CN110887800A - 一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据校准方法，具体涉及一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法，解决光谱法水质在线监测系统在更换测量环境时可能会出现测试值不准确的问题。该用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法包括以下步骤：步骤一、校准数据收集；步骤二、实时建模；计算系数矩阵C，矩阵C中包含两个校准参数C₁,C₂；步骤三、计算校准后的数据；仪器进行一次测量，未矫正的输出值为A，则矫正后的输出值B为；B＝C₁*A+C₂。

Description

一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法

技术领域

本发明涉及数据校准方法，具体涉及一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法。

背景技术

基于光谱法的水质在线监测系统是一种全新的水体成分分析方法，它通过利用水中特定物质吸收特定波长的光，产生分子吸收光谱，从而根据光谱数据定性定量地分析水质参数。光谱法水质检测技术相比于传统方法，无需化学试剂、无二次污染、快速准确、成本低，可实现实时在线原位测量。

光谱法原理上是使用光谱仪测量被测物质的吸光度，通过算法模型建立吸光度与被测物质浓度之间的关系，测量吸光度的改变来反应物质浓度的改变。但是在不同的应用场景下，光谱仪对同一物质同一浓度的标准液体，可能会测量出不同的吸光度值，导致输出的浓度值在不同的应用场景下也不尽相同，使得仪器出现测量不准确的现象。

传统在线监测仪器的数据校准方法一般为“单点法”，即当该在线监测仪器测量值输出不准确时，手动输入一个标准值，使该在线监测仪器的输出值之后在该标准值的基础上进行变化。该方法仅能矫正基线偏移造成的简单误差，对复杂系统及外界环境造成的吸光度整体幅度的变化无法矫正。

发明内容

本发明针对光谱法水质在线监测系统在更换测量环境时可能会出现测试值不准确的问题，提出了一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法，能使仪器在各种应用环境都能输出正确的浓度值。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法，包括以下步骤：

步骤一、校准数据收集；

准备n组标准液体，已知其一种或多种参数的真实浓度值为 b_n，b_n＝[b₁,b₂,…,b_n]^T；n为大于等于2的正整数；

通过仪器测试n组标准液体，a_n为仪器实际测试得到的数据，a_n＝[a₁,a₂,…,a_n]^T；

步骤二、实时建模；

计算系数矩阵C，矩阵C中包含两个校准参数C₁,C₂；

其中，X＝[a_n,e^T]；

步骤三、计算校准后的数据；

仪器进行一次测量，未矫正的输出值为A，则矫正后的输出值B为；

B＝C₁*A+C₂ (2)。

进一步地，步骤一中，参数具体为COD、硝酸盐、浊度、色度。

同时，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法对获取的数据预先进行校准，从而能提高了仪器算法模型对不同应用场景的适应能力，消除了不同应用场景下吸光度总体幅度改变对输出浓度的影响，使仪器在各种应用环境都能输出正确的浓度值。

附图说明

图1为本发明用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

光谱法水质在线监测系统内置的浓度定量分析模型，在更换测量环境时可能会出现吸光度总体幅度改变引起的输出值不准，影响仪器的正常使用。采用本发明所提供的方法预先进行数据校准，能提高仪器算法模型对不同应用场景的适应能力，消除不同应用场景下吸光度总体幅度改变对输出浓度的影响，使仪器在各种应用环境都能输出正确的浓度值。该方法需要进行校准数据收集、实时建模、更新校准数据三部分。

如图1所示，本发明提供的用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法包括以下步骤：

第一步、校准数据收集

准备n组标准液体，(通常n≥2)，已知其某参数(可以是一种，也可以是多种，例如COD、硝酸盐、浊度、色度等等)的真实浓度值为b_n，b_n＝[b₁,b₂,…,b_n]^T；

使用仪器测试这n组标准液体，a_n为仪器实际测试得到的数据， a_n＝[a₁,a₂,…,a_n]^T；

第二步、进行实时建模；

计算系数矩阵C，矩阵C中包含校准参数C₁,C₂,计算方法如公式1；

其中，b_n为真实浓度值，a_n为仪器实际测得的数据，X＝[a_n,e^T]，e为单位向量；

第三步、进行计算校准后的数据；

假设此时仪器进行一次测量，未矫正的输出值为A，则矫正后的输出值B的计算方法如公式2；

B＝C₁*A+C₂ (2)

需要输出校准数据时，由此步骤计算出的输出值B代替未矫正的输出值A。

使用校准软件进行校准准确度测试，表1为测量COD的测试结果，第一行为液体的标准值，第二行为仪器初始的测量值，第三行为仪器更换硬件环境的测量值，第四行为更换环境并校准后的测量值。表2为校准测试结果误差分析表，可见仪器初始测量均方根误差为0.13，更换环境后吸光度总体幅度发生了变换，导致测量不准确，均方根误差达到30.66。经本发明校准方法校准后，仪器测量误差为0.11，达到了初始测量水平，有效的消除了不同应用场景下吸光度总体幅度改变对输出浓度的影响，提高了仪器算法模型对不同应用场景的适应能力，使仪器在各种应用环境都能输出正确的浓度值。

表1校准测试结果表

标准值(mg/L)	7	9	13	19
					初始测量值	7.14	8.89	13.18	19.08
更换环境后测量值	40.05	41.06	43.15	46.03
					校准后测量值	7	9.02	13.21	19

表2校准测试结果误差表

误差	标准值	初始测量值	更换环境后测量值	校准后测量值
					均方根误差	0	0.13	30.66	0.11

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法的步骤。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法的步骤。用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备、计算机设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

Claims (4)

1.一种用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、校准数据收集；

准备n组标准液体，已知其一种或多种参数的真实浓度值为b_n，b_n＝[b₁，b₂，...，b_n]^T；n为大于等于2的正整数；

通过仪器测试n组标准液体，a_n为仪器实际测试得到的数据，a_n＝[a₁，a₂，...，a_n]^T；

步骤二、实时建模；

计算系数矩阵C，矩阵C中包含两个校准参数C₁，C₂；

其中，X＝[a_n，e^T]；

步骤三、计算校准后的数据；

仪器进行一次测量，未矫正的输出值为A，则矫正后的输出值B为；

B＝C₁*A+C₂ (2)。

2.根据权利要求1所述的用于光谱法水质在线监测系统的数据校准方法，其特征在于：步骤一中，参数具体为COD、硝酸盐、浊度、色度。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1或2所述方法的步骤。

4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现权利要求1或2所述方法的步骤。

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