图8详述其工作过程。

一、控制程序工作过程：

本微机系统控制程序包括主程序、子程序，其框图分别由图5、图6给出。其中D、B、C、R每减1步进电机（19）走一步，S－秒，M－每点取样次数。

1、按动起动键起动微机；

2、初始化：分别给D ()/() 33、B ()/() 31、C ()/() 11；

3、微机控制步进电机（19）使光栅（G）转到3034波数点；

4、调采样子程序采样：①初始化：R ()/() 5、H ()/() 256、M ()/() 5；②延时2秒后给A／D信号采样并存入内存，延时1秒后再采样一次，依次共采5个样；③取5次采样的平均值存入内存；④控制步进电机（19）走一步使光栅（G）转到3032波数点；采样方法同②③；⑤同样光栅（G）转到3030、3028、3026波数点，各采一个样；⑥比较五点采样值的大小，并把最小值存入内存；⑦返回主程序；

5、微机控制步进电机使光栅（G）转到2964波数点；

6、调采样子程序采样，采样过程同4把采样值存入内存；

7、微机控制步进电机（19）使光栅（G）转到2934波数点；

8、调采样子程序采样，采样过程同4把采样值存入内存；

9、微机控制步进电机（19）返回初始位置。

二、数据处理及打印程序：

1、校正系数：（参见图7）

①根据A＝lgV_空／V_样——得A；

②根据F＝A₂₉₃₀（H）／A₃₀₃₀（H）——得F；

③根据

解得X、Y；

④根据C（T）＝X·A₂₉₃₀（T）＋Y·A₂₉₆₀（T）＋Z［A₃₀₃₀（T）－A₂₉₃₀（T）／F］——解得Z；

⑤把X、Y、Z、F值存入Z²PROM内。

2、测量（参见图8）

①根据A＝lgV_空／V_样——得A

②根据C＝X·A₂₉₃₀＋Y·A₂₉₆₀＋Z（A₃₀₃₀－A₂₉₃₀／F）——得浓度C。

由上述本测定仪电学系统的构造及微机的控制、数据处理程序来看，用本测定仪测定水中油份实现了自动化测定，尤为值得一提的是控制子程序中对ISO方法所说的三波数定位给出靠微机控制技术采用了5次采样平均值定位技术手段，即可降低三波数定位机械构件加工精度从而降低仪器制造成本，又可剔除测试人员为误差，从而大大提高了测定精度。

用本实施例所述的测定仪施测操作过程为：

1、校正系数测试操作：

①把仪器打到校正档；

②把三氯三氟乙烷液和正十六烷25PPM溶液分别放入样品池（5）内并置于仪器的样品池座上；

③推入空白档、按微机起动键，微机自动采样V_空3030、V_空2960、V_空2930；

④推入正十六烷25PPM溶液；

⑤按起动键、微机自动采样V_H3030、V_H2960、V_H2930；

⑥把姥鲛烷25PPM溶液和甲苯100PPM溶液放入样品池（5）内并置于样品池座上；

⑦推入姥鲛烷25PPM溶液，按起动键，微机自动采样V_P3030、V_P2960、V_P2930；

⑧推入甲苯100PPM溶液、按起动键，微机自动采样V_T3030、V_T2960、V_T2930；

⑨按数据处理键、微机自动算出X、Y、Z、F值并存入Z²PROM中。

2浓度测量操作：

①把仪器打到测量档；

②把三氯三氟乙烷溶液和被测样溶液分别放入样品池中并放在样品池座上；

③推入三氯三氟乙烷溶液、按起动键、微机自动测出V_空3030、V_空2960、V_空2930；

④推入被测样，按起动键、微机自动测出V_样3030、V_样2960、V_样2930；

⑤按数据处理键、微机自动算出浓度C值；

⑥微机控制打印机（13）打印出浓度C、测试时间、人员、及采样地点等。

Claims (2)

1、一种红外分光水中油份测定仪，由光学系统、机械系统、电气系统组合而构成，其特征在于：

a光学系统为单光路式，其由依次置于光路中的红外光源(1)、光源聚光镜(2)、样品池(5)、光栅单色器(6)、聚光镜(8)、红外探测器(9)等构成；亦可按红外光源[1]、光源聚光镜[2]、光栅单色器[6]、样品池[5]、聚光镜[8]、红外探测器顺序排列构成测量光路；

b机械系统包括实现a中所说的单色器(6)中光栅(G)分别定位输出2930、2960、3030[cm^-1]三个波数红外光谱的光栅转动、三波数定位机构；包括由电机(3)带动置于光路中样品池(5)之前位置上的调制盘(4)组成的机械调制器；还包括可将水中油份直接打印出来的打印机(或数显装置)(13)；

c电气系统包括具有控制程序、数据处理程序的微机系统；由微机按控制程序或由脉冲源电路控制b中所说的光栅转动，三波数定位机构使光栅(G)转动从而实现三波数定位采样测量；三波数定位测量过程中由红外探测器(9)将其接收的光信号转换为电信号后再依次经前置放大器、选频放大器、整流及滤波电路处理后接入微机的A/D转换器由微机进行数据处理；b中所说打印机(或数显装置)(13)接入微机I/O接口以打印(数字显示)出测试结果。

2、按权利要求1所述测定仪，其特征在于b中所说的光栅转动、三波数定位机构可由包括丝杆（16）、丝母（17）、及正弦杆（15）组成的正弦机构实现，其正弦杆（15）与光栅台（14）相接，其丝杆（16）与以步进电机（19）为动力的减速机构相接，步进电机（19）受控微机工作、带动减速机构、经丝杆（16）、丝母（17）推动正弦杆（15）使光栅（G）转动；光栅转动过程中的三波数定位则以C中所说微机控制程序时序控制步进电机（19）转或停实现。

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