CN105004701B - 一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪及其使用方法，属于环境监测和水处理领域。它包括光路部分，检测部分，还包括校准部分，其中，恒流源电路与深紫外LED电路连接；直线步进电机上设有传动杆传动杆上设有固定框架，固定框架内设有两个荧光滤光片；恒流源电路、直线步进电机和放大电路均与所述的微处理器连接，微处理器将处理后的信号分别发送给存储器、液晶显示器和ZIGBEE模块，ZIGBEE模块与上位机PC连接；校准池与比色皿连通的管道上设有微型电磁阀II，微型电磁阀II和微型电磁阀III均与微处理器连接，校准池的下侧设有一微型电磁阀III。它能够实现对水体中蛋白类和腐殖质类物质进行在线监测。

Description

一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及环境监测和水处理领域，尤其涉及一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪及其使用方法。

背景技术

自然水体中的溶解性有机物，特别是腐殖质类和蛋白类等物质，参与光化学反应、污染物迁移转化、微生物活动和碳循环等地球生物化学过程。在饮用水和污水处理过程中，溶解性有机物是主要的去除对象，特别是在饮用水处理过程中，腐殖质类和蛋白类物质是氯化消毒工艺中重要的消毒副产物前驱体，影响输送管道中细菌的滋生。溶解性有机物的组成和性质，对活性污泥、混凝、膜过滤、高级氧化、吸附与离子交换等工艺的处理效果均具有重要影响。由于水质波动，各种水处理工艺在实际运行过程中存在药剂、能源和材料的过度消耗或不足的问题。因此在给排水领域，迫切需要一种灵敏、快速、高效、经济、简易的在线监测装置，以便实现水处理过程中的节能减排和输配水过程的水质预警。

目前对水体中溶解性有机物进行监测分析的常用方法主要包括：化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)、总有机碳(Total Organic Carbon，TOC)、紫外光谱、三维荧光光谱。与COD和TOC方法相比，光谱法无需化学试剂，且快速、灵敏、方便，更适合为自动化水处理系统提供在线负反馈信号。目前一些特定波长的紫外吸收值，如254nm，280nm等，被广泛用于对溶解性有机物的定量研究，部分溶解性有机物在吸收特定波段的紫外光后会发生电子跃迁，在电子从激发态落回到基态的过程中发出特定波长的荧光。由于水体中蛋白类和腐殖质类物质所固有的荧光特性，近年来三维荧光光谱在对各类水体中溶解性有机物的表征方面得到广泛运用。Wen-Tao Li,et.al.,HPLC/HPSEC-FLD with multi-excitation/emission scan for EEM interpretation and dissolved organic matteranalysis,2013,Water Research,1246-1256(基于高效液相色谱和体积排阻色谱分离的多激发、多发射荧光扫描用于溶解性有机物分析及其三维荧光图谱解释)，运用高效液相色谱或体积排阻色谱结合多波长紫外吸收和多激发或多发射荧光扫描技术，对溶解性有机物的三维荧光光谱进行解释：(1)同一种物质可以产生具有相似发射波长但激发波长不同的荧光峰，(2)腐殖质类物质会由于含有苯胺、苯酚类结构而同时具有与蛋白类物质相似的荧光峰，(3)自然水体和生活污水中对>240nm的紫外光有吸收的物质主要是蛋白类或腐殖质类物质。其不足之处在于：对于水体中不同有机物的测定需要特定波长的激发光与特定带通滤光片的组合才能实现，如对于蛋白类物质荧光需选用峰值波长280±5nm的LED光源，滤光片选用带通波长范围为330～350nm；对于腐殖质类荧光，LED灯光源选用峰值波长为265±5nm，滤光片选用带通波长范围为420～440nm；使用的光学器件多，光路复杂。

与传统的汞灯、氙灯相比，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有单色性好，体积小、能耗低和寿命长等一系列优点。近几年来深紫外波段(波长小于300nm)LED技术获得突破，已具备商业化大批量生产能力。目前深紫外LED(UV-LED)主要运用在消毒领域，而基于深紫外LED的检测技术方面的专利申请主要集中运用特征波长的紫外吸收值对水质指标COD或某种污染物的预测。相对于紫外法，荧光法具有更高的选择性和灵敏度，特别是可以有效反映水体中腐殖质和蛋白类荧光团的丰度变化，但目前以LED灯为光源的荧光检测专利主要以叶绿素或石油为监测对象，其采用的激发和发射波长均较高，未能对水处理过程中所关心的蛋白类和腐殖质类物质进行有效监测。

目前已有以深紫外LED为光源同时探测紫外和荧光信号的在线水质监测装置，需要特定波长的发光管与特定带通的滤波片相匹配才能测量，对于蛋白类物质荧光需选用峰值波长280±5nm的LED光源，滤光片选用带通波长范围为330～350nm；对于腐殖质类荧光，LED灯光源选用峰值波长为265±5nm，滤光片选用带通波长范围为420～440nm；装置光学器件利用率低，实验发现，对于腐殖质类荧光，亦可采用280nm的LED为光源，其缺点是所产生的荧光信号非常微弱；现有的水质监测设备大都需要定期校准，否则随着时间推移装置测量误差会逐渐加大，因而无法长时间置于水下监测，无法做到真正的在线监测。

中国发明专利，申请号：201410502662.9，申请日：2014.09.26，公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，由样品采集部分和检测部分组成，此发明的应用方法，是根据三维荧光图谱选择特定波长的深紫外LED灯光源和光电探测器组件，对特定波长的荧光强度和紫外吸收进行同时检测，并计算荧光强度与对应的紫外吸收之间的比值。其不足之处在于：对于水体中不同有机物的测定需要特定波长的激发光与特定带通滤光片的组合才能实现，如对于蛋白类物质荧光需选用峰值波长280±5nm的LED光源，滤光片选用带通波长范围为330～350nm；对于腐殖质类荧光，LED灯光源选用峰值波长为265±5nm，滤光片选用带通波长范围为420～440nm；光学器件多，光路复杂。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的水质监测装置需要定期校准而无法长时间置于水下监测，不能对水处理过程中所关心的蛋白类和腐殖质类物质进行有效监测的问题，本发明提供了一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪及其使用方法。它能够实现对水体中蛋白类和腐殖质类物质进行在线监测，自动校准，装置结构简单，采用紫外法和荧光法相结合实现对水体中蛋白类和腐殖质类物质组分和浓度的动态变化的实时监测。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，包括检测部分、电源，它还包括光路部分和校准部分，其中，所述的光路部分包括恒流源电路、深紫外LED、比色皿、紫外接收管、荧光滤光片和荧光接收管；

所述的恒流源电路与深紫外LED电路连接，所述的深紫外LED照射在比色皿的一个面，与比色皿这个面平行的一个面上，设有紫外接收管；

与比色皿这两个面垂直的一个面的外侧，设有两个在同一平面内的荧光滤光片，所述的荧光滤光片的外侧设有荧光接收管；

所述的直线步进电机上设有传动杆，所述的传动杆与所述的荧光接收管相互垂直，所述的传动杆上设有固定框架，两个所述的荧光滤光片设置在所述的固定框架内；深紫外LED的光源照射后在相同方向得到衰减的紫外光，在其垂直方向产生荧光，便于传动杆在狭小空间的移动。

所述的检测部分包括放大电路、微处理器、存储器和液晶显示屏；

所述的紫外接收管和所述的荧光接收管产生的信号传输给放大电路；

所述的恒流源电路、所述的直线步进电机和所述的放大电路均与所述的微处理器电路连接，所述的微处理器将处理后的信号分别发送给存储器、液晶显示器和ZIGBEE模块，所述的ZIGBEE模块与上位机PC连接；

所述的校准部分由校准池，微型电磁阀II和微型电磁阀III组成；

所述的校准池与所述的比色皿连通的管道上设有微型电磁阀II，所述的校准池的下侧设有一微型电磁阀III，所述的微型电磁阀II和所述的微型电磁阀III均与所述的微处理器连接；

所述的电源置于所述的监测仪内部，分别与微处理器，放大电路和恒流源电路连接。电源采用2-3节5号电池，通过电源插槽与上述各部分电路相连。

优选地，所述的恒流源电路输出20mA的恒定电流点亮深紫外LED，并控制深紫外LED以连续或脉冲形式照射；与现有的以汞灯或脉冲氙灯为光源的在线光谱仪相比，采用紫外LED作为光源，具有体积小、寿命长、能耗低的优点，更适合于长期水质在线监测。

所述的比色皿与流通池连通的管道上设有微型电磁阀I，所述的微型电磁阀I与微处理器相连；

所述的流通池左右端口上装有粗过滤网，所述的比色皿的断口处装有细过滤网；

所述的紫外接收管和所述的荧光接收管产生的电流信号，通过电流电压转换后，传输给放大电路。通过放大电路的优化对采集到的数据进行无失真提取，从而大大简化了装置的复杂性。

优选地，所述的放大电路能够自动调节放大倍数，能够进行模数转换。

优选地，所述的深紫外LED的光源为LED紫外灯，选用波长为280±5nm的LED灯作为蛋白类荧光和腐殖质类荧光的激发光源，选用波长为340±10nm的荧光滤光片用于蛋白类荧光的监测，选用波长为430±10nm或460±10nm的荧光滤光片用于腐殖质类荧光的监测。使用一个深紫外LED的光源，选择上述两个不同的滤光片，即可实现蛋白类物质和腐殖质类物质的探测，简化了电路光学结构，降低了成本。

优选地，所述的光路部分具有避光功能。将所述的光路部分设置在一个密封的黑色盒子内，以避免外部光源的干扰，减少外部环境所造成的监测误差。

一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪的使用方法，其步骤为：

A、准备工作，检查并确保权利要求1所述的监测仪所有的阀门均处于关闭状态，然后将所述的监测仪放置于需要检测水质的地方并通电；

B、自动校准，上位机PC通过ZIGBEE模块向微处理器发出两个信号，一个信号用于打开恒流源电路，点亮深紫外LED，并控制深紫外LED以连续或脉冲形式照射，紫外接收管接收紫光信号，并输出电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路，放大电路经过自动调节放大倍数和模数转换后，将信号传输给微处理器，与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿进行校准；另一个信号用于控制直线步进电机通过传动杆转动，带动两个荧光滤光片移动，荧光接收管先后分别接收两个荧光滤光片的荧光信号，并分别输出两个电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路，放大电路经过自动调节放大倍数和模数转换后，将两个信号传输给微处理器，分别与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿进行校准；

C、数据采集，流通池内流进经粗过滤网过滤之后的水，微处理器输出一个高电平信号打开微型电磁阀I，流通池内的水经细过滤网过滤之后，进入比色皿内，微处理器通过所述的光路部分和检测部分，分别采集到蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息，经过处理后，将数据输送存储器进行数据存储，所述的上位机PC通过ZIGBEE模块向微处理器发出控制指令，经过液晶显示屏，对蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息进行实时显示；然后通过控制微处理器，控制所述的监测仪的各部分，进行下一组数据的采集；

综合利用紫外法的普适性与荧光法的选择性，同时对LED灯光源照射到样品水质上所产生的荧光信号以及穿过样品水质的紫外信号进行探测，能够实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时能够反映蛋白类或腐殖质类荧光组分的浓度和氧化还原特性的变化，在定性和定量分析，对于蛋白类物质荧光，选用峰值波长为280±5nm的LED光源，选用带通波长范围为330～350nm的荧光滤光片，此时荧光接收管接收到荧光信号后，通过放大电路得到当前信号的数值，而荧光信号的大小与蛋白类物质的浓度存在线性关系，以纯水作为基准，根据放大电路的信号大小除以放大电路的放大倍数得到蛋白类物质的浓度，最后根据紫外信号加以校准；对于腐殖质类物质，使用直线步进电机带动传动杆，切换为带通波长范围为420～440nm的荧光滤光片，其他步骤同蛋白类物质的浓度的监测，为科学研究和水处理运行提供实时监测数据。

D、当监测到的蛋白类和腐殖质类物质的浓度超过预设阈值范围的上限或低于预设阈值范围的下限时，首先上位机PC通过ZIGBEE模块向微处理器发出控制指令，关闭恒流源电路和直线步进电机，关闭微型电磁阀I，然后打开微型电磁阀II，使比色皿中的水流入校准池内，关闭微型电磁阀II，此时再打开深紫外LED和直线步进电机测量无水时的紫光与荧光信号，进行步骤B所述的自动校准，然后打开微型电磁阀I重新监测水质；

此步骤避免了流通池不干净及温度变化带来的误差，能够长期置于水下提供高精度的水质检测信号，拥有自动校准功能，做到了真正的在线监测；

E、根据打开微型电磁阀II的次数自动判断校准池中水的多少，当校准池中水快充满时发出预警信号，微处理器输出一高电平信号打开微型电磁阀III排出多余的水，然后微处理器输出一低电平信号关闭微型电磁阀III；

F、重复步骤B-D，进行水质监测。

采用紫外法和荧光法，无化学试剂消耗，无需消解反应时间，快速灵敏，能够实时监测水质变化，更适合用于水处理工艺自动化和水质预警领域。

优选地，所述的步骤C中的流通池的两端分别接软管与外界水质相连，其中所述的软管与所述的监测仪处于同一平面内，利用外界水体自身的流速或压力的变化，实现监测仪待测水样的更新。外界具有流速或压力的水体通过所述的软管，经粗过滤网20过滤之后，流进流通池内，从另一个软管流出，当流速或压力变大时，流通池内的水样更新就快，当流速或压力变小时，流通池内的水样更新就慢，用以对水样中的蛋白类或腐殖质类荧光组分和浓度的实时监测。

优选地，所述的步骤D中，能够根据具体的水质情况对所述的监测仪定期进行自动校准，即在上位机PC上输入自动校准的间隔时间，向微处理器发出控制指令即可，校准过程同步骤D。

如果水质在某时间段内变化比较平稳，可以加大采样间隔时间，这样可以降低系统功耗，延长系统寿命。如果检测到水质在某时间段内变化比较剧烈，可以减小采样间隔时间，得到更为实时的变化着的水质数据。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)、本发明与现有的重铬酸钾法或高锰酸钾法在线COD分析仪相比，采用紫外法和荧光法，无化学试剂消耗，无需消解反应时间，快速灵敏，可以实时监测水质变化，更适合用于水处理工艺自动化和水质预警领域；

(2)、本发明所述的恒流源电路输出20mA的恒定电流点亮深紫外LED，并控制深紫外LED以连续或脉冲形式照射；与现有的以汞灯或脉冲氙灯为光源的在线光谱仪相比，采用紫外LED作为光源，具有体积小、寿命长、能耗低的优点，更适合于长期水质在线监测；

(3)、本发明所述的紫外接收管和所述的荧光接收管产生的电流信号，通过电流电压转换后，传输给放大电路，通过放大电路的优化对采集到的数据进行无失真提取，从而大大简化了装置的复杂性；

(4)、本发明所述的深紫外LED的光源为LED紫外灯，选用波长为280±5nm的LED灯作为蛋白类荧光和腐殖质类荧光的激发光源，选用波长为340±10nm的荧光滤光片用于蛋白类荧光的监测，选用波长为430±10nm或460±10nm的荧光滤光片用于腐殖质类荧光的监测。使用一个深紫外LED的光源，选择上述两个不同的滤光片，即可实现蛋白类物质和腐殖质类物质的探测，简化了电路光学结构，降低了成本；

(5)、本发明综合利用紫外法的普适性与荧光法的选择性，同时对LED灯光源照射到样品水质上所产生的荧光信号以及穿过样品水质的紫外信号进行探测，能够实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时能够反映蛋白类或腐殖质类荧光组分的浓度和氧化还原特性的变化，在定性和定量分析，对于蛋白类物质荧光，选用峰值波长为280±5nm的LED光源，选用带通波长范围为330～350nm的荧光滤光片，此时荧光接收管接收到荧光信号后，通过放大电路得到当前信号的数值，而荧光信号的大小与蛋白类物质的浓度存在线性关系，以纯水作为基准，根据放大电路的信号大小除以放大电路的放大倍数得到蛋白类物质的浓度，最后根据紫外信号加以校准；对于腐殖质类物质，使用直线步进电机带动传动杆，切换为带通波长范围为420～440nm的荧光滤光片，其他步骤同蛋白类物质的浓度的监测，为科学研究和水处理运行提供实时监测数据；

(6)本发明能够长期置于水下提供高精度的水质检测信号，拥有自动校准功能，避免了流通池不干净及温度变化带来的误差，做到了真正的在线监测；

(7)本发明所述的步骤C中的流通池的两端分别接软管与外界水质相连，其中所述的软管与所述的监测仪处于同一平面内，利用外界水体自身的流速或压力的变化，实现监测仪待测水样的更新。外界具有流速或压力的水体通过所述的软管，经粗过滤网20过滤之后，流进流通池内，从另一个软管流出，当流速或压力变大时，流通池内的水样更新就快，当流速或压力变小时，流通池内的水样更新就慢，用以对水样中的蛋白类或腐殖质类荧光组分和浓度的实时监测。

附图说明

图1为本发明的系统电路框图；

图2为本发明的装置内部结构剖面图；

图3为本发明的带有滤光片的直线步进电机；

图4为本发明的流通池结构图。

示意图中的标号说明：

1、深紫外LED；2、紫外接收管；3、荧光接收管；4、直线步进电机；5、传动杆；6、液晶显示屏；7、微型电磁阀III；8、流通池；9、比色皿；10、放大电路；11、微处理器；12、存储器；13、ZIGBEE模块；14、电源；15、校准池；16、微型电磁阀I；17、微型电磁阀II；18、荧光滤光片；19、固定框架；20、粗过滤网；21、细过滤网。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

某污水厂，为解决现有技术的水质监测装置需要定期校准而无法长时间置于水下监测，不能对水处理过程中所关心的蛋白类和腐殖质类物质进行有效监测的问题，提出了一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，结合图1-4，它包括检测部分、电源14，还包括光路部分和校准部分，其中，所述的光路部分包括恒流源电路、深紫外LED1、比色皿9、紫外接收管2、荧光滤光片18和荧光接收管3；

所述的恒流源电路与深紫外LED1电路连接，所述的深紫外LED1照射在比色皿9的一个面，与比色皿9这个面平行的一个面上，设有紫外接收管2；

所述的恒流源电路输出20mA的恒定电流点亮深紫外LED1，并控制深紫外LED1以连续或脉冲形式照射；与现有的以汞灯或脉冲氙灯为光源的在线光谱仪相比，采用紫外LED作为光源，具有体积小、寿命长、能耗低的优点，更适合于长期水质在线监测。

与比色皿9这两个面垂直的一个面的外侧，设有两个在同一平面内的荧光滤光片18，所述的荧光滤光片18的外侧设有荧光接收管3；

所述的比色皿9与所述的流通池8连通的管道上设有微型电磁阀I16，所述的微型电磁阀I16与微处理器11相连；

所述的流通池8左右端口上装有粗过滤网20，所述的比色皿9的断口处装有细过滤网21；对污水中的杂质进行过滤。

所述的直线步进电机4上设有传动杆5，所述的传动杆5与所述的荧光接收管3相互垂直，所述的传动杆5上设有固定框架19，两个所述的荧光滤光片18设置在所述的固定框架19内；深紫外LED1的光源照射后在相同方向得到衰减的紫外光，在其垂直方向产生荧光，便于传动杆5在狭小空间的移动。

所述的深紫外LED1的光源为LED紫外灯，选用波长为280±5nm的LED灯作为蛋白类荧光和腐殖质类荧光的激发光源，选用波长为340±10nm的荧光滤光片18用于蛋白类荧光的监测，选用波长为430±10nm或460±10nm的荧光滤光片18用于腐殖质类荧光的监测。使用一个深紫外LED1的光源，选择上述两个不同的滤光片，能够实现蛋白类物质和腐殖质类物质的监测，简化了电路光学结构，降低了成本。

所述的光路部分具有避光功能。将所述的光路部分设置在一个密封的黑色盒子内，以避免外部光源的干扰，减少外部环境所造成的监测误差。

所述的检测部分包括放大电路10、微处理器11、存储器12和液晶显示屏6；

所述的紫外接收管2和所述的荧光接收管3产生的信号传输给放大电路10；所述的紫外接收管2和所述的荧光接收管3产生的电流信号，通过电流电压转换后，传输给放大电路10。通过放大电路10的优化对采集到的数据进行无失真提取，从而大大简化了装置的复杂性。所述的放大电路10能够自动调节放大倍数，能够进行模数转换。

所述的恒流源电路、所述的直线步进电机4和所述的放大电路10均与所述的微处理器11电路连接，所述的微处理器11将处理后的信号分别发送给存储器12、液晶显示器6和ZIGBEE模块13，所述的ZIGBEE模块13与上位机PC连接；

所述的校准部分由校准池15，微型电磁阀II17和微型电磁阀III7组成；

所述的校准池15与所述的比色皿9连通的管道上设有微型电磁阀II17，所述的校准池15的下侧设有一微型电磁阀III7，所述的微型电磁阀II17和所述的微型电磁阀III7均与所述的微处理器11连接；

所述的电源14置于所述的监测仪内部，分别与微处理器11，放大电路10和恒流源电路连接。电源14采用2-3节5号电池，通过电源插槽与上述各部分电路相连，为它们提供电能。

一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪的使用方法，其步骤为：

A、准备工作，检查并确保权利要求1所述的监测仪所有的阀门均处于关闭状态，然后将所述的监测仪放置于需要检测水质的地方并通电；

B、自动校准，上位机PC通过ZIGBEE模块13向微处理器11发出两个信号，一个信号用于打开恒流源电路，点亮深紫外LED1，并控制深紫外LED1以连续或脉冲形式照射，紫外接收管2接收紫光信号，并输出电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路10，放大电路10经过自动调节放大倍数和模数转换后，将信号传输给微处理器11，与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿9进行校准；另一个信号用于控制直线步进电机4通过传动杆5转动，带动两个荧光滤光片18移动，荧光接收管3先后分别接收两个荧光滤光片18的荧光信号，并分别输出两个电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路10，放大电路10经过自动调节放大倍数和模数转换后，将两个信号传输给微处理器11，分别与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿9进行校准；

C、数据采集，流通池8内流进经粗过滤网20过滤之后的水，微处理器11输出一个高电平信号打开微型电磁阀I16，流通池8内的水经细过滤网21过滤之后，进入比色皿9内，微处理器11通过所述的光路部分和检测部分，分别采集到蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息，经过处理后，将数据输送存储器12进行数据存储，所述的上位机PC通过ZIGBEE模块13向微处理器11发出控制指令，经过液晶显示屏6，对蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息进行实时显示；然后通过控制微处理器11，控制所述的监测仪的各部分，进行下一组数据的采集；流通池8的两端分别接软管与外界水质相连，其中所述的软管与所述的监测仪处于同一平面内，利用外界水体自身的流速或压力的变化，实现监测仪待测水样的更新。外界具有流速或压力的水体通过所述的软管，经粗过滤网20过滤之后，流进流通池8内，从另一个软管流出，当流速或压力变大时，流通池8内的水样更新就快，当流速或压力变小时，流通池8内的水样更新就慢，用以对水样中的蛋白类或腐殖质类荧光组分和浓度的实时监测。

综合利用紫外法的普适性与荧光法的选择性，同时对LED灯光源照射到样品水质上所产生的荧光信号以及穿过样品水质的紫外信号进行探测，能够实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时能够反映蛋白类或腐殖质类荧光组分的浓度和氧化还原特性的变化，在定性和定量分析，对于蛋白类物质荧光，选用峰值波长为280±5nm的LED光源，选用带通波长范围为330～350nm的荧光滤光片18，此时荧光接收管3接收到荧光信号后，通过放大电路10得到当前信号的数值，而荧光信号的大小与蛋白类物质的浓度存在线性关系，以纯水作为基准，根据放大电路10的信号大小除以放大电路10的放大倍数得到蛋白类物质的浓度，最后根据紫外信号加以校准；对于腐殖质类物质，使用直线步进电机4带动传动杆5，切换为带通波长范围为420～440nm的荧光滤光片18，其他步骤同蛋白类物质的浓度的监测，为科学研究和水处理运行提供实时监测数据。

D、当监测到的蛋白类和腐殖质类物质的浓度超过预设阈值范围的上限或低于预设阈值范围的下限时，首先上位机PC通过ZIGBEE模块13向微处理器11发出控制指令，关闭恒流源电路和直线步进电机4，关闭微型电磁阀I16，然后打开微型电磁阀II17，使比色皿9中的水流入校准池15内，关闭微型电磁阀II17，此时再打开深紫外LED1和直线步进电机4测量无水时的紫光与荧光信号，进行步骤B所述的自动校准，然后打开微型电磁阀I16重新监测水质；能够根据具体的水质情况对所述的监测仪定期进行自动校准，即在上位机PC上输入自动校准的间隔时间，向微处理器11发出控制指令即可，校准过程同上，如果水质在某时间段内变化比较平稳，可以加大采样间隔时间，这样可以降低系统功耗，延长系统寿命，如果检测到水质在某时间段内变化比较剧烈，可以减小采样间隔时间，得到更为实时的变化着的水质数据。

此步骤避免了流通池8不干净及温度变化带来的误差，能够长期置于水下提供高精度的水质检测信号，拥有自动校准功能，做到了真正的在线监测。

E、根据打开微型电磁阀II17的次数自动判断校准池15中水的多少，当校准池15中水快充满时发出预警信号，微处理器11输出一高电平信号打开微型电磁阀III7排出多余的水，然后微处理器11输出一低电平信号关闭微型电磁阀III7；

F、重复步骤B-D，进行水质监测。

采用紫外法和荧光法，无化学试剂消耗，无需消解反应时间，快速灵敏，能够实时监测水质变化，更适合用于水处理工艺自动化和水质预警领域。

使用所述的监测仪，分别对地表水、生活污水、印染废水进行监测，所测的紫外和荧光数据如表1所示。

表1 实施案例中所测的地表水、生活污水、印染废水的紫外荧光数据

	UV1	FL1	FL2	FL1/UV1
					地表水	71	473	863	7
生活污水	64	1651	555	26
					印染废水	590	19270	12000	33

表1中，UV1指紫外接收管信号经放大电路10后的强度，FL1指通过330nm滤光片的蛋白类荧光信号经放大电路10后的强度；FL2指通过430nm处的腐殖质类荧光信号经放大电路10后的强度；FL1/UV1为蛋白类物质在溶解性有机物总体中的相对丰度。

对检测结果进行分析：吸光度值大小反映溶解性有机物总体浓度的变化趋势，荧光信号的强度可以选择性地反映蛋白类或腐殖质类含量的变化趋势。荧光强度与对应的紫外吸收之间的比值，则反映蛋白类或腐殖质类物质在溶解性有机物总体中的相对丰度。因为地表水和生活污水的UV1值相近，通过紫外吸收法难以区分二者间的差异，但是通过荧光法，与地表水相比，生活污水处理出水含有较高的蛋白含量和较低的腐殖质含量。经生化法处理的印染废水的紫外吸收值、蛋白类和腐殖质类物质的荧光明显高于生活污水，但通过蛋白类物质荧光与紫外吸收的比值可以发现，印染废水与生活污水中蛋白类物质占总溶解性有机物的相对丰度是相近的。

实施例2

江苏某污水厂，现有水质监测设备存在精度不高，需要定期拿出水面进行校准，且设备整体数据采集处理速度低下，水质中有机物质含量检测不准确的问题，为提高污水处理的性价比，提出了一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，它的结构组成和使用方法同实施例1，其中，用于腐殖质类荧光的监测使用带通波长范围为460±10nm的荧光滤光片18。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，包括检测部分、电源(14)，其特征在于，它还包括光路部分和校准部分，其中，所述的光路部分包括恒流源电路、深紫外LED(1)、比色皿(9)、紫外接收管(2)、荧光滤光片(18)和荧光接收管(3)；

所述的恒流源电路与深紫外LED(1)电路连接，所述的深紫外LED(1)照射在比色皿(9)的一个面，与比色皿(9)这个面平行的一个面上，设有紫外接收管(2)；

与比色皿(9)这两个面垂直的一个面的外侧，设有两个在同一平面内的荧光滤光片(18)，所述的荧光滤光片(18)的外侧设有荧光接收管(3)；

直线步进电机(4)上设有传动杆(5)，所述的传动杆(5)与所述的荧光接收管(3)相互垂直，所述的传动杆(5)上设有固定框架(19)，两个所述的荧光滤光片(18)设置在所述的固定框架(19)内；

所述的检测部分包括放大电路(10)、微处理器(11)、存储器(12)和液晶显示屏(6)；

所述的紫外接收管(2)和所述的荧光接收管(3)产生的信号传输给放大电路(10)；

所述的恒流源电路、所述的直线步进电机(4)和所述的放大电路(10)均与所述的微处理器(11)电路连接，所述的微处理器(11)将处理后的信号分别发送给存储器(12)、液晶显示器(6)和ZIGBEE模块(13)，所述的ZIGBEE模块(13)与上位机PC连接；

所述的校准部分由校准池(15)，微型电磁阀II(17)和微型电磁阀III(7)组成；

所述的校准池(15)与所述的比色皿(9)连通的管道上设有微型电磁阀II(17)，所述的校准池(15)的下侧设有一微型电磁阀III(7)，所述的微型电磁阀II(17)和所述的微型电磁阀III(7)均与所述的微处理器(11)连接；

所述的电源(14)置于所述的监测仪内部，分别与微处理器(11)，放大电路(10)和恒流源电路连接；所述的恒流源电路输出20mA的恒定电流点亮深紫外LED(1)，并控制深紫外LED(1)以连续或脉冲形式照射；

所述的比色皿(9)与流通池(8)连通的管道上设有微型电磁阀I(16)，所述的微型电磁阀I(16)与微处理器(11)相连；

所述的流通池(8)左右端口上装有粗过滤网(20)，所述的比色皿(9)的断口处装有细过滤网(21)；

所述的紫外接收管(2)和所述的荧光接收管(3)产生的电流信号，通过电流电压转换后，传输给放大电路(10)。

2.根据权利要求1所述的一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，其特征在于，所述的放大电路(10)能够自动调节放大倍数，能够进行模数转换。

3.根据权利要求1所述的一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，其特征在于，所述的深紫外LED(1)的光源为LED紫外灯，选用波长为280±5nm的LED灯作为蛋白类荧光和腐殖质类荧光的激发光源，选用波长为340±10nm的荧光滤光片(18)用于蛋白类荧光的监测，选用波长为430±10nm或460±10nm的荧光滤光片(18)用于腐殖质类荧光的监测。

4.根据权利要求2所述的一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪，其特征在于，所述的光路部分具有避光功能。

5.一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪的使用方法，其步骤为：

A、准备工作，检查并确保权利要求1所述的监测仪所有的阀门均处于关闭状态，然后将所述的监测仪放置于需要检测水质的地方并通电；

B、自动校准，上位机PC通过ZIGBEE模块(13)向微处理器(11)发出两个信号，一个信号用于打开恒流源电路，点亮深紫外LED(1)，并控制深紫外LED(1)以连续或脉冲形式照射，紫外接收管(2)接收紫光信号，并输出电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路(10)，放大电路(10)经过自动调节放大倍数和模数转换后，将信号传输给微处理器(11)，与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿(9)进行校准；另一个信号用于控制直线步进电机(4)通过传动杆(5)转动，带动两个荧光滤光片(18)移动，荧光接收管(3)先后分别接收两个荧光滤光片(18)的荧光信号，并分别输出两个电流信号，经过电流电压转换后，传输给放大电路(10)，放大电路(10)经过自动调节放大倍数和模数转换后，将两个信号传输给微处理器(11)，分别与蛋白类荧光和腐殖质类荧光的预设值比较，对比色皿(9)进行校准；

C、数据采集，流通池(8)内流进经粗过滤网(20)过滤之后的水，微处理器(11)输出一个高电平信号打开微型电磁阀I(16)，流通池(8)内的水经细过滤网(21)过滤之后，进入比色皿(9)内，微处理器(11)通过所述的光路部分和检测部分，分别采集到蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息，经过处理后，将数据输送存储器(12)进行数据存储，所述的上位机PC通过ZIGBEE模块(13)向微处理器(11)发出控制指令，经过液晶显示屏(6)，对蛋白类和腐殖质类物质的组分和浓度的信息进行实时显示；然后通过控制微处理器(11)，控制所述的监测仪的各部分，进行下一组数据的采集；

D、当监测到的蛋白类和腐殖质类物质的浓度超过预设阈值范围的上限或低于预设阈值范围的下限时，首先上位机PC通过ZIGBEE模块(13)向微处理器(11)发出控制指令，关闭恒流源电路和直线步进电机(4)，关闭微型电磁阀I(16)，然后打开微型电磁阀II(17)，使比色皿(9)中的水流入校准池(15)内，关闭微型电磁阀II(17)，此时再打开深紫外LED(1)和直线步进电机(4)测量无水时的紫光与荧光信号，进行步骤B所述的自动校准，然后打开微型电磁阀I(16)重新监测水质；

E、根据打开微型电磁阀II(17)的次数自动判断校准池(15)中水的多少，当校准池(15)中水快充满时发出预警信号，微处理器(11)输出一高电平信号打开微型电磁阀III(7)排出多余的水，然后微处理器(11)输出一低电平信号关闭微型电磁阀III(7)；

F、重复步骤B-D，进行水质监测。

6.根据权利要求5所述的一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪的使用方法，其特征在于，所述的步骤C中的流通池(8)的两端分别接软管与外界水质相连。

7.根据权利要求5所述的一种紫外法和荧光法相结合的智能水质监测仪的使用方法，其特征在于，所述的步骤D中，能够根据具体的水质情况对所述的监测仪定期进行自动校准，即在上位机PC上输入自动校准的间隔时间，向微处理器(11)发出控制指令即可，校准过程同步骤D。