CN110160971A - 一种水质在线分析仪光电比色测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质分析仪光电比色测量装置及其测量方法，其中装置本体两端安装有盖板，装置本体内安装有光源，在光源的出射方向上还依次安装有第一凸透镜、遮光板、比色池、第二凸透镜、光电检测器，遮光板上设置有圆孔，比色池设置在圆孔旁，第一凸透镜用于汇聚自光源发出的光线，该光线穿过遮光板上的圆孔照射到比色池上，第二凸透镜用于汇聚透过比色池的光线，该光线被光电检测器接收。本发明通过凸透镜、带圆孔遮光板设置可以有效避免光散射；光电池表面的滤光片能够有效避免外界杂散光对测量的干扰，从而提高目标物的检测精度和水质分析仪检测数据可靠性。比色池的漏斗结构，便于排除废液，减少仪器的维护量。

Description

一种水质在线分析仪光电比色测量装置及方法

技术领域

本发明属于水质分析设备技术领域，涉及一种水质在线分析仪光电比色测量装置及基于该装置的测量方法。

背景技术

随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，水环境污染问题日趋严重，给生态系统和人类社会造成严重危害。近年来，我国政府出台了一系列的政策和措施来治理水环境。

当前，水质在线分析仪器已经成为环保和水利部门对区域水质状况进行实时监测的主要手段，可提供实时、连续、稳定，快速的监测数据。目前主流的水质分析仪像氨氮在线分析仪、总磷在线分析仪，总氮在线分析仪等检测方法均采用光谱法，光谱法的关键是光电比色测量装置能够对实际水样实现吸光度的准确测量。然而，现有的测量装置中光源性质不稳定，比色池长期使用时内部废液排不干净，使得比色池腔体内部很容易脏，种种因素会导致实际测量时的误差较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种水质分析仪光电比色测量装置及基于该装置的测量方法，能够避免光源发射出来的光散射、外界杂散光的干扰，比色池清洗不干净等情况发生。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水质分析仪光电比色测量装置，包括装置本体，装置本体两端安装有盖板，装置本体内安装有光源，在光源的出射方向上还依次安装有第一凸透镜、遮光板、比色池、第二凸透镜、光电检测器，所述遮光板上设置有圆孔，比色池设置在圆孔旁，所述第一凸透镜用于汇聚自光源发出的光线，该光线穿过遮光板上的圆孔照射到比色池上，所述第二凸透镜用于汇聚透过比色池的光线，该光线被所述光电检测器接收。

进一步的，所述装置本体内还设置有套筒和比色池安装槽，所述光源设置在套筒一端，所述凸透镜设置在套筒另一端，所述比色池安装在比色池安装槽内，所述遮光板设置在比色池安装槽内。

进一步的，所述套筒内径与第一凸透镜的凸面直径相同。

进一步的，所述光电检测器上设置有滤光片，自比色池透出的光线经过滤光片后被光电检测器接收，所述滤光片的滤过波长和光源发射波长相同。

进一步的，所述比色池出水口处为漏斗形。

进一步的，所述带圆孔遮光板与比色池之间、比色池与凸透镜之间设置有缓冲层。

进一步的，所述缓冲层为橡胶垫圈。

进一步的，所述光电检测器为光电池。

进一步的，所述光源为LED发光二极管。

在上述光电比色测量装置的基础上，本发明还提供了该装置的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1，空白水样吸光度测定

将不含显色剂的空白水样打入比色池，光源发射出来的特定波长的光透过比色池被光电池接收，数据采集器采集接收到光强信号，经电路计算测得空白水样的吸光度为A1；

步骤2，水样显色反应后的吸光度测定

将特定显色剂和水样反应完全后的显色液打入排空后的比色池，光源发射出来的特定波长的光再次透过比色池被光电池接收，数据采集器采集接收到新的光强信号，经电路计算测得显色后水样的吸光度为A2；

步骤3，计算水样实际吸光度值

水样的实际吸光度为显色后测得的吸光度减去空白水样的吸光度，即△A＝A2-A1；

步骤4，计算水样浓度

水样浓度和吸光度之间关系符合朗伯-比尔定律A＝a.b.c，其中a为吸光系数，单位为L.g^-1.cm^-1；b为比色池的光程，即液层的厚度，单位为cm；c为水样浓度，单位为g.L^-1；根据仪器内置标准曲线，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度，对于高浓度的水样，仪器启动稀释程序后，根据稀释倍数能够计算水样的浓度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.通过在光电比色测量装置中设置一组凸透镜起到二次聚光作用，在比色池前端使用带圆孔遮光板一方面用于固定比色池，另一方面可以有效避免光散射。

2.光电池表面覆盖一层和光源发射波长相同的滤光片，可以有效避免外界杂散光对测量的干扰，能够提高测量的准确性，从而提高目标物的检测精度和水质分析仪检测数据可靠性。

3.在比色池内部腔体中设计倒锥形的漏斗结构，可以使比色池在清洗的时候废液能够排除干净，减少仪器的维护量。

4.还可以根据待测水体的污染程度，调整比色池光程的大小，即污染物含量高的水样使用光程较小的比色池，低的水样使用光程较大的比色池。

附图说明

图1为本发明提供的氨氮分析仪光电比色测量装置剖视图。

图2为图1的C-C向剖视放大图。

附图标记说明：

100-装置本体；101-光源盖板；102-LED发光二极管；103-套筒；104a-第一凸透镜；104b-第二凸透镜；105-比色池安装槽；106-带圆孔遮光板；107-比色池；108-O型橡胶垫圈；109-滤光片；110-光电池；111-光电检测器盖板。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本例提供了一种氨氮分析仪光电比色测量装置，其结构包括装置本体100 以及设置在装置本体100上的光源盖板101、LED发光二极管102、套筒103、第一凸透镜104a、比色池安装槽105、带圆孔遮光板106、比色池107、橡胶垫圈108、含滤光片的硅光电池110以及光电检测器盖板111。其中，光源盖板101设置在装置本体100左端，套筒103 和比色池安装槽105从左至右依次设置在装置本体100内。第一凸透镜104a、带圆孔遮光板106、比色池107、含滤光片的光电池110均安装在LED发光二极管102的出射方向上。

具体的说，LED发光二极管102设置在套筒接近光源盖板的一端，第一凸透镜104a设置在套筒远离光源盖板的另一端，用于将LED发光二极管102射出的光线汇聚成平行光，套筒内径与第一凸透镜104a的凸面直径相同。LED发光二极管102发射波长为690nm，光源封装直径为5mm，为了使LED发光二极管发光强度保持稳定，发明人在光源驱动电路中加载了一个1.8V高精度稳压芯片，保证光源的发光强度不受外界电压变化的影响。LED发光二极管也可根据需要替换为其他合适光源。比色池安装槽长度为1-10cm，带圆孔遮光板106 和比色池107设置在比色池安装槽105内，带圆孔遮光板106安装在比色池107靠近套筒的一端，具体通过螺丝固定在比色池安装槽槽壁的装置本体上。比色池即安装在遮光板圆孔旁，比色池107光程为5mm。如图2所示，比色池内部带有倒锥形漏斗结构，这种结构使得比色池在清洗的时候废液能够排除干净，有效减少仪器的维护量。LED发光二极管102射出的光线，经过凸透镜、圆孔后射入比色池内。比色池远离套筒的另一端依次设置有第二凸透镜104b、橡胶垫圈108、含滤光片的光电池110，第二凸透镜104b汇聚经由比色池出射的光线，最终由光电池接收光线。光电池表面覆盖有一层滤过波长和光源发射波长相同的滤光片109，可以有效避免外界杂散光对测量的干扰，能够提高测量的准确性。带圆孔遮光板与比色池之间、比色池和第二凸透镜之间均安装有用于隔离的O形橡胶垫圈108，橡胶垫圈能够起到缓冲作用，防止比色池被挤碎。光电检测器盖板111安装在装置本体100靠近光电池的端部。

开始分析时，自动进样装置顺时针转动将适量体积的空白水样打入比色池107中，LED 发光二极管102发射出来的690nm波长的光透过凸透镜104a形成圆形光斑，光斑经过带圆孔的遮光板106照射到比色池107上，光斑透过比色池107中的空白水样后经过凸透镜104b 被含滤光片的光电池110接收，数据采集器采集接收光强信号，经电路计算测得空白水样的吸光度为A1。自动进样装置逆时针转动将比色池107中的空白水样经比色池107下端的出口排空。

接下来，自动进样装置再次顺时针转动将氨氮显色剂R1(一定比例的氢氧化钠和次氯酸钠混合液)、氨氮显色剂R2(一定比例的氢氧化钠、左旋酒石酸、水杨酸和亚硝基铁氰化钠混合液)和水样反应完全后的显色液打入比色池107中，LED发光二极管102发射出来的690 nm波长的光透过凸透镜104a形成圆形光斑，光斑经过带圆孔的遮光板106照射到比色池107 上，光透过比色池107中的显色液后经过凸透镜104b被含滤光片的光电池110接收，数据采集器采集接收光强信号，经电路计算测得显色后水样的吸光度为A2。

待测水样的实际吸光度为：A2-A1，由朗伯-比尔定律A＝a.b.c，根据植入仪器内部的标准曲线，即可计算出水样中氨氮的实际浓度。对于高浓度的氨氮水样，仪器启动稀释程序后，根据稀释倍数可计算水样中氨氮的浓度。

实施例2：

本例提供了一种总磷分析仪光电比色测量装置，总磷分析仪检测时待分析的水样需要事先进行消解，检测原理为钼酸铵分光光度法。如图1所示，其结构与实施例1近似，包括装置本体100以及设置在装置本体100上的光源盖板101、LED发光二极管102、套筒103、第一凸透镜104a、比色池安装槽105、带圆孔遮光板106、比色池107、橡胶垫圈108、含滤光片的光电池110以及光电检测器盖板111。其部件之间的连接与实施例1相同，不同之处在于：LED发光二极管102，发射波长为710nm，光源封装直径为10mm。为了使LED发光二极管发光强度保持稳定，发明人在光源驱动电路中加载了的高精度稳压芯片为2.2V。比色池107 光程为50mm。

开始分析时，自动进样装置顺时针转动将适量体积的空白消解液(过硫酸钾和水样经高温-紫外辅助催化消解后的水样)打入比色池107中，LED发光二极管102发射出来的710nm 波长的光透过凸透镜104a形成圆形光斑，光斑经过带圆孔的遮光板106照射到比色池107上，光透过比色池107中的空白消解液后经过凸透镜104b被含滤光片的光电池110接收，数据采集器采集接收光强信号，经电路计算测得空白水样的吸光度为A1，自动进样装置逆时针转动将比色池107中的空白消解液经比色池107下端的出口排空。

接下来，自动进样装置再次顺时针转动将总磷显色剂R1(一定浓度的抗坏血酸溶液，含一定比例的巯基乙醇作为稳定剂)、总磷显色剂R2(一定比例的硫酸、钼酸铵和酒石酸锑钾混合液)和水样反应完全后的显色液打入比色池107中，LED发光二极管102发射出来的710 nm波长的光透过凸透镜104a形成圆形光斑，光斑经过带圆孔的遮光板106照射到比色池107 上，光透过比色池107中的显色液后经过凸透镜104b被含滤光片的光电池110接收，数据采集器采集接收到的光强信号，经电路计算测得显色后水样的吸光度为A2。

待测水样的实际吸光度为：A2-A1，由朗伯-比尔定律A＝a.b.c，根据植入仪器内部的标准曲线，即可计算出水样中的总磷的实际浓度。对于高浓度的总磷水样，仪器启动稀释程序后，根据稀释倍数可计算水样的浓度。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水质分析仪光电比色测量装置，包括装置本体，其特征在于：所述装置本体两端安装有盖板，装置本体内安装有光源，在光源的出射方向上还依次安装有第一凸透镜、遮光板、比色池、第二凸透镜、光电检测器，所述遮光板上设置有圆孔，比色池设置在圆孔旁，所述第一凸透镜用于汇聚自光源发出的光线，该光线穿过遮光板上的圆孔照射到比色池上，所述第二凸透镜用于汇聚透过比色池的光线，该光线被所述光电检测器接收。

2.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述装置本体内还设置有套筒和比色池安装槽，所述光源设置在套筒一端，所述凸透镜设置在套筒另一端，所述比色池安装在比色池安装槽内，所述遮光板设置在比色池安装槽内。

3.根据权利要求2所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述套筒内径与第一凸透镜的凸面直径相同。

4.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述光电检测器上设置有滤光片，自比色池透出的光线经过滤光片后被光电检测器接收，所述滤光片的滤过波长和光源发射波长相同。

5.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述比色池出水口处为漏斗形。

6.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述带圆孔遮光板与比色池之间、比色池与凸透镜之间设置有缓冲层。

7.根据权利要求6所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述缓冲层为橡胶垫圈。

8.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述光电检测器为光电池。

9.根据权利要求1所述的水质分析仪光电比色测量装置，其特征在于：所述光源为LED发光二极管。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的水质分析仪光电比色测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，空白水样吸光度测定

将不含显色剂的空白水样打入比色池，光源发射出来的特定波长的光透过比色池被光电池接收，数据采集器采集接收到光强信号，经电路计算测得空白水样的吸光度为A1；

步骤2，水样显色反应后的吸光度测定

将特定显色剂和水样反应完全后的显色液打入排空后的比色池，光源发射出来的特定波长的光再次透过比色池被光电池接收，数据采集器采集接收到新的光强信号，经电路计算测得显色后水样的吸光度为A2；

步骤3，计算水样实际吸光度值

水样的实际吸光度为显色后测得的吸光度减去空白水样的吸光度，即△A＝A2-A1；

步骤4，计算水样浓度

水样浓度和吸光度之间关系符合朗伯-比尔定律A＝a.b.c，其中a为吸光系数，单位为L.g^-1.cm^-1；b为比色池的光程，即液层的厚度，单位为cm；c为水样浓度，单位为g.L^-1；根据仪器内置标准曲线，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度，对于高浓度的水样，仪器启动稀释程序后，根据稀释倍数能够计算水样的浓度。