燃油光谱分析仪(SpectroilM)

2022-09-12

Spectroil M所有光谱分析仪都由以下三个组成部分构成:一个激发源, 一个光学系统和一个读出系统。其作用分别是: (1) 激发源传递能量给油样。 (2) 光学系统将激发光源分离、分解为不同波长的组分光。 (3) 读出系统鉴别和测量光学系统分解出来的不同波长光并以一种操作人员易于接受的方式表现信息。

1 激发源

一种典型的方法 (用于现代光谱分析仪激发源) 是放电:设计高压源给予能量至油样产生电弧或电火花。对于本分析仪而言在油盘 (托油样) 与碳棒电极的间隙之间设置一个高电压。通过一个高压充电电容于间隙处放电产生一个高温电弧将油样蒸发一部分形成一个等离子区。等离子区是一团非常热的电离气体, 产生强烈的光线。发出的光作为本过程的结果包含了油样内所有元素百分比的光。这些光可以马上被仪器内的光学系统分解为单波长光并被测量出来。激发源的最基本功能是通过高压电容的冲放电系统放电弧或电火花将能量传递给油样。

2 光系统

光谱分析仪中光系统的目的是将等离子区产生的光分离成离散的波长光。大家应该非常熟悉透过三棱镜的白光分解成不同颜色或波长的光谱。同理, 在光谱分析仪中, 取代三棱镜的光学设备是衍射光栅, 作用是分离不同波长光。光谱仪的光系统一般取以下三种配置之一: (1) 一个固定窄带光滤, 只通过特定波长的光。 (2) 全色盲镜提供单元素读出, 通过调整衍射光栅的位置选择特定波长光。 (3) 多色仪可以同时察觉多种波长光。

在设计光谱仪时要重点考虑的是感兴趣的波长光谱段区域。一些元素发光均在可见光谱段;然而有主要的元素发光在FUV光谱段。这是意义重大的, 因为FUV发光在空气介质传输不好。另外, 值得关注的是它被吸收。在这些条件下, 这些光学系统必须在真空室内装配, 以便于发光能透过光栅, 被衍射, 之后被光电倍增管接收。因此, 密封室与真空泵成为系统的一个组成部分。所有Sprectroil M波长均在可见光波段, 因此避免真空系统的笨重设备的需求。

图1为基于罗兰环周原理的多色仪的主要组成部分 (Spectroil M光谱分析仪) 。加图经过光缆传递的光线经进口窄缝集中到那些衍射光栅透镜上, 进口窄缝传输光线到系统, 并定义经光栅衍射后的光谱线形态。这光栅将分离或衍射光线成不同波长光线的组合。当光线穿透光栅时, 它被指引射向焦点线。光栅衍射光线为系列波长组合, 而且分离为离散光谱线。出口窄缝位于特定被测波长的光线的焦点线通道上。光电倍增管精确地置于出口窄缝之后, 来测量经该窄缝透射出来的光。光系统可以认为在出口窄缝为止, 读出系统以光电倍增管开始, 尽管光电倍增管在物理位置上连接在光结构上。

3 读出系统

在光线分离成不同波长的组成部分中, 衍射光栅指引背景光的光谱线朝焦点线。如果在焦点线上放上底片 (感光胶片) 会接收到来自光栅的光线。每一条线对应一个特定的波长光。越暗的线对应的光谱线的强度越大。这就是早前的光谱摄制仪的实际工作。

然而, 现在, 底片已经被精确地出口窄缝及光电倍增管所替代。光电倍增管是电真空管, 引导和转换光为电信号。该电信号与光的强度成正比。几个光电倍增管置于光构架的特定波长光的焦点线处。这些光系统的组分排列与光电倍增管称多色仪意思是它可以立即测量许多波长光。由光电倍增管产生的电流 (对射向自己光的反应) 存储在该系统电路上的积分电容上, 每一个光电倍增管对应一个独立的积分电容。

(1) 光电倍增管 (略) 。

(2) 电子过程。

在激发或“燃烧”周期结束时, 每一个光电倍增管积分回路电容被冲上正比于该周期内它所接收的光的数量的电。分析的剩余过程则由系统的电子过程这一节执行。首先, 数值决定于每个电容的充电。 (实际上, 电容在充电过程中每秒被检查与转换100次) 每个值与一个存储在内存上校验值进行比较, 并转换至油样现在元素的集合。集合数字一般采用ppm表示, 该信息显示在在电脑显示屏上或用打印机打印出来。一旦分析过程结束则结果记录下来, 系统为下一次分析作好准备。分析结果可以留在屏幕上, 储存在硬盘上或送到外部计算机。友好的用户软件使得自动重复校准工作变得操作简单, 并提供平均值与重复性等统计功能。

这里只是给出了极简单的光谱分析仪的描述来为那些不太熟悉它的人提供一个过程全貌。详细研究这项技术还是复杂很多。比如, 每一个元素会发出一些不同波长的光, 就有必要采用分光镜选择最适合的波长光去测量。一个有足够亮度但缺乏其他光谱线的干涉等等。幸运的是, 感谢技术进步, 艺术级的光谱分析仪已经在这点完善了:它已经成为容易实现和便于运用的物资分析工具, 比如Spectroil M就是证明。