一种多通道火焰光度检测器

技术领域

本发明涉及分析仪器技术领域，更具体地说，涉及一种多通道火焰光度检测器。

背景技术

火焰光度检测器(FPD)是气相色谱常见检测器的一种，对多种元素特别是硫、磷有较高的灵敏度和选择性。FPD根据不同元素化合物在火焰中激发不同波段特征光的原理，如含硫化合物在富氢火焰燃烧时发出394nm特征光，含磷化合物发出526nm特征光，通过选配合适的滤光片，容许特定波段光照射到光电检测器上，从而较为准确地检测出特定元素种类及其浓度。

然而，传统单通道火焰光度检测器只能检测一种元素，测试多种元素时，需要更换滤光片，不仅降低实验效率，多次拆装还可能导致仪器状态不稳定，检测结果重复性差。

在多通道FPD方面，法国Proengin公司研制的火焰光度检测器AP4C可同时检测四种元素物质。但AP4C采用轴向采光，采光透镜位于火焰气流的正前方，为避免干扰火焰形态，采光透镜与火焰尖端需要保持一定距离，由于火焰光属于球面光，其光强与距离呈指数负相关，轴向采光方式会导致光强大大损失；轴向采光还会导致火焰上部的元素特征光处于整体火焰的背景光中，噪音大、信噪比低；AP4C还使用光栅进行分光，光栅的入射狭缝最宽1mm，严重限制光通量，降低了收集效率和探测灵敏度。因此，其轴向采光的方式导致通光量较小，光强损失较大，背景噪声较大，灵敏度无法进一步提高。

在径向多通道FPD方面，申请号为201610038071X的专利申请和申请号为2020213027357的专利将径向单通道改进为在同一高度采光的双通道，可以同时检测硫、磷两种元素，但两个专利仅针对光路传播结构进行了改进，在特征光采集和滤光片通光范围上没有变化，不能从根本上提高检测器灵敏度和扩大适用元素范围。此外，两专利仅对特征光谱相互完全分离的两种元素可以做到同时检测，例如：硫、磷元素。但对于大多数元素，每种元素特征光谱范围相互重合，例如，氮元素在火焰中发光集中在380-410nm波段，这一特征光谱与硫元素的特征光谱360-425nm完全重合，砷元素特征光谱主要在400-600nm，与磷元素的特征光谱515-535nm完全重合。这种情况下使用各元素全特征光谱进行检测会导致光谱重叠，无法区分各元素含量；并且每个通道检测到的光强是多种元素发光在该通光波段的叠加，不能直接对应元素含量。同时，不同元素激发光在火焰的位置也不同，采光高度是影响检测器灵敏度的关键，硫、磷元素特征发光较强，因此在同一高度收集特征光可以满足检测器灵敏度的要求，但是对于发光强度较低的元素，通光窗口的高度对采集光强影响极大，例如氮、砷元素，它们的特征激发光强度也远低于硫、磷元素数个数量级，如果不能提高检测器灵敏度，很难进行有效检测。因此，已报道的专利对于通光窗口的采光高度对仪器灵敏度的重要性的忽视以及对氮、砷发射光谱的选择不合理，导致不能检测这两种元素。因此，现有专利技术只适用于硫、磷元素，无法满足更多种元素的同时检测。对特征发光微弱元素进行高灵敏度检测和对各元素信号分离是当前技术的主要挑战和难点。

发明内容

根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种多通道火焰光度检测器。本发明提出了一种高灵敏度、高信噪比多通道火焰光度检测器，具有四通道结构，可以对硫、磷、氮、砷四种元素同时检测。采用径向采光结构，采光透镜可以紧贴火焰，不易干扰火焰形态，光学结构紧凑，极大缩短光程，减小光损耗；同时，特征光谱的背景只包含火焰上部发光，火焰背景干净，噪音小；通过滤光片滤光，可将通过滤光片的特定波段光波全部接收，光通量远大于光栅分光，灵敏度更高，可以测得特征发光微弱的氮、磷元素。根据每种元素在火焰中的发光位置采用不同的采光高度，提高灵敏度，不仅能够测得特征发光强度较大的硫、磷元素，对发光强度弱的氮、砷也有较为灵敏的响应。对滤光片通光波段进行优化设计，采集每种元素的部分特征光谱，减少了四种光谱重叠带来的干扰，提高同时检测时对四种元素的分离能力。采用信号采集运算电路构建分离定量算法，通过解析四元方程组，能有效将各元素含量从每个通道的信号总值中分离出来。

本发明采用的技术手段如下：

一种多通道火焰光度检测器，包括：燃烧室、多个通光窗口、光电探测器以及信号采集运算电路；所述燃烧室内设有供火焰燃烧的燃烧腔；所述多个通光窗口径向分布于燃烧室内壁，所述通光窗口的轴向一端延伸到所述燃烧室的内壁形成通孔，另一端延伸到所述光电探测器；每个通光窗口内均设置有第一凸透镜、滤光片以及第二凸透镜；

所述第一凸透镜、滤光片以及第二凸透镜由靠近所述燃烧室的一端向远离所述燃烧室的一端依次设置在所述通光窗口内；所述第一凸透镜、滤光片以及第二凸透镜的轴线与所述通光窗口轴线平行，大小与所述通光窗口相匹配；所述光电探测器设置在所述通光窗口远离所述燃烧室的一端，光敏面靠近所述第二凸透镜；

所述信号采集运算电路连接在光电探测器远离光敏面端；

所述多个通光窗口分别用于检测硫、磷、氮、砷四种元素，每个通光窗口轴向延长线到火焰喷嘴顶端的采光高度不同。

进一步地，所述多个通光窗口的采光高度范围为7-15mm，检测硫元素的通光窗口采光高度为h1，氮元素的通光窗口采光高度为h2，磷元素为h3，砷元素为h4。

更进一步地，所述第一凸透镜用于将火焰光转化为平行光。

进一步地，所述滤光片用于过滤光线，硫通道滤光片的通光波长范围为345-365至420-435nm，磷通道滤光片的通光波长范围为490-510至535-560nm，在砷通道滤光片的通光波长范围为350-395至650-700nm，在氮通道滤光片的通光波长范围为755-765至785-795nm。

更进一步地，所述第二凸透镜用于汇聚通过滤光片的光线，以能够在光电探测器形成直径7-11mm的光斑；所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，传输给信号采集运算电路；

所述信号采集运算电路用于计算各元素的含量，搭载分离定量算法，将四个通道的电信号构建为四元方程进行解析。

更进一步地，检测硫元素的通光窗口采光高度h1为8.9-11.2mm，氮元素h2为9.3-12.3mm，磷元素h3为10.1-13.9mm，砷元素h4为11.5-14.5mm。

更进一步地，所述多个通光窗口作为一个光通道，内径10-30mm，径向截面为圆形，通道的轴线延长线经过该通道待测元素在火焰中发光位置以最大化的接受待测元素的火焰光。

进一步地，所述第一凸透镜形成的焦点为该通道待测元素在火焰中发光位置。

更进一步地，所述光电探测器与第二凸透镜的距离小于第二凸透镜的焦距，使得通过第二凸透镜的光线能够在光电探测器上形成光斑，光斑面积与光电探测器光敏面积匹配。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有径向四通道结构。实现了对硫、磷、氮、砷四种元素同时检测。解决了现有技术检测两种以上元素需要拆装设备和更换滤光片的问题，避免拆装设备导致的重复性不佳的问题，并提高了检测效率。

2、本发明采用径向采光和滤光片滤光的结构。径向采光光程短，光损失小；火焰背景噪声少，信噪比高，滤光片滤光光通量大，灵敏度高。解决了现有法国AP4C轴向采光和光栅分光的局限性。

3、本发明四通道具有不同的采光高度。找到了影响多通道FPD各元素灵敏度的关键因素，对每种元素采光高度进行优化，对特征光微弱，较难测得的氮、砷元素也有较好的响应。将径向多通道FPD的检测范围从氮、磷扩展到氮、砷元素，从而实现同时对四种元素的高灵敏度检测。

4、本发明对多元素光信号精确分离定量。对滤光片通光波段进行优化设计，减少了光谱重叠，提高对四种元素信号的分离能力。同时配合化学计量学上的分离定量算法，通过数学手段处理信号，准确分离计算各元素含量，实现对四种元素物质的定量检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种多通道火焰光度检测器的主体结构俯视示意图。

图2为本发明一种多通道火焰光度检测器主体结构侧视示意图。

图中：1为燃烧室，2为通光窗口，3为第一凸透镜，4为滤光片，5为第二凸透镜，6为光电探测器，7为信号采集运算电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-2所示，本发明提供了一种多通道火焰光度检测器，包括：

燃烧室1、多个通光窗口2、光电探测器6以及信号采集运算电路7；所述燃烧室1内设有供火焰燃烧的燃烧腔；所述多个通光窗口2径向分布于燃烧室1内壁，所述通光窗口2的轴向一端延伸到所述燃烧室1的内壁形成通孔，另一端延伸到所述光电探测器6；

每个通光窗口2内均设置有第一凸透镜3、滤光片4以及第二凸透镜5；

所述第一凸透镜3、滤光片4以及第二凸透镜5由靠近所述燃烧室1的一端向远离所述燃烧室1的一端依次设置在所述通光窗口2内；所述第一凸透镜3、滤光片4以及第二凸透镜5的轴线与所述通光窗口2轴线平行，大小与所述通光窗口2相匹配；所述光电探测器6设置在所述通光窗口2远离所述燃烧室1的一端，光敏面靠近所述第二凸透镜5；

所述信号采集运算电路7连接在光电探测器6远离光敏面端；

所述多个通光窗口2分别用于检测硫、磷、氮、砷四种元素，每个通光窗口2轴向延长线到火焰喷嘴顶端的采光高度不同。

作为一种优选的实施方式，所述多个通光窗口2的采光高度范围为7-15mm，检测硫元素的通光窗口2采光高度为h1，氮元素的通光窗口2采光高度为h2，磷元素为h3，砷元素为h4。

作为一种优选的实施方式，所述第一凸透镜3用于将火焰光转化为平行光。

作为一种优选的实施方式，在本申请中，所述滤光片4用于过滤光线，硫通道滤光片的通光波长范围为345-365至420-435nm，磷通道滤光片的通光波长范围为490-510至535-560nm，在砷通道滤光片的通光波长范围为350-395至650-700nm，在氮通道滤光片的通光波长范围为755-765至785-795nm。

作为一种优选的实施方式，所述第二凸透镜5用于汇聚通过滤光片4的光线，以能够在光电探测器6形成直径7-11mm的光斑；所述光电探测器6用于将光信号转化为电信号，传输给信号采集运算电路7；所述信号采集运算电路7用于计算各元素的含量，搭载分离定量算法，将四个通道的电信号构建为四元方程进行解析。

作为一种优选的实施方式，检测硫元素的通光窗口2采光高度h1为8.9-11.2mm，氮元素h2为9.3-12.3mm，磷元素h3为10.1-13.9mm，砷元素h4为11.5-14.5mm。

作为一种优选的实施方式，所述多个通光窗口2作为一个光通道，内径10-30mm，径向截面为圆形，通道的轴线延长线经过该通道待测元素在火焰中发光位置以最大化的接受待测元素的火焰光。所述第一凸透镜3形成的焦点为该通道待测元素在火焰中发光位置。

优选的实施方式中，所述光电探测器6与第二凸透镜5的距离小于第二凸透镜5的焦距，使得通过第二凸透镜5的光线能够在光电探测器6上形成光斑，光斑面积与光电探测器6光敏面积匹配。

实施例1

一种多通道火焰光度检测器，四通道通光窗口轴向延长线到火焰喷嘴顶端的采光高度不同，检测硫元素的通光窗口采光高度为9.8mm，氮元素为10.6mm，磷元素为12.5mm，砷元素为13.8mm。每个通光窗口内径为15mm，内装有第一凸透镜、滤光片、第二凸透镜，第一凸透镜为双凸透镜；滤光片为带通滤光片，在硫通道滤光片的通光波长范围为355至420nm，在磷通道滤光片的通光波长范围为510至560nm，在砷通道滤光片的通光波长范围为360至660nm，在氮通道滤光片的通光波长范围为765至795nm；第二凸透镜为双凸透镜。光电探测器为紫外增敏PD，光电探测器第二凸透镜的距离为8mm，第二凸透镜的焦距为15mm，光斑直径为9mm与光电探测器光敏面直径相同。

将本实施例提供的多通道火焰光度检测器安装在到气相色谱仪(岛津GC-2010)上，气相色谱条件：色谱柱(ID 0.32mm，30m)；载气N

实验结果：

对硫元素的检测限达到0.4mg/m

实施例2

如实施例1所述的多通道火焰光度检测器，其区别在于：所述检测硫元素的通光窗口采光高度为10.8mm，氮元素为11.2mm，磷元素为12.9mm，砷元素为13.4mm。在硫通道滤光片的通光波长范围为345至420nm，在磷通道滤光片的通光波长范围为500至540nm，在砷通道滤光片的通光波长范围为425至600nm，在氮通道滤光片的通光波长范围为760至790nm。火焰光度检测器条件：氢气流速为60ml/min，空气流速为130ml/min。光电探测器为光电倍增管。

实验结果：

对硫元素的检测限达到0.46mg/m

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。