CN106053421B - 水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置，属于水质在线检测及水处理装置失效预警技术领域，主要包括光源、滤光片、偏振片、光电池、单片机等；首先利用光源产生紫外‑可见光，并经过低通滤光片和激发光偏振片得到设定波段的线偏振激发光，将线偏振激发光照射待测水溶液，并与水中有机质发生作用产生发射光；发射光再经高通滤光片、发射光偏振片充分滤除散射的激发光后，照射到光电池上，经信号转化和处理，进行数据显示和报警。本发明提供的方法和装置测试精确、信噪比高，装置小型、能耗低，使用寿命长，不仅可实现水中有机质的长时间稳定实时检测，并且可以为水处理滤芯/膜等的失效和击穿进行在线预警。
Description
技术领域
本发明涉及水质的在线检测及净化装置的失效预警，特别是水中溶解有机质含量的在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置。
背景技术
我国地表饮用水水源主要为河流、湖泊和水库。许多地方的地表饮用水水源长期为III~IV类水体，有时甚至达不到IV类水质。根据对我国46座主要城市的水质研究，我国饮用水水质状况难尽如人意，特别是有关有机质指标时常会出现不达标的状况，其中上海检出有机物700多种，天津检出有机物200多种，就连水质较好的北京市也有50多种有机物。尽管传统饮用水处理技术可以在一定程度上保证饮用水水质，但是它并不能有效地除去水源水中的微量可溶性有机污染物，而且传统饮用水处理技术中的氯化消毒工艺过程中又会产生许多卤代有机物。
有机物健康风险评价表明：一些有毒有害有机物具有内分泌干扰性、致癌、致畸、致突变作用，虽然一般来说水体中有毒有害有机物含量较少，但是由于其具有难降解性和生物易积累性，长期接触会威胁人们的生活和健康。
传统的净水器通常不具有基于出水水质的滤芯/膜寿命显示和更换提示功能,用户无法及时了解滤芯/膜的使用情况,造成滤芯/膜的堵塞或水质的下降甚至二次污染。近几年有厂商提出一种具有滤芯/膜更换提示功能的净水器，目前市场上各类用于处理有机物的滤芯/膜寿命主要有三种判断方法。其一是设定使用时间，只是商家直接给出的使用时间的参考价值往往很有限，并未考虑实际情况的水质以及净水器的实时净水效果，可能出现水质已经超标但未更换滤芯/膜，或者滤芯/膜还未击穿便提示更换造成浪费的情况。其二是对处理的水量进行统计，以此估算寿命，此种方法依然不够科学，依然没有考虑到水质的实际状况，与根据时间更换滤芯/膜没有本质区别，同样不够科学合理。其三是通过测定电导率等来评估水体中的溶解性固体总量（TDS），或者通过TDS探针来检测水中TDS，此种方法虽然做到了实时监测，但是所选用指标TDS是指水中全部溶质的总量，包括有机物和无机物两者的含量，在天然水体中，有机物含量较少，TDS这项指标只能用做粗略的检测并不能有效反映水体中的有机物超标情况。
目前常用的水质在线检测技术方法主要有化学法、色谱法、生物法等。其中化学法模拟实验室人工分析过程，测量准确，适用范围广，然而化学法依赖于化学反应，存在预处理复杂、消耗试剂、易造成二次污染等问题。色谱法采用色谱分离技术，分析精度高、重复性好，可用于微量甚至痕量有机污染物的检测，但设备昂贵、工序复杂、测试周期长，特别是在组分复杂、水质不稳定的水样中难以发挥作用。生物法基于微生物反应、免疫学反应、酶促反应等，具有低成本、高选择性、覆盖面广等优点，但其检测过程传感器与待测物质产生不可逆的生物化学反应，使得传感器的灵敏度降低，寿命短，需要定期更换，并且生物法存在细菌滋生的危险。荧光光谱法利用物质经过较短波长光的照射后发出较长波长光（荧光）的现象进行物质成分分析，作为近年来新型水质检测手段，具有灵敏度高、选择性好、快速、所需样品少等优点。但存在散射光干扰问题，使其难以适用复杂水质长时间的连续检测。
发明内容
针对上述现有方法中存在的问题，本发明提供一种水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置，不仅可对水体中有机物含量进行实时检测，并且可以用于净化滤芯/膜失效和击穿的在线预警，具有测试精度高、抗散射干扰强、能长期稳定运行等优点，同时还可对出水进行紫外杀菌消毒。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法，包括以下步骤。
（1）采用光源产生具有选定波段的紫外-可见光。
（2）通过低通滤光片将紫外-可见光分离，进而得到设定波段的激发光。
（3）通过激发光偏振片将激发光转变为线偏振的激发光。
（4）将线偏振的激发光照射待测水溶液，并与水中有机质发生作用产生发射光（荧光）。
（5）发射光经过高通滤光片将波长分离至需要的波段，再经过发射光偏振片进一步消除散射的激发光，以仅使需要波段的发射光照射到光电池上。
（6）光电池将光信号转换为电信号，再经单片机处理实现水中有机质含量的数据显示。
（7）当测试的水中有机质含量大于设定阈值时，通过单片机启动显示警报。
进一步的，步骤（1）中的光源为LED紫外-可见光灯。
进一步的，步骤（1）中光源产生的光具有选定波段为190~400 nm。
进一步的，步骤（2）中低通滤光片的透过波长 λ1在190~380 nm的范围，步骤（5）中高通滤光片的透过波长λ2在380~780 nm的范围。
进一步的，步骤（3）中激发光偏振片与步骤（5）中发射光偏振片的偏振方向相互垂直。
本发明所述的水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的装置，包括电路部分和光路部分。
电路部分包括单片机、电源、电流放大器、显示报警，电源、电流放大器和显示报警均与单片机相连；光路部分包括光源（1）、低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）、流通池（8）、光阱（9）、发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）、光电池（13）；低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）依次布置在光源（1）至流通池（8）之间，光源（1）与电源相连，流通池（8）内正对激发光的壁面设置有光阱（9）；发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）依次布置在流通池（8）至光电池（13）之间，光电池（13）与电流放大器相连；流通池（8）设有流通池入口（6）和流通池出口（7）。
本发明采用荧光光谱测试技术，测试过程无需添加试剂，对水质基本无影响，并且无需对水样进行预处理，检测速度快，运行成本低；采用LED光源，与传统的氢灯、氙灯相比较，具有节能、环保、使用寿命长等优点，有利于长期稳定的在线检测；采用滤光片进行波段分离，与光栅单色器相比，具有机构简单、故障率低的特点，并且有利于装置的小型化；通过在激发光路和发射光路设置偏振方向相互垂直的偏振片，有效的降低了激发光散射与发射光产生的干扰和混淆，有效提高了检测方法与装置的信噪比。因此，整体上，本发明提供的水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置，测试精确、快速，信噪比高，能耗低、使用寿命长，运行成本低，可实现长时间稳定的水质在线检测及水处理滤芯/膜的击穿预警。
附图说明
图1为本发明装置的主体结构示意图。
图中：1为光源；2为低通滤光片；3为激发光偏振片；4为光圈；5为激发光透镜；6为流通池进口；7为流通池出口；8为流通池；9为光阱；10为发射光透镜；11为高通滤光片、12为发射光偏振片；13为光电池。
图2为水的荧光强度随时间的变化曲线。
具体实施方式
本发明水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法，包括以下步骤。
（1）采用光源产生具有选定波段的紫外-可见光。
（2）通过低通滤光片将紫外-可见光分离，进而得到设定波段的激发光。
（3）通过激发光偏振片将激发光转变为线偏振的激发光。
（4）将线偏振的激发光照射待测水溶液，并与水中有机质发生作用产生发射光（荧光）。
（5）发射光经过高通滤光片将波长分离至需要的波段，再经过发射光偏振片进一步消除散射、折射等而来的激发光，以仅使需要波段的发射光照射到光电池上。
（6）光电池将光信号转换为电信号，再经单片机处理实现水中有机质含量的数据显示。
（7）当测试的水中有机质含量大于设定阈值时，通过单片机启动显示警报。
步骤（1）中的光源为LED紫外-可见光灯。
步骤（1）中光源产生的光具有选定波段为190~400 nm。
步骤（2）中低通滤光片的透过波长 λ1在190~380 nm的范围，步骤（5）中高通滤光片的透过波长λ2在380~780 nm的范围。
步骤（3）中激发光偏振片与步骤（5）中发射光偏振片的偏振方向相互垂直。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1中，水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的装置，主要包括电路部分和光路部分，电路部分包括单片机、电源、电流放大器、显示报警，电源、电流放大器和显示报警均与单片机相连；还包括光源（1）、低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）、流通池（8）、光阱（9）、发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）、光电池（13）；低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）依次布置在光源（1）至流通池（8）之间，光源（1）与电源相连，流通池（8）内正对激发光的壁面设置有光阱（9）；发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）依次布置在流通池（8）至光电池（13）之间，光电池（13）与电流放大器相连；流通池（8）设有流通池入口（6）和流通池出口（7）。
为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非局限性实施例如下。
实施例1：水中有机质含量在线检测的应用。
如图1，当本发明用于水中有机质含量在线检测时，被检测的水从流通池进口（6）接入、从流通池出口（7）流出。
通过单片机控制光源（1）的电源并启动光源（1），产生紫外-可见光（激发光），如波长范围为190~400 nm；紫外-可见光随后经过低通滤光片（2），如低通滤光片（2）截至波长为380 nm，则此时光的波长被分离至设定波段190~380 nm；当经过激发光偏振片（3）后，得到波长为190~380 nm的线偏振激发光；再通过光圈（4）控制光束大小，激发光透镜（5）进一步聚光和控制光方向，则设定波段的线偏振激发光均匀的照射至流通池（8）内的水溶液。
水中的有机质（如：类富里酸）吸收光能后进入激发态，处于激发态的分子很不稳定，会迅速经过辐射跃迁和非辐射跃迁的衰变过程而返回基态；由于分子吸收的能量有部分损失，返回基态的过程中产生的发射光（荧光）波长比激发光长，如类富里酸产生的发射光波长为450 nm。多余的激发光照射至光阱（9）并被吸收而消失。
此时，流通池内部的光（含流通池内经折射、散射的激发光和荧光）首先经发射光透镜（10）汇聚，再经发射光偏振片（12）；此时由于发射光偏振片（12）的偏振方向垂直于激发光偏振片（3），经流通池（8）内折射、散射的激发光经过反射光偏振片后几乎完全消失，而荧光变成线偏振的发射光。线偏振的发射光经过高通滤光片（11），如其截至波长为400 nm，则得到波长400 nm以上发射光，激发光则被完全消除。此时，设定波长的发射光照射至光电池（13）上，利用荧光强度和有机质浓度良好的正相关性，光电池接受的感应经信号转化、电流放大和单片机的数据处理，得到有机质浓度并进行数据显示，当浓度达到设定阈值时进行水质报警。
实施例2：水净化滤芯/膜等击穿预警的应用。
在实验室配置一定浓度的腐植酸、富里酸、氨基酸等有机质混合溶液，并在市场采购一款水净化活性炭滤芯，采用本发明提供的方法，在水净化滤芯的下游进行水质的在线测试，直接测试到了发射光（荧光）强度随时间的变化曲线如图2所示。从图中可以看到，测试时间50h内，滤芯为正常工作状态，荧光强度没有出现明显变化，基本保持在450左右。测试时间50-60h荧光强度开始有明显的上升，可以认为，滤芯的净化效果已经不完全，其对有机质的吸附作用下降，滤芯开始发生失效。当测试时间约为110h后，荧光强度上升到最大值左右并趋于稳定，此时的荧光强度约为2100，与未经滤芯处理的原水的有机质荧光强度相近，可以认为，此时净化滤芯已经完全失效，即滤芯已被击穿。因此，我们可以通过单片机设定荧光强度介于正常工作和击穿之间的某一数值为预警值（如荧光强度为1500），达到此值装置则开始进行滤芯击穿预警，提示采取更换滤芯等相关措施。
申请人申明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征及装置的运行和控制模式，但本发明并不局限于上述详细结构特征及运行和控制模式，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征及运行和控制模式才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (3)
1.水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法，主要包括以下步骤：
（1）采用光源产生具有选定波段的紫外-可见光；
（2）通过低通滤光片将紫外-可见光分离，进而得到设定波段的激发光；
（3）通过激发光偏振片将激发光转变为线偏振的激发光，线偏振的激发光经过光圈、激发光透镜后，照射到待测水溶液；
（4）将线偏振的激发光照射待测水溶液，并与水中有机质发生作用产生发射光，没有被待测水溶液吸收的多余的激发光照射至光阱并被吸收；
（5）发射光经过发射光透镜后，经过高通滤光片将波长分离至需要的波段，再经过发射光偏振片进一步消除散射的激发光，以仅使需要波段的发射光照射到光电池上；
（6）光电池将光信号转换为电信号，再经单片机处理实现水中有机质含量数据显示；
（7）当测试的水中有机质含量大于设定阈值时，通过单片机启动显示警报；
步骤（1）中光源产生的光具有选定波段为190~400 nm；
步骤（2）中低通滤光片的透过波长λ1在190~380 nm的范围，步骤（5）中高通滤光片的透过波长λ2在380~780 nm的范围；
步骤（3）中激发光偏振片与步骤（5）中发射光偏振片的偏振方向相互垂直；
其中，低通滤光片、激发光偏振片、光圈、激发光透镜依次布置在光源至流通池之间，发射光透镜、高通滤光片、发射光偏振片依次布置在流通池至光电池之间，流通池内正对激发光的壁面设置有光阱。
2.根据权利要求1所述的水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法，其特征在于步骤（1）中的光源为LED紫外-可见光灯。
3.一种权利要求1所述的水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警方法的装置，其特征是包括电路部分和光路部分；
电路部分包括单片机、电源、电流放大器、显示报警，电源、电流放大器和显示报警均与单片机相连；
光路部分包括光源（1）、低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）、流通池（8）、光阱（9）、发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）和光电池（13）；低通滤光片（2）、激发光偏振片（3）、光圈（4）、激发光透镜（5）依次布置在光源（1）至流通池（8）之间，光源（1）与电源相连，流通池（8）内正对激发光的壁面设置有光阱（9）；发射光透镜（10）、高通滤光片（11）、发射光偏振片（12）依次布置在流通池（8）至光电池（13）之间，光电池（13）与电流放大器相连；流通池（8）设有流通池入口（6）和流通池出口（7），激发光偏振片（3）与发射光偏振片（12）的偏振方向相互垂直，光源产生的光具有选定波段为190-400 nm，低通滤光片的透过波长λ1在190-380 nm的范围，高通滤光片的透过波长λ2在380-780 nm的范围。
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