Автоматизированный спектрометр для исследования жидких сред Российский патент 2023 года по МПК G01J3/02 G01N21/63 

Изобретение относится к приборостроению для проведения исследований параметров жидких сред методами лазерно-искровой спектроскопии (ЛИС), и может быть использовано в спектральном анализе при экологическом мониторинге естественных вод, в том числе морских, в океанологии.

Известен лазерно-искровой спектрометр с микропозиционированием (п. РФ № 95844 U1) для бесконтактного определения элементного состава естественных вод. Сущность устройства состоит в том, что оно содержит фемтосекундный лазерный комплекс, включающий генератор, лазер, систему поворотных зеркал, фокусирующую оптику, собирающую оптическую систему, полихроматор, регистрирующую камеру, персональный компьютер, и позиционирующее устройство для размещения исследуемого образца. При анализе жидких сред образец находится в прозрачной кювете.

Основным недостатком данного устройства является использование громоздкого фемтосекундного лазера не пригодного к использованию, например, в экспедиционных условиях, а также отсутствие возможности учета флуктуаций испаряемой массы от импульса к импульсу.

Известен лазерно-искровой спектрометр жидких сред для анализа текущей жидкости в реальном времени являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому (п. США № 6741345 B1). Спектрометр содержит в своем составе регистрирующий блок, мощный ND:YAG лазер с системой фокусировки луча на поверхности потока жидкости, находящейся в проточной кювете. Кювета оборудована системой ламинарной циркуляции, исключающей образование пузырьков на поверхности исследуемой жидкости. Для исключения возникновения плазменного разряда на частицах водяного аэрозоля над ламинарным потоком жидкости над кюветой установлена вентиляционная система, очищающая камеру кюветы от частиц и капель жидкости, генерированных лазерным импульсом. Излучение индуцированной в жидкости плазмы собирается системой фокусирующих линз на вход оптического волокна, по которому передается в ПЗС матрицу или фотоумножитель регистрирующего блока, представляющего собой персональный компьютер ПК.

Среди недостатков описанного в прототипе решения можно выделить сложность системы, обеспечивающей ламинарность потока жидкости; необходимость наличия системы вентиляции в проточной кювете, для исключения возникновения плазменного разряда в аэрозоле, возникающем над потоком жидкости, необходимость присутствия оператора для проведения исследования, низкую энергоэффективность устройства.

Заявляемая новая конструкция спектрометра лишена перечисленных недостатков, пригодна для работы в полевых условиях, позволяет проводить лазерно-искровой спектральный анализ жидких сред в автоматическом режиме и обеспечивает хорошую воспроизводимость измерений за счет атомизации пробы до состояния мелкодисперсного аэрозоля при помощи, например, ультразвука.

Технический результат - высокая чувствительность детектирования, обеспечивающаяся возбуждением спектрального пробоя в мелкодисперсном аэрозоле, а не в жидкости, а также автоматизация устройства и проведение измерений in-situ.

Заявляемый спектрометр для анализа жидкостей, включает выполненный на базе микрокомпьютера блок управления и анализа и содержит Wi-Fi антенну, ПЗС-матрицу, монохроматор и аккумулятор; оптический блок, снабженный ND:YAG лазером с системой оптической фокусировки; трубопровод подачи жидкости в проточную кювету, путем разъемной муфты соединенную с измерительной кюветой, при этом проточная кювета снабжена генератором аэрозоля, а измерительная кювета соединена с системой вентиляции, обеспечивающей выравнивание производительности генератора аэрозоля с производительностью системы вентиляции, кварцевым окном для введения излучения лазера и системой фокусирования индуцированного излучения на вход оптического волокна, соединенного с монохроматором блока управления и анализа.

Для повышения точности исследования состава жидкости спектрометр дополнительно может быть оборудован соединенными с микрокомпьютером датчиками температуры, например, DS18B20 либо аналогичным, солености типа 304SS и другими. Датчики могут быть установлены в отдельном блоке или непосредственно в проточной кювете.

Спектрометр может быть дополнительно оборудован блоком анализа газового состава жидкости, который через трубопровод подачи жидкости последовательно соединяется с проточной кюветой и содержит в своем составе систему душирования жидкости, систему сепарации воздуха, газоанализатор с отдельным микрокомпьютером. Дополнительный блок позволяет получить дополнительную информацию о концентрации различных газов, растворенных в исследуемой жидкости.

Спектрометр может быть реализован в нескольких вариантах выполнения, не изменяющих общую техническую схему, так, например, все блоки могут находиться в одном герметичном корпусе, или оптический блок и проточная с измерительной кюветы могут находиться в отдельных корпусах.

В качестве генератора аэрозоля может быть установлен, например, ультразвуковой генератор, например, MIRKIP YWF-01.

На фиг. приведен вариант принципиальной схемы одного из возможных вариантов заявляемого спектрометра, где 1 - WIFI антенна, 2 - Микрокомпьютер, 3 - ПЗС матрица, 4 - LiPo аккумулятор, 5 - Монохроматор, 6 - корпус, 7 - Nd:Yag лазер, 8 - Оптоволокно, 9 и 10- фокусирующие линзы, 11 - измерительная кювета, 12 - система вентиляции, 13- Трубопровод подачи жидкости, 14- Проточная кювета, 15- Генератор мелкодисперсного аэрозоля,- 16- Блок дополнительных датчиков, 17 - Жидкостный насос.

Спектрометр работает следующим образом: с персонального компьютера центра управления, через беспроводной Wi-Fi интерфейс (1) на микрокомпьютер (2) устройства отправляют исходные параметры процесса и команду начала измерений. Микрокомпьютер (2) открывает клапан, расположенный в трубопроводе (13), обеспечивающий подачу жидкости в проточную кювету (14). После этого включает генератор (15) аэрозоля и систему вентиляции (12), посылает команду на лазерный излучатель (7), который генерирует лазерный импульс, фокусируемый при помощи линзы (9) в объем мелкодисперсного аэрозоля, заполняющего измерительную кювету (11). Излучение индуцированной в жидкости плазмы собирается фокусирующей линзой (10) и передается в оптоволокно (8), по которому сигнал попадает на щель монохроматора (5), совмещенного с ПЗС матрицей (3), которая оцифровывает сигнал и передает его на микрокомпьютер (2), где происходит регистрация полученных данных, их предварительный анализ, архивирование во внутренней памяти и передача в центр управления.

Проба забортной воды забирается из кингстонов судна при помощи жидкостного насоса (17), и по трубопроводу (13) в случае установки дополнительных измерительных датчиков направляется в блок датчиков (16), содержащих как минимум датчики температуры и солености, затем в проточную кювету (14). Исследуемая жидкость при помощи генератора (15), преобразуется в аэрозоль, который втягивается в измерительную кювету (11) при помощи системы вентиляции (12), обеспечивающей выравнивание производительности генератора аэрозоля с производительностью системы вентиляции. Система вентиляции, включает, например, вентилятор, установленный в сообщающейся с измерительной кюветой трубе, снабженной регулируемой заслонкой. Вентилятор одновременно выносит из системы по трубопроводу (на фиг. не показан) избыток аэрозоля, не позволяя ему конденсироваться на оптических элементах и обеспечивает равномерность заполнения измерительной кюветы.. В прототипе система вентиляции работает на полное удаление аэрозоля, чтобы пробой происходил именно в жидкости.

За счет предложенной конструкции комплекса, обеспечивающей автоматизацию устройства и проведение измерений in-situ, использования в качестве среды измерения аэрозоль, а не поверхность воды, ND:YAG лазера, и предложенной конструкции измерительного блока из проточной и измерительной кювет, стало возможным повысить воспроизводимость измерений и уменьшить потери энергии на возбуждение плазменного разряда в образце, а использование дополнительных приборов и датчиков позволяет получить данные, необходимые для дальнейшей правильной интерпретации результатов эксперимента.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается автоматизированного спектрометра для анализа жидкостей. Спектрометр состоит из снабженного Wi-Fi антенной блока управления и анализа, оптического блока, трубопровода подачи жидкости, проточной и измерительной кюветы, соединенных разъемной муфтой. Блок управления и анализа выполнен на базе микрокомпьютера и включает ПЗС матрицу, монохроматор и аккумулятор. Оптический блок содержит ND:YAG лазер с системой оптической фокусировки. Проточная кювета содержит генератор аэрозоля. Измерительная кювета оборудована системой вентиляции, обеспечивающей выравнивание производительности генератора аэрозоля с производительностью системы вентиляции, кварцевым окном для введения излучения лазера и системой фокусирования индуцированного излучения на вход оптического волокна, соединенного с монохроматором блока управления и анализа. Технический результат заключается в повышении чувствительности детектирования и воспроизводимости результатов, а также обеспечении автоматизации измерений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автоматизированный спектрометр для анализа жидкостей, состоящий из снабженного Wi-Fi антенной блока управления и анализа, выполненного на базе микрокомпьютера, и включающего ПЗС матрицу, монохроматор и аккумулятор; оптического блока, содержащего ND:YAG лазер с системой оптической фокусировки; трубопровода подачи жидкости, проточной и измерительной кювет, соединенных разъемной муфтой, при этом проточная кювета содержит генератор аэрозоля, а измерительная - оборудована системой вентиляции, обеспечивающей выравнивание производительности генератора аэрозоля с производительностью системы вентиляции, кварцевым окном для введения излучения лазера, системой фокусирования индуцированного излучения на вход оптического волокна, соединенного с монохроматором блока управления и анализа.

2. Автоматизированный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве генератора аэрозоля установлен ультразвуковой генератор.

3. Автоматизированный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что система вентиляции выполнена в виде вентилятора, установленного в трубе, снабженной регулируемой заслонкой.

4. Автоматизированный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен датчиками температуры и солености.

5. Автоматизированный спектрометр по п.4, отличающийся тем, что датчики установлены в проточной кювете.