CN109073457B - 用于多参数水质测量的光学硝酸盐传感器补偿算法 - Google Patents
用于多参数水质测量的光学硝酸盐传感器补偿算法 Download PDFInfo
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Abstract
一种光学硝酸盐传感器，具有信号处理器或者信号处理模块，该信号处理器或者信号处理模块被配置为：接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在所述水中被感测的溶解有机物(DOM)有关的信息；以及基于所接收的信令，通过针对在水中被感测的DOM来补偿硝酸盐的浓度，确定包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正的浓度有关的信息的对应的信令。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年3月9日提交的临时专利申请序列号62/305,742(911-023.4-1//N-YSI-0034)的权益，其通过引用而整体并入本文。
本申请也涉及于2017年3月7日提交的专利申请序列号15/451,853，其要求于2016年3月7日提交的临时专利申请序列号62/304,678(911-023.3-1//N-YSI-0033)的权益，两者都通过引用而整体并入本文。
背景技术
1.本发明的技术领域
本发明涉及用于确定水质的技术；并且更具体地涉及用于使用光学传感器来确定水质的技术，该光学传感器用于多参数水质监测。
2.相关领域的说明
富营养化被理解为湖泊或者其他水体中过多的营养物质，通常由于来自陆地的径流，导致植物生命的密集生长以及动物生命因缺氧而死亡。由于这种环境水的营养负载而引起的富营养化是对当今水生健康的最大挑战之一。在这种环境水中进行硝酸盐检测对帮助解决这些问题是必要的。由于试剂消耗(湿化学系统)或者过度功耗(基于光谱仪的系统)，导致市面上可用的当前传感器不适于长期监测。鉴于此，随着对减少营养物质负载的需求增加，本领域中需要环境水传感器，该环境水传感器是长期监测、多参数感测套件的一部分。
发明内容
一般的基础技术
作为示例，本发明提供了一种新的并且独特的技术，该技术用于使用光学传感器来确定水质以，例如解决本领域的前述需求，光学传感器用于多参数水质监测。
根据一些实施例，本发明提供装置(例如，以多参数基于探头的传感器的形式)，利用深UV发光二极管(LED)来测量～229nm(纳米)处的硝酸盐的紫外(UV)吸收度。然而，由于水基质干扰(water matrix interferences)，在天然水中的单个波长测量不足以测量硝酸盐浓度。因此，基质校正算法(matrix correction algorithm)必须被采用，以从任何背景干扰中提取硝酸盐浓度。
光学吸收度是在固定距离上的、相对于参考测量的光强度衰减的测量。溶解在水中的硝酸盐具有已知的，从200nm-230nm范围中的UV谱中的光学吸收度。LED技术的最新进展能够允许访问229nm范围中的弱光学吸收度。该弱光学吸收度足以在淡水系统中测量典型的1-10ppm(即，百万分之一)的硝酸盐浓度。
为了进行该测量，以229nm为中心的UV LED可以被配置为，照明被限制在传感器本体的规定区域内的水。在存在吸收物类(absorbing species)的情况下，横穿水的受限体积的光会衰减。被衰减的光照射到光电二极管，在光电二级管处，光电流被生成并且随后经由跨阻放大器被转换成电压。该信号被指定为测量(M)或者测量信号。在与样本交互之前，UV光的一部分经由参考光电二极管而被采样，在参考光电二极管处，光电流经由跨阻放大器被转换成电压，而不与水进行交互。该信号被指定为参考(R)或者参考信号。
吸收度可以如下被计算：
吸收度＝-log(光透射率)＝-log(M/a R)
其中a是比例常数，可以针对电增益和/或归一化而被调整。
尽管吸收度能够如上所示被测量为衰减，但是吸收度确实基于吸收物类的浓度、与吸收物类的交互长度、以及随着所使用的光波长而变化的摩尔吸光系数。这由Beer定律如，吸收度＝εl c，来描述；其中ε＝摩尔吸光系数，c＝分析物浓度，以及I＝交互长度。这意味着针对优化信号对比度，针对最低浓度需要长交互长度，以及针对高浓度需要短交互长度。
在天然水中，必须校正多个光学干扰。本发明提出了用于使用校正算法的实施方式，该校正算法用于或者倾向进行硝酸盐吸收度测量。
溶解有机物(DOM)，诸如叶子和土壤提取物可以可选的干扰硝酸盐测量。干扰是由于入射的UV光的吸收而导致的，这提供产生荧光的能量转移。这种额外的背景吸收度可以产生假阳性硝酸盐吸收度的结果。为了补偿这种背景吸收度，以主导DMO吸收度的、250nm-275nm为中心的第二光学源可以被实现，以测量DOM吸收度背景。然后，背景等级可以从229nm处的硝酸盐测量中被减去，以提供经背景校正的结果。
水浊度也可以干扰硝酸盐吸收度测量。来自水中颗粒的光学散射表现为在所有光波长处的衰减，因此提供错误吸收度。浊度可以经由在近红外中的浊度测定散射，而在传感器上或者在系统中被测量。
以下算法是进行主要由浊度和有机物干扰的、精确硝酸盐测量所需的典型补偿。温度补偿也会出现，并且对任何补偿算法都十分重要。校正算法系数特定于给定传感器电气、机械、以及光学架构，并且因此本质上不是全局性的。
1.参考(R)光电二极管信号和测量(M)光电二极管信号在229nm以及～275nm处被评估。以示例的方式，吸收度可以经由信号R和M的比率与非吸收(空白)标准(诸如，去离子水)的比率的对数的算法而被计算。
2.分别在229nm以及～275nm处，从吸收度减去浊度校正，作为系数αi或者γm的多项式校正。作为示例，浊度数据可以由浊度测定单元中的内部或外部光学测量提供。
3.以毫克/升为单位的浊度补偿的硝酸盐浓度，可以利用(多个)转换因子βj根据吸收度被计算。
4.针对275nm的吸收度，有机物背景可以，例如利用适当的缩放因子δ，经由减去浊度补偿的吸收度而被校正。
5.经有机物和浊度校正的硝酸盐浓度可以，例如经由系数εk的多项式而被计算。
6.有机背景和浊度补偿的数据的温度校正可以，例如经由系数μ(℃)l的多项式而被计算。
存在多个方式来集成用于测量和校正两者的LED。根据本发明，传感器将利用包含229nm、275nm的组合源，以及在相同光学壳体内的监测器光电二极管。这种方式的益处是最小化系统中的光学组件数目、减少光学对齐误差、并且有助于传感器的整体小型化。利用这种方式，也可以在相同封装中集成用于浊度测量的近IR LED。每个LED可以在电路设计中单独寻址，以便多个单独测量可以被进行，同时最小化系统的峰值电流汲取。另外，如果更多的校正波长被需要，则扩展单独寻址的源或者光电二极管的数目是非常直接的。
特定实施例的示例
根据一些实施例，本发明可以包括装置，例如，诸如具有信号处理器或者信号处理模块的光学硝酸盐传感器，该信号处理器或者信号处理模块被配置为：
接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在所述水中感测的溶解有机物(DOM)有关的信息；以及
基于所接收的信令，通过针对在水中感测的DOM补偿硝酸盐的浓度，确定包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息的对应的信令。
该装置可以包括以下额外特征中的一个或多个：
信号处理器可以被配置为提供包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息的对应的信令。
信令可以包括第一信令，第一信令包含与溶解在水中的硝酸盐对UV光的第一UV光学吸收度的第一测量(M)有关的信息，UV光由UV LED生成，以229nm为中心，并且横穿在传感器本体的规定区域内的水的受限体积。
信令可以包括第二信令，第二信令包含与在水中的DOM对UV光的第二UV光学吸收度的测量有关的信息，UV光由UV LED生成，中心在250nm至275nm的范围中，并且横穿在传感器本体的规定区域内的说的受限体积。
信令可以包括第一信令和第二信令两者的组合，第一信令包含，与溶解在水中的硝酸盐对第一UV光的第一UV光学吸收度的第一测量(M)有关的信息，第一UV光由第一UVLED生成，以229nm为中心，并且横穿在传感器本体的规定区域内的水的受限体积，并且该信息还与未横穿水的受限体积的第一UV光的第一部分的第一参考样本(R)有关；并且第二信令包含，与在水中的DOM对第二UV光的第二UV光学吸收度的第二测量有关的信息，第二UV光由第二UV LED生成，中心在250nm至275nm的范围中，并且横穿在传感器本体的规定区域内的水的受限体积，并且该信息还与未横穿水的受限体积的水的第二UV光的第二部分的第二参考样本(R)有关。
该信号处理器可以被配置为，基于所接收的第二信令来确定背景校正信令，背景校正信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经背景校正浓度有关的信息。
该信号处理器可以被配置为，通过从第一信令中减去第二信令来补偿能够在水中的能在光学上影响硝酸盐测量的叶子和土壤提取物，以确定背景校正信令。
该信号处理器可以被配置为：
接收另一第二信令，另一第二信令包含，与来自水中颗粒的光学散射有关的信息，光学散射表现为在光的所有波长处的衰减；以及
浊度校正信令，浊度校正信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经浊度校正浓度有关的信息，基于所接收的另一第二信令。
该信号处理器可以被配置为，接收在229nm以及～275nm处被评估的参考(R)光电二极管信令和测量(M)光电二极管信令，并且实现具有如以下的步骤中的一些组合的补偿算法：
经由参考(R)光电二极管信令和测量(M)光电二极管信令的比率与非吸收或者空白标准的比率的对数来确定吸收度，包括其中所述非吸收或者空白标准关于去离子水而被确定；
分别在例如包括浊度数据信令的229nm以及～275nm处，从吸收度中减去浊度校正，作为系数αi或者γm的多项式校正，浊度数据信令包含有关浊度数据的信息，浊度数据由浊度测定单元中的内部或者外部光学测量提供；
例如利用(多个)转换因子βj根据吸收度，确定或者计算浊度补偿的硝酸盐的浓度；
针对275nm的吸收度，利用适当的缩放因子δ，经由减去浊度补偿的吸收度来校正有机物背景；
例如，经由系数εk的多项式，确定或者计算有机物以及经浊度校正的硝酸盐浓度；或/和
例如，经由系数μ(℃)的多项式，确定或者计算有机背景以及浊度补偿的数据信令的温度校正，有机背景以及所述浊度补偿的数据信令包含与有机背景和浊度补偿的数据有关的信息。
信号处理器可以被配置为，接收在229nm以及～275nm处被评估的参考(R)光电二极管信令和测量(M)光电二极管信令，以及实现补偿算法，以用于通过进行如以下的步骤来校正硝酸盐测量：
例如，使用内部或者外部温度传感器进行温度校正；
例如，使用外部或者集成的浊度测量进行浊度校正。
该装置可以包括光学硝酸盐传感器，或者形成光学硝酸盐传感器的一部分。
光学硝酸盐传感器可以包括：
用于提供第一UV光的第一UV LED，第一UV光以229nm为中心，例如，可以横穿在传感器本体的规定区域内的水的受限体积；以及
用于提供第二UV光的第二UV LED，第二UV光的中心在250nm至275nm的范围中，例如，可以横穿在传感器本体的规定区域内的水的受限体积。
光学硝酸盐传感器包括：传感器本体，传感器本体被配置为限制在规定区域内的水的体积。
该信号处理器可以被配置为基于以下等式确定所述UV光学吸收度的测量：
吸收度＝-log(光透射率)＝-log(M/a R)
其中a是比例常数，能够针对电增益归一化而被调整。
信令可以包含，与从测量光电二极管被测量和接收的测量(M)、或者从参考光电二极管被测量和接收的参考样本(R)、或者两者有关的信息，例如，包括，在测量光电二极管和参考光电二极管两者处，光电流被生成并且随后经由跨阻放大器被转换成电压。
UV光可以在不同路径长度上横穿水的受限体积，不同路径长度取决于针对被确定的硝酸盐的浓度的感情去的浓度范围。
根据一些实施例，本发明可以包括具有以下步骤的方法：
在信号处理器或者处理模块中接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在所述水中被感测的溶解有机物(DOM)有关的信息；以及
在信号处理器或者处理模块中，基于所接收的信令，通过针对水中被感测的DOM来补偿硝酸盐的浓度，确定包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息的对应的信令。
该方法还可以包括上文所阐述的特征中的一项或多项。
附图说明
并未一定按比例绘制的附图包括图1-图5，如下：
图1A示出了根据本发明的一些实施例的装置的框图，例如，具有用于实现信号处理功能的信号处理器或者信号处理模块。
图1B示出了根据本发明的一些实施例的，具有用于实现方法的步骤的流程图的框图。
图2是根据本发明的一些实施例的，具有用于实现补偿算法的至少一部分的步骤的流程图。
图3是根据本发明的一些实施例的具有节点的图，节点示出了补偿算法的至少一部分。
图4是示出了在固定2ppm的硝酸盐下浊度校正的影响的图，例如，包括可以产生错误硝酸浓度最大至30ppm的500FNU的浊度(菱形)的情况，并且包括根据可以高效产生精确结果的本发明实现校正算法的情况(方形)。
图5示出了根据本发明的装置，该装置包括，全部根据本发明的一些实施例的用于实现光学信令处理的UV LED和光电二极管组合，以及用于实现信令处理功能的信号处理器，。
为了减少附图中的混乱，附图中的每个图不一定包括针对其中所示的每个元件的每个参考标签。
具体实施方式
图1A：信号处理功能的实施方式
以进一步示例的方式，图1A示出了根据本发明的一些实施例的，用于实现相关联的信号处理功能的装置10(例如，光学硝酸盐传感器)。装置10可以包括信号处理器或者处理模块12，信号处理器或者处理模块12至少被配置为：
接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在水中感测的溶解有机物(DOM)有关的信息；以及
通过基于被接收的所述信令来补偿在所述水中被感测的针对DOM的硝酸盐的浓度，确定对应信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息。
在操作中，信号处理器或者处理模块12可以被配置为提供对应的信令，对应的信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息，例如，用于进一步的处理，与本文所阐述的一致。本发明的范围并非旨在限制任何特定类型、种类、或者方式的进一步处理，并且可以包括现在已知的或者以后在未来中开发的进一步处理技术。
作为示例，信号处理器或者处理模块12的功能，可以使用硬件、软件、固件或者其组合而被实现。在典型的软件实施方式中，信号处理器或者处理模块12将包括一个或多个基于微处理器的架构，该架构具有，例如至少一个类似元件12的信号处理器或者微处理器。本领域的一名技术人员将能够利用合适的程序代码进行编程，诸如，基于微控制器的、或者基于微处理器的、用于执行本文公开的信号处理功能而无需过多实验的实施方式。例如，信号处理器或者处理模块12可以由，例如本领域的一名技术人员无需过多实验的配置为，接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在所述水中被感测的溶解有机物(DOM)有关的信息，与本文所公开的一致。
此外，信号处理器或者处理模块12可以由，例如本领域的一名技术人员无需过多实验的配置为，通过补偿在水中被感测的针对DOM的硝酸盐的浓度，确定对应信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息，例如，与本文所公开的一致。以示例的方式，本申请公开了技术，该技术用于通过补偿在水中被感测的针对DOM的硝酸盐的浓度，确定对应信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息；然而，本发明的范围并非旨在限制：任何特定类型、或种类的处理实施方式和/或技术，该处理实施方式和/或技术用于：基于被接收的信令，进行关于溶解在水中的硝酸盐的经校正的浓度的确定。
本发明的范围并非旨在限制，使用包括现在已知的或者以后在未来中开发的进一步处理技术的任何特定实施方式。本发明的范围旨在包括，将信号处理器12的功能实现为独立处理器，信号处理器、或信号处理器模块，以及单独的处理器或处理器模块，以及其一些组合。
作为示例，装置10还可以包括，例如被总体标示为14的其他信号处理器电路或组件，包括随机存取存储器或者存储器模块(RAM)、和/或只读存储器(ROM)、输入/输出设备以及控制、以及连接相同的、和/或至少一个输入处理器以及至少一个输出处理器的数据和地址总线，例如，可以被本领域的一名技术人员理解。
作为另一示例，信号处理器12可以包括、或者采用，信号处理器与包括计算机程序代码的至少一个存储器的一些组合的方式，其中信号处理器和至少一个存储器被配置为，促使装置实现本发明的功能，例如，以响应被接收的信令，并且基于被接收的信令来确定对应的信令。
图1B：基本方法
根据一些实施例，本发明还可以包括被总体标示为20的方法，该方法包括步骤20a、20b以及20c，如以下：
步骤20a用于：在类似元件12的信号处理器或者处理模块中接收信令，信令包含与基于以229nm为中心的光的第一UV光学吸收度的、溶解在水中的硝酸盐的浓度有关的信息，并且还包含与基于中心在250nm至275nm的范围中的相关联光的第二UV光学吸收度的、在所述水中被感测的溶解有机物(DOM)有关的信息；以及
步骤20b用于：在类似元件12的信号处理器或者处理模块中，通过针对在水中感测的DOM补偿硝酸盐的浓度，确定包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息的对应的信令。
方法还可以包括上文阐述的特征中的一项或多项，包括用于提供对应的信令的步骤20c，对应的信令包含与溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度有关的信息。
图2：流程图
图2是根据本发明的一些实施例的总体被标示为50的流程图，流程图50具有用于实现补偿算的至少一部分的步骤50a至50o。
步骤被简要概述如下：
步骤50a和步骤50b可以被实现，以用于确定参考光电二极管测量和测量光电二极管测量；
步骤50c和步骤50d可以被实现，以用于，例如基于确定对数函数((M229/R229)/(空白比率))或者对应的对数函数((M275/R275)/(空白比率))，来确定A229和A275；
步骤50e和步骤50f可以被实现，以用于，例如基于，分别在229nm以及～275nm处，从A229和A275减去与吸收度相关的和函数来确定Atcorre229和Atcorr275，作为系数αi或者γm的多项式校正；
步骤50g和步骤50h可以被实现，以用于确定浊度测量和温度测量；
步骤50i、步骤50j以及步骤50k可以被实现，以用于，例如仅基于Atcorre229和Atcorr275校正来确定经浊度校正的结果，其中以毫克/升为单位的浊度补偿的硝酸盐浓度，可以利用(多个)转换因子βj根据吸收度而被计算，并且针对275nm吸收度，有机物背景可以利用适当的缩放因子δ经由减去浊度补偿的吸收度而被校正。
步骤50I和步骤50m可以被实现，以用于，例如仅基于经由系数εk的多项式来计算经有机物和浊度校正的硝酸盐浓度，来确定经浊度和NOM校正的结果。
步骤50n和步骤50o可以被实现，以用于，例如仅基于经由系数μ(℃)的多项式来计算有机物背景和浊度补偿数据的温度校正，来确定经浊度、NOM以及温度校正的结果。
图3：
图3是根据本发明的一些实施例的总体被标示为60、具有节点60a至60d的图，节点60a至60d用于实现补偿算法中的至少一部分，以在节点60e中获得经校正的硝酸盐测量。
节点60a实现229nm吸收度测量，例如包括，通过使用UV LED、光电二极管、光学滤光器和模拟电路以及固件，与本文所公开的一致；
节点60b实现250nm至275nm吸收度测量，例如包括，通过使用固件，与本文所公开的一致；
节点60c实现对温度进行测量，例如，使用内部和外部传感器以及固件算法，与本文所公开的一致；以及
节点60d实现对浊度进行测量，例如，使用外部或集成的测量及固件算法，与本文所公开的一致。
图5：基本光电二极管组合以及信号处理功能
作为示例，图5示出了总体上被标示为10’的装置，该装置用于提供光学硝酸盐传感器补偿，以用于使用UV/LED和光电二极管组合20以及信号处理器12，来进行对样本腔SC中总体上被标示为H2O的水体的水质监测。
以示例的方式，UV/LED和光电二极管组合20可以包括具有UVLED的组合源20a，UVLED将229nm或者275nm处的LED光学信令LM提供给采样窗口，如图所示可以由石英制成。采样窗口响应于229nm或者275nm处的LED光学信令LM，并且将229nm或者275nm处的LED光学信令LM的一部分提供给参考光电二极管PDR，并且将229nm或者275nm处的LED光学信令LM的另一部分提供通过水体。光电二极管组合20还包括，具有测量光电二极管PDM的监测光电二极管组合20b，测量光电二极管PDM在229nm和275nm处测量通过水的所接收的LED光学信令LM，并且提供经测量的光电二极管信令Sm,229和Sm,275，该经测量的信令包含相关于229nm和275nm处被吸收的LED信令LM的与水的光学吸收度有关的信息。
以进一步示例的方式，UV/LED和光电二极管组合20还可以包括可编程增益放大器PGA，PGA被配置为接收来自参考光电二极管PDR的参考信令SR,229或SR,275，并且还接收来自测量光电二极管PDM的测量信令Sm,229和Sm,275，并且将可编程增益放大器信令PGA(SR/M,229；SR/M,275)提供给信号处理器12，以用于进一步处理，例如，与本文所阐述的一致。可编程增益放大器在本领域中是已知的，本发明的范围并非旨在限制其的任何特定类型或者种类，例如，已知或是以后未来开发的。
信号处理器12被配置为，接收可编程增益放大器信令PGA(SR/M,229；SR/M,275)，并且确定输出信令Sout，输出信令Sout包含与光学硝酸盐传感器补偿有关的信息，例如，包括浊度校正以补偿包含于水中的溶解有机物(DOM)。信号处理器12被配置为，基于本文公开的光学硝酸盐传感器补偿算法来执行信号处理功能以做出：涉及对溶解在水中的硝酸盐的浓度进行光学硝酸盐传感器补偿的确定。信号处理器12还被配置为，提供输出信令Sout，以用于适当的进一步处理，例如包括生成适当的显示信令，以用于在显示器/监视器上示出/显示：关于溶解在水中的硝酸盐的经校正浓度、和/或对硝酸盐的浓度进行光学硝酸盐传感器补偿等的信息。
信号处理器还可以被配置为，提供控制信令Sc以控制UV LED、PDR和PDM的操作，例如，提供229nm或者275nm处的UV LED光，接收/感测229nm或者275nm处的参考信令、和/或接收/感测229nm或者275nm处经测量的信令，与本文所阐述的一致。
光学组件
以示例的方式，本领域的一名技术人员将理解，光学组件，例如，LED、光电二极管、测量光电二极管、参考光电二极管、光学滤光器、光纤或多个光纤、光管线、LED阵列、光学采样窗口、光学传感窗口、聚焦透镜、蓝宝石或UV级熔融石英棒、光谱分析仪在本领域是已知的，本发明的范围并非旨在限制可在本文中使用的任何特定类型或种类。本发明的范围旨在包括使用现在本领域中已知的或将来开发的这种光学组件。
计算机可读存储介质
根据本发明的一些实施例，装置也可以采用具有计算机可执行组件的计算机可读存储介质的形式，计算机可执行组件用于执行前述方法的步骤。计算机可读存储介质还可以包括上文阐述的特征中的一个或多个。
用于多参数水质监测的光学硝酸盐传感器补偿算法
本申请涉及所公开的同族专利申请的主题，其具有系列号15/451,853，在2017年3月7日提交、题为“Optical Nitrate Sensor for Multiparameter Water QualityMonitoring”，该专利要求在2016年3月7日提交的临时专利申请序列号62/304,678(911-023.3-1//N-YSI-0033)的权益。在同族申请中公开的光学硝酸盐传感器可以与本申请公开的光学硝酸盐传感器补偿算法结合使用，反之亦然。此外，并且作为示例，同族专利申请提供了，用于基于229nm处光的第一UV光学吸收度来确定溶解在水中的硝酸盐的浓度的至少一种技术，这可以基于本文公开的内容而被补充。本发明的范围旨在包括，并且使用例如用于确定溶解在水中的硝酸盐浓度的其他技术来设想实施例，这些技术都是现在已知的、以及以后将在未来开发的。
本发明的范围
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于本文公开的特定实施方案作为实施本发明的最佳方式。
Claims (13)
1.一种用于对在样本腔的规定区域内的水的受限体积进行采样的光学硝酸盐传感器，包括：
UV LED组合，被配置为生成以229nm为中心的第一UV LED信号以及中心在250nm至275nm的范围中的第二UV LED信号，所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号横穿在所述样本腔的所述规定区域内的水的所述受限体积，以便利用第一UV LED信号感测所述水中的硝酸盐以及利用第二UV LED信号感测所述水中的溶解有机物(DOM)；
参考光电二极管，被配置为响应于所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号的部分，并且提供光电二极管参考信令，所述光电二极管参考信令包含关于所接收的所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号的所述部分的信息；
测量光电二极管，被配置为感测穿过在所述样本腔的所述规定区域内的水的所述受限体积的所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号，并且提供光电二极管测量信令，所述光电二极管测量信令包含关于与所述第一UV LED信号有关的所述水的硝酸盐吸收度以及与所述第二UV LED信号有关的DOM背景吸收度的信息；
跨阻放大器，被配置为响应于所述光电二极管参考信令以及所述光电二极管测量信令，并且提供跨阻放大器信令，所述跨阻放大器信令包含关于在不与所述水交互的情况下所述光电二极管参考信令的光电流到电压参考信令转换的信息，并且还包含关于在与所述水交互之后所述光电二极管测量信令的光电流到电压测量信令转换的信息；以及
信号处理器或者信号处理模块，被配置为：
接收所述跨阻放大器信令，以及
基于所接收的所述跨阻放大器信令，通过针对在250nm至275nm的范围中在所述水中感测的所述DOM背景吸收度来补偿在229nm处的所述水中感测的所述硝酸盐吸收度的浓度，确定包含与溶解在所述水中的硝酸盐的经DOM背景校正的浓度有关的信息的对应信令。
2.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为提供包含与溶解在所述水中的硝酸盐的所述经DOM背景校正的浓度有关的信息的对应信令。
3.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述UV LED被配置为响应于控制信令并且生成所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号。
4.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为：通过从所述硝酸盐吸收度中减去所述DOM背景吸收度以补偿所述水中的能够在光学上干扰硝酸盐测量的叶子和土壤提取物，来确定所述经DOM背景校正的浓度。
5.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为：
接收另一信令，所述另一信令包含与来自所述水中的颗粒的光学散射有关的信息，所述光学散射表现为在光的所有波长处的衰减；以及
确定浊度校正信令，所述浊度校正信令包含与溶解在所述水中的硝酸盐的浊度校正浓度有关的信息，基于所接收的所述另一信令。
6.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为：接收所述光电二极管参考信令和所述光电二极管测量信令，并且实现补偿算法以用于进行以下中的一项或多项：
经由所述光电二极管参考信令和所述光电二极管测量信令的比率与非吸收或者空白标准的比率的对数，来确定吸收度，包括其中所述非吸收或者空白标准关于去离子水而被确定；或者
分别在229nm以及～275nm处，从所述吸收度中减去浊度校正，作为系数αi或者γm的多项式校正，包括其中浊度数据信令包含与浊度数据有关的信息，所述浊度数据由浊度测定单元中的内部或者外部光学测量提供；或者
利用转换因子βj，根据所述吸收度来确定或者计算浊度补偿的硝酸盐浓度；或者
针对275nm的吸收度，利用缩放因子δ，经由减去浊度补偿的吸收度来校正有机物背景；或者
经由系数εk的多项式，确定或者计算有机物以及经浊度校正的硝酸盐浓度；和/或
经由系数μ(℃)的多项式，确定或者计算有机背景和浊度补偿的数据信令的温度校正，所述有机背景和浊度补偿的数据信令包含与所述有机背景和浊度补偿的数据有关的信息。
7.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为：接收所述光电二极管参考信令和所述光电二极管测量信令，以及实现补偿算法，以用于通过进行以下中的一项或多项来校正硝酸盐测量：
使用内部温度传感器或者外部温度传感器进行温度校正；
使用外部浊度测量或者集成的浊度测量进行浊度校正。
8.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述UV LED包括：
用于提供第一UV光的第一UV LED，所述第一UV光以229nm为中心，并且横穿在传感器本体的规定区域内的所述水的受限体积；以及
用于提供第二UV光的第二UV LED，所述第二UV光的中心在250nm至275nm的范围中。
9.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述光学硝酸盐传感器包括传感器本体，所述传感器本体被配置为限制在所述规定区域内的所述水的体积。
10.根据权利要求1所述的光学硝酸盐传感器，其中所述信号处理器或者信号处理模块被配置为基于以下等式确定UV光学吸收度的测量：
吸收度＝-log(光透射率)＝-log(M/a R)
其中a是比例常数，其能够针对电增益归一化而被调整，M表示所述光电二极管测量信令，并且R表示所述光电二极管参考信令。
11.一种用于利用光学硝酸盐传感器对在样本腔的规定区域内的水的受限体积进行采样的方法，包括：
利用UV LED组合生成以229nm为中心的第一UV LED信号以及中心在250nm至275nm的范围中的第二UV LED信号，所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号横穿在所述样本腔的所述规定区域内的水的所述受限体积，以便利用第一UV LED信号感测所述水中的硝酸盐以及利用第二UV LED信号感测所述水中的溶解有机物(DOM)；
利用参考光电二极管响应于所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号的部分，并且提供光电二极管参考信令，所述光电二极管参考信令包含关于所接收的所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号的所述部分的信息；
利用测量光电二极管感测穿过在所述样本腔的所述规定区域内的水的所述受限体积的所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号，并且提供光电二极管测量信令，所述光电二极管测量信令包含关于与所述第一UV LED信号有关的所述水的硝酸盐吸收度以及与所述第二UV LED信号有关的DOM背景吸收度的信息；
利用跨阻放大器响应于所述光电二极管参考信令以及所述光电二极管测量信令，并且提供跨阻放大器信令，所述跨阻放大器信令包含关于在不与所述水交互的情况下所述光电二极管参考信令的光电流到电压参考信令转换的信息，并且还包含关于在与所述水交互之后所述光电二极管测量信令的光电流到电压测量信令转换的信息；以及
利用信号处理器或者信号处理模块接收所述跨阻放大器信令，以及基于所接收的所述跨阻放大器信令，通过针对在250nm至275nm的范围中在所述水中感测的所述DOM背景吸收度来补偿在229nm处的所述水中感测的所述硝酸盐吸收度的浓度，确定包含与溶解在所述水中的硝酸盐的经DOM背景校正的浓度有关的信息的对应信令。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法包括：利用所述信号处理器或者信号处理模块提供包含与溶解在所述水中的硝酸盐的所述经DOM背景校正的浓度有关的信息的所述对应信令。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法包括利用所述UV LED响应于控制信令并且生成所述第一UV LED信号和所述第二UV LED信号。
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