吸收分析仪
阅读：655发布：2024-01-09
专利汇可以提供吸收分析仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且吸收分析仪。本 发明 涉及分析化学，具体是凭借用于测量汞 蒸汽 和苯蒸汽浓度的差分 电路 进行的 光谱 吸收分析。欲提供改善了苯分析性能的吸收分析仪，使得能确定载气中的汞和苯含量。吸收分析仪包括光学耦合的以下部件：光电探测器；分析器皿； 辐射 偏振 调制器 ；包含放电腔的光谱灯，放电腔位于磁极之间且连至放电激励装置，缓冲气体和汞位于光谱灯中；还包括：气体系统，其由气体供应管路将分析仪的 采样 端口连至分析器皿的输入端口，包括至少三个气体通道，该气体通道经由气体通道选择器将分析仪的采样端口连至分析器皿的输入端口，气体通道中的至少一个装配有从气流去除苯的装置，至少一个装配有从气流去除汞的装置，至少一个传导汞，至少一个传导苯，且至少一个传导汞和苯到不同程度。，下面是吸收分析仪专利的具体信息内容。
1.一种吸收分析仪，所述吸收分析仪包括：光学耦合部件：光电探测器；分析室；辐射偏振的调制器；以及包含放电腔的光谱灯，所述放电腔位于磁极之间且与放电激励装置连接，缓冲气体和汞被置于所述光谱灯中；以及气体系统，所述气体系统通过气体通路连接所述吸收分析仪的采样端口与所述分析室的输入端口，其中，所述气体系统包括至少三个气体通道，所述至少三个气体通道经由气体通道选择器将所述吸收分析仪的所述采样端口连接到所述分析室的所述输入端口，同时这些气体通道中的至少一个气体通道包括用于从气流去除苯的装置，至少一个气体通道包括用于从所述气流去除汞的装置，至少一个气体通道能够渗透汞，至少一个气体通道能够渗透苯，并且至少一个气体通道对于汞和苯具有不同渗透率。
2.根据权利要求1所述的吸收分析仪，其中，被置于所述光谱灯中的所述汞被富集有具有偶数中子的汞同位素，其中，所述汞同位素构成所述光谱灯中的汞的总量的不少于50％。
吸收分析仪
技术领域
背景技术
[0002] 已知原子线频率可由磁场调谐的苯吸收分析仪(1、2)，该苯吸收仪包含置于恒定磁场中的光谱汞灯、透镜、分析室、偏振调制器、单色仪以及光电探测器。偏振调制器交替地发射塞曼分量(Zeeman component)的辐射，塞曼分量中的一个与苯吸收带的局部最大值一致，并且塞曼分量中的另一个在该最大值之外。然后，塞曼分量中的一个的强度取决于苯分子的光密度和背景吸收，而另一个的强度取决于仅背景吸收的吸收率。这两个测量允许计算通过校准表达式与苯浓度有关的苯分子的光密度值。
[0003] 模拟的缺点是空气中的苯的高检测限值(1000mg/m3)，该检测限值不允许使用模拟来解决实际任务(3)，这是因为职业接触限值(Occupational Exposure Limit)为 3.2mg/m3，以及重量和电力消耗对于便携式分析仪来说太大。
[0004] 在技术本质方面最接近所提出的发明的原型是利用背景吸收的塞曼校正(4)的原子吸收汞分析仪，该原子吸收汞分析仪由置于磁极之间的光谱汞灯、辐射偏振的调制器、分析室、光电探测器以及信号处理单元构成。该方案实现差分原子吸收光谱的方法。沿着磁场线的观察允许检测塞曼三合透镜(triplet)的仅σ分量，一个σ分量处于吸收线的最大值区域并且起分析线的作用，另一个σ分量处于吸收线包络的边缘处，其中，吸收截面(absorption cross section)远远小于最大值，并且起参考线的作用。在信号处理块中，选择两个信号：第一信号在调制频率，并且第二信号在直流。第一信号与分析室中的汞原子的浓度成比例，并且第二信号与σ分量的总强度成比例。信号的进一步处理根据已知算法(5)发生在微处理器中。
发明内容
[0006] 本发明的目标在于创建一种吸收分析仪，该吸收分析仪允许确定载气中的汞和苯的含量，具有针对苯的改进分析性能(即，检测限值在工作区域的空气中低于苯的职业接触限值)。
[0007] 该目标用一种吸收分析仪来实现，该吸收分析仪包括光学耦合的以下部件：光电探测器；分析室；辐射偏振的调制器；以及包含放电腔的光谱灯，该放电腔位于磁极之间且与放电激励装置连接，缓冲气体和汞被置于光谱灯中；以及气体系统，该气体系统通过气体通路连接分析仪的采样端口与分析室的输入端口，其中，气体系统包括至少三个气体通道，该三个气体通道经由气体通道选择器将分析仪的采样端口连接到分析室的输入端口，同时这些气体通道中的至少一个包括用于从气流去除苯的装置，至少一个气体通道包括用于从气流去除汞的装置，至少一个气体通道能够渗透汞，至少一个气体通道能够渗透苯，并且至少一个气体通道具有针对汞和苯的不同渗透率。
[0008] 吸收分析仪还将汞包含在光谱灯中，该汞被富集(enrich)有具有偶数中子的汞同位素，其中，所述同位素构成光谱灯中的汞的总量的不少于50％。
[0009] 本发明的主要思想由以下内容构成。已知苯对部分分辨的振动-旋转结构(6)在 227.0nm至267.0nm的范围内具有强吸收带。光谱范围包含汞的谐振线λ＝254nm。因此，可以使用单辐射源(光谱汞灯)，并且可以使用汞谐振线λ＝254nm凭借直接塞曼效应借助于吸收光谱来确定汞和苯的浓度。为此，施加于汞灯的磁场的幅值被选择为使得汞的谐振发射线的一个σ分量被转移到汞的谐振吸收线的最大值区域中且同时处于苯吸收带的局部最大值的范围内。该分量起分析线的作用。汞发射线的另一个σ分量处于汞吸收线轮廓的斜面处且同时在苯吸收带的局部最大值之外，其中，用于这两种物质的吸收截面小于它们的最大值。
第二分量起参考线的作用。另外信号处理使用用于差分吸收光谱(5)的已知算法。来自汞和苯的信号的分离借助于两个测量来进行。在第一测量中，将样本气体直接传输到分析室中，并且所测量的信号等于来自汞和苯的信号的总和，S1＝SHg+Sbenzene。在第二测量中，借助从气流去除汞的气体过滤器，将样本气体传输到分析室中，并且所测量的信号等于气体中的苯的浓度， S2＝Sbenzene。由此，苯浓度为Cbenzene＝abenzene＊S2，并且汞浓度为CHg＝aHg＊(S1 -S2)，其中，abenzene和aHg分别是校准系数。
第二分量起参考线的作用。另外信号处理使用用于差分吸收光谱(5)的已知算法。来自汞和苯的信号的分离借助于两个测量来进行。在第一测量中，将样本气体直接传输到分析室中，并且所测量的信号等于来自汞和苯的信号的总和，S1＝SHg+Sbenzene。在第二测量中，借助从气流去除汞的气体过滤器，将样本气体传输到分析室中，并且所测量的信号等于气体中的苯的浓度， S2＝Sbenzene。由此，苯浓度为Cbenzene＝abenzene＊S2，并且汞浓度为CHg＝aHg＊(S1 -S2)，其中，abenzene和aHg分别是校准系数。
[0010] 由于差分吸收截面的增大，使得在光谱灯中的富集有同位素之一的汞可以减小用于汞和苯这两者的检测限值。表1示出了在使用不同汞同位素成分的光谱灯中在 0.51T的磁场下的汞和苯吸收的相对差分截面。
[0011] 表1
[0012]同位素成分 苯(ΔQ/Q202) 汞(ΔQ/Q202)
204Hg 0.052 0.59
202Hg 0.01 0.08
200Hg - 0.53
198Hg 0.019 0.82
196Hg 0.041 1.00
天然混合物 0.016 0.2
204Hg 0.052 0.59
202Hg 0.01 0.08
200Hg - 0.53
198Hg 0.019 0.82
196Hg 0.041 1.00
天然混合物 0.016 0.2
[0013] 因为奇数汞同位素具有位于相对于汞和苯的吸收线轮廓的最大值的两侧上的超精细分量，所以明显的是用于汞和苯的纵向几何结构(观察沿着磁场的辐射)的差分截面很小。从上面示出的数据看到，在光谱灯中的汞富集有204Hg的情况下，与具有天然汞成分的灯相比，针对汞和苯这两者的差分吸收截面大约大3倍。汞浓度不应低于 50％，否则存在差分204 198
吸收截面的减小。例如，如果汞包含50％的 Hg和50％的 Hg，则计算示出最大差分截面的值与单一同位素204Hg相比下降(drop)到1/2.5倍，并且变得接近具有针对天然成分的汞的差分截面的最大值。
附图说明
吸收截面的减小。例如，如果汞包含50％的 Hg和50％的 Hg，则计算示出最大差分截面的值与单一同位素204Hg相比下降(drop)到1/2.5倍，并且变得接近具有针对天然成分的汞的差分截面的最大值。
附图说明
[0014] 所要求发明的本质由附图来例示：
[0015] 图1是吸收分析仪的框图。
[0017] 图3是通过1借助具有吸收汞和苯的活性炭的过滤器、2借助仅吸收汞的过滤器、 3在没有过滤器的情况下直接地，将天然气传输到吸收分析仪的分析室中来确定俄罗斯天然气田之一中的天然气中的汞和苯的结果。
具体实施方式
[0018] 框图(图1)处所示的吸收分析仪由光谱灯1、放电激励装置2、磁铁3、辐射偏振调制器、分析室7、光电探测器8以及信号处理单元9构成，辐射偏振调制器由具有石英发生器5的光弹性调制器4和偏振器6构成。分析仪的气体系统包括：采样端口10；三个气体通道，这些气体通道中的一个具有从气流去除汞和苯的过滤器11，另一个直接连接到采样端口10和气体通道选择器13的气体端口中的一个，并且第三个具有从气流去除汞的过滤器12；气体通道选择器13，该气体通道选择器13将气体通道交替地连接到分析室的输入端口；以及输出系统14，该输出系统连接到分析室的输出端口。
[0020] 分析室7可以被作为具有用于馈送和去除样本气体的输入端口和输出端口的封闭体积，并且探测辐射借助于镜子的系统多次穿过该体积。在特定示例中，具有相等长度960cm的多路径分析室的使用允许仅凭借探测辐射的强度的轻微降低使测量灵敏度相对于一个路径长度40cm增加到24倍。
[0021] 磁铁以被分离器分离的两个圆盘的形式由具有高剩磁磁化的材料制成。光谱灯1 的放电腔被置于圆盘之间的间隙中。圆盘被磁化为使得一个圆盘的间隙侧是南极，并且另一个圆盘的间隙侧是北极。对于光谱灯1之外的耦合辐射，圆盘中的一个具有允许沿着磁力线朝向光轴提取辐射的孔。
[0022] (4)中详细论述了光谱灯1设计和其连接到激励发生器的方法。
[0024] 如果采样端口10处的样本气体的输入压力等于输出系统14处的出口压力(例如，等于大气压力)，则采样端口10包括灰尘过滤器和输送样本气体的通路，并且输出系统14包括提供样本气体从感兴趣点的吸入和其泵送通过分析室和输出通路的气泵 (例如，隔膜泵)。如果采样端口10处的样本气体的输入压力超过输出系统14处的出口压力，则采样端口10包括将样本气体压力降至可接受等级并提供穿过分析室7 的期望流速的减速器。输出系统14仅包含用于在样本气体已经穿过分析室之后处理样本气体的通路。
[0025] 从样本气体流去除汞和苯的过滤器11被形成为具有输入端口和输出端口的填充有颗粒形式的活性炭的体积。
[0026] 从样本气体流去除汞的过滤器12被形成为具有输入端口和输出端口的内部放置有织物浸渍的I+KI的体积。表2中呈现了这种过滤器的效率，表2示出了苯和汞的渗透率对时间的依赖关系。
[0027] 表2
[0028]
[0029] 从表2中给出的结果，得出汞吸收过滤器效率不小于99％，并且传输通过过滤器的苯的损耗不超过3％。利用这种类型的过滤器的经验已经表明它们能够长时间(至少一年)操作。
[0031] 考虑利用具有同位素204Hg的光谱灯的分析仪操作，该同位素的谐振发射线的光谱位置与汞的最大吸收线轮廓和苯的吸收带的局部最大值的光谱位置不一致。为了确定汞和苯的浓度，进行三个测量。第一测量凭借样本气体穿过具有去除汞和苯的过滤器 11的通道来进行。所得到的水平被当作汞和苯的零浓度值。第二测量凭借样本气体穿过具有仅去除汞的过滤器12的通道来进行。测量过程如下。在磁铁3的磁场中，汞的发射谐振线λ＝254nm被分成未偏移π分量和两个偏移σ分量(图2)。在沿着磁场线观察辐射光谱灯1时，分别顺时针和逆时针地通过圆偏振来观察分量σ+和σ-。以σ-分量被偏移到汞的谐振吸收线的最大值区域中且同时处于苯的吸收带的局部最大值范围内，并且由此该分量起分析线的作用的这种方式来选择磁场的幅值。汞发射线的另一个σ+分量处于汞的吸收线轮廓的斜面处且同时在苯吸收带的局部最大值之外，其中，吸收截面小于最大值。第二分量起参考线的作用。为了分离σ+和σ-分量的强度，使用光弹性调制器4和线性偏振器6。在分析室7中不存在汞原子时，σ+和σ-分量的强度几乎相等。在存在吸收原子时，σ+分量的强度随着它的光谱位置进入吸收最大值而减小，并且σ-分量的强度保持几乎相同，这是因为它处于吸收截面小于最大值的区域中。因此，存在与分析室中的原子浓度有关的调频信号Sω。为了确保选择性，信号S0用作与光电探测器8的直流成比例的归一化信号。信号Sω和S0在信号处理单元9中被分离，并且计算信号S＝Sω/S0。第二测量的结果S2通过以下关系式(5) 与信号S关联。
[0032]
[0033] 其中，b是取决于分析仪的参数的归一化常数。然后，样本气体中的苯分子的浓度Cbenzene通过简单方程与所接收信号S2关联：
[0034] Cbenzene＝abenzeneS2 (2)
[0035] 其中，abenzene＝1/ΔQbenzeneL是在校准用于苯的分析仪期间确定的校准系数，ΔQbenzene是苯分子的σ-和σ+分量的差分吸收截面，L是分析室的长度。
[0036] 第三测量在样本气体穿过没有安装过滤器的通道时进行。在使用上述算法进行的处理期间，获得分析信号S3，该分析信号S3是汞产生的分析信号SHg和苯产生的分析信号Sbenzene的总和：
[0037] S3＝SHg+Sbenzene (3)
[0038] 因为在第二测量中获得苯所产生的分析信号，所以汞的浓度CHg定义如下：
[0039] CHg＝aHg(S3-S2) (4)
[0040] 其中，aHg＝1/ΔQHgL是在校准用于汞的分析仪期间确定的校准系数，ΔQHg是汞原子的σ+和σ-分量的差分吸收截面，L是分析室的长度。
[0041] 对于具有由汞同位素204Hg富集的光谱灯的分析仪，获得以下分析特性：
[0042] 检测限值(用于空白信号的准则3σ噪声)：
[0043] ·对于苯，在1秒信号平均中为1mg/m3，并且在30秒平均中为0.2mg/m3，这低于工业区域空气中的苯浓度的职业接触限值(3.2mg/m3)。
[0044] ·对于汞，在1秒信号平均中为2ng/m3，并且在30秒平均中为0.6ng/m3，这低于周围空气中的背景水平(1-2ng/m3)。
[0045] ·所测量浓度的动态范围大约为104。
[0046] 吸收分析仪的操作通过确定俄罗斯天然气田之一中的汞和苯来演示。气体被带到从天然气去除各种杂质的分离器，并且被馈送到分析仪。图3中示出了测量结果。从所提供的数据看到，使用所开发的分析仪获得的苯浓度总计为800±10mg/m3，这与通过在采样点处针对天然气的气相色谱分析获得的数据(800mg/m3)良好吻合。
[0047] 由此，本发明允许创建一种吸收分析仪，该吸收分析仪可以用于确定低于空气中的背景水平的汞和低于职业接触限值的苯；凭借直接塞曼效应和多路径室，通过使用吸收光谱来减小苯的检测限值；由于用具有偶数中子的汞同位素来富集光谱灯中的汞而减小检测限值。
[0048] 参考文献
[0049] 1.T.Hadeishi,H.Koizumi,R.D.McLaughlin and J.E.Millaud,Tunable atomic line molecular(TALM)spectrometer,Spectrochim.Acta Part B 37(1982)501-509.[0050] 2.Hadeishi T.The,McLaughlin has the RD,the JG Conway,NH,the DR by Scott, the Selection of atomic emission lines for tunable atomic spectrometry Molecular line of benzene,Anal.Chem.55(1983),1517-1519.
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[0052] 4.Patent RU№2373522.Atomic Absorption Mercury Analyzer.
[0053] 5.A.A.Ganeev,S.E.Sholupov,M.N.Slyadnev.Zeeman modulation polarization spectroscopy as a variant of atomic absorption analysis:opportunities and limitations,J.of Analytical Chemistry,51(1996),№8,855-864.
[0054] 6.11.S.Fallya,M.Carleera,A.C.Vandaele,UV Fourier transform absorption cross sections of benzene,toluene,meta-,ortho-,and para-xylene,Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer110(2009)766–782.
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