CN107144540A - 一种紫外‑可见光光度法测定水中khp含量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫外‑可见光光度法测定水中KHP含量的装置，包括两个相对设置的左右两个圆柱形密封探测室、中央控制设备，且两圆柱形密封探测室之间通过中空的连接杆连接，每个密封探测室内部均设置有光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路，左圆柱形密封探测室右端面、右圆柱形密封探测室左端面上分别设置有玻璃窗口，左圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源和绿光光源探测器，右圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源探测器和绿光光源，两个圆柱形密封探测室内的光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路均通过电缆分别与中央控制设备连接。本发明设计小巧，集成度高，操作界面简单，系统运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，属于水中邻苯二甲酸氢钾浓度测量领域。
背景技术
目前水污染已成为世界各国亟待解决的问题，越来越多的疾病都与水污染有关。水中各种无机物和有机物直接或间接影响人们的健康。
邻苯类有机物是水中常见的有机污染源之一，其中邻苯二甲酸氢钾(KHP,Potassium phthalate monobasic)化学性质相对稳定，常常作为检测化学需氧量(COD,Chemical Oxygen Demand)的化学物质。目前常用KHP检测方法可分为化学检测法和光学检测法两大类，化学检测法常见的是电化学分析法，它具有选择性好、灵敏度高和仪器小等优点，但是其检测指标单一、使用寿命短的缺点。光学检测法由于分析精度高、非接触检测、检测速度快和无污染等优点，成为KHP检测的首选方法。目前有单波长、双波长、多波长、紫外光谱和紫外-可见光谱法的水质检测技术，其中紫外-可见光谱法提供可见光吸收谱，可实现浊度的校正补偿，能有效地减小散射干扰，提高了测量精度。
目前使用光学检测法检测KHP的装置较少，且大多使用单波长分光光度法，此类方法不能有效减小溶液中浊液的影响，其测量精度会受到影响。本发明装置所使用的光源为紫外光和绿光，属于紫外-可见光光度法检测KHP浓度的装置，相对于单波长法具有浊度补偿功能，提高测量精度。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，属于邻苯含量检测分析技术领域。
本发明的目的是这样实现的：包括两个相对设置的左右两个圆柱形密封探测室、中央控制设备，且左圆柱形密封探测室和右圆柱形密封探测室之间通过中空的连接杆连接，每个密封探测室内部均设置有光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路，左圆柱形密封探测室右端面、右圆柱形密封探测室左端面上分别设置有玻璃窗口，左圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源和绿光光源探测器，右圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源探测器和绿光光源，两个圆柱形密封探测室内的光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路均通过电缆分别与中央控制设备连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述中空的连接杆有三个，对称设置在两个圆柱形密封探测室之间。
2.左圆柱形密封探测室内的紫外光源和绿光光源探测器与对应的光源驱动电路板、探测器处理电路连接，光源驱动电路板、探测器处理电路的电缆依次穿过中空的连接杆、右圆柱形密封探测器后与中央处理设备连接；
左圆柱形密封探测室内的紫外光源探测器和绿光光源与对应的光源驱动电路板、探测器处理电路连接，光源驱动电路板、探测器处理电路的电缆穿出右圆柱形密封探测器并与中央处理设备连接。
3.中央处理设备包括核心处理电路板、探测室线缆接口、LCD显示屏和按键，LCD显示屏显示当前邻苯浓度测量值、当前设备测量量程和探测室光源温度参数，按键包括调节零点偏置的校零按键、切换测量范围的量程切换按键、恒定显示测量值的单次测量按键。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、该发明装置采用紫外光和绿光双波长叠加法测量KHP含量，绿光补偿浊液影响，使测量结果更为精确。2、该发明装置采用探测室和中央处理设备分离的结构设计，简化样品液多次配置步骤，提高系统便携性。3、该发明装置中双光源选择对立安装模式，有效减小另一光源对探测器的影响。4、该发明装置使用不同频率驱动光源，同时使用不同频率的集成滤波器对各自探测信号进行滤波，提高抗干扰性。5、该发明装置系统设计小巧，集成度高，操作界面简单，系统运行稳定。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的探测室结构示意图；
图3是本发明的中央处理设备面板图；
图4是本发明的测量系统示意图；
图5是本发明的KHP测量原理示意图；
图6是本发明的系统程序流程图；
图7是本发明的系统测试结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明包括探测室和中央处理设备主机。探测室包括两个对称结构的圆柱形密封舱，密封舱内包括光源驱动电路板、光源、温度控制模块和探测器处理电路；中央处理设备包括核心处理电路板、探测室线缆接口、LCD显示屏和按键。所述核心电路板由AD转换电路、电源电路、微处理器等组成。本发明装置系统结构图如附图1所示，包含探测室1，安装在探测室1内的处理电路板2，安装在探测室1内侧的紫外光源4和绿光光源探测器5，连接探测室1和探测室13使用中空圆柱杆7，连接杆内铺设信号走线，探测室13内部安装处理电路板12，探测室13内侧安装紫外光源探测器9和绿光光源10，探测室1右端面3安装圆形玻璃窗口6，探测室13左端安装玻璃窗口11，6和11可以允许紫光和绿光透过，电缆14从探测室13外侧引出，中央控制设备15通过电缆14和探测室13进行数据通信，接收测量数据并处理，同时向探测室13发送测试指令。
本发明使用探测室外壳对温度控制模块进行散热，以维持探测室内光源的温度稳定，光源的安装方式为对向照射，且两端面之间间距为5cm。
本发明装置使用紫外-可见光光度法结合比尔-朗伯定律和浊度补偿法，得到测量KHP浓度的方程，并分别对不同浓度区域进行校准，提高测量量程。比尔-朗伯定律是指当一束平行光通过均匀的、无散射的吸光溶液时，光的吸收程度与溶液的溶度及光走过的路程有关，且两者成正比。这也是紫外-可见光谱法对水质参数进行检测的理论定量依据。
下面对测量装置进行详细说明：
1、左探测室结构
左探测室实现紫外光源调制和接收绿光光源信号功能，其装置包含圆柱形密封探测室1、探测室内信号处理电路板2、左探测室右端面3、左探测室内右侧紫外光源4和绿光光电探测器5、左探测室右端面玻璃窗口6，如附图2所示。舱内信号处理电路板2通过安装孔安装在左探测室内中央，紫外光源4安装在左探测室内右侧，通过圆形玻璃窗6发出紫外光束，绿光光电探测器5安装在左探测室内右侧，同样通过圆形玻璃窗接收右探测室的绿光光束。
2、右探测室结构
右探测室结构与左探测室结构相同，由圆柱形密封探测室13、探测室内信号处理电路板12、右探测室内左侧紫外光电探测器9和绿光光源10，如附图2所示。两个探测室通过3个中空圆柱形连接杆7进行连接和数据传输。探测室内安装形式与左探测室相同，节省设计成本和时间。
3、中央处理设备结构
中央处理设备的面板上设有LCD显示屏和系统设置按键。显示界面可显示当前邻苯浓度测量值、当前设备测量量程和探测室光源温度参数。可通过面板上校零按键调节零点偏置，通过量程切换按键切换测量范围，通过单次测量按键恒定显示此次测量值。更为具体的说是：中央处理设备15是系统通信和数据处理核心，其面板如附图3所示。LCD显示屏1显示当前测量值、量程值和探测室温度参数，电源开关3控制整个系统电源，电源指示灯3指示目前系统电源状态，校零按键4调节系统零点误差，量程按键5设置系统量程参数，单次测量按键6设置进行一次测量，并将结果恒定显示在LCD显示屏上。中央处理设备界面设计简单，内部集成高性能微控制器STM32作为核心处理器，提高系统性能和稳定性。
本发明装置中使用波长漂移小，输出光功率稳定的紫外光源和绿光光源。通过MAX1978集成温度控制模块精确控制光源温度，提高光源输出功率的稳定性。Si光电探测器采用暗电流为2pA，温度系数为1.12times/℃的低噪声探测器，减小环境光的干扰。为进一步减小两个光束之间的干扰，使用不同频率的正弦信号调制不同的光源，并且在安装时采用对立安装方式。
在对接收信号的处理上，使用集成滤波器对探测器的交流信号进行窄带滤波，并且使用锁相放大器对光源参考信号和探测器接收信号进行自相关检测，进一步滤除杂散干扰信号，获取更高精度的测量结果。本发明采用探测室和中央处理设备分离的设计方案，探测室采用对称双密封结构，在测量时将探测室放入要测量的溶液中，避免多次配置溶液和清理试管，简化测量步骤，同时提高了探测室的便携性，测量系统示意图如附图4所示。中央处理设备采用STM32微控制器作为整个系统的处理核心，具有测量精度高、处理速度快等优点。其作用是产生驱动光源的正弦信号和同频率的参考信号，设置测量参数和仪器的标定，接收探测室上传的数据并对其进行处理，最终显示测量结果。
人机交互界面包括显示部分和设置输入部分，通过面板上设置按键可设置系统参数。显示界面显示当前实时测量结果，界面操作简单，显示直观。
窄带滤波和自相关检测方法：
窄带滤波是对具有一定稳定频率f1的信号进行带通滤波，并控制带通滤波的通带频率参数，使其滤除混合在f1中的干扰信号。自相关检测原理是利用被检测信号和同源的参考信号进行自相关运算，在混合信号中恢复出原始信号的一项检测技术。本发明利用自相关原理检测光电探测器收到的信号，并对被测信号进行恢复，获取水中邻苯二甲酸氢钾的浓度值。其实现方法如下：
使用STM32微控制器单元产生如下两路信号：
s1作为紫外光光源驱动信号，s2作为对应的同频不同相的参考信号，光电探测器接收到经过溶液的光信号和环境杂散光信号，并经过频率为f1的窄带滤波先滤除截止频率f1-Δf到f1+Δf之外的干扰信号，得到和光源驱动信号同频的再使用锁相放大器对s1′和s2进行运算，其运算结果如下：
得到锁相放大器自相关之后的输出信号s0，从式中可以看出输出信号s0由直流分量和交流分量组成，其中交流分量信号频率变为原始信号频率的两倍，对此输出信号s0进行低通滤波处理，滤除其交流分量，得到直流分量在本发明中，两路信号s1′和s2的相位差设置完成后固定不变，因此低通滤波之后的直流信号幅值只和信号s1′、s2的幅值A1′、A2有关。由于参考信号s2恒定不变，所以A2是定值，低通滤波输出信号大小只取决于信号s1′的幅值A1′。因此检测低通输出信号幅值即可检测光电探测器检测的光信号幅值大小，以此计算邻苯二甲酸氢钾溶液的吸光度。
使用窄带滤波结合自相关检测方法，能够滤除非通频带上的随机干扰信号和其他频率的干扰信号，在信噪比较小时也能恢复出原始信号，其动态范围较大，是信号检测的首选方法。
本发明提供一种使用紫外-可见光光度法测量KHP浓度的装置，为使专利局审查员和公众清楚地理解本发明的技术实质，下面将对本发明具体实施方式进行详细说明：
一、紫外-可见光光度法KHP浓度测量装置的实现
该发明装置主要包含探测室和中央处理设备两部分，如附图1所示。
二、紫外-可见光光度法KHP测量原理的实现
紫外-可见光光度法测量KHP的测量原理：使用紫外-可见光双波长照射KHP和浊度溶液，使用小信号检测中的窄带滤波和自相关检测方法测量。其检测原理如附图5所示。
三、紫外-可见光光度法KHP测量方法的实现
紫外-可见光光度法测量KHP浓度使用不同波长、不同调制频率的光源分别照射溶液，分别检测通过溶液后的出射光强，计算溶液对紫外光和绿光的吸光度，通过浊度补偿参数计算出KHP的浓度。
首先中央控制系统发送参数设置两路频率为f1和f2的调制信号。调制信号通过驱动电路之后驱动紫外光源和绿光光源，同时分离出各自的参考信号fref1和fref2。经过溶液后的两束光分别被各自光电探测器接收，转换成电信号之后分别进行放大、带通滤波和锁相放大，接着使用低通滤波输出直流信号，最后使用16位高精度AD转换芯片将模拟信号转换成数字信号给中央处理单元进行处理，处理单元根据采集数据进行浊度补偿计算，得到精度较高的邻苯浓度值，其程序流程如附图6所示。
四、紫外-可见光光度法KHP测量过程的实现
首先使用去离子水配置不同KHP浓度和不同浊液浓度的样品室，并将本发明装置的探测室外壳使用配置好的溶液进行清理；然后将探测室放入待测溶液中直至两个探测室内表面被溶液淹没，使光束完全透过溶液；接着打开中央处理设备电源，为系统供电并测量当前KHP浓度值，使用面板上量程切换按键根据当前浓度范围选择量程，通过校零按键校准零点误差和非线性误差，通过单次测量按键显示一次测量值。系统测试结果曲线图如图7所示。
Claims (4)
1.一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，其特征在于：包括两个相对设置的左右两个圆柱形密封探测室、中央控制设备，且左圆柱形密封探测室和右圆柱形密封探测室之间通过中空的连接杆连接，每个密封探测室内部均设置有光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路，左圆柱形密封探测室右端面、右圆柱形密封探测室左端面上分别设置有玻璃窗口，左圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源和绿光光源探测器，右圆柱形密封探测室的玻璃窗口的内表面设置有紫外光源探测器和绿光光源，两个圆柱形密封探测室内的光源驱动电路板、温度控制模块、探测器处理电路均通过电缆分别与中央控制设备连接。
2.根据权利要求1所述的一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，其特征在于：所述中空的连接杆有三个，对称设置在两个圆柱形密封探测室之间。
3.根据权利要求2所述的一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，其特征在于：左圆柱形密封探测室内的紫外光源和绿光光源探测器与对应的光源驱动电路板、探测器处理电路连接，光源驱动电路板、探测器处理电路的电缆依次穿过中空的连接杆、右圆柱形密封探测器后与中央处理设备连接；
左圆柱形密封探测室内的紫外光源探测器和绿光光源与对应的光源驱动电路板、探测器处理电路连接，光源驱动电路板、探测器处理电路的电缆穿出右圆柱形密封探测器并与中央处理设备连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种紫外-可见光光度法测定水中KHP含量的装置，其特征在于：中央处理设备包括核心处理电路板、探测室线缆接口、LCD显示屏和按键，LCD显示屏显示当前邻苯浓度测量值、当前设备测量量程和探测室光源温度参数，按键包括调节零点偏置的校零按键、切换测量范围的量程切换按键、恒定显示测量值的单次测量按键。
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Non-Patent Citations (1)
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