一种高精度红外测油仪的开发

　　1　引言

　　传统的成分分析先取样再以定性方式量测,时间长且无法及时得到量测数据。而大多数物质的分子官能基能吸收红外光,利用光谱能量的吸收与转换很容易进行内部成分的定性分析和定量计算。红外测油仪正是以此为基本原理,采用红外分光光度测量,经对样品进行光谱扫描,可显示并打印样品光谱及吸收峰的波数位置,能迅速、准确地测出水体中油份浓度的全部含量。仪器适用于地面水、地下水、生活污水和工业废水中石油类和动植物油含量的测定,也可用于土壤、植物含油量的测定及洗涤油性能优劣的测定。

　　2　设计原理

　　仪器的理论基础是朗伯-比耳光吸收定理,其数学表达式如下:

　　式中:A为吸光度;T为透光率;为入射光的强度;I为透出光的强度;b为样品的光程;c为样品溶液的浓度;k为比例常数,与吸光物质性质及温度等因素有关。

　　该式表明:保持样品的光程不变,溶液的吸光度与溶液浓度成正比。物质的吸收曲线为物质的吸光度A与红外光波长λ关系的曲线,即:

　　红外测油仪正是通过对物质吸收曲线的分析来测定被测物的成分浓度。

　　3　仪器的组成

　　所设计的红外分光仪的系统框图如图1所示。光源经高速旋转的切光片调制成频率为800Hz的光信号,一路进入比色池作为样品的入射光,另一路作为参考光源用于消除漂移误差,如何消除误差将在后面做详细介绍。

　　步进电机M2控制光切换盘选择两路光中的一路进入光电传感器,光电传感器将光信号转换为模拟电信号,模拟信号经前置放大和隔离后由CPU控制单元控制A/D转换器进行采样。在比色池中,CPU控制步进电机M1调节光学设备的角度以产生不同波长的光信号,其波长起点由光电开关T1定位,各波长点通过步数进行精确控制。选择样品光或参考光的步进电机M2其初始位置由光电开关T2进行定位。CPU控制单元通过串行通讯接口同上位机通讯,将采集到数据交由上位机处理,上位机则通过友好的界面将测试结果显示。

　　4　关键技术环节

　　关键技术环节有锁相电路、偏移误差的跟踪和消除以及数据滤波,正是这些环节的良好设计保证了仪器的高精度。

　　4·1　锁相电路[1]

　　仪器中的光敏器件比较容易受杂光的影响,从而产生虚假干扰信号。锁相电路可以将与测量信号的频率、相位不同的噪声电压滤除或衰减,提高信噪比,增强仪器的抗干扰能力。

　　被测物质放在比色池中吸收光源发出的红外光,从而打破光路平衡产生信号。光源进入比色池前被切光片所调制,该切光片又切过槽形光电开关,得到一个与测量信号频率完全一致、相位不同的参考信号。参考信号按图2所示的锁相电路框图解调放大后的交流电信号,有效地滤掉干扰信号。具体电路参照文献[1]。同时,可利用该参考信号确定信号每个周波的开始,保证每次采样起点的一致也有利于干扰的抑制。