CN107064448A - 一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器 - Google Patents

一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环境化学监测技术领域，具体涉及一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，包括外壳，外壳内设置有过滤单元、减压单元、温盐监测控制单元、检测单元、废液池和电源。本发明的基于全波长光谱法的海水多参数传感器，是在光谱检测的基础上，应用单一检测器实现多种参数检测的目的，由于多种参数的检测均是采用光谱检测的方法，所以大部分装置共用，能够整体降低能耗，延长水下作业时间，提高了续航能力，为系统的集成提供了可能。这样的设计使得多参数传感器集成在同一双层耐压舱内，不仅可以保证多参数光谱传感器在深海条件下正常工作，还避免了单一传感器分别设计钛合金包覆传感器外壳，有效降低了成本。

Description

一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器
技术领域
本发明涉及环境化学监测技术领域，具体涉及一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器。
背景技术
随着对海洋资源开发利用和海洋环境保护要求的日益提高，对海水中各项理化参数实时准确测量的需求越来越高。国际上的Argo计划以及我国正在实施的“透明海洋”计划等都需要原位监测技术持续采集大量数据。例如溶解有色有机物(CDOM)CDOM，溶解有机碳DOC,硝酸根(NO3 -)NO3-等参数都是海洋调查和环境监测中必不可少的重要参数。
市售传感器上附带的采样泵，随着测量深度的增加对流速/流量的控制精度越来越差，导致传感器检出限和检测精度发生漂移，影响测量结果的准确性。2013年德国TriOS公司和加拿大Satlantic公司相继推出了基于紫外线直接测量NO3-的传感器产品，但受限于光路设计，样品采集流速波动干扰，检测限为0.5μM，由于设备耐压限制目前使用深度不超过500m。加拿大RBR公司的RBR maestro多传感器水质剖面仪就是将不同原理不同功能传感器(最多可集成13个)与数据处理和电源设备封装链接实现多参数原位检测，但是由于不同传感器耐压范围差别较大，实际工作过程中最大使用深度由耐压最差传感器决定，因此maestro的最大使用深度只有740m。全球海洋平均深度大约3800m，因此必需对耐压性能差的传感器进行升级改造，但是每个传感器的改造往往都是过程复杂，成本昂贵。为了克服深水压力对设备使用范围和检测精度的影响，德国Nautilus公司研制的深海仪器舱，标称可以在水下6000m范围内使用，但是该设备使用的是将两个玻璃半球抽真空后，利用深海压力将其紧密结合密封的原理，可以用来保护摄像设备和其他不需要直接采水与水体接触的仪器设备，但不能满足从不同深度采样分析要求；其他所有深海原位测量传感器均是对单一传感器进行耐高压处理，如利用耐高压水密接头链接外置电源和数据处理装置，利用价格昂贵的钛合金包覆传感器外壳，成本非常昂贵。目前未见多参数集成的深水稳压恒流耐压舱产品相关成果见诸报道或者产品问世。
在海洋调查、海洋勘探、环境检测等领域广泛使用的原位传感器主要有三类：电化学传感器、光学传感器和半导体传感器，其中光学传感器具有采样方式灵活，分析速度快，灵敏度高，操作维护简单，选择性好等显著优点，在海洋检测领域被制成多种参数(如叶绿素(chl-a)，浊度，有色可溶有机物(CDOM)等)的传感器。此类传感器的光源能量密度高，发光时间长，性能稳定，但同时，功率高，能耗大。对于依靠水下电池供电的传感器系统而言，采用多个单一功能传感器集成使用将严重影响水下续航时间，故而限制了其使用范围。基于上述分析，一款高精度多参数传感器是满足海洋调查和环境监测要求的必要设备，对于提高工作效率、扩大应用范围、降低调查成本具有至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，该传感器是一款可以充分利用全波长光源及检测器对多个参数(CDOM，DOC，NO3-)进行原位检测的高集成光谱传感器，集成化的设计能够有效降低系统整体的能耗，使得多个传感器采用同一耐压舱，大幅度降低成本，可为提高海洋环境监测和海洋调查能力提供技术支持，具有较高的应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，包括外壳，外壳内设置有过滤单元、减压单元、温盐监测控制单元、检测单元、废液池和电源；
所述过滤单元包括过滤器I和过滤器II；
所述减压单元包括减压阀和恒流稳压泵；
所述温盐监测控制单元包括通路、加热模块、电导率传感器和温控器模块，所述电导率传感器用于对所述通路内的水样进行电导率检测，所述加热模块对所述通路内的水样进行加热，所述温控器模块与所述加热模块电连接，用于对加热模块的温度进行控制；
所述检测单元内设置有参比池和至少一个流通池，所述参比池和所述流通池均采用Z型流通池,所述参比池和所述流通池的一侧设置有光源，另一侧设置有光谱检测仪，所述参比池和所述流通池与所述光源之间依次还设置有石英滤镜和平行单色器，所述光谱检测仪和所述平行单色器均分别与Z型流通池两侧的光纤连接；
所述外壳上设置有水密接口，所述水密接口与所述过滤器I的进样口相连，所述过滤器I的出样口依次经过所述减压阀、所述过滤器II和所述恒流稳压泵连接到所述通路的一端，所述通路的另一端通过分流器连接到所述流通池一端，所述流通池的另一端与所述废液池(6)相连；
所述检测单元内还设置有数据采集处理单元，所述温控器模块、所述电导率传感器、所述光谱检测仪分别与所述数据采集处理单元电连接；所述电源为其他各部分提供电源。
进一步地，所述外壳为不锈钢或钛合金铸成的双层耐压舱。
进一步地，所述过滤器I从进样口到出样口依次设置有两层过滤层，依次为80目不锈钢筛网和200目不锈钢筛网。
进一步地，所述过滤器II内设置有0.45μm玻璃纤维或聚醚砜滤芯。
进一步地，所述通路为螺旋管。
进一步地，所述光源为高强度氙灯光源。
进一步地，所述温控器模块采用STM93系列温控器模块。
进一步地，所述电导率传感器采用UniCond2电极电导率传感器。
进一步地，所述恒压稳流泵采用小体积恒流泵或者蠕动泵。
进一步地，所述水密接口与所述过滤器I的进样口之间设置有电磁阀；所述外壳端口处设置有压力传感器；所述减压阀内设置有压力传感器。
本发明的基于全波长光谱法的海水多参数传感器，是在光谱检测的基础上，应用单一检测器实现多种参数检测的目的，由于多种参数的检测均是采用光谱检测的方法，所以大部分装置共用，能够整体降低能耗，延长水下作业时间，提高了续航能力，为系统的集成提供了可能。这样的设计使得多参数传感器集成在同一双层耐压舱内，不仅可以保证多参数光谱传感器在深海条件下正常工作，还避免了单一传感器分别设计钛合金包覆传感器外壳，有效降低了成本，同时为其他设备预留了电源和数据处理接口，可以大大拓展传感器的使用深度，并通过调压稳流装置，对样品供给流速进行精确控制，将显著提高传感器的检测精度，为海洋调研和海洋环境监测提供更准确的数据，大幅降低研发制造成本。因此，该项目具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的传感器的结构组成示意图；
图2为Z型流通池的结构示意图；
上述图中：1-外壳；11-水密接口；2-过滤单元；21-过滤器I；22-过滤器II；3-减压单元；31-减压阀；32-通路I；32-恒流稳压泵；4-温盐监测控制单元；41-通路；42-温控器模块；43-电导率传感器；5-光学检测单元；51-光谱检测仪；52-参比池；53-流通池；54-石英滤镜；55-平行单色器；56-光源；57-数据采集处理单元；6-废液池；7-电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在对海水多参数进行检测时，为了提高多传感器使用时的续航能力，同时提高整体装置的耐压性能，本实施例将能够用光谱法进行检测的多种参数集成到同一个检测器中，使用单一全波长光源同一检测器同时测量多种参数，用以降低整体能耗，方便提高整个装置的耐压性能，扩展整个装置的应用范围。同时设计一套能够承受深海低温高压兼容多种传感器的水样采集处理舱，实现在外界水压0.2-400Mpa情况下，保持舱内压力稳定在0.1-0.2Mpa，在舱内配置可调速恒流泵为内置传感器供样，大幅降低深海原位测量传感器的研发制造成本，排除高压对流速影响，显著提高检测精度，该项目可为提高海洋环境监测和海洋调查能力提供技术支持，具有较高的应用价值。
本实施例的装置可对多种海水参数进行检测，例如CDOM，DOC，NO3-，石油烃、苯甲酸、多环芳烃等。下面着重对有色溶解有机物(CDOM)和硝酸根离子(NO3-)的测量原理进行介绍：
1、有色溶解有机物(CDOM)是水体中溶解有机物的重要组成部分，由于具有发色团，因此可以采用光谱法进行检测，其全波长(250-700nm)扫描谱图可以提供多个重要的参数，对水体中溶解有机物含量，组成，来源进行及时反映。
本发明采用CDOM在特定波长如355nm的吸收系数来反映水体中溶解有机物的含量。
a(CDOM,λ)＝2.303*Aλ/L
式中a(CDOM,λ)为CDOM在波长λ时的吸收系数，Aλ为波长λ处吸光度，L为流通池光程，单位(m)，本发明采用0.05m。
由于水体中的溶解有机物是结构复杂，各向均一的混合物，大多数溶解有机物的全波长吸光度与波长之间符合自然对数方程。
式中aλ为在波长λ时的吸收系数，为参比波长吸收系数，λ0为参比波长，S为光谱斜率，可以用来反映水体中有机物分子量分布，来源，及成岩作用的情况。CDOM在465nm处和665nm处的吸光度比值(E4:E6)可以很好的反映有机物的腐殖化程度和芳香性。
水体溶解有机碳(DOC)浓度与特定波长CDOM吸收系数显著正相关，通过公式可以根据CDOM在特定波长吸收系数计算出DOC的浓度
ln[DOC]＝α+βln[a275]+γln[a295]
因此通过测试CDOM的全波长谱图，并对其进行优化处理可以对水体中溶解有机物的分布，组成来源等情况进行实时监控。
2、硝酸根离子在特定波长(220nm)有强烈的紫外吸收，其吸光度与浓度成正比，因此用220nm处的吸光度可以快速测定水体中硝酸根离子浓度，但是水体基质背景干扰会影响其测量精度，干扰主要来源于水体中溶解有机物在此波长的吸收，由于水体中溶解有机物吸光度与波长呈指数关系分布，硝酸根离子在可见波段没有吸收，用几个特定CDOM全波长谱图中的紫外可见波段(如254nm，270nm，355nm，460nm)的吸光度进行校正，排除干扰，可以快速准确测定硝酸根离子浓度。
本实施例的传感器结构如下：
如图1所示，一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，包括外壳1，外壳1内设置有过滤单元2、减压单元3、温盐监测控制单元4、光学检测单元5、废液池6和电源7。
其中，外壳1为不锈钢或钛合金铸成的双层耐压舱，用来保护在深水高压环境中舱内设施始终处于常压条件，外壳1上设置有水密接口11，为耐高压水密接口，密封管路。
其中，过滤单元包括过滤器I21和过滤器II22；过滤器I21从进样口到出样口依次设置有两层过滤层，依次为80目不锈钢筛网和200目不锈钢筛网。80目不锈钢筛网主要用来滤除砂石，200目不锈钢筛网主要用来滤除粒径较大的颗粒物等用以保护后面各个单元正常工作，延长使用寿命。过滤器II22内设置有0.45μm玻璃纤维或聚醚砜滤芯，主要用来过滤排除水中小型颗粒物，确保传感器测得数据为水体中溶解物质，保证数据质量，减少光谱干扰。
其中，减压单元3包括减压阀31和恒流稳压泵32；通过调整减压阀31的工作状态，保证在输入水体处于高压(400MPa)环境时，输出水压始终维持在0.1-0.2MPa，保护恒流稳压泵32，使其能够正常工作。该减压阀31可以保证进口压力变化范围很大的情况下维持出口压力基本恒定，减压阀31为两级减压阀，相当于将两个减压阀串联，样品在一级减压阀内通过止动弹簧调整压力将高压海水压力降至3.0MPa后进入二级减压阀，通过二级减压稳压使其稳定在0.1-0.2MPa。该设计能最大程度减少压力波动对舱内进样压力的影响。当进样口压力低于一级减压阀设定的阈值(3MPa)时，一级减压阀不工作，仅二级减压阀工作，实现大范围压力控制。此外，恒流稳压泵32可选用小体积恒流泵或者蠕动泵，在本实施例中，恒流稳压泵32为小体积恒压稳流泵，流速在10-100ml/min范围内可调，将经过减压后的水样以恒定的流速输送到各单元。减压阀31和恒流稳压泵32间设置0.45μm滤芯，过滤海水中颗粒物，经减压过滤后的海水由恒流稳压泵32输送到流通池53进行检测，克服在深海条件下由于压力大引起的流速加快，导致光学传感器信号产生大幅漂移的问题，通过控制电路控制采样泵，实现在0-4000m深度流速10-100ml/min的进样精度控制，最大程度保证检测稳定性。
布局合理的耐压舱通过二级减压阀维持舱内始终处于稳定的较低压力(0.1-0.2MPa)，有效保护舱内各个模块的长时间稳定运行，拓展各个传感器的应用范围，提高检出限和精密度，显著降低成本。
其中，温盐监测控制单元4包括通路41、加热模块、UniCond2电极电导率传感器43和STM93系列温控器模块42，电导率传感器43用于对通路41内的水样进行电导率检测，加热模块对通路41内的水样进行加热，温控器模块42与加热模块电连接，用于对加热模块的温度进行控制。通路41为螺旋管，螺旋状的结构能够增加水样与加热模块的接触时间，增强加热效果。加热模块可为加热电阻丝，也可为加热管，只要能够为通路41中的水样进行加热就可以。在本实施例中，加热模块为加热电阻丝，加热电阻丝包裹在螺旋管状的通路41的外侧，能够对通路41进行全方位均匀加热。温控器模块42与加热模块电连接，对加热的温度进行控制，使其温度恒定，STM93系列温控器模块的温控精度±0.1℃，保证水样始终维持在恒定的温度，同时为了节约能源提高续航时间，可将温度设定为高于水样最高温度5℃。经过恒温处理的水样进入光学检测单元5后，进行光学检测。
其中，检测单元5内设置有参比池52和2个流通池53，用于分别对CDOM和NO3 -进行检测，参比池52和流通池53一般为高纯石英制成的Z型流通池，Z型流通池的结构如图2所示，A和B一个为进液口一个为出液口，C和D分别是光纤光路，参比池52和流通池53的一侧设置有光源56，另一侧设置有光谱检测仪51，参比池52和流通池53与光源56之间依次还设置有石英滤镜54和平行单色器55，光谱检测仪51和平行单色器55均分别与Z型流通池两侧的光纤连接，即与C和D分别相连。光源56为高强度氙灯光源，可提供190-900nm的高强度氙灯光源，光源发出的全波长光谱经过石英滤镜54和平行单色器55后变为均匀强度的平行光，透过石英滤镜54后直接照射在流通池53。综合考虑检测灵敏度，样品体积，及传感器空间要求，设计5cm光程Z型流通池，对样品吸光度检测。参比池52为装满超纯水的参比池，流通池53至少设置2个，流通池53通过分流器与通路41相连，分流器能将水样均分输送到流通池53内，为分别对应不同参数检测的样品池，分别进行高速全波长扫描和固定波长扫描。光谱检测仪51，分别记录全波长和固定波长光谱信号，将光信号转为电信号。
整个系统在结构上，外壳上设置有水密接口11，水密接口11与过滤器I21的进样口相连，过滤器I21的出样口依次经过减压阀31、过滤器II22和恒流稳压泵32连接到通路41的一端，通路41的另一端通过分流器连接到流通池53，流通池53与废液池6相连。
光学检测单元5内还设置有数据采集处理单元57，温控器模块42、电导率传感器43、光谱检测仪51分别与数据采集处理单元57电连接；电源7为其他各部分提供电源，电源7为高密度电源，为整个耐压舱持续稳定提供动力。
整个系统的工作流程如下：
a、将传感器放置在水中，外壳1端口处设置的压力传感器接收到压力信号，开启电磁阀，开始采集水样；
b、高压水样依次经过过滤单元2过滤、减压单元3减压稳流后进入温盐监测控制单元4的通路41；
高压水样依次经过过滤器I21的两层过滤层后进入两级减压阀31，减压阀31内置的压力传感器，可根据水体压力调整一级减压阀和二级减压阀工作状态，当输入水体压力小于20Mpa时，直接通过一级减压阀舱后控制输出压力小于0.2Mpa，当输入水压大于20Mpa时，二级减压阀参与工作，首先将高压水样减压至10Mpa然后进入一级减压舱，控制输出压力始终小于0.2Mpa；经过减压后的水样通过孔径为0.45μm的玻璃纤维滤芯的过滤器II22；经过减压过滤后的水样携带其中的溶解物质由稳压恒流泵32输送稳压过滤后的水体进入通路41。
c、温盐监测控制单元4内，加热模块对通路41内的水样进行加热，电导率传感器43对通路41内的水样进行电导率测量，然后温度信号和采集的电导率信息传输到数据采集处理单元57，以便数据采集处理单元57在最后的计算中进行温盐校正。
d、水样经由通路41后经由分流器后进入两个流通池53，光源56发出的全波光经由石英滤镜54和平行单色器55后由光纤传分别导至两个流通池53，并由另一侧的光纤传导至光谱检测仪51，光谱检测仪51接收光信息，并将光信息转化为电信号传输至数据采集处理单元57，由数据采集处理单元57进行测量参数的计算。
在此处，在对不同的物质进行检测时，光谱检测仪51可根据设置实现对不同频段或者频率光谱的接收。
e、数据采集处理单元57根据其内设定的计算程序，结合采集到的温度信号、电导率信息以及电信号对所检测的参数进行计算、校正，输出结果，检测后的水样最终放至废液池6。
当然在另外的实施例中，可通过设置多个流通池来实现对多个参数的同时检测，检测流程同上实施例。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于，包括外壳(1)，外壳(1)内设置有过滤单元(2)、减压单元(3)、温盐监测控制单元(4)、检测单元(5)、废液池(6)和电源(7)；
所述过滤单元(2)包括过滤器I(21)和过滤器II(22)；
所述减压单元(3)包括减压阀(31)和恒流稳压泵(32)；
所述温盐监测控制单元(4)包括通路(41)、加热模块、电导率传感器(43)和温控器模块(42)，所述电导率传感器(43)用于对所述通路(41)内的水样进行电导率检测，所述加热模块对所述通路(41)内的水样进行加热，所述温控器模块(42)与所述加热模块电连接，用于对加热模块的温度进行控制；
所述检测单元(5)内设置有参比池(52)和至少一个流通池(53)，所述参比池(52)和所述流通池(53)均采用Z型流通池,所述参比池(52)和所述流通池(53)的一侧设置有光源(56)，另一侧设置有光谱检测仪(51)，所述参比池(52)和所述流通池(53)与所述光源(56)之间依次还设置有石英滤镜(54)和平行单色器(55)，所述光谱检测仪(51)和所述平行单色器(55)均分别与Z型流通池两侧的光纤连接；
所述外壳(1)上设置有水密接口(11)，所述水密接口(11)与所述过滤器I(21)的进样口相连，所述过滤器I(21)的出样口依次经过所述减压阀(31)、所述过滤器II(22)和所述恒流稳压泵(32)连接到所述通路(41)的一端，所述通路(41)的另一端通过分流器连接到所述流通池(53)一端，所述流通池(53)的另一端与所述废液池(6)相连；
所述检测单元(5)内还设置有数据采集处理单元(57)，所述温控器模块(42)、所述电导率传感器(43)、所述光谱检测仪(51)分别与所述数据采集处理单元(57)电连接；所述电源(7)为其他各部分提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述外壳(1)为不锈钢或钛合金铸成的双层耐压舱。
3.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述过滤器I(21)从进样口到出样口依次设置有两层过滤层，依次为80目不锈钢筛网和200目不锈钢筛网。
4.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述过滤器II(22)内设置有0.45μm玻璃纤维或聚醚砜滤芯。
5.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述通路(41)为螺旋管。
6.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述光源(56)为高强度氙灯光源。
7.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述温控器模块(42)采用STM93系列温控器模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述电导率传感器(43)采用UniCond2电极电导率传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述恒压稳流泵(32)采用小体积恒流泵或者蠕动泵。
10.根据权利要求1所述的一种基于全波长光谱法的海水多参数传感器，其特征在于：所述水密接口(11)与所述过滤器I(21)的进样口之间设置有电磁阀；所述外壳(1)端口处设置有压力传感器；所述减压阀(31)内设置有压力传感器。
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