CN110160977A - 一种全光谱水质在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光谱水质在线监测装置,包括监测控制主机,包括数据显示单元、数据输出单元、控制单元、数据处理单元、光源单元、加标校准单元及分析单元;传感探头,与该监测控制主机电连,包括探头本体、分析室及反射单元,该探头本体内设有分光镜,探头本体和分析室的过渡处设有多个透视镜,分析室与反射单元的过渡处设有多个弧形反射镜,分析室内设有温度传感器。本发明的光源外置在监测控制主机中,采用且氘灯光源,产生紫外、可见和进红外宽带光谱,并可进行光源能力控制,实现了多监测对象的高精度监测分析;采用了弧形反射镜,实现光谱在分析室多次反射吸收,增加了吸收光程,提高了装置分析分辨率。
Description
技术领域
本发明属于水质监测技术领域,尤其是涉及一种全光谱水质在线监测装置。
背景技术
水质污染监测作为环境管理的重要工作之一,传统的水质监测基本是通过显色化学反应方法的单因子监测,而且单套系统价格较高,存在废液的二次污染等问题;全光谱水质在线监测装置是基于水质中污染因子对特征光谱吸收进行实时快速监测,可同时监测COD、温度、TOC、BOD、O3、ORP、浊度、有机物(苯类)、硝氮、色度等各类型污染物参数,并没有产生二次污染排放,得到各项监测数据可通过数据输出模块上传到环境监管部门。
但现有的全光谱水质分析设备的光谱通常直接集成在传感探头中,光谱的谱线宽带窄、光谱能力低而且不可调,导致监测内容少和精度低等设备问题;其次,现有设备的传感探头采用单光程透射光谱吸收分析,光谱吸收光程小,导致设备的分析精度低。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足,提供一种可进行光源能力控制,监测精度高的全光谱水质在线监测装置。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种全光谱水质在线监测装置,包括
监测控制主机,包括数据显示单元、数据输出单元、控制单元、数据处理单元、光源单元、加标校准单元及分析单元;该分析单元包括光谱分析仪、设于该光谱分析仪下部位置的支撑架、用于连接光谱分析仪和支撑架的连接件、设于支撑架内的多个撑脚及用于对所述光谱分析仪进行水平调节的调节装置;所述撑脚通过固定部件与该支撑架相连;
传感探头,与该监测控制主机电连,包括探头本体、分析室及反射单元,该探头本体内设有分光镜,探头本体和分析室的过渡处设有多个透视镜,分析室与反射单元的过渡处设有多个弧形反射镜,分析室内设有温度传感器。
本发明的光源外置在监测控制主机中,采用且氘灯光源,产生紫外、可见和进红外宽带光谱,并可进行光源能力控制,实现了多监测对象的高精度监测分析;采用了弧形反射镜,实现光谱在分析室多次反射吸收,增加了吸收光程,提高了装置分析分辨率;通过差分算法和神经网络算法相结合,进行了不同光谱吸收维度的分离和对存在交叉干扰的物质吸收进行数据掩蔽,实现了不同光谱吸收阶次和区域监测物质的准确分析;通过分光镜实现光谱分析装置的零点校准,通过加标校准装置,进行装置监测样品的标准液校准,实现了本专利装置的现场在线校准,确保了装置的监测准确度;通过传感探头内部光谱分析结构和电传感器结构相结合,可实现光谱传感、温度传感、电导率传感多类型监测分析相结合;同时监测控制主机具备的数据接口单元可进行外部其他传感器的数据接入,进一步实现了全光谱水质在线监测装置的多样化分析功能;
其次,本申请中可通过调节装置对光谱分析仪进行水水平位置调整,使得上述装置在室外使用时,即使外部环境的地面不平整,光谱分析仪也始终能够处于保证自身处于水平状态,使得最终检测出的结果更为准确。
所述光源单元为氘灯。
所述光源单元的源光谱通过分光镜被同比分离为反射光谱和透射光谱,该反射光谱作为零点光谱直接传输到分析单元中,为数据处理单元提供源数据,并为加标校准单元提供零点数据;该透射光谱进入样品吸收区后得到样品吸收光谱,该样品吸收光谱进入加标校准单元,之后透射进入到分析单元中;通过多路反射提升光谱吸收,从而提高分析的精度。
所述样品吸收光谱经过分析后,进入至标准溶液中进行加标校准;通过已知标液浓度对监测装置进行加标校准,确保监测的准确度。
所述光谱分析仪包括壳体、设于壳体上的通光孔、设于壳体内的狭缝件、聚焦镜、光栅、准直镜、探测腔及设于该探测腔内的探测器,光谱由通光孔进入壳体内后,先经过狭缝件后投射至准直镜上,之后由准直镜投射至光栅上,之后由光栅投射至聚焦镜上,再由聚焦镜投射至探测器上。
所述壳体内设有散热腔,该散热腔内设有散热件,散热腔侧壁上设有散热口,该散热口上连接有散热罩。
所述撑脚包括下撑脚、可上下动作的穿设于该下撑脚内的上撑脚、设于该下撑脚上与该上撑脚密封配合的密封件、设于该上撑脚上的球形件及设于下撑脚下部的滚轮件;所述壳体下表面上设有与该球形件相配合的万向接头,该万向接头上设有供球形件置入的球形腔;。
所述调节装置包括设于该下撑脚内的液体腔、设于该液体腔内的有色介质、设于该下撑脚下部的观察凸缘、设于该下撑脚上的出气部、与该出气部螺接的封盖及用于驱动所述上撑脚上下动作的驱动部件;所述支撑架上对应于下撑脚位置上设有观察开口,该观察开口上设有透明材料制成的观察窗;所述下撑脚至少部分为透明结构。
所述观察凸缘由所述下撑脚下部直接向外延伸形成的环形凸起,该观察凸缘的外侧壁与所述液体腔内壁之间具有间隙;所述有色介质为混合有颜料的水,所述撑脚设置为4个,4个撑脚之间的液体腔通过连接管相互连通。
所述驱动部件包括设于支撑架上的连接口、穿设于该连接口内并通过螺钉与支撑架可拆卸连接的安装座、设于该安装座上供上撑脚穿过的插接孔、设于上撑脚外壁上的外螺纹、设于安装座内的第一操作腔、第二操作腔、第三操作腔、可转动地设于第一操作腔内的齿圈、可转动的设于第二操作腔内的齿轮件、设于第三操作腔内的减速件及穿出至安装座外的驱动件,所述第一、第二、第三操作腔相互连通,且第一操作腔与所述插接孔相连通;所述齿圈内壁具有与所述上撑脚的外螺纹相配合的内螺纹,所述齿轮件与该齿圈相啮合,所述减速件与该齿轮件相啮合。
所述固定部件包括固设于所述支撑架内壁上的两定位板、形成于两定位板之间的供下撑脚置入的 定位空间及设于固定板上与该下撑脚相连的螺钉。
所述氘灯包括灯体、设于灯体上的多个螺纹孔、分别设于螺纹孔内的多个螺钉及用于实现多个螺钉同步拆装的安全拆装装置。
所述安全拆装装置包括环状的本体、设于该本体上分别对应于多个螺纹孔设置的多个通孔、设于该本体内的多个环形容纳腔、设于环形容纳腔内的转动件、设于本体内与所述环形容纳腔向联通的环形槽、设于该环形槽内的转动齿圈件、由该本体侧部向外延伸形成的凸座、设于该凸座内与该环形槽相连通的柱槽、可转动的设于柱槽内的驱动齿轮及与该驱动齿轮相连的驱动螺钉;该环形槽围设于所述通孔外,且内部与该通孔相连通;所述转动件和驱动齿轮分别与转动齿圈件相啮合。
本发明光源外置在监测控制主机中,采用且氘灯光源,产生紫外、可见和进红外宽带光谱,并可进行光源能力控制,实现了多监测对象的高精度监测分析;采用了弧形反射镜,实现光谱在分析室多次反射吸收,增加了吸收光程,提高了装置分析分辨率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中监测控制主机组成图。
图3为本发明中传感探头组成结构图。
图4为本发明的装置光路流程图。
图5为本发明的装置电信号流程图。
图6为本发明的加标校准装置内部组成图。
图7为本发明中分析单元的结构示意图。
图8为本发明中分析单元去除上盖后的俯视图。
图9为图7的正视图。
图10为图9中沿B-B线的剖视图。
图11为图10中B处的放大图。
图12为本发明中撑脚的结构示意图。
图13为本发明中撑脚的立体剖视图。
图14为本发明中驱动部件的结构示意图。
图15为图14的正视图。
图16为图15中沿C-C线的剖视图。
图17为本发明中光源单元的结构示意图。
图18为图17的正视图。
图19为图18中沿D-D线的剖视图。
具体实施方式
如图1-19所示,一种全光谱水质在线监测装置,包括监测控制主机,包括数据显示单元、数据输出单元、控制单元、数据处理单元、光源单元、加标校准单元及分析单元;其中,所述光源单元为氘灯,所述数据显示单元为显示器,数据输出单元为与显示器相连的数据线,控制单元为PLC控制器,数据处理单元为单片机,上述涉及的这些设备均为现有技术,可由市面上直接采购得到,结构和原理不再赘述;其中,所述光源单元的源光谱通过分光镜被同比分离为反射光谱和透射光谱,该反射光谱作为零点光谱直接传输到分析单元中,为数据处理单元提供源数据,并为加标校准单元提供零点数据;该透射光谱进入样品吸收区后得到样品吸收光谱,该样品吸收光谱进入加标校准单元,之后透射进入到分析单元中;所述样品吸收光谱经过分析后,进入至标准溶液中进行加标校准。
全光谱水质在线监测装置电路信号包括四类信号流路:
1)光谱信号传感流路——光源信息通过光路切换装置,进入监测样品,得到吸收光谱信号,通过光谱分析单元转变为电信号,接入到数据接口单元中;
2)其他传感信号流路——其他非光谱传感信号,如电导率、温度传感信号,以及外部增加的传感器数字信号,接入到数据接口单元中;
3)数据处理与输出——针对数据接口得到的各类传感信号,通过数据算法模型进行数据处理,核算出相关污染物质的浓度数据,并根据数据需要提供模拟量(4~20mA)、RS485、网口和无线GPRS等不同模式数据输出;
数据显示与控制——数据处理得到的各物质浓度数据进行数据存储和显示,同时在数据显示界面上进行数据交互,通过控制单元实现光源强度、调零标定光路切换控制。
全光谱水质在线监测装置中光谱分析是其核心部分,光路流程分为以下五个步骤进行:
1) 装置光源产生宽光谱(可控制选配紫外、可见和红外光),源光谱通过分光镜(半透半反)把光源进行同比分离;
2) 一路反射光谱作为零点光谱直接传输到光谱仪中,为数据算法计算提供源数据,并为调零标定提供零点数据;
3) 另一路透射光谱进入样品吸收区,并通过多路反射(增加吸收光程),提升光谱吸收,从而提高分析的精度;
4) 样品吸收光谱进入加标校准单元,正常测量时,直接透射进入到光谱分析仪中,实现样品光谱吸收分析;
当对监测装置进行标液校准时,通过加标校准单元的光路切换,使样品吸收光谱再进入标液中,通过已知标液浓度对监测装置进行加标校准,确保监测的准确度。
该分析单元包括光谱分析仪、设于该光谱分析仪下部位置的支撑架12、用于连接光谱分析仪和支撑架的连接件13、设于支撑架内的多个撑脚14及用于对所述光谱分析仪进行水平调节的调节装置,所述撑脚14通过固定部件与该支撑架12相连;传感探头,与该监测控制主机电连,包括探头本体21、分析室22及反射单元23,该探头本体内设有分光镜24,探头本体和分析室的过渡处设有多个透视镜25,分析室与反射单元的过渡处设有多个弧形反射镜26,分析室内设有温度传感器27。
所述光谱分析仪包括壳体31、设于壳体上的通光孔32、设于壳体内的狭缝件33、聚焦镜34、光栅35、准直镜36、探测腔37及设于该探测腔内的探测器38,光谱由通光孔进入壳体内后,先经过狭缝件后投射至准直镜上,之后由准直镜投射至光栅上,之后由光栅投射至聚焦镜上,再由聚焦镜投射至探测器上;所述壳体31内设有散热腔311,该散热腔内设有散热件312,散热腔311侧壁上设有散热口,该散热口上连接有散热罩314。
所述撑脚14包括下撑脚141、可上下动作的穿设于该下撑脚内的上撑脚142、设于该下撑脚上与该上撑脚密封配合的密封件、设于该上撑脚上的球形件143及设于下撑脚下部的滚轮件144;所述壳体31下表面上设有与该球形件相配合的万向接头145,该万向接头145上设有供球形件置入的球形腔146;所述调节装置包括设于该下撑脚内的液体腔41、设于该液体腔内的有色介质42、设于该下撑脚下部的观察凸缘43、设于该下撑脚上的出气部44、与该出气部螺接的封盖45及用于驱动所述上撑脚上下动作的驱动部件;所述支撑架12上对应于下撑脚位置上设有观察开口121,该观察开口121上设有透明材料制成的观察窗122;所述下撑脚141至少部分为透明结构。
所述观察凸缘121由所述下撑脚141下部直接向外延伸形成的环形凸起,该观察凸缘121的外侧壁与所述液体腔41内壁之间具有间隙;所述有色介质为混合有颜料的水,所述撑脚14设置为4个,4个撑脚之间的液体腔通过连接管5相互连通;所述驱动部件包括设于支撑架上的连接口61、穿设于该连接口内并通过螺钉62与支撑架可拆卸连接的安装座63、设于该安装座上供上撑脚穿过的插接孔64、设于上撑脚外壁上的外螺纹、设于安装座内的第一操作腔65、第二操作腔66、第三操作腔67、可转动地设于第一操作腔内的齿圈68、可转动的设于第二操作腔内的齿轮件69、设于第三操作腔内的减速件610及穿出至安装座外的驱动件611,所述第一、第二、第三操作腔相互连通,且第一操作腔65与所述插接孔64相连通;所述齿圈68内壁具有与所述上撑脚的外螺纹相配合的内螺纹,所述齿轮件69与该齿圈68相啮合,所述减速件610与该齿轮件69相啮合。
所述固定部件包括固设于所述支撑架12内壁上的两定位板71、形成于两定位板之间的供下撑脚置入的定位空间72及设于固定板上与该下撑脚相连的螺钉73;所述氘灯包括灯体81、设于灯体上的多个螺纹孔82、分别设于螺纹孔内的多个螺钉83及用于实现多个螺钉同步拆装的安全拆装装置。
所述安全拆装装置包括环状的本体91、设于该本体上分别对应于多个螺纹孔设置的多个通孔92、设于该本体内的多个环形容纳腔93、设于环形容纳腔内的转动件94、设于本体内与所述环形容纳腔向联通的环形槽95、设于该环形槽内的转动齿圈件96、由该本体侧部向外延伸形成的凸座97、设于该凸座内与该环形槽相连通的柱槽98、可转动的设于柱槽内的驱动齿轮99及与该驱动齿轮相连的驱动螺钉910;该环形槽95围设于所述通孔92外,且内部与该通孔相连通;所述转动件94和驱动齿轮99分别与转动齿圈件96相啮合。
Claims (10)
1.一种全光谱水质在线监测装置,其特征在于:包括
监测控制主机,包括数据显示单元、数据输出单元、控制单元、数据处理单元、光源单元、加标校准单元及分析单元;该分析单元包括光谱分析仪、设于该光谱分析仪下部位置的支撑架(12)、用于连接光谱分析仪和支撑架的连接件(13)、设于支撑架内的多个撑脚(14)及用于对所述光谱分析仪进行水平调节的调节装置,所述撑脚(14)通过固定部件与该支撑架(12)相连;
传感探头,与该监测控制主机电连,包括探头本体(21)、分析室(22)及反射单元(23),该探头本体内设有分光镜(24),探头本体和分析室的过渡处设有多个透视镜(25),分析室与反射单元的过渡处设有多个弧形反射镜(26),分析室内设有温度传感器(27)。
2.根据权利要求1所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述光源单元为氘灯。
3.根据权利要求2所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述光源单元的源光谱通过分光镜被同比分离为反射光谱和透射光谱,该反射光谱作为零点光谱直接传输到分析单元中,为数据处理单元提供源数据,并为加标校准单元提供零点数据;该透射光谱进入样品吸收区后得到样品吸收光谱,该样品吸收光谱进入加标校准单元,之后透射进入到分析单元中。
4.根据权利要求3所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述样品吸收光谱经过分析后,进入至标准溶液中进行加标校准。
5.根据权利要求1所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述光谱分析仪包括壳体(31)、设于壳体上的通光孔(32)、设于壳体内的狭缝件(33)、聚焦镜(34)、光栅(35)、准直镜(36)、探测腔(37)及设于该探测腔内的探测器(38),光谱由通光孔进入壳体内后,先经过狭缝件后投射至准直镜上,之后由准直镜投射至光栅上,之后由光栅投射至聚焦镜上,再由聚焦镜投射至探测器上。
6.根据权利要求5所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述壳体(31)内设有散热腔(311),该散热腔内设有散热件(312),散热腔(311)侧壁上设有散热口,该散热口上连接有散热罩(314)。
7.根据权利要求5所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述撑脚(14)包括下撑脚(141)、可上下动作的穿设于该下撑脚内的上撑脚(142)、设于该下撑脚上与该上撑脚密封配合的密封件、设于该上撑脚上的球形件(143)及设于下撑脚下部的滚轮件(144);所述壳体(31)下表面上设有与该球形件相配合的万向接头(145),该万向接头(145)上设有供球形件置入的球形腔(146)。
8.根据权利要求7所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述调节装置包括设于该下撑脚内的液体腔(41)、设于该液体腔内的有色介质(42)、设于该下撑脚下部的观察凸缘(43)、设于该下撑脚上的出气部(44)、与该出气部螺接的封盖(45)及用于驱动所述上撑脚上下动作的驱动部件;所述支撑架(12)上对应于下撑脚位置上设有观察开口(121),该观察开口(121)上设有透明材料制成的观察窗(122);所述下撑脚(141)至少部分为透明结构。
9.根据权利要求8所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述观察凸缘(121)由所述下撑脚(141)下部直接向外延伸形成的环形凸起,该观察凸缘(121)的外侧壁与所述液体腔(41)内壁之间具有间隙;所述有色介质为混合有颜料的水,所述撑脚(14)设置为4个,4个撑脚之间的液体腔通过连接管(5)相互连通。
10.根据权利要求8所述的全光谱水质在线监测装置,其特征在于:所述驱动部件包括设于支撑架上的连接口(61)、穿设于该连接口内并通过螺钉(62)与支撑架可拆卸连接的安装座(63)、设于该安装座上供上撑脚穿过的插接孔(64)、设于上撑脚外壁上的外螺纹、设于安装座内的第一操作腔(65)、第二操作腔(66)、第三操作腔(67)、可转动地设于第一操作腔内的齿圈(68)、可转动的设于第二操作腔内的齿轮件(69)、设于第三操作腔内的减速件(610)及穿出至安装座外的驱动件(611),所述第一、第二、第三操作腔相互连通,且第一操作腔(65)与所述插接孔(64)相连通;所述齿圈(68)内壁具有与所述上撑脚的外螺纹相配合的内螺纹,所述齿轮件(69)与该齿圈(68)相啮合,所述减速件(610)与该齿轮件(69)相啮合。
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