CN2575678Y - 化工流程化学成分实时在线小型光谱检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及分析科学与仪器技术领域，特别是一种用于化工流程化学成分实时在线的小型光谱监测仪。传统的光谱仪庞大笨重，很难到现场去工作，都在实验室内，将采来的样品进行测量分析。不能进行实时在线测量。为此，本实用新型提出如下技术解决方案：设计一个温度可以控制的流通池，流通池两端与反应釜(或被测样品管道)相通，被检测的样品从流通池中流过，流通池两端设置光线可以穿过的窗口，当光线进入流通池，穿过被测样品后，光信息被一个线阵列CCD探测器所收集，利用计算机对采集的光谱信号进行分析处理，立即得到结果。使用该检测仪测量时间短，直接给出数值，已经成功地应用于化工原料聚醚多元醇的伯仲比量、汽油辛烷值、食醋酸度等多个方面的检测。

Description

化工流程化学成分实时在线小型光谱检测仪

技术领域

本实用新型涉及分析科学与仪器技术领域，特别是一种用于化工流程化学成份实时在线的小型光谱监测仪。

背景技术

传统的光谱技术正在经历一场革命，从实验室走向现场(生产线，试验场和自然环境)。以往绝大部分光谱仪器都局限于实验室内，将采来的样品放在仪器的样品室内进行测量分析。由于这些光谱仪器庞大笨重，很难到现场去工作。而且目前能在线测量与控制的变量仅限于温度、压力和流量等，而对过程中化学成份和物性变量仍不能直接连续测量，而这些特殊变量却是表征生产状况的关键性变量，因而严重影响了成品的产率和质量。

早期(六十年代)发展的在线光度分析技术多采用单波长或双波长方式工作。利用滤光片得到单色光，例如美国Ametek公司4000系列在线光度计技术，主要应用有：浓度分析、脱硫和硫磺回收分析、尾气分析、烟道气分析、污染源分析和浊度分析等。虽然这种技术具有一定的使用价值，甚至至今仍在采用，但这种方式工作所含信息量小，应用面受到极大的限制。

近年来(九十年代)，光学和电子学材料器件和技术的发展，为传统光谱技术的革命提供了机遇，准备了物质技术基础，包括半导体激光器，全息光栅，光纤，CCD光电阵列接收器，大规模集成电路，微型计算机和软件等。综合利用以上的先进技术，促使光谱仪器技术产生了革命性变化，微型化、智能化，正在逐步由实验室走向现场(生产线、试验场和自然环境)。

这类仪器采用全息光栅，制作出微型平象场光谱仪(象香烟盒大小)；利用光纤，一头连接不同类型的探头，另一头连接光谱仪入口(相当于入射狭缝)，以适应不同测量体系；应用低噪声CCD线阵列接收器，在毫秒量级扫描一个相当宽的光谱区；最后运用计算机处理和显示试验数据。这些仪器多采用透射、反射和荧光工作方式，广泛用于生物研究、化学分析、过程监测，照度研究、颜色控制等，以美国海洋光学公司为例，推出了S系列(PC机外接式)、PC系列(PC机插入式)和PS系列(笔记本计算机用)微型光纤光谱仪，号称“个人光谱仪”。

一九九八年，张存洲等人在《现代科学仪器》发表了“现场光谱技术”的文章(张存洲，张光寅，李加，朱箭，徐晓轩，吴彬，现场光谱技术和仪器，世界仪表与自动化，2(6)，16-18(1998))，系统地阐述了现场光谱技术的特征、发展的状况和发展方向。同年，《世界仪表与自动化》发表了张存洲等人的“现场光谱技术与仪器”的文章(张存洲，张光寅，李加，朱箭，徐晓轩，吴彬，现场光谱技术，现代科学仪器，第4期，13-15(1998))，在上一篇文章的基础上，介绍了现场光谱仪器的特征和结构。2000年，同课题组毕诗章、朱箭等人在《世界仪表与自动化》杂志上，连续发表“现场光谱技术中的多组分和非线性问题”(毕诗章，徐晓轩，吴彬，朱箭，张存洲，现场光谱技术中的多组分和非线性问题，世界仪表与自动化，4(4)18-23(2000))，以及“过程控制中的分子水平微观量传感问题”(朱箭，陈涛，方艳湘，徐晓轩，张存洲，过程控制中的分子水平微观量传感问题，世界仪表与自动化专辑，2000年11月1-4日，p2684)两篇文章，讨论了现场光谱技术在过程控制中以及化学量测量应用中的的具体问题。

在1999年10月举行的第八届北京分析测试学术报告会及展览会上，现场光谱技术引起了广泛的重视。许多单位希望购买仪器作各种应用，从部门行业分布看，包括地质、矿业、冶金、农业、医学、制药、化工、环境、安全、防伪、轻工、工艺品等，比较广泛。在国内，八十年代末，九十年代初，中国科学院长春光机所首先进行了小型平象场CCD光谱仪的研制。1998年北京海光仪器公司与厦门大学、北京大学攻关立项，开始联合研制光纤传导小型多功能CCD光谱仪，用于环保部门NO₂，SO₂，溶解氧和苯胺类的测定。1999年国家海洋局第一研究所攻关有关海洋污染测量的仪器。

但是，到目前为止，尚未见到我们在下面叙述的在现场进行实时在线检测小型光谱仪。

发明内容

本实用新型旨在解决目前化工流程中的成份量实时在线光谱检测的问题，同时最大限度地不影响其流程设备和工艺。

目前光谱检测设备不具备实时性和在线性，采样不便，测量时需要将反应釜中的反应物取出，进行样品预处理后，再放入光谱检测仪器的样品仓中进行测试，测试后需要进行数据处理，得到最后结果。整体过程繁琐，费时(从采样到测量需要数分钟甚至数小时)，而且在测量中改变了样品所处的环境，对测量结果带来误差。如何最方便地从反应釜中取出样品，同时不破坏样品的环境(如温度，压力)，而且不需要样品预处理过程，最快速地(几秒至几分钟)直接得到测量结果，就是本实用新型的目的。

为此，提出下述技术解决方案：本实用新型由光源(卤钨灯或脉冲氙灯)、透镜、微量隔膜计量泵、流通池、谱仪头和计算机及软件系统等构成。

利用微量隔膜计量泵将样品从反应釜中抽取出来，注入流通池(流通池外部缠绕加热丝和温度传感器，利用温度控制器可以将流通池池体温度保持恒定且温度可控，当样品从反应釜中直接抽取出来并注入流通池时，控制流通池池体温度同反应斧相同，保证样品测试环境)。流通池两端有通光窗口(由不同材料制作，如石英玻璃，普通光学玻璃、并可以更换，方便清洗)。光源发出的光经过凸透镜变成平行光，通过流通池通光窗口进入流通池，穿过样品和窗口后再经过一个凸透镜将光聚焦入谱仪头，内部凹面镜将此光束再次准直成平行光并投射到一个光栅上，被光栅衍射后的光再经凹面镜聚焦，焦点位于线阵列CCD探测器上。光电探测器使用高动态范围的线阵列CCD探测器。为了提高光的收集能力，在线阵列CCD探测器前，加装一个柱透镜，加装柱透镜后，光能量被柱透镜聚焦在CCD探测器的感光像素上，使得仪器整体灵敏度比未加装柱透镜时提高3-10倍。

在检测箱内部，除了光学系统外，还有线阵列CCD探测器以及数据采集和CCD驱动电路板。总体控制由电路板上的单片机完成。对于连续光源不需对光源进行控制。当采用脉冲光源时，由于光源发光不连续，单片机使用一个I/O端口同脉冲氙灯电源的触发端相连，可以在CCD探测器驱动电路扫描脉冲开始前，(即CCD每次积分时间的开始时刻)触发脉冲氙灯闪光，光信号被CCD像素收集后再开始驱动扫描，这样就可以实现单次闪光，采集全部光谱信号。数据采集和CCD驱动线路板同计算机相连，同时可以对采集的光谱信号进行分析处理。

光谱软件系统：具有自主知识产权的光谱处理软件OURSPEC2.0，完成对仪器的控制、校准和数据采集、数据的显示和处理。

有益效果：本实用新型体积小(40cm×30cm×12cm)，集成化程度高，速度快，在现场，可以在对化工流程设备和工艺做最小的改动下(有的甚至不需做任何改动)即可安装并进行在线实时光谱检测。测量时间短，在很短的时间内完成测量和计算(1秒内)，直接给出所需化学成份量的数值。本光谱检测仪器已经成功地应用于化工原料聚醚多元醇的伯仲比量检测、汽油辛烷值检测、食醋酸度检测等多个方面。电路系统由单片机控制，完成对CCD信号的驱动、读出、量化、存储和处理，同时完成对PC机的通讯协议，数据传送和对脉冲氙灯光源闪光的控制等。采集单幅光谱并处理的时间不超过1秒，满足化工流程化学成份检测实时性要求。

附图说明：图1整体仪器结构图(使用卤钨灯连续光源)图2整体仪器结构图(使用脉冲氙灯光源)图3流通池结构图图4 CCD探测器前加装柱透镜结构图(A：CCD探测器前未加装柱透镜  B：CCD探测器前加装柱透镜)图5 OURSPEC软件模块结构图图中：1.样品进口  2.微量进样隔膜泵  3.卤钨灯  4.电缆  5.高稳定恒流电源  6.凸透镜  7.流通池  8.谱仪头狭缝  9.谱仪头  10、RS232串行接口  11.RS232串行接口电缆  12.计算机及软件系统  13.温度控制器  14.聚焦凹面镜  15.准直凹面镜  16、光栅  17.柱透镜  18、线阵列CCD探测器  19.数据采集及CCD驱动线路板  20.样品出口  21.流通池窗口压圈  22、通光窗口  23、流通池加热丝及温度传感器  24、流通池池体  25.线阵列CCD感光像素26.脉冲氙灯  27.脉冲氙灯电源  28、单片机  29.脉冲氙灯电源触发端口  30、单片机I/O端口

具体实施方式

下面结合附图对技术方案进行具体说明：在图1与图2中，样品通过样品进口1，由微量隔膜计量泵2从反应釜中抽取出来，并注入流通池7(流通池详细结构见图3)。池体24采用不锈钢制作，外部缠绕加热丝和温度传感器23，利用温度控制器13可以将流通池池体温度保持恒定且温度可控，当样品从反应釜中直接抽取出来并注入流通池时，控制流通池7池体温度同反应釜同，保证样品测试环境。拆下窗体压圈21就可以更换通光窗口22，通光窗口22可以由不同材料制作(如石英玻璃，普通光学玻璃)并可以更换，方便清洗。样品流过流通池7后由样品出口20流出。

从光源(可以是卤钨灯3，也可以是脉冲氙灯26)发出的光经过凸透镜6后变成平行光，平行光通过流通池窗口进入流通池样品中，穿过样品和窗口后再经过一个凸透镜6将光聚焦在谱仪头9的入射狭缝8上，谱仪头内部凹面镜15将此光束再次准直成平行光并投射到光栅16上，被光栅衍射后的光经聚焦凹面镜14聚焦，焦点位于线阵列CCD探测器18上。谱仪头整体光路属于C-Z结构的平像场光路，光电探测器使用高动态范围的线阵列CCD探测器。为了提高光的收集能力，在现阵列CCD探测器18前，加装一个柱透镜17(如图4中B情况所示)，加装柱透镜后，光能量被柱透镜聚焦在CCD探测器18的感光像素25上，使得仪器整体灵敏度比未加装柱透镜时(如图4中A情况所示)提高3-10倍。

除此之外，在谱仪头内部，还有数据采集和CCD驱动电路板19。总体控制由电路板19上的单片机28(型号AT90S815)完成。对于连续光源(如图1)，不需对光源进行控制。当采用脉冲光源时，(在图2中采用脉冲氙灯)由于光源发光不连续，单片机使用一个I/O端口30同脉冲氙灯电源27的触发端29相连，可以在CCD探测器驱动电路扫描脉冲开始前，(即CCD每次积分时间的开始时刻)触发脉冲氙灯闪光，光信号被CCD像素收集后再开始驱动扫描，这样就可以实现单次闪光，采集全部光谱信号。数据采集和CCD驱动线路板19通过RS232串行接口同计算机相连，可以通过计算机控制谱仪头的运行，同时可以对采集的光谱信号进行分析处理。

光谱软件系统，具有自主知识产权的光谱处理软件OURSPEC2.0，本软件同检测仪紧密配合，除完成对仪器的控制、校准和数据采集外，还具有光谱数据的显示，处理等多种功能。软件结构图见图4。PC机及软件系统。操作系统可以采用WIN98、WINME或WIN2000，通过OURSPEC软件可以对仪器进行完全控制，同时采集光谱数据并完成谱仪的校准过程和后期的数据处理。

主要技术指标：·波长范围：200nm-1100nm可调  ·谱仪头焦距长度：65mm  ·谱仪头光谱分辨率：1-5nm任选  ·光源：钨灯(高稳定恒流电源)或脉冲氙灯  ·探头：在线恒温流通池以及隔膜微量泵  ·入射：芯径50，100，200μm，长度可小于100m的光纤或狭缝  ·CCD动态范围：3000∶1-20000∶1任选  ·采样积分时间：10ms-100s·谱仪头输出：数字化，可与各种协议总线挂接，或通过RS-232直接接入计算机·谱仪头控制：控制全部智能化，提供开发软件包，方便进行二次开发·软件：Windows 95/98/NT平台实时采样、绘图和分析软件包(有自己的知识产权)。

Claims (6)

1.一种化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，包括光源、流通池、检测线路，其特征在于：该检测仪由光源(5)、流通池(7)、微量进样隔膜泵(2)、温度控制器(13)、谱仪头(9)、计算机及软件系统(12)六大部分构成，微量隔膜计量泵(2)将样品通过样品进口(1)从反应釜中抽取出来，并注入流通池(7)，流过流通池后由样品出口(20)流出；从光源(5)发出的光经过凸透镜(6)后变成平行光，通过流通池窗口(22)进入流通池样品中，穿过样品和窗口后再经过一个凸透镜(6)将光聚焦在谱仪头(9)的入射狭缝(8)上，谱仪头内部凹面镜(15)将此光束再次准直成平行光并投射到光栅(16)上，被光栅衍射后的光经聚焦凹面镜(14)聚焦，焦点位于线阵列CCD探测器(18)上，探测器与数据采集及CCD驱动线路板(19)电联接，数据采集及CCD驱动线路板通过电缆(11)与计算机及软件系统(12)相联，电路板(19)上安装有完成总体控制的单片机(28)(型号AT90S8515)。

2.按照权利要求1所说的化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，其特征在于：流通池(7)外部缠绕加热丝和温度传感器(23)，与温度控制器(13)通过电缆(4)相联，流通池两端设有通光窗口(22)，外有流通池窗口压圈(21)。

3.按照权利要求1和2所说的化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，其特征在于：通光窗口(22)，由不同材料制作(石英玻璃，普通光学玻璃)，可以清洗和更换。

4.按照权利要求1所说的化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，其特征在于：谱仪头(9)一侧有一检测狭缝(8)，箱内设有聚焦凹面镜(14)、准直凹面镜(15)、光栅(16)、柱透镜(17)、线阵列CCD探测器(18)和数据采集及CCD驱动线路板(19)，电路板(19)上安装有完成总体控制的单片机(28)(型号AT90S815)。

5.按照权利要求1和4所说的化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，其特征在于：线阵列CCD探测器(18)是高动态范围的线阵列CCD探测器，前加装一个柱透镜(17)。

6.按照权利要求1所说的化工流程化学成份实时在线小型光谱检测仪，其特征在于：对于连续光源(图1)，不需对光源进行控制，采用脉冲光源时，单片机使用一个I/O端口(30)同脉冲氙灯电源(27)的触发端(29)相连，数据采集和CCD驱动线路板(19)通过RS232串行接口(10)同计算机相连。

Images