红外分光油分析仪的设计与研究

　　1　引　言

　　红外分光油分析仪是根据国家标准GB/T 16488-1996《水质、石油类和动植物油的测定红外光度法》而研制的红外测试仪器,用于水体样品中油份浓度的测定。该仪器既可以用三点分光光度法测量,又可以用非分散测量法测量。它运用了分光光度计的技术,结合精密机械、电器控制技术、光电传感器技术以及计算机控制分析技术,可同时实施红外分光光度法和预置波数红外光度法测量。广泛应用在环境监测、石油化学、制水等工业领域。

　　国外的环境水源以石油类、矿物油含量为主,普遍采用傅里叶红外光谱仪和非分散红外测油仪进行测量,即非分散红外光度法(单点定波数)的测量;国内的环境水源以石油类、动植物油和矿物油混合含量为主,普遍采用红外分光测油仪(三点分光光度法测量)和非分散红外测油仪测量。仪器在选择测量程序时,能迅速、准确地测出水体中油份浓度的全部含量,经分离后可分别测出其中石油类与动植物油的含量,不需要标准油,对任何组份的样品都能准确测定。红外分光光度法解决了长期未能解决的标准油这一难题,提高了测定结果的可信度。当水中芳烃含量较高时,此测量方法测试结果的准确度是非分散红外光度法无法比拟的。

　　2　仪器的结构和原理

　　红外分光油分析仪的基本结构原理如图1所示:红外分光油分析仪是由光学、电子及精密机械技术以及计算机控制技术相结合的测试仪器。下面从不同的学科角度对本仪器的原理作一描述。

　　2.1　光学系统

　　该仪器采用单光束系统,光学系统由光源(LS)、调制盘(ML)、反光镜(M1～M5)、样品池(S)、光阑(L1,L2)、狭逢(S1,S2)、光栅(G)和红外探测器(TGS)组成(见图2)。该仪器是采用光栅分光的单色器系统,光强信号连续可调,单色光光路有效率大于60%,它的光学波数从2400cm-1～3400cm^-1,通过控制光栅与入射光之间的夹角变化获得不同的波数,最小分辨力为3/40=0.075cm^-1,重复性误差≤±1cm^-1。

　　2.2　机械部分

　　仪器涉及的机械零部件的加工精度要求较高,主要动态误差来自两个主要部件:正弦机构分度丝杆螺母组和光源调制盘。正弦机构分度丝杆全长螺距累计误差<0.003mm,光源调制盘的角度相对误差≤1%。三倍频调制方式单周期误差≤0.33%,通过软件处理调制盘加工引起的统计误差≤0.01%。

　　2.3　电气控制系统

　　电气基本结构原理如图3所示。

　　2.3.1　电源描述:仪器涉及的电源部分,主要为光源、驱动电机和信号放大电路。电源供电采用连续可调方式,供电电压6V～12V直流可调,纹波系统≤0.1%。2.3.2　传感器及信号放大电路描述:仪器传感器采用热释电探测器(TGS)窗口材料为CaF2。光信号经TGS传换为电信号,其数学模型函数为: