Thiết bị phân tích quang phổ Fourier Yokogawa NR800 (vùng gần tia hồng ngoại kiểu ánh xạ)

Thiết bị phân tích quang phổ Fourier Yokogawa NR800

Yokogawa NR800 là máy phân tích FT-NIR cung cấp độ tin cậy và độ ổn định vô song cho một loạt các quy trình và ứng dụng trong phòng thí nghiệm của Yokogawa. Độ phân giải bước sóng cao, độ chính xác vượt trội và phạm vi quét rộng mang đến một cấp độ thông tin quy trình mới, mở ra những khả năng mới. Cũng có thể chuyển trực tiếp mô hình hiệu chuẩn từ phòng thí nghiệm đến quá trình hoặc giữa các quá trình. Và tất nhiên, tính dễ vận hành và phần mềm thân thiện với người dùng là những khái niệm thiết kế chính của NR800.

NR800 FT-NIR của Yokogawa dựa trên hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển trong các hệ thống máy phân tích, đặc biệt là máy đo phổ và thiết bị cảm biến, và kinh nghiệm ứng dụng có được với tư cách là nhà cung cấp hàng đầu về hệ thống đo lường và điều khiển quá trình.

GIỚI THIỆU

Hình 1 Cấu hình hệ thống NR800

Trong những năm gần đây, phân tích quang phổ cận hồng ngoại đã thu hút rất nhiều sự chú ý như một phương pháp đo lường để giám sát trực tuyến và kiểm soát chất lượng trong các ngành công nghiệp khác nhau, và đã được đưa vào giai đoạn thương mại hóa ¹ . Chúng tôi đã phát hành NR500, FT-NIR đầu tiên do Nhật Bản sản xuất để sử dụng trong quy trình, để đáp ứng xu hướng này. Tuy nhiên, khi phép phân tích quang phổ cận hồng ngoại có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng hơn, nhu cầu về độ phân giải cao hơn và dải bước sóng rộng hơn đã tăng lên, đặc biệt, đối với dải từ 2 đến 2,5 μm vùng có thể đo các âm kết hợp. Phép đo độ phân giải cao cải thiện khả năng phân tách phổ, giúp tạo ra các mô hình hiệu chuẩn dễ dàng hơn và cho phép độ chính xác của phép đo cao hơn. Việc đo dải âm kết hợp sẽ cung cấp nhiều ứng dụng hơn cho máy quang phổ, chẳng hạn như đo giá trị OH. Để đáp ứng những nhu cầu này, chúng tôi đã phát triển máy phân tích quang phổ cận hồng ngoại InfraSpec NR800. NR800 kế thừa các tính năng khác nhau của NR500, cũng như đạt được độ phân giải cao và đo bước sóng rộng đã đề cập ở trên. Bài báo này báo cáo cụ thể về các tính năng và công nghệ của NR800.

 

Hình 2 Cấu tạo máy đo phổ

TÍNH NĂNG VÀ CẤU HÌNH HỆ THỐNG

Hình 3 Cấu trúc của bộ phận gương chuyển động

Đặc trưng

1. Dải đo của 0,9-2,5 μ m cho Bước sóng
   này bao gồm sự kết hợp giai điệu vùng 2,0-2,5 μ m mà sẽ mở ra cánh cửa cho một số lượng lớn các ứng dụng, chẳng hạn như việc đo lường các giá trị OH.
2. Độ phân giải bước sóng cao 4 cm ^-1
   Điều này đã được thực hiện nhờ sự phát triển của một bộ truyền động mới. Độ phân giải có thể lựa chọn từ 4 cm ^-1 đến 64 cm ^-1 .
3. Phép đo đa kênh
   Chùm tia được tách ra tại giao thoa kế và nó cho phép kết nối tới bốn đầu dò và ô đo tương ứng. Không cần chuyển mạch cơ học, máy phân tích có thể đo đồng thời tối đa bốn kênh.
4. Chuyển mạch dòng
   NR800 cho phép chuyển đổi các dòng và mẫu đo tương ứng với từng đường dẫn, do đó NR800 có thể được áp dụng cho các đơn vị lấy mẫu và phép đo đa dạng.
5. Phép đo nhiều thành phần
   Máy phân tích có thể chứa tối đa 64 mô hình hiệu chuẩn và có thể đo đồng thời tới 12 thành phần trên mỗi luồng.
6. Phát hiện ngoại lệ
   Điều này cho phép NR800 xác định và cung cấp cảnh báo về các giá trị ngoại lệ dựa trên khoảng cách Mahalanobis và RMSSR (Gốc của phần dư trung bình tổng bình phương), khi các giá trị đo được nhận dạng là nằm ngoài tổng thể lấy mẫu được sử dụng để tạo mô hình hiệu chuẩn.
7. Cấu trúc sợi đơn và sợi kép
   Để loại bỏ ảnh hưởng của các biến động môi trường chẳng hạn như nhiệt độ, mẫu NR500 trước đây đã sử dụng cấu trúc sợi kép với hai sợi (để lấy mẫu và tham chiếu) song song. Tuy nhiên, vì một số ứng dụng không yêu cầu mức độ chính xác đó, NR800 cung cấp cấu trúc sợi đơn tùy chọn với sợi tham chiếu được cài đặt bên trong máy phân tích.
8. Cấu trúc chống cháy nổ
   Điều này được yêu cầu khi máy phân tích được lắp đặt trong khu vực nguy hiểm như nhà máy lọc dầu và hóa chất. Có sẵn mẫu chống cháy nổ NR800 tùy chọn. Hơn nữa, vì điểm đo và máy phân tích được kết nối bằng cáp quang, nên cũng có thể chỉ lắp đặt các đơn vị lấy mẫu với các ô đo trong khu vực nguy hiểm và lắp đặt máy phân tích ở khu vực không nguy hiểm.
9. Tự chẩn đoán
   Các chức năng tự chẩn đoán khác nhau có sẵn trong NR800 chẳng hạn như giám sát cháy nguồn và thời gian tồn tại của laser HeNe (helium-neon).
10. Mô hình phòng thí nghiệm Các
    phép đo ngoại tuyến để kiểm soát chất lượng và tạo mô hình thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc các môi trường khác. Với mục đích này, có sẵn mô hình phòng thí nghiệm sử dụng giao thoa kế giống như mô hình quá trình.

a. Không có Kiểm soát rung chung	b. Với kiểm soát rung chung
Hình 4 Đặc điểm vòng hở của Bộ gương chuyển động

Cấu hình hệ thông

Hình 1 cho thấy cấu hình hệ thống của NR800. Chùm đo từ NR800 đi qua cáp quang được hấp thụ một phần bởi mẫu tại ô đo hoặc đầu dò, sau đó quay trở lại NR800. Phổ hấp thụ của mẫu thu được bằng cách biến đổi tín hiệu của chùm tia hấp thụ với phép biến đổi Fourier. Các giá trị đo được tính toán bằng cách áp dụng mô hình hiệu chuẩn cho các phổ đó. Đầu ra đo được cung cấp bởi đơn vị I / O tùy chọn (dây cứng) hoặc bằng giao tiếp MODBUS qua RS422.

Các giá trị đo cũng có thể được truy xuất dưới dạng tín hiệu tương tự bằng cách kết nối một đơn vị I / O đặc biệt.

CẤU HÌNH VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA SPECTROMETER

Hình 5 Đáp ứng cảm biến quang phổ của điốt quang

Hình 2 cho thấy cấu hình của máy quang phổ. Giống như NR500, quang phổ kế áp dụng kỹ thuật quang phổ biến đổi Fourier. Chùm tia giao thoa từ giao thoa kế được đưa vào mẫu và phát hiện chùm tia hấp thụ bằng một máy dò. Tín hiệu tương tự được phát hiện này được chuyển đổi thành tín hiệu số, và sau đó áp dụng phép biến đổi Fourier cho chúng để thu được phổ hấp thụ fs mẫu. Với kỹ thuật quang phổ biến đổi Fourier, độ phân giải bước sóng được xác định bởi khoảng cách di chuyển của gương chuyển động. Để đạt được độ phân giải cao với NR800, chúng tôi đã phát triển một gương chuyển động với lò xo kép song song cho phép di chuyển đủ khoảng cách mà vẫn duy trì độ bền và chống rung. Chúng tôi cũng đã phát triển một máy dò ảnh InGaAs (indium gallium arsenide) có thể đo quang phổ trong dải bước sóng rộng với tỷ lệ S / N (tín hiệu trên nhiễu) cao. Ngoài ra, chúng tôi đã sử dụng bộ chuyển đổi A / D độ lợi kép và tự động chuyển mạch độ lợi mạch để đạt được phép đo phổ với tỷ lệ S / N cao hơn cho các mẫu hấp thụ vượt trội.

Đơn vị gương di chuyển

Hình 3 mô tả cấu trúc của bộ phận gương chuyển động. Lò xo lá bố trí song song dùng làm giá đỡ cho khối. Lò xo lá song song có độ cứng cao theo các hướng mà gương không phải di chuyển và chống lại lực xoắn, và bộ phận này có độ bền vượt trội do có thiết kế không có các bộ phận trượt. Hơn nữa, để đảm bảo lượng hành trình thích hợp, người ta sử dụng hai cặp lò xo song song (lò xo bên ngoài và bên trong hình 3). Điều này cho phép các lò xo loại bỏ mọi chuyển động thẳng đứng do chuyển động của gương. Để giảm cộng hưởng tạo ra tại khớp của hai cặp, NR800 phát hiện vị trí của gương và khớp chuyển động và điều khiển gương dựa trên vị trí để tốc độ rung của các tần số liên quan đến cộng hưởng trở thành 0.

Hình 6 Bộ chuyển đổi A / D tăng ích kép

Điốt quang InGaAs ³

Hình 7 Ví dụ về kết quả đo

Diode quang InGaAs mới được phát triển cung cấp phạm vi phát hiện bước sóng rộng với dòng điện tối cực thấp. Nó có thể bao phủ phạm vi từ 2,0 đến 2,5 μ m, điều này không thể thực hiện được với các điốt quang thông thường. Hình 5 cho thấy các đặc tính đáp ứng của điốt quang lên đến bước sóng 2,5 μ m.

Bộ chuyển đổi A / D độ lợi kép và Tự động chuyển mạch Độ lợi mạch

Các tín hiệu giao thoa được xử lý bằng kỹ thuật quang phổ biến đổi Fourier có đặc điểm là tăng kích thước khi khoảng cách từ nửa gương đến gương chuyển động và gương cố định của giao thoa kế bằng nhau (chùm trung tâm). Do đó, việc thay đổi độ lợi mạch giữa điểm bùng nổ trung tâm và khu vực xung quanh của nó cho phép đo các tín hiệu xung quanh điểm bùng nổ trung tâm với tỷ lệ S / N cao hơn. Để tận dụng điều này, chúng tôi đã sử dụng hệ số khuếch đại kép cho bộ chuyển đổi A / D như thể hiện trong Hình 6 để đạt được phép đo tỷ số S / N cao hơn. Phép đo tỷ số S / N cao cũng được thực hiện để đo các mẫu có độ hấp thụ cao bằng cách chuyển mạch khuếch đại tự động và thích hợp tùy thuộc vào khối lượng tín hiệu.

VÍ DỤ ĐO LƯỜNG

Hình 7 cho thấy một ví dụ về kết quả đo của toluen với NR800. Nó chứng tỏ rằng phạm vi mới được thêm vào từ 4000 đến 5000 cm ^-1 đã được đo rõ ràng.

PHẦN KẾT LUẬN

Chúng tôi đã cải thiện thành công hiệu suất cơ bản của NR800 về phạm vi bước sóng đo, độ phân giải và tỷ lệ S / N, cũng như nâng cấp chuyển đổi đường dẫn dòng và các chức năng khác trong khi kết hợp các tính năng như vậy của NR500 để dễ sử dụng cho các quy trình và độ tin cậy. Chúng tôi tin rằng NR800 sẽ hữu ích cho một số lượng lớn các ứng dụng.

NGƯỜI GIỚI THIỆU

1. Ozaki Yukihiro, “Quang phổ hồng ngoại gần”, IPC, 1998, 356 trang, (tiếng Nhật)
2. Onimura Kuniharu, “Máy phân tích cận hồng ngoại InfraSpec NR500”, Báo cáo kỹ thuật của Yokogawa, số. 22, 1996, trang 9-14
3. Wada Morio, “Bộ tách sóng quang cho bản sao quang phổ hồng ngoại gần”, Báo cáo kỹ thuật Yokogawa, số. 22, 1996, trang 5-8
4. Umezawa T., Kudo T., Wada M., et al., “Điốt quang InGaAs pIn dòng điện tối thấp với dải bước sóng cảm biến rộng từ 1 đến 2,5 μ mm cho phổ SNR FT-NIR cao-copy”, CLED / Pacific Rim 2001 ; Hội nghị Vành đai Thái Bình Dương lần thứ 4 về Laser và Điện quang, tháng 7 năm 2001

• Tên sản phẩm và các tên khác xuất hiện trong tài liệu này là nhãn hiệu hoặc nhãn hiệu đã đăng ký của chủ sở hữu tương ứng.