СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТ Российский патент 1997 года по МПК G01J3/42 G01N21/31 

Изобретение относится к оптическим абсорбционным спектральным методам определения содержания поглощающих компонент.

Известны способы двухканальной абсорбционной спектрометрии, в которых наличие наряду с измерительным второго, опорного канала, необходимо для повышения точности измерений за счет компенсации дрейфа источника излучения. В таких способах излучение либо направляют поочередно по измерительному и опорному каналам с помощью механического модулятора, либо оптически расщепляют и направляют одновременно по обоим каналам на два приемника излучения. Существенным недостатком таких способов является наличие принципиально неустранимых погрешностей, связанных с относительной нестабильностью двух независимых оптических, фотоэлектрических и электронных каналов.

Кроме того, такие способы не позволяют отличать появления любого неселективного поглощения в измерительном или опорном трактах от увеличения или уменьшения соответственно концентрации измеряемого компонента.

Близким к предлагаемому способу измерений, т.е. аналогами данного изобретения, являются способы одноканальной абсорбционной спектрометрии, в которых с помощью одного приемника и одного электрического канала осуществляют поочередную регистрацию нескольких участков спектра, лежащих внутри и вне полосы поглощения измеряемых компонентов, излучения, прошедшего через одну измерительную кювету.

В способах [1 и 2] это осуществляют с помощью двух ламп с разными спектрами излучения либо с помощью механического переключения этих ламп [1] либо за счет их поочередного включения [2]
Недостатками этих способов являются низкая точность измерений и временный дрейф нуля из-за относительной нестабильности двух независимых ламп.

Этого существенного недостатка лишены способы измерений [3 и 4] в которых осуществляют поочередную регистрацию различных участков спектра излучения одного источника путем поочередного введения в канал различных спектральных фильтров [3] или с помощью спектрального механического обтюратора, вводимого в фокальный монохроматор [4] Механические устройства, используемые в таких способах, обладают низкой надежностью, малым ресурсом работы и приводят к появлению паразитной модуляции за счет "биений", что также снижает точность измерений.

Этих недостатков лишен способ измерения, в котором используют перестройку контура линии резонансного излучения импульсной лампы во время импульса [5 и 6]
Этот способ обладает однако ограниченной областью применения: он может быть использован лишь в резонансном атомно-абсорбционном спектральном анализе для измерения содержания паров атомов в газовых средах.

Наиболее близкими к предлагаемому универсальному способу измерения содержания любых компонент с различными полосами поглощения являются способы одноканальной спектрально селективной абсорбционной спектрометрии [7-11] причем способ [8] выбран в качестве прототипа изобретения.

В способе [8] на приемник излучения поочередно подают различные участки спектра источника излучения с помощью сканирующего спектрального прибора. Такие приборы представляют собой достаточно сложные устройства, их использование требует наличия квалифицированного персонала и, следовательно, сопряжено со значительными производственными и эксплуатационными затратами. Разъюстировка таких оптических приборов в процессе их эксплуатации приводит к появлению ошибок, снижению точности и надежности измерений.

Цель изобретения повышение надежности определения содержания компонент в анализируемых средах при оптических абсорбционных измерениях их содержания.

Для достижения этой цели в способе одноканальной абсорбционной спектрометрии формируют излучение источника с меняющимися в его спектре относительными долями излучения, по-разному поглощаемыми анализируемыми компонентами, причем эти изменения долей осуществляют с обеспечением линейной независимости сочетаний указанных долей. После пропускания сформированного таким образом излучения через анализируемую среду с помощью приемника регистрируют суммарный световой поток излучения после каждого из линейно независимых изменений относительных долей его спектра. Осуществление таких изменений и регистраций величины прошедшего через среду светового потока в количестве, большем количества анализируемых компонент, позволяет однозначно определить их содержание в среде.

На фиг.1 показана блок-схема устройства, посредством которого может быть реализован предлагаемый способ; на фиг.2 эпюры регистрируемых сигналов, используемые в описании алгоритма обработки для описываемого частного случая одного анализируемого компонента.

Излучение лампы 1 (фиг. 1) так же, как и в прототипе, пропускают через анализируемую среду 2 и подают на приемник 3 излучения. Излучение лампы 1 формируют с меняющимися долями его спектра, расположенными внутри полосы поглощения анализируемого компонента, относительно долей излучения, расположенных вне полосы поглощения этого компонента. Это осуществляют, например, вводя дополнительные спектральные фильтры или меняя режимы работы источника питания лампы 1. Приемником 3 регистрируют интенсивность излучения после каждого формирования его спектра. Сигнал с приемника 3 подают на электронное устройство 4, с помощью которого осуществляют синхронно с изменением спектра источника 1 обработку сигнала и выводят результат на индикаторное устройство 5.

Алгоритм обработки сигнала для случая одного анализируемого компонента и простого частного случая спектра источника излучения поясняется с использованием эпюр, приведенных на фиг.2. В том случае, если только одна линия из всего спектра источника поглощается анализируемым компонентом, искомую концентрацию этого компонента можно просто выразить аналитически. Обозначим два момента времени, соответствующие двум различным режимам работы источника, T₁ и T₂ (фиг. 2). Пусть A₁ и A₂ доли излучения указанной линии в спектре источника в первом и втором режиме работы соответственно, а B₁ и B₂ доли излучения, не поглощающиеся этим компонентом, но также регистрируемые фотоприемником в эти же моменты времени. Тогда U₁ и U₂ сигналы с фотоприемника в эти моменты времени (фиг.2). При концентрации N анализируемого компонента, имеющего на указанной линии коэффициент поглощения K, эти сигналы равны
U₁ (B₁ + A₁•exp(-K•N•L))•F(t)
U₂ (B₂ + A₂•exp(-K•N•L))•F(t),
где L оптическая длина пути в анализируемом веществе, F(t) фактор, зависящий от неселективных изменений пропускания оптического тракта, чувствительности фотоприемника и коэффициента передачи электронной схемы. Отношение сигналов U₁/U₂ нечувствительно ко всем перечисленным изменениям и может быть использовано для однозначного определения концентрации N.

В отсутствие поглощающего компонента U01

/U02 = (A₁+B₁)/(A₂+B₂). Увеличение содержания компонента приводит к изменению сигнала, регистрируемого приемником, в соответствии с вышеприведенными формулами для U₁ и U₂.

Обозначив R ≡ U₁•U02

/U₂•U01 получим, что при A₁/B₁ ≠ A₂/B₂, то есть при линейно-независимом изменении отношения долей излучения в полосе поглощения компонента и вне ее в моменты времени T₁ и T₂, концентрация N определяется однозначно следующим образом:

Предлагаемый метод может быть применен для определения нескольких поглощающих компонент в анализируемой среде. При этом количество линейно независимых сформированных спектров источника излучения должно быть по крайней мере на один больше, чем количество определяемых компонент. Как правило, увеличение количества измерений и применение специальных методов обработки увеличивает точность и чувствительность способа. Такую обработку целесообразно проводить после преобразования регистрируемых аналоговых сигналов с фотоприемника 4 в цифровой код. В качестве электронного устройства 5 обработки сигналов при этом можно использовать, например, микропроцессор, который позволяет осуществлять обработку синхронно с изменениями спектра источника 1. Такая обработка может проводиться с использованием аналитических зависимостей, аналогичных вышеприведенным формулам. При сложном характере этих зависимостей таблица значений содержаний измеряемых компонент N₁,N₂,N_m, зависящих от значений U₁, U₂, U_m+1, может быть определена путем градуировки и записана, например, в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

Измеряемые величины содержаний компонент в предлагаемом способе не зависят от неселективного поглощения излучения в анализируемой среде, от изменений чувствительности приемника или интенсивности свечения лампы, т.е. измерения осуществляются надежно и стабильно.

Неселективные изменения поглощения излучения в среде за счет, например, ее мутности, также не оказывают влияния на результаты измерений. При спектрально селективной мутности среды она может быть определена при осуществлении еще одного дополнительного формирования спектра излучения и регистрации сигнала.

Реализация предлагаемого способа возможна на простой аппаратной базе без применения сложного сканирующего спектрального устройства.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 705276, кл. G 01 J 3/42, 27.12.79.

2. Авторское свидетельство СССР N 491043, кл. G 01 J 3/42, 05.02.76
3. Авторское свидетельство СССР N 429290, кл. G 01 J 3/427, 23.10.74
4. Авторское свидетельство СССР N 351091, кл. G 01 J 3/42, 13.09.72
5. Авторское свидетельство СССР N 1188545, кл. G 01 J 3/42, 30.10.85,
6. Авторское свидетельство СССР N 949429, кл. G 01 N 21/31.

7. Авторское свидетельство СССР N 322091, кл. G 01 J 3/42, 09.02.72.

8. Авторское свидетельство СССР N 492790, кл. G 01 N 21/31, 03.12.75.

9. Международная заявка WO N 81/00622, кл. G 01 N 21/31, 1981.

10. Европейский патент EP N 0210417, кл. G 01 N 21/31, 1987.

11. Немецкий патент DE N 3334264, кл. G 01 N 21/31, 1984.

Использование: оптические абсорбционные спектральные методы определения содержания поглощающих компонент. Сущность изобретения: в способе одноканальной абсорбционной спектрометрии формируют излучение источника с меняющимися в его спектре относительными долями излучения, по-разному поглощаемыми анализируемыми компонентами. Эти изменения долей осуществляют с обеспечением линейной независимости сочетаний указанных долей. После пропускания сформированного таким образом излучения через анализируемую среду с помощью приемника регистрируют суммарный световой поток излучения после каждого из линейно независимых изменений относительно долей его спектра. Осуществление таких изменений и регистраций величины прошедшего через среду светового потока в количестве, большем количества анализируемых компонент позволяет однозначно определить их содержание в среде. 2 ил.

Способ определения содержания компонент в прозрачных средах, заключающийся в формировании светового излучения в источнике последнего со спектром, имеющим различно поглощаемые анализируемыми компонентами составляющие, пропускании сформированного излучения через анализируемую среду, регистрации интенсивности прошедшего излучения и нахождении концентраций компонент по результатам регистрации, отличающийся тем, что формирование излучения ведут путем линейно-независимых изменений относительно долей составляющих его спектра, регистрацию интенсивности прошедшего излучения осуществляют в виде суммы интенсивностей упомянутых долей после каждого изменения спектра сформированного излучения, причем различные линейно-независимые формирования излучения осуществляют в количестве большем, чем количество анализируемых компонент.