ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/64 G01J3/42 G01J3/443 

Изобретение относится к спектральному анализу и может найти применение для качественного и количественного контроля состава пород, технологических продуктов, биологических объектов и т.п.

Типичная схема атомно-абсорбционного спектрофотометра содержит последовательно расположенные источник света, атомизатор, монохроматор и фотоприемник, выход которого через предварительный усилитель соединен с входом сигнального процессора или аналого-цифрового преобразователя. Как правило, в схеме имеется опорный канал и процессор, осуществляющий коррекцию данных (заявку ФРГ 2806145, кл. G 01 N 21/72, 1984, патенты США N 4991960, кл. G 01 N 21/72, 1991, N 5179423, кл. G 01 J 3/42, 1993 и N 4726679, кл. G 01 N 21/72, 1988 и N 4815847, кл. G 01 N 21/72, 1989).

Подобные анализаторы позволяют проводить измерения в сложных матрицах, однако характеризуются недостаточной чувствительностью.

Более высокой чувствительностью обладают флуоресцентные анализаторы, блок-схема которых аналогична вышеописанной (ЕПВ 0330183, кл. G 01 J 3/443, 1989 или патенты США 5194916, кл. G 01 J 3/443, 1993 и 4572668, G 01 J 3/443, 1986).

Однако эти приборы не дают достоверных показаний в сложных матрицах.

Известен гетеродинный анализатор, способный работать как в режиме абсорбции, так и в режиме флуоресценции (патент США N 5022757, кл. G 01 N 21/64, 1991).

Он содержит сканнер, спектральный фильтр, пространственный фильтр, детектор, полосовой фильтр, лазер с расщепителем луча и блоком сдвига частоты, сигнальный и центральный процессоры, процессор отображения и дисплей с соответствующими связями. На объект направляется два луча различной частоты, оба сигнала регистрируются. Сигнал на частоте биений используется для коррекции и определения количества вещества. Однако оптическая система и схема данного анализатора чрезвычайно сложны.

Наиболее близким к предложенному является оптико-спектральный анализатор, содержащий последовательно расположенные источник света, измерительную камеру с постоянным магнитом и атомизатором в виде горелки, монохроматор и фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, сигнальный процессор и дисплей или блок регистрации (патент США N 4718763, кл. G 01 N 21/72, 1988).

Этому прибору свойственен упомянутый выше недостаток атомно-абсорбционных анализаторов -недостаточная чувствительность. Кроме того, поскольку этот анализатор может работать только в одном режиме, его показания недостаточно достоверны. Все это сужает область возможного использования известного анализатора.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение чувствительности анализатора и достоверности его показаний, создание прибора, который обеспечивает точный количественный анализ веществ любого состава, являясь в то же время простым, недорогим и надежным.

Указанный результат достигается тем, что оптико-спектральный анализатор, содержащий последовательно расположенные источник света, атомизатор, монохроматор и фотоприемник, выход которого соединен с входом сигнального процессора, информационный выход которого соединен с входом блока регистрации, снабжен блоком управления режимом работы, сигнальный процессор выполнен с возможностью работы в режимах абсорбции, флуоресценции и/или эмиссии, а источник света выполнен импульсным и управляемым с возможностью работы в режимах абсорбции и флуоресценции, при этом первая и вторая группы выходов блока управления режимом работы соединены с управляющими входами сигнального процессора и источника света, входы питания которого подключены к управляющим выходам сигнального процессора соответственно. Рекомендуется также подключить третью группу выходов блока управления к управляющим входам монохроматора.

Кроме того, сигнальный процессор может быть выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, блока компенсации фона, импульсного генератора, распределителя импульсов, двух интеграторов, логарифмического усилителя, ключа, инвертора, трех мультиплексоров, блока вычитания, источника опорного напряжения, блока масштабирования и блока выборки-хранения, при этом вход сигнального процессора соединен с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с информационным входом блока компенсации фона, выход которого соединен с информационным входом первого интегратора, выход которого соединен с входами ключа и логарифмического усилителя, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого мультиплексора, информационные входы которого соединены с выходом источника опорного напряжения и общей шиной соответственно, выход блока вычитания подключен к информационному входу блока выборки-хранения, выход которого соединен с входом инвертора и первым информационным входом второго мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом инвертора, причем выход второго мультиплексора подключен к информационному входу второго интегратора и первому информационному входу третьего мультиплексора, второй информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго интегратора и входом блока масштабирования, выход которого подключен к информационному выходу сигнального процессора, управляющие входы которого подключены к управляющим входам мультиплексоров, ключа и второго интегратора, а выход импульсного генератора соединен с входом распределителя импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам блока выборки-хранения, блока компенсации фона и первого интегратора, а также к управляющим выходам сигнального процессора.

Целесообразно также снабдить сигнальный процессор вторым ключом и блоком коррекции, выход и информационный вход которого подключены соответственно к третьему входу блока вычитания и выходу второго ключа, информационный и управляющий входы которого соединены с выходом блока выборки-хранения и одним из управляющих входов сигнального процессора. При этом второй выход блока коррекции может быть соединен с управляющим входом распределителя импульсов.

Кроме того, сигнальный процессор может быть выполнен с двумя блоками сравнения, подключенными к выходам первого интегратора и блока коррекции.

Рекомендуется также один из выходов блока управления режимом работы подключить к управляющему входу блока масштабирования и/или блока компенсации фона.

И, наконец, блок компенсации фона может быть выполнен в виде интегратора, мультиплексора и блока вычитания, причем информационный вход блока компенсации фона соединен с первым информационным входом мультиплексора и входами интегратора и блока вычитания, выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с выходом блока компенсации фона, управляющие входы которого подключены к управляющим входам интегратора и мультиплексора.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого анализатора; на фиг. 2 схема блока компенсации фона.

Показанный на фиг. 1 анализатор содержит источники света 1 и 2, атомизатор (горелку) 3, монохроматор 4, фотоприемник (например, фотоэлектронный умножитель) 5, преобразователь 6 ток-напряжение, блок 7 компенсации фона, первый интегратор 8, первый ключ 9, логарифмический усилитель 10, блок 11 вычитания, блок 12 выборки-хранения, распределитель 13 импульсов, генератор 14 импульсов, источник 15 опорного напряжения, первый мультиплексор 16, блок 17 управления режимом работы, инвертор 18, второй мультиплексор 19, второй интегратор 20, третий мультиплексор 21, блок 22 масштабирования, блок 23 регистрации, блок 24 сравнения (перегрузка по максимуму), второй ключ 25, блок 26 коррекции и блок 27 сравнения (перегрузка по минимуму).

Источники 1 и 2 образуют управляемый источник света, который может работать в режиме абсорбции (включен источник 1), флуоресценции (включен источник 2) и эмиссии (выключены оба).

В качестве управляемого источника света может быть использован и один источник, способный изменять параметры излучения (спектр, интенсивность) или работать по меньшей мере в двух режимах без изменения параметров.

Сигнальный процессор образован элементами 6-16, 17-22, 24-27. Он выполнен с возможностью работы в режимах абсорбции, флуоресценции и эмиссии.

Преобразователь 6 может быть выполнен в виде операционного усилителя.

Выполнение блока 7 показано на фиг. 2. Он может содержать интегратор 28, блок 29 вычитания и мультиплексор 30. Последний обеспечивает отключение блока 7. В случае отсутствия мультиплексора 30 выходом блока 7 является выход блока 29.

Управляющие входы интеграторов 8,20 и 28 представляют собой управляющие шины, на которые подаются сигналы выборки (этот сигнал замыкает входной ключ интегратора, определяя таким образом время интегрирования) и/или сброса.

На второй вход блока 11 подается уменьшаемое, на остальные вычитаемые.

В качестве распределителя 13 используют стандартную микросхему (в этом случае возникает некоторая избыточность) или дешифратор, обеспечивающий требуемую временную диаграмму, вид которой однозначно определяется нижеприведенным описанием работы устройства. На выходах распределителя 13, подключенных к источникам 1 и 2, устанавливают усилители мощности, обеспечивающие запитку источников 1 и 2 импульсным током. Усилители могут быть отнесены и к источникам 1 и 2. Они могут снабжаться выходными ключами, управляемыми от блока 17. Возможно также использование одного усилителя мощности (блока импульсного питания), установленного между распределителем 13 и источниками 1 и 2, с выходным мультиплексором, управляемым от блока 17. Во всех описанных модификациях блок 17 обеспечивает включение и выключение любого из источников 1 и 2. На выходах блока 13, соединенных с управляющими входами интегратора 8 и/или интегратора блока 7, могут быть установлены управляемые формирователи импульсов, изменяющие (одновременно или раздельно) длительность (скважность) импульсов, задающих время интегрирования, под действием одного или двух сигналов, поступающих на распределитель 13 от блока 26.

Блок 17 может быть выполнен в виде клавиатуры, наборного поля, блока тумблеров и т.п. снабженных таймером для управления интегратором 20 (задания времени интегрирования и сигнала сброса).

Блок 22 выполняется в виде усилителя с изменяемым коэффициентом передачи.

В качестве блока 23 может использоваться аналоговый или цифровой вольтметр.

Вышеуказанное выполнение сигнального процессора не является единственно возможным. Например, можно воспользоваться последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором, а в качестве блока 23 использовать дисплей. Важна лишь способность сигнального процессора обеспечивать работу анализатора в двух или трех различных режимах. При этом программа работы процессора всецело определяется приведенным ниже алгоритмом, описанием работы анализатора. На выходах компараторов блоков 24 и 27 устанавливают индикаторы перегрузки.

Блок 26 может быть выполнен в виде источника постоянного напряжения, управляемого напряжением. Он может быть выполнен также в виде интегратора. Для управления длительностью выходных импульсов распределителя 13 блок 26 выполняется двухканальным (одинаковые каналы объединены по входу) или снабжается регулируемым источником напряжения, иным регулятором, воздействующим, например, на переменный резистор управляемого расширителя импульсов в распределителе 13.

Анализатор работает следующим образом.

В режиме абсорбции с помощью блока 17 включают источник 1, излучение которого поглощается атомами исследуемого вещества в атомизаторе 3. Прошедший монохроматор 4 свет регистрируется фотоприемником 5 и информационный сигнал в виде импульсов тока поступает на вход преобразователя 6.

Блок 7 предназначен для исключения из информационного сигнала постоянной составляющей фона. В принципе этого можно достичь, используя блок выборки-хранения, запоминающий уровень сигнала между информационными импульсами, и блок вычитания, уменьшающий информационный сигнал на эту величину. Однако применение интегратора 28 предпочтительно, так как позволяет снизить влияние помех.

На выходе интегратора 8, интегрирующего каждый поступающий импульс, возникает напряжение, пропорциональное вольтсекундной площади очередного импульса. Логарифм этого напряжения (ключ 9 разомкнут) с выхода усилителя 10 поступает на блок 11, где вычитается из постоянного напряжения источника 15 (5B). После фиксации величины разности блоком 12 осуществляется сброс интегратора 8. В результате выходное напряжение блока 12 изменяется только под действием информативной составляющей сигнала. Это напряжение, минуя инвертор 18, поступает на блок 22 непосредственно или через интегратор 20, обеспечивающий экспозицию в течение заданного времени. Интенсивность данной спектральной линии отображается в блоке 23.

В режиме флуоресценции работает только источник 2. При этом ключ 9 замкнут, а на вход вычитаемого блока 11 подается нулевой сигнал с общей шины. Необходимое при этом изменение знака достигается инвертором 18, выходное напряжение которого через мультиплексор 19 поступает на интегратор 20 или непосредственно на блок 22. Рекомендуется также при переходе к режиму флуоресценции в атомизаторе 3 включатель круглую горелку, что может делаться автоматически по сигналу от блока 17.

Точно также в автоматическом режиме, например, с использованием электропривода может осуществляться настройка монохроматора 4.

В режиме эмиссии отключают оба источника 1 и 2 и блок 7, подавая через мультиплексор 30 не выходной сигнал вычитателя 29, а выходной сигнал блока 7. В остальном этот режим совпадает с режимом флуоресценции (за исключением соответствующих изменения длины волны монохроматора 4, времени экспозиции и коэффициента передачи блока 22.

Настройку анализатора проводят на холостой и/или эталонной пробе. При этом в соответствующем режиме работы анализатора с помощью блока 17 замыкают ключ 25. Проще всего выполнить блок 26 в виде интегратора. При этом на выходе последнего возникает напряжение, компенсирующее входной сигнал блока 26. После размыкания ключа 25 это напряжение сохраняется, так что анализатор готов к работе в том или ином режиме. Если же блок 26 выполнен с двумя каналами и двумя выходами, то ключ 25 рекомендуется выполнить сдвоенным, с тем чтобы по соответствующим управляющим сигналам блока 17 производить раздельную подстройку напряжения на третьем входе блока 11 и длительности выходных импульсов распределителя 13.

Таким образом, предлагаемый анализатор позволяет работать в двух или трех выбранных режимах. При этом весьма существенно, что в режиме абсорбции, флуоресценции или эмиссии используются одним и те же блоки и элементы анализатора и сигнального процессора. Это позволяет не только упростить устройство, снизить его стоимость и габариты, но и обеспечивает сопоставимость результатов анализа, проведенного различными методами. Это необходимо для уточнения результатов анализа, проведенного одним из методов. Необходимость использования одновременно нескольких режимов работы возникает и при анализе объектов неопределенного состава. Например, при анализе сточных вод сначала в режиме абсорбции определяют солевой состав, влияние матрицы и в случае незначительного неселективного поглощения переходят к режиму флуоресценции. Натрий и калий лучше идентифицировать в режиме эмиссии, а при определении меди необходимо использовать как режим абсорбции, так и режим флуоресценции.

Проведение испытания показали, что в режиме абсорбции чувствительность анализатора составляет 0,02 мкг/мл, а в режиме флуоресценции 0,001 скг/мл.

Благодаря своим малым габаритам анализатор может быть выполнен переносным и использован для автоматизированного экспресс-анализа.

Использование: качественный и количественный анализ технологических и пищевых продуктов, сточных вод и биологических объектов. Сущность изобретения: источник света и сигнальный процессор анализатора выполнены с возможностью работы в режиме абсорбции, флоресценции и эмиссии. При этом сигнальный процессор выполнен аналоговым и во всех перечисленных режимах информационный сигнал проходит через одни и те же усилители, интеграторы и т.п., что позволяет не только упростить анализатор, но и обеспечить сопоставимость результатов анализа различными методами. 7 з.п. ф-лы 2 ил.

1. Оптико-спектральный анализатор, содержащий последовательно расположенные источник света, атомизатор, монохроматор и фотоприемник, выход которого соединен с входом сигнального процессора, информационный выход которого соединен с входом блока регистрации, отличающийся тем, что он снабжен блоком управления режимом работы, сигнальный процессор выполнен с возможностью работы в режимах абсорбции, флуоресценции и/или эмиссии, а источник света выполнен импульсным и управляемым с возможностью работы в режимах абсорбции и флуоресценции, при этом первая и вторая группы выходов блока управления режимом работы соединены с управляющими входами сигнального процессора и источника света, входы питания которого подключены к управляющим выходам сигнального процессора. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что третья группа выходов блока управления подключена к управляющим входам монохроматора. 3. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что сигнальный процессор выполнен в виде преобразователя ток напряжение, блока компенсации фона, импульсного генератора, распределителя импульсов, двух интеграторов, логарифмического усилителя, ключа, инвертора, трех мультиплексоров, блока вычитания, источника опорного напряжения, блока масштабирования и блока выборки-хранения, при этом вход сигнального процессора соединен с входом преобразователя ток напряжение, выход которого соединен с информационным входом блока компенсации фона, выход которого соединен с информационным входом первого интегратора, выход которого соединен с входами ключа и логарифмического усилителя, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого мультиплексора, информационные входы которого соединены с выходом источника опорного напряжения и общей шиной соответственно, выход блока вычитания подключен к информационному входу блока выборки-хранения, выход которого соединен с входом инвертора и первым информационным входом второго мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом инвертора, причем выход второго мультиплексора подключен к информационному входу второго интегратора и первому информационному входу третьего мультиплексора, второй информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго интегратора и входом блока масштабирования, выход которого подключен к информационному выходу сигнального процессора, управляющие входы которого подключены к управляющим входам мультиплексоров, ключа и второго интегратора, а выход импульсного генератора соединен с входом распределителя импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам блока выборки-хранения, блока компенсации фона и первого интегратора, а также к управляющим выходам сигнального процессора. 4. Анализатор по п.3, отличающийся тем, что сигнальный процессор снабжен вторым ключом и блоком коррекции, выход и информационный вход которого подключены соответственно к третьему входу блока вычитания и выходу второго ключа, информационный и управляющий входы которого соединены с выходом блока выборки-хранения и одним из управляющих входов сигнального процессора. 5. Анализатор по п.4, отличающийся тем, что второй выход блока коррекции подключен к управляющему входу распределителя импульсов. 6. Анализатор по п. 4, отличающийся тем, что сигнальный процессор выполнен с двумя блоками сравнения, подключенными к выходам первого интегратора и блока коррекции. 7. Анализатор по п.3, отличающийся тем, что один из выходов блока управления режимом работы подключен к управляющему входу блока масштабирования и/или блока компенсации фона. 8. Анализатор по п.3, отличающийся тем, что блок компенсации фона выполнен в виде интегратора, мультиплексора и блока вычитания, причем информационный вход блока компенсации фона соединен с первым информационным входом мультиплексора и входами интегратора и блока вычитания, выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с выходом блока компенсации фона, управляющие входы которого подключены к управляющим входам интегратора и мультиплексора.