CN103969206A - 一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：它包括设置在密闭外壳内的一微处理器、一光源、一准直凸透镜、两光学玻璃片、一机械式光开关、一耦合凸透镜、一光检测单元和一温度传感器，且密闭外壳外部具有一纵向的凹槽，该凹槽为开放式比色池。本发明采用圆柱形或方形的密闭外壳结构，内部仅集成微处理器、光源、准直凸透镜、两光学玻璃片、机械式光开关、耦合凸透镜、光检测单元和温度传感器，器件紧凑，整体结构小型化；由于密闭外壳上设置了开放式比色池，因此可以直接置于待测介质中进行原位监测。本发明可以广泛用于环境地表水、地下水、污水的实时监控，也可用于工业过程控制等领域。

Description

一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头

技术领域

本发明涉及一种水质多指标传感探头，特别是关于一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头。

背景技术

水质分析是对水资源的质量状况和变化规律进行测定和评价，为国家和各级政府开发利用、管理与保护水资源提供科学依据。水资源的质量状况通常用水质指标来描述，常用的水质指标包括水温、色度、浊度、电导率、溶解氧(DO，Dissolved Oxygen)、化学需氧量(COD，Chemical Oxygen Demand)、生化需氧量(BOD，Biochemical OxygenDemand)、总有机碳(TOC，Total Organic Carbon)、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷(TP，Total Phosphorus)等指标。我国国标法对许多水质指标的检测方法都是采用化学分析方法。例如，COD采用高锰酸盐指数或重铬酸钾法，硝酸盐氮采用酚二磺酸分光光度法或麝香草酚分光光度法等。这些化学方法能够比较准确地测量出对应的水质参数，但在测量过程中几乎都存在耗时长、所需化学试剂多、稳定性差、故障率高、使用与维护成本高以及二次污染等问题；同时，传统的化学分析方法和分析仪器大多只能测定一个水质指标，如pH计只能测定水体的pH值，而有些多指标分析仪器也是把各种检测探头简单的集成到一个系统内，无法实现真正意义的单分析探头(仪器)同时测定多个水质指标功能。

利用水体中各组成成分(包括有机物和部分无机物)对紫外-可见光的特征性吸收，建立波长吸光度与水质指标的相关关系，可以通过间接测定水体的吸收光谱来回归水质参数值，如紫外(UV)吸光度作为一项有机污染的综合指标已问世多年，许多科学工作者研究了特定波长处的紫外吸光度与有机物浓度的相关关系，获得了一系列成果。Garnett在1962年首先开发了基于紫外线吸收测定酚类污水中有机物浓度的仪器；1985年，J.K.Edzwald等人通过研究证实UV₂₅₄是TOC的一种很好的替代参数，可用于原水TOC的预测及水厂生产效果的监控。基于众多研究成果，1978年，UV法被列入日本工业标准JIS K0807，而在同一时期，欧洲也开始将其作为水厂去除有机物效果的监测指标。

当前，基于吸收光谱及数学模型回归的水质分析仪器已经有商品化成熟产品，但这些仪器存在以下一些技术缺陷：1)通常仪器基于254nm或360nm的单波长或少数波长的吸收光度进行数学回归，当待测水体水质组成成分比较单一的时候，仪器可以准确测量，但水质成分复杂的时候，单一波长吸光度与水质指标的相关性变差，仪器无法减小或消除水体中非相关干扰物质对回归水质指标的干扰，特别是浊度带来的干扰；2)仪器只包含测量光路，无法校准光源不稳定性及比色池的污染对检测结果的影响，导致仪器随着使用时间的增加，检测系统误差越来越大；3)仪器采用机柜式，里面包含复杂的流路，无法实现仪器的小型化，也无法实现水样的原位监测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有双光路结构、可小型化的基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：它包括设置在密闭外壳内的一微处理器、一光源、一准直凸透镜、两光学玻璃片、一机械式光开关、一耦合凸透镜、一光检测单元和一温度传感器，且所述密闭外壳外部具有一纵向的凹槽，所述凹槽为开放式比色池；所述光源设置在所述密闭外壳的一端，所述光源的出射光路上设置所述准直凸透镜；所述准直凸透镜后的所述密闭外壳内对称设置两个通路，其中第一通路经过所述开放式比色池，且在位于所述开放式比色池两侧的所述第一通路内各设置一所述光学玻璃片；第二通路则为密闭通道；在两个通路后方依次设置所述机械式光开关、所述耦合凸透镜和所述光检测单元；所述微处理器分别电连接并控制所述光源、机械式光开关、光检测单元和温度传感器，并通过防水电缆连接二次仪表。

所述密闭外壳为采用不锈钢或工程塑料材料制成的圆柱或方形的密闭壳体。

所述光源包括一灯源底座和一发光器件，所述灯源底座电连接所述发光器件，且所述微处理器电连接并控制所述灯源底座；所述发光器件采用氙灯、闪烁氙灯、卤素灯+氘灯或组合LED灯。

所述准直透镜和所述耦合凸透镜采用石英或蓝宝石透镜。

两个所述光学玻璃片之间的距离为吸收光程值L，L值变动范围为0.5mm～100mm。

所述机械式光开关包括一步进电机和一光电挡片，所述步进电机通过其转轴转动连接所述光电挡片，所述微处理器电连接并控制所述步进电机。

所述光检测单元包括一传导光纤和一光谱传感器，且所述传导光纤的探头位于所述耦合凸透镜的焦平面上，所述微处理器电连接并控制所述光谱传感器。

所述传导光纤采用石英，所述光谱传感器测定的波长范围为190nm～730nm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用紫外-可见全光谱的复合光作为光源，并采用光谱传感器作为光强测量器件，不但可以快速测定待测介质中的紫外-可见全波段吸收光谱，而且可以抑制或消除水体中非相关干扰物质对回归水质指标的影响。2、本发明采用参考光束和测量光束相结合的双光路测定手段，由此可以提高检测系统的稳定性及准确性，即使在长时间工作的条件下，可以有效避免光源能量衰减及光学玻璃污染带来的检测系统误差。3、本发明采用圆柱形或方形的密闭外壳结构，内部仅集成微处理器、光源、准直凸透镜、两光学玻璃片、机械式光开关、耦合凸透镜、光检测单元和温度传感器，器件紧凑，整体结构小型化；由于密闭外壳上设置了开放式比色池，因此可以直接置于待测介质中进行原位监测。本发明可以广泛用于环境地表水、地下水、污水的实时监控，也可用于工业过程控制等领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的工作流程示意图

图3是应用本发明测定特定水样的吸收光谱部分曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括设置在密闭外壳1内的一微处理器2、一光源3、一准直凸透镜4、两光学玻璃片5、一机械式光开关6、一耦合凸透镜7、一光检测单元8和一温度传感器9，且密闭外壳1上具有一纵向的凹槽，该凹槽为开放式比色池11。

光源3设置在密闭外壳1的一端，光源3的出射光路上设置准直凸透镜4。准直凸透镜4后的密闭外壳1内对称设置两个通路，其中一个通路经过开放式比色池11，且在位于开放式比色池11两侧的该通路内各设置一光学玻璃片5；另一通路则为密闭通道。在两个通路后方依次设置机械式光开关6、耦合凸透镜7和光检测单元8。微处理器2分别电连接并控制光源3、机械式光开关6、光检测单元8和温度传感器9，并通过防水电缆连接二次仪表(图中未示出)。

上述实施例中，光源3包括一灯源底座31和一发光器件32，灯源底座31电连接发光器件32，提供稳定复合光。由于光源3可以采用单光源或组合光源，因此发光器件32可以采用氙灯、闪烁氙灯、卤素灯+氘灯以及组合LED灯等。

上述实施例中，准直凸透镜4和耦合凸透镜7可以采用石英或蓝宝石透镜传输并透过紫外光。

上述实施例中，两个光学玻璃片5之间的距离为吸收光程值L，可以根据实际需求变动，以调节本发明的动态检测范围，L值变动范围为0.5mm～100mm。

上述实施例中，机械式光开关6包括一步进电机61和一光电挡片62，步进电机61通过其转轴转动连接光电挡片62，且微处理器2电连接并控制步进电机61。

上述实施例中，光检测单元8包括一传导光纤81和一光谱传感器82，且传导光纤81的探头位于耦合凸透镜7的焦平面上，微处理器2电连接并控制光谱传感器82。其中，传导光纤81可以采用石英光纤传输紫外光。光谱传感器82测定的波长范围为190nm～730nm。传导光纤81和光谱传感器82可以是一体式，也可以是分离式。

上述实施例中，密闭外壳1可以采用不锈钢或工程塑料等材料制成的圆柱或方形的密闭壳体。

如图2所示，本发明工作时：

1)将本发明浸没于待测介质(水样)中，使得开放式比色池11内充满待测介质。在微处理器2内设定本发明可以检测的吸收光谱，并进行初始化工作；

2)对光源3、步进电机61、光谱传感器81、温度传感器9进行状态检测，并判断本发明是否处于正常工作状态。若光源3、步进电机61、光谱传感器81、温度传感器9中任意一个部件出现故障，即处于异常工作状态，则将数据传送给微处理器2，微处理器2自动报错，并终止测量流程；若处于正常工作的状态，则进入下一步；

3)通过微处理器2启动温度传感器9，温度传感器9将测量的待测介质温度传送给微处理器2，微处理器2判断其测量温度是否超过本发明可以检测的待测介质温度范围，若超过待测介质温度范围，则微处理器2自动报错，并终止测量流程；若未超过待测介质温度范围，则进入下一步；

4)微处理器2控制灯源底座31通电，灯源底座31带电后连通发光器件32，发光器件32发出含紫外-可见全光谱的复合光，复合光经设置在其出射光路上的准直凸透镜4后转换为准平行光束；准平行光束通过其光路上对称设置的两个通路后分为测量光束和参考光束，且测量光束所在的通路为密闭外壳1设置有开放式比色池11的一侧；测量光束透射所在通路上设置的开放式比色池11一端的光学玻璃片5后，进入开放式比色池11内的待测介质；测量光束被待测介质中的特征物质吸收，吸收后的测量光束发射到另一光学玻璃片5上；微处理器2控制步进电机61运转，步进电机61驱动光电挡片62转动，光电挡片62阻挡测量光束透射耦合凸透镜7，使透射耦合凸透镜7的光束为参考光束；参考光束经过耦合凸透镜7聚焦并耦合后进入传导光纤81，经过传导光纤81后传导进入光谱传感器82；

5)同理，微处理器2控制步进电机61运转，步进电机61驱动光电挡片62转动，光电挡片62阻挡参考光束透射耦合凸透镜7，使透射耦合凸透镜7的光束为测量光束；测量光束经过耦合凸透镜7聚焦并耦合后进入传导光纤81，经过传导光纤81后传导进入光谱传感器82；

6)光谱传感器82将得到的参考光束和测量光束的光强值进行标准化处理，将每一光强值一一对应转换到整数波长下的吸收光度值，并将其传送给微处理器2；

7)通过微处理器2判断所测量的吸收光度值的有效性，即吸收光度值是否超出设定的吸收光谱，若超出设定的吸收光谱，则自动报警并提示超出检测限值，返回步骤1)重新设定其可以检测的吸收光谱；若未超出设定的吸收光谱，则进入下一步；

8)微处理器2将获得的吸收光度值进行处理以获得多指标水质参数值，并判断水质参数值是否超过设定的报警限值，若超过设定的报警限值，则自动报警，并进入下一步；若未超过设定的报警限值，则进入下一步；

9)将多指标水质参数值通过防水电缆远程传输到二次仪表，以对数据进行显示、保存及分析等。

实施例：

采用设置如下的本发明对邻苯二甲酸氢钾溶液进行测量：密封外壳1采用不锈钢材料制作的圆柱式外形，其直径为43mm，长度为540mm，并在其防水电缆和开放式比色池11的位置采用密封胶密封，两个光学玻璃片5之间的距离L为30mm。光源3中灯源底座31采用高压底座，发光器件32采用闪烁氙灯，闪烁氙灯能够发出190nm～750nm的稳定连续复合光。准直凸透镜4采用石英窗片。光谱传感器82内采用凹面光栅作为分光器件，并采用线阵CCD测定光强，其光谱测定范围为190nm～730nm，分辨率为2nm。温度传感器9采用Pt100温度传感器。微处理器2控制高压底座使其上设置的闪烁氙灯产生190nm～750nm的稳定连续复合光，复合光透射过准直凸透镜4后形成直径为15mm左右的准平行光束，之后分为测量光束和参考光束，测量光束通过准直凸透镜4进入开放式比色池11并被水体中的特征物质吸收，参考光束与测量光束时序切换顺序进入耦合凸透镜7；光束经过耦合凸透镜7聚焦并耦合后进入传导光纤81，经过传导光纤81后传导进入光谱传感器82，光谱传感器82将得到的参考光束和测量光束的光强值进行标准化处理，并将每一光强值一一对应转换到整数波长下的吸收光度值，并将其传送给微处理器2。微处理器2将获得的吸收光度值进行处理以获得多指标水质参数值，并通过防水电缆将水质参数值远程传输到二次仪表，以对数据进行显示、保存及分析等。

如图3所示的应用上述设置的本发明测定的不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液的吸收光谱值部分曲线示意图中，其横坐标为吸收波长，实际范围为200～725nm；其纵坐标为标准化到1m光程的吸收光度值，实际范围为0～100m^-1。

邻苯二甲酸氢钾溶液在200～300nm之间有显著的吸收特性，即为主要吸收带；大于310nm则几乎无吸收。浓度越低的邻苯二甲酸氢钾溶液，其吸收光谱值越小；浓度越高的邻苯二甲酸氢钾溶液，其吸收光谱值越大；而在吸收峰值波长(吸收峰波长是所测溶液对复合光吸收最为敏感的波长)上，吸收光度值随浓度变化的响应最明显。在一定的邻苯二甲酸氢钾溶液浓度范围内，吸收光度值与邻苯二甲酸氢钾溶液的浓度成正比，因此可以根据邻苯二甲酸氢钾溶液的吸收光度值计算出邻苯二甲酸氢钾溶液的COD值。

当待测介质中含有不同的物质时，则可根据不同物质的吸收特性曲线，结合主成分分析法和偏最小二乘法算法，回归算出所测溶液的水质参数值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：它包括设置在密闭外壳内的一微处理器、一光源、一准直凸透镜、两光学玻璃片、一机械式光开关、一耦合凸透镜、一光检测单元和一温度传感器，且所述密闭外壳外部具有一纵向的凹槽，所述凹槽为开放式比色池；

所述光源设置在所述密闭外壳的一端，所述光源的出射光路上设置所述准直凸透镜；所述准直凸透镜后的所述密闭外壳内对称设置两个通路，其中第一通路经过所述开放式比色池，且在位于所述开放式比色池两侧的所述第一通路内各设置一所述光学玻璃片；第二通路则为密闭通道；在两个通路后方依次设置所述机械式光开关、所述耦合凸透镜和所述光检测单元；所述微处理器分别电连接并控制所述光源、机械式光开关、光检测单元和温度传感器，并通过防水电缆连接二次仪表。

2.如权利要求1所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述密闭外壳为采用不锈钢或工程塑料材料制成的圆柱或方形的密闭壳体。

3.如权利要求1所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述光源包括一灯源底座和一发光器件，所述灯源底座电连接所述发光器件，且所述微处理器电连接并控制所述灯源底座；所述发光器件采用氙灯、闪烁氙灯、卤素灯+氘灯或组合LED灯。

4.如权利要求2所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述光源包括一灯源底座和一发光器件，所述灯源底座电连接所述发光器件，且所述微处理器电连接并控制所述灯源底座；所述发光器件采用氙灯、闪烁氙灯、卤素灯+氘灯或组合LED灯。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述准直透镜和所述耦合凸透镜采用石英或蓝宝石透镜。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：两个所述光学玻璃片之间的距离为吸收光程值L，L值变动范围为0.5mm～100mm。

7.如权利要求5所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述机械式光开关包括一步进电机和一光电挡片，所述步进电机通过其转轴转动连接所述光电挡片，所述微处理器电连接并控制所述步进电机。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述光检测单元包括一传导光纤和一光谱传感器，且所述传导光纤的探头位于所述耦合凸透镜的焦平面上，所述微处理器电连接并控制所述光谱传感器。

9.如权利要求5所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述光检测单元包括一传导光纤和一光谱传感器，且所述传导光纤的探头位于所述耦合凸透镜的焦平面上，所述微处理器电连接并控制所述光谱传感器。

10.如权利要求8所述的一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标传感探头，其特征在于：所述传导光纤采用石英，所述光谱传感器测定的波长范围为190nm～730nm。