专利名称：一种基于低分辨拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油产品质量指标的测定装置。具体涉及基于低分辨拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪。
背景技术：
石油产品(包括汽油、煤油、柴油、润滑油等最终产品及石油炼制过程中各种石油馏分和中间产品)的组成与性质是检验和控制其质量的主要参数。以成品汽油与组份汽油为例，其主要质量指标参数包括馏程、辛烷值、雷诺蒸汽压、芳烃含量、烯烃含量、苯含量、硫含量等。
对于各种石油产品质量指标，目前大都采用“标准分析法”，即按照ASTM标准所规定的方法对油样进行定量分析。这类标准分析方法往往非常费时，分析设备昂贵，日常维护工作量大，维护成本高。另外，试验设备常需要设施完备的试验场地和具有较高技术水平的操作人员，工作效率低，难以满足实际生产需要。
为了克服标准分析法的局限性，许多现代分析仪器，如高效气相色谱、高效液相色谱、质谱、核磁共振、紫外和红外光谱等相继应用于石油产品分析，虽然它们对某些参数的测定精度和速度有了不同程度的提高，但在仪器成本、分析速度方面仍不能令人满意。近年来，随着化学计量学的发展，近红外光谱分析技术受到国内外广泛的重视。这类分析方法通过测取待测油样的近红外光谱数据，再基于光谱图与油品质量指标之间的函数关系来计算油品质量指标，具有分析效率高、分析速度快、样品无需预处理等优点。近红外光谱分析仪需要采用半导体二极管阵列或傅立叶变换技术来检测光谱，目前主要为国外产品，价格昂贵；同时，由于近红外吸收光谱重叠严重，目前除汽油辛烷值、柴油十六烷值等少量指标外，对很多关键质量指标的测定精度并不理想。
对于石油产品质量分析而言，拉曼光谱除了具有近红外光谱所具有的优点外，还可以获得油样中各有机物基团丰富的特征信息，如在波数1000cm-1左右出现的尖锐苯环特征峰、在波数1650cm-1左右出现的显著的烯基特征峰。这些特征峰直接反映了油样中各有机物原子基团的含量。为此，Cooper等人[1-3]依据傅立叶变换拉曼光谱仪所获取的汽油光谱数据，采用部分最小二乘估计算法建立了汽油辛烷值、蒸汽压、含氧化合物含量、芳烃含量等性质的光谱模型，并取得了理想的分析精度。然而，这些高分辨率的拉曼光谱分析仪体积庞大，价格非常昂贵。
参考文献[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，FT-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发明内容本发明的目的是提供一种成本低，体积小便于携带的基于低分辨拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪。
本发明的石油产品质量快速测定仪以低分辨拉曼光谱为基础，它主要包括激光器、样品室、微型光纤光谱仪、A/D转换器和微型计算机，所说的样品室为具有进光孔和出光孔的箱体，箱体内置有油样瓶，自油样瓶至出光孔之间设有长通滤光片和光纤输入接口，激光器发出的激发光照射至样品室中的油样瓶，从油样瓶发出的漫反射光，经长通滤光片滤去与激发光同频率的瑞利光后，再经光纤输入接口聚焦后通过光纤连接至微型光纤光谱仪，微型光纤光谱仪的输出信号连接至A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接至微型计算机。由微型计算机对A/D转换器的输出数据进行数字滤波与格式转换等预处理以获取待测油样的拉曼光谱，再基于拉曼光谱图与油品质量指标之间的函数关系来计算油样的质量指标。
上述激光器发出的激发光可从样品室的进光孔直接照射至油样瓶；为了提高测定仪的灵敏度，也可在样品室的进光孔处设置光纤输出接口，在激光器与光纤输出接口之间连接光纤，通过光纤将激光器发出的激发光照射至油样瓶。
本发明所提供的油品质量测定仪，由于激光器可采用线宽较大的中低功率半导体固态激光器，微型光纤光谱仪可采用CCD型检测器阵列，使得仪器在保证测试性能的前提下成本大大下降。另外，本发明可采用市售的固定光路、光栅分光的微型光纤光谱仪，整机系统无可动部件，抗干扰性强，稳定性好，体积小便于携带。本发明采用微型计算机对样品数据进行预处理，并实时建立拉曼光谱分析计算模型，使得测试速度大大提高，可在1～2分钟内得到待测样品一个或多个质量指标的分析结果。
本发明所提供的油品质量测定仪，适用于石油产品组成与质量指标分析，特别适用于轻质油品，如汽油、煤油、液化气等，也可用于透光性较好的其它液相产品。可分析的参数包括待测样品中某一物质的含量(如含水量、苯含量、酒类乙醇含量等)、某类物质的含量(如油品中的芳烃含量、烯烃含量、含氧化合物含量等)和其它综合指标(如汽油辛烷值、汽油雷诺蒸汽压、油品密度等)。


图1是本发明的的构成示意图；图2为本发明样品室的一种具体结构示意图；图3为本发明样品室的另一种具体结构示意图。
具体实施例方式
参照图1，本发明提供的基于低分辨拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪包括激光器1、样品室3、微型光纤光谱仪4、A/D转换器5和微型计算机6。所说的样品室3为具有进光孔A和出光孔B的箱体(见图2)，箱体内置有油样瓶9，自油样瓶9至出光孔B之间设有长通滤光片11和光纤输入接口12。样品室内存放油样的油样瓶9可用普通的光学玻璃或石英材料制成，也可用带有透光窗口的金属材料制成。为提高拉曼光谱的信噪比，可在样品室进光孔A的对壁或在整个样品室的内壁设置吸光材料10。长通滤光片11通常选用对拉曼光信号的平均传输率大于80％，而对瑞利光的衰减度大于OD5(OD5是指经长通滤光片滤光后，其光强降至原光强的10-5)的光学滤光片，以提高测定仪的精度。激光器1发出的激发光照射至样品室的油样瓶9，从油样瓶发出的漫反射光，经长通滤光片11滤去与激发光同频率的瑞利光后，再经光纤输入接口12聚焦后从出光孔B通过光纤2连接至微型光纤光谱仪4，光纤光谱仪4的输出信号连接至A/D转换器5的输入端，A/D转换器5的输出端连接至微型计算机6。
图3为样品室的另一种具体结构示意图。在样品室的进光孔A处设置光纤输出接口7，在激光器1与光纤输出接口7之间连接光纤2，采用光纤2将激光器1发出的激发光照射至油样瓶。为了滤除单色激发光以外的其它干扰光，通常在激光器1与油样瓶9之间加入窄带滤光片8。图3所示具体实例中，窄带滤光片8置于光纤输出接口7与油样瓶9之间。
本发明中，所说的激光器1可选用波长在可见光或近红外区的中低功率半导体固态激光器，如国内厂商生产的532nm中低功率半导体泵浦激光器，美国LaserPath技术公司所生产的785nm半导体固态激光器。由于上述激光器所产生的拉曼光谱处于短波近红外区，相应的微型光纤光谱仪4可采用低成本的CCD型检测器阵列。对于与CCD阵列微型光纤光谱仪配合使用的A/D转换器5也可市售，如用美国OceanOptics公司生产的ADC系列。A/D转换器5与微型计算机6可采用USB接口、RS232串行口或并行口连接；或者也可将A/D转换器5置于微型计算机6的插槽内，用电缆将A/D转换器5与微型光纤光谱仪4相连接。A/D转换器5也可与光纤光谱仪4集成于一体，如选用美国OceanOptics公司生产的A/D转换器5与光纤光谱仪4集成于一体的USB2000、HR2000系列产品。
本发明中，所说的光纤输出接口7与光纤输入接口12分别可由可调焦的石英透镜与光纤连接头构成，其中光纤连接头可采用SMA 905，ST或FC等标准，具体与所选用的微型光纤光谱仪有关。光纤输出接口7与光纤输入接口12也可市售，如美国OceanOptics公司生产的74系列。
本发明中，连接用的光纤可选用普通石英光纤。为保证通光量，宜选择直径不小于100μm的光纤。微型光纤光谱仪4可市售，如美国OceanOptics公司生产的S2000微型光纤光谱仪。
本发明所用的微型计算机6，可以是普通的台式或便携式PC机，或嵌入式计算机，或其他支持USB、RS232接口的计算设备(如可编程逻辑控制器等)。微型计算机6负责对光谱数据进行预处理与分析计算。所用分析计算软件以质量指标已知的标准油样数据库为基础，采用线性与非线性数学模型，并结合模式分类技术，实时建立产品质量指标的定量分析模型，并由待测油样的拉曼光谱直接计算得到其质量指标的光谱分析值。
本发明还可采取将激光器1、样品室3、微型光纤光谱仪4和A/D转换器5置于同一箱体中，在箱体位于样品室的顶部设置一活动顶盖，以更方便携带。
权利要求
1.一种基于低分辨拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪，其特征在于主要包括激光器(1)、样品室(3)、微型光纤光谱仪(4)、A/D转换器(5)和微型计算机(6)，所说的样品室(3)为具有进光孔(A)和出光孔(B)的箱体，箱体内置有油样瓶(9)，自油样瓶(9)至出光孔B之间设有长通滤光片(11)和光纤输入接口(12)，激光器(1)发出的激发光照射至样品室中的油样瓶(9)，从油样瓶发出的漫反射光，经长通滤光片(11)滤去与激发光同频率的瑞利光后，再经光纤输入接口(12)聚焦后通过光纤(2)连接至微型光纤光谱仪(4)，微型光纤光谱仪(4)的输出信号连接至A/D转换器(5)的输入端，A/D转换器(5)的输出端连接至微型计算机(6)。
2.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于激光器(1)为半导体固态激光器。
3.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于激光器(1)发出的激发光从样品室的进光孔(A)直接照射至油样瓶(9)；或者在样品室(3)的进光孔(A)处设置光纤输出接口(7)，在激光器(1)与光纤输出接口(7)之间连接用于将激光器(1)发出的激发光照射至油样瓶(9)的光纤(2)。
4.按权利要求1或3所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于所说的光纤输出接口(7)与光纤输入接口(12)分别由可调焦的透镜与光纤连接头构成。
5.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征是在激光器(1)与油样瓶(9)之间设置窄带滤光片(8)。
6.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于在样品室进光孔(A)的对壁或在整个样品室的内壁设置吸光材料(10)。
7.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于微型光纤光谱仪(4)采用CCD型检测器阵列。
8.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于所说的A/D转换器(5)与微型光纤光谱仪(4)集成于一体；或将A/D转换器(5)置于微型计算机(6)的插槽内。
9.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于A/D转换器(5)与微型计算机(6)采用USB接口、RS232串行口或并行口连接。
10.按权利要求1所述的基于低分辨拉曼光谱石油产品质量快速测定仪，其特征在于微型计算机(6)为普通的台式或便携式PC机，或嵌入式计算机或其他支持USB、RS 232接口的计算设备；所说的激光器(1)、样品室(3)、微型光纤光谱仪(4)和A/D转换器(5)置于同一箱体中，并在箱体位于样品室的顶部设置一活动顶盖。
全文摘要
本发明涉及石油产品质量指标的测定装置。它包括激光器、样品室、微型光纤光谱仪、A/D转换器和微型计算机，其样品室为具有进光孔和出光孔的箱体，箱内有油样瓶，自油样瓶至出光孔间设有长通滤光片和光纤输入接口，激光器发出的激发光照射至样品室的油样瓶，从油样瓶发出的漫反射光经长通滤光片滤去与激发光同频率的瑞利光后，再经光纤输入接口聚焦后通过光纤连接至微型光纤光谱仪，微型光纤光谱仪的输出信号经A/D转换器转换成数字量后连接至微型计算机。由微型计算机对A/D转换器的输出数据进行处理，获取待测油样的拉曼光谱，再基于拉曼光谱图与油品质量指标之间的函数关系来计算油样的质量指标。该测定仪具有成本低，体积小，便于携带的优点。
文档编号G01N21/63GK1584555SQ200410024918
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月1日 优先权日2004年6月1日
发明者戴连奎 申请人:浙江大学