專利名稱：一種基于低分辨拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油產(chǎn)品質(zhì)量指標的測定裝置。具體涉及基于低分辨拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀。
背景技術：
石油產(chǎn)品(包括汽油、煤油、柴油、潤滑油等最終產(chǎn)品及石油煉制過程中各種石油餾分和中間產(chǎn)品)的組成與性質(zhì)是檢驗和控制其質(zhì)量的主要參數(shù)。以成品汽油與組份汽油為例，其主要質(zhì)量指標參數(shù)包括餾程、辛烷值、雷諾蒸汽壓、芳烴含量、烯烴含量、苯含量、硫含量等。
對于各種石油產(chǎn)品質(zhì)量指標，目前大都采用“標準分析法”，即按照ASTM標準所規(guī)定的方法對油樣進行定量分析。這類標準分析方法往往非常費時，分析設備昂貴，日常維護工作量大，維護成本高。另外，試驗設備常需要設施完備的試驗場地和具有較高技術水平的操作人員，工作效率低，難以滿足實際生產(chǎn)需要。
為了克服標準分析法的局限性，許多現(xiàn)代分析儀器，如高效氣相色譜、高效液相色譜、質(zhì)譜、核磁共振、紫外和紅外光譜等相繼應用于石油產(chǎn)品分析，雖然它們對某些參數(shù)的測定精度和速度有了不同程度的提高，但在儀器成本、分析速度方面仍不能令人滿意。近年來，隨著化學計量學的發(fā)展，近紅外光譜分析技術受到國內(nèi)外廣泛的重視。這類分析方法通過測取待測油樣的近紅外光譜數(shù)據(jù)，再基于光譜圖與油品質(zhì)量指標之間的函數(shù)關系來計算油品質(zhì)量指標，具有分析效率高、分析速度快、樣品無需預處理等優(yōu)點。近紅外光譜分析儀需要采用半導體二極管陣列或傅立葉變換技術來檢測光譜，目前主要為國外產(chǎn)品，價格昂貴；同時，由于近紅外吸收光譜重疊嚴重，目前除汽油辛烷值、柴油十六烷值等少量指標外，對很多關鍵質(zhì)量指標的測定精度并不理想。
對于石油產(chǎn)品質(zhì)量分析而言，拉曼光譜除了具有近紅外光譜所具有的優(yōu)點外，還可以獲得油樣中各有機物基團豐富的特征信息，如在波數(shù)1000cm-1左右出現(xiàn)的尖銳苯環(huán)特征峰、在波數(shù)1650cm-1左右出現(xiàn)的顯著的烯基特征峰。這些特征峰直接反映了油樣中各有機物原子基團的含量。為此，Cooper等人[1-3]依據(jù)傅立葉變換拉曼光譜儀所獲取的汽油光譜數(shù)據(jù)，采用部分最小二乘估計算法建立了汽油辛烷值、蒸汽壓、含氧化合物含量、芳烴含量等性質(zhì)的光譜模型，并取得了理想的分析精度。然而，這些高分辨率的拉曼光譜分析儀體積龐大，價格非常昂貴。
參考文獻[1]Cooper，J.B.et al.Determination of octane number and Reid vapor pressure of commercialpetroleum fuels using FT-Raman spectroscopy and partial least-squares regression analysis.
Analytical Chemistry，1995，674096-4100[2]Cooper，J.B.et al.Determination of weight percent oxygen in commercial gasolineAcomparison between FT-Raman，F(xiàn)T-IR，and dispersive near-IR spectroscopies.AppliedSpectroscopy，1996，50(7)917-721[3]Cooper，J.B.et al.Comparison of near-IR，Raman，and mid-IR spectroscopies for thedetermination of BTEX in petroleum fuels.Applied Spectroscopy，1997，51(11)1613-1620發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種成本低，體積小便于攜帶的基于低分辨拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀。
本發(fā)明的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀以低分辨拉曼光譜為基礎，它主要包括激光器、樣品室、微型光纖光譜儀、A/D轉換器和微型計算機，所說的樣品室為具有進光孔和出光孔的箱體，箱體內(nèi)置有油樣瓶，自油樣瓶至出光孔之間設有長通濾光片和光纖輸入接口，激光器發(fā)出的激發(fā)光照射至樣品室中的油樣瓶，從油樣瓶發(fā)出的漫反射光，經(jīng)長通濾光片濾去與激發(fā)光同頻率的瑞利光后，再經(jīng)光纖輸入接口聚焦后通過光纖連接至微型光纖光譜儀，微型光纖光譜儀的輸出信號連接至A/D轉換器的輸入端，A/D轉換器的輸出端連接至微型計算機。由微型計算機對A/D轉換器的輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波與格式轉換等預處理以獲取待測油樣的拉曼光譜，再基于拉曼光譜圖與油品質(zhì)量指標之間的函數(shù)關系來計算油樣的質(zhì)量指標。
上述激光器發(fā)出的激發(fā)光可從樣品室的進光孔直接照射至油樣瓶；為了提高測定儀的靈敏度，也可在樣品室的進光孔處設置光纖輸出接口，在激光器與光纖輸出接口之間連接光纖，通過光纖將激光器發(fā)出的激發(fā)光照射至油樣瓶。
本發(fā)明所提供的油品質(zhì)量測定儀，由于激光器可采用線寬較大的中低功率半導體固態(tài)激光器，微型光纖光譜儀可采用CCD型檢測器陣列，使得儀器在保證測試性能的前提下成本大大下降。另外，本發(fā)明可采用市售的固定光路、光柵分光的微型光纖光譜儀，整機系統(tǒng)無可動部件，抗干擾性強，穩(wěn)定性好，體積小便于攜帶。本發(fā)明采用微型計算機對樣品數(shù)據(jù)進行預處理，并實時建立拉曼光譜分析計算模型，使得測試速度大大提高，可在1～2分鐘內(nèi)得到待測樣品一個或多個質(zhì)量指標的分析結果。
本發(fā)明所提供的油品質(zhì)量測定儀，適用于石油產(chǎn)品組成與質(zhì)量指標分析，特別適用于輕質(zhì)油品，如汽油、煤油、液化氣等，也可用于透光性較好的其它液相產(chǎn)品?？煞治龅膮?shù)包括待測樣品中某一物質(zhì)的含量(如含水量、苯含量、酒類乙醇含量等)、某類物質(zhì)的含量(如油品中的芳烴含量、烯烴含量、含氧化合物含量等)和其它綜合指標(如汽油辛烷值、汽油雷諾蒸汽壓、油品密度等)。


圖1是本發(fā)明的的構成示意圖；圖2為本發(fā)明樣品室的一種具體結構示意圖；圖3為本發(fā)明樣品室的另一種具體結構示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明提供的基于低分辨拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀包括激光器1、樣品室3、微型光纖光譜儀4、A/D轉換器5和微型計算機6。所說的樣品室3為具有進光孔A和出光孔B的箱體(見圖2)，箱體內(nèi)置有油樣瓶9，自油樣瓶9至出光孔B之間設有長通濾光片11和光纖輸入接口12。樣品室內(nèi)存放油樣的油樣瓶9可用普通的光學玻璃或石英材料制成，也可用帶有透光窗口的金屬材料制成。為提高拉曼光譜的信噪比，可在樣品室進光孔A的對壁或在整個樣品室的內(nèi)壁設置吸光材料10。長通濾光片11通常選用對拉曼光信號的平均傳輸率大于80％，而對瑞利光的衰減度大于OD5(OD5是指經(jīng)長通濾光片濾光后，其光強降至原光強的10-5)的光學濾光片，以提高測定儀的精度。激光器1發(fā)出的激發(fā)光照射至樣品室的油樣瓶9，從油樣瓶發(fā)出的漫反射光，經(jīng)長通濾光片11濾去與激發(fā)光同頻率的瑞利光后，再經(jīng)光纖輸入接口12聚焦后從出光孔B通過光纖2連接至微型光纖光譜儀4，光纖光譜儀4的輸出信號連接至A/D轉換器5的輸入端，A/D轉換器5的輸出端連接至微型計算機6。
圖3為樣品室的另一種具體結構示意圖。在樣品室的進光孔A處設置光纖輸出接口7，在激光器1與光纖輸出接口7之間連接光纖2，采用光纖2將激光器1發(fā)出的激發(fā)光照射至油樣瓶。為了濾除單色激發(fā)光以外的其它干擾光，通常在激光器1與油樣瓶9之間加入窄帶濾光片8。圖3所示具體實例中，窄帶濾光片8置于光纖輸出接口7與油樣瓶9之間。
本發(fā)明中，所說的激光器1可選用波長在可見光或近紅外區(qū)的中低功率半導體固態(tài)激光器，如國內(nèi)廠商生產(chǎn)的532nm中低功率半導體泵浦激光器，美國LaserPath技術公司所生產(chǎn)的785nm半導體固態(tài)激光器。由于上述激光器所產(chǎn)生的拉曼光譜處于短波近紅外區(qū)，相應的微型光纖光譜儀4可采用低成本的CCD型檢測器陣列。對于與CCD陣列微型光纖光譜儀配合使用的A/D轉換器5也可市售，如用美國OceanOptics公司生產(chǎn)的ADC系列。A/D轉換器5與微型計算機6可采用USB接口、RS232串行口或并行口連接；或者也可將A/D轉換器5置于微型計算機6的插槽內(nèi)，用電纜將A/D轉換器5與微型光纖光譜儀4相連接。A/D轉換器5也可與光纖光譜儀4集成于一體，如選用美國OceanOptics公司生產(chǎn)的A/D轉換器5與光纖光譜儀4集成于一體的USB2000、HR2000系列產(chǎn)品。
本發(fā)明中，所說的光纖輸出接口7與光纖輸入接口12分別可由可調(diào)焦的石英透鏡與光纖連接頭構成，其中光纖連接頭可采用SMA 905，ST或FC等標準，具體與所選用的微型光纖光譜儀有關。光纖輸出接口7與光纖輸入接口12也可市售，如美國OceanOptics公司生產(chǎn)的74系列。
本發(fā)明中，連接用的光纖可選用普通石英光纖。為保證通光量，宜選擇直徑不小于100μm的光纖。微型光纖光譜儀4可市售，如美國OceanOptics公司生產(chǎn)的S2000微型光纖光譜儀。
本發(fā)明所用的微型計算機6，可以是普通的臺式或便攜式PC機，或嵌入式計算機，或其他支持USB、RS232接口的計算設備(如可編程邏輯控制器等)。微型計算機6負責對光譜數(shù)據(jù)進行預處理與分析計算。所用分析計算軟件以質(zhì)量指標已知的標準油樣數(shù)據(jù)庫為基礎，采用線性與非線性數(shù)學模型，并結合模式分類技術，實時建立產(chǎn)品質(zhì)量指標的定量分析模型，并由待測油樣的拉曼光譜直接計算得到其質(zhì)量指標的光譜分析值。
本發(fā)明還可采取將激光器1、樣品室3、微型光纖光譜儀4和A/D轉換器5置于同一箱體中，在箱體位于樣品室的頂部設置一活動頂蓋，以更方便攜帶。
權利要求
1.一種基于低分辨拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于主要包括激光器(1)、樣品室(3)、微型光纖光譜儀(4)、A/D轉換器(5)和微型計算機(6)，所說的樣品室(3)為具有進光孔(A)和出光孔(B)的箱體，箱體內(nèi)置有油樣瓶(9)，自油樣瓶(9)至出光孔B之間設有長通濾光片(11)和光纖輸入接口(12)，激光器(1)發(fā)出的激發(fā)光照射至樣品室中的油樣瓶(9)，從油樣瓶發(fā)出的漫反射光，經(jīng)長通濾光片(11)濾去與激發(fā)光同頻率的瑞利光后，再經(jīng)光纖輸入接口(12)聚焦后通過光纖(2)連接至微型光纖光譜儀(4)，微型光纖光譜儀(4)的輸出信號連接至A/D轉換器(5)的輸入端，A/D轉換器(5)的輸出端連接至微型計算機(6)。
2.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于激光器(1)為半導體固態(tài)激光器。
3.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于激光器(1)發(fā)出的激發(fā)光從樣品室的進光孔(A)直接照射至油樣瓶(9)；或者在樣品室(3)的進光孔(A)處設置光纖輸出接口(7)，在激光器(1)與光纖輸出接口(7)之間連接用于將激光器(1)發(fā)出的激發(fā)光照射至油樣瓶(9)的光纖(2)。
4.按權利要求1或3所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于所說的光纖輸出接口(7)與光纖輸入接口(12)分別由可調(diào)焦的透鏡與光纖連接頭構成。
5.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征是在激光器(1)與油樣瓶(9)之間設置窄帶濾光片(8)。
6.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于在樣品室進光孔(A)的對壁或在整個樣品室的內(nèi)壁設置吸光材料(10)。
7.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于微型光纖光譜儀(4)采用CCD型檢測器陣列。
8.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于所說的A/D轉換器(5)與微型光纖光譜儀(4)集成于一體；或將A/D轉換器(5)置于微型計算機(6)的插槽內(nèi)。
9.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于A/D轉換器(5)與微型計算機(6)采用USB接口、RS232串行口或并行口連接。
10.按權利要求1所述的基于低分辨拉曼光譜石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，其特征在于微型計算機(6)為普通的臺式或便攜式PC機，或嵌入式計算機或其他支持USB、RS 232接口的計算設備；所說的激光器(1)、樣品室(3)、微型光纖光譜儀(4)和A/D轉換器(5)置于同一箱體中，并在箱體位于樣品室的頂部設置一活動頂蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油產(chǎn)品質(zhì)量指標的測定裝置。它包括激光器、樣品室、微型光纖光譜儀、A/D轉換器和微型計算機，其樣品室為具有進光孔和出光孔的箱體，箱內(nèi)有油樣瓶，自油樣瓶至出光孔間設有長通濾光片和光纖輸入接口，激光器發(fā)出的激發(fā)光照射至樣品室的油樣瓶，從油樣瓶發(fā)出的漫反射光經(jīng)長通濾光片濾去與激發(fā)光同頻率的瑞利光后，再經(jīng)光纖輸入接口聚焦后通過光纖連接至微型光纖光譜儀，微型光纖光譜儀的輸出信號經(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)字量后連接至微型計算機。由微型計算機對A/D轉換器的輸出數(shù)據(jù)進行處理，獲取待測油樣的拉曼光譜，再基于拉曼光譜圖與油品質(zhì)量指標之間的函數(shù)關系來計算油樣的質(zhì)量指標。該測定儀具有成本低，體積小，便于攜帶的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/63GK1584555SQ200410024918
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月1日 優(yōu)先權日2004年6月1日
發(fā)明者戴連奎 申請人:浙江大學