CN111141693A - 一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统 - Google Patents

一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统属于水质中金属元素含量的光学检测领域。本发明的检测系统由光学测量系统、水质连续采集输运系统、原位标定系统、微处理系统及辅助部件组成，并采用光程相同的双光路、非分光、非平行光相互优化结合的结构设计，使得检测系统具有测量精度高、系统配置简化、系统成本低、系统体积小的优势特点，可应用于不同水体中各类金属元素含量的长期原位连续检测。本发明的检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法，可有效克服朗伯‑比尔定律在实际应用中要求平行光与单色光方面的缺陷，具有更强的应用性。

Description

一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统
技术领域
本发明属于水质中金属元素含量的光学检测领域，具体为一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统。
背景技术
水作为一种重要的自然资源，在人类生产、生活中扮演着极其重要的作用。人们生活的各个方面都离不开水，水是人体保持正常代谢所必需的物质，所以每个人每天都必须摄入足够的饮用水；此外，人们生活中所涉及的洗菜、洗衣、清洁卫生、娱乐等各个方面也都需要生活用水。在工业生产过程中，水更是一种重要的生产资料，比如饮料、食品、石油、化工等领域在进行工业生产时都需要大量的水。
水在自然循环中不可避免的会溶解一定量的金属元素，在自然中的地下水、地表水及饮用水源中都存在微量的量铜、铅、锌、镉、镍、铁、铬、锰等金属元素，这些自然水中微量的金属元素在含量极低的情况是不会对人体或动物造成伤害的，在一定程度上人体还需要微量的金属元素。但是当这些金属元素的含量超过一定限值时就会对人体或动物造成极大的伤害，而不再适用于饮用或用于生活用水。另外，人们在生产、生活过程中产生的废水中也会含有各类金属元素。尤其在城市污水、工业废水中，各类金属元素特别是重金属元素会含量很高，必须对这些污、废水进行处理后才能排放到自然河流中，否则将会对自然环境造成极大的危害。
由此可见，对地下水、地表水及饮用水源等自然水源水质中的金属含量进行原位连续检测对保障人们的生产生活用水具有极其重要的作用；对于城市污水、工业废水进行原位连续检测是水环境保护的重要组成部分，为污水的分级处理以及处理效果提供重要的数据依据。
目前，已有的针对水质中金属元素含量的光学检测方法主要有原子光谱法、分光光度法、液相色谱法等。其中原子光谱法的主要缺点是需要对水质中的金属元素进行原子化处理，其预处理与测量过程非常复杂；分光光度法的主要缺点在于进行重金属测量时需要在水质中添加显色剂，会对被测量水质产生人为污染，同时还会增加系统的运行成本，且其预处理与测量过程也很复杂，因而不适宜于对水质进行长期连续检测；液相色谱法的预处理与测量周期非常复杂，且其仪器的价格昂贵，不适宜于对被测量水质进行长期原位连续检测。
因此，对现有的水质中金属元素含量的光学检测方法进行综合分析，可以发现现有的水质中金属元素含量的光学检测方法普遍存在预处理复杂、测量过程复杂、可能会对水质产生人为污染、仪器设备体积庞大、仪器成本与运行成本高昂、不适宜于对水质进行长期原位连续检测等缺点。
发明内容
本发明正是基于人们在生产、生活中对水质中金属元素的检测需求，且能有效克服现有针对水质中金属元素含量的光学检测方法与仪器中普遍存在的预处理与测量过程复杂、仪器设备体积庞大、仪器成本与运行成本高昂、不适宜于对水质进行长期原位连续检测等缺点，开发出一种既能针对地下水、地表水及饮用水源等自然水质中含量极低的金属元素的含量，又能针对城市废水、工业污水中含量较高的金属元素的含量进行长期、精确测量的光学原位连续检测系统。且本发明的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统具备测量精度高、光学测量系统的配置有效简化、系统成本与运行成本低、系统体积小、适宜于进行长期、原位、连续检测的优势特点；同时，能有效克服朗伯-比尔定律（Lambert-Beerlaw）在实际应用中要求平行光与单色光方面的缺陷，具有极强的应用价值。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统由光学测量系统、水质连续采集输运系统、原位标定系统、微处理系统及辅助部件组成。
所述原位连续检测系统采用光程相同的双光路结构设计、非分光结构设计、非平行光结构设计相互优化结合的结构设计，使得所述原位连续检测系统具有测量精度高、系统配置简化、系统成本与运行成本低、系统体积小的优势特点；所述水质连续采集输运系统使得检测系统能够对不同水体中各类金属元素的含量进行长期、原位、连续检测。
所述光程相同的双光路结构设计是指同一紫外光源发出的光经聚光镜聚集并经滤光片滤光后形成入射光，入射光由切光器切割为两路光，一路光称为参考光并从参考液池透射而过，另一路光称为测量光并从测量液池透射而过，参考光与测量光都由光漏斗汇聚到同一感光元件上；所述参考液池与测量液池的规格相同、材质相同、光学结构相同，因而参考光与测量光的光路相互对称，且参考光与测量光两路光的光程相同，即所述光程相同的双光路结构设计。所述参考光在入射参考液池之前称为参考光的入射光，所述参考光在透射过参考液池后称为参考光的透射光；所述测量光在入射测量液池之前称为测量光的入射光，所述测量光在透射过测量液池后称为测量光的透射光；所述参考光的作用是为了对测量光强度进行校准；进一步的，所述参考光的透射光的作用是为了对测量光的透射光强度进行校准，确保整个测量过程中参与计算的测量光的透射光所对应的测量光的入射光强度保持一致，有效消除紫外光源发光强度随时间的微弱变化的影响，使得检测系统具有极高的测量精度，具有极好的可重复性。
所述光程相同的双光路结构设计中，采用单紫外光源结构设计以有效消除不同光源发光强度的微弱变化的影响，采用单感光元件结构设计以有效消除不同感光元件光电转换效率的微弱差别的影响，确保检测系统具有极高的测量精度；所述单紫外光源结构设计与单感光元件结构设计也是确保参考光与测量光的光路相互对称，两路光的光程相同的重要因素。
所述非分光结构设计是指所述原位连续检测系统采用被测量金属元素的原子特征吸收波长的紫外光为入射光，无需对入射光进行分光，即采用非分光结构设计，无需配置单色器，极大的简化了光学测量系统的配置，有效降低了检测系统成本；所述分光是指利用色散现象将波长范围很宽的复合光分散开来，成为许多波长范围狭小的单色光，这种作用称为分光，分光的装置称为单色器，单色器有时也被称为分光器、分光计等；在本发明中，所述原位连续检测系统采用非分光结构设计，因此无需配置单色器，从而简化了光学系统的配置，极大的降低了系统的成本。
所述非平行光结构设计是指所述原位连续检测系统的参考光与测量光无需为平行光，即采用非平行光的结构设计；非平行光的结构设计无需在光路中设置准直元件，可以简化光学测量系统的配置；非平行光的结构设计使得光学元件的位置设置更加紧凑，可以有效减少参考光与测量光的光程，极大的缩小了光学测量系统的体积，使其更适宜于检测现场的工作环境；此外，非平行光的结构设计可以最大程度的利用光源发出的不同方向的光，可以更好的提高光源的有效利用效率。所述准直元件包括透镜、反射镜等光学元件，其目的是为了使入射光成为平行光束。
所述原位连续检测系统采用以时间为依据的切光器结构设计或以频率为依据的切光器结构设计，可以准确分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度值与测量光的透射光强度值，很好的解决了单感光元件的参考光与测量光的分辨问题；且测量周期的时间长度可以根据具体的测量需求进行调整，确保所述光学测量系统具有极好的可重复性。
所述原位连续检测系统无需对被测量水质中的金属元素进行原子化，无需往被测量水质中添加显色剂等添加剂，使得原位连续检测系统的测量流程更加便捷，避免对被测量水体产生间接的人为污染，同时节约了原位连续检测系统的运行成本。
所述原位连续检测系统优良的结构设计使得其能很好的满足水质中金属元素含量检测相关的国家标准、行业标准对水质中金属元素含量测量的技术要求。
进一步的，所述光学测量系统各光学元件的位置设置紧凑有序，光学测量系统的参考光的光路与测量光的光路相互对称，参考光与测量光的光程相同；聚光镜与光漏斗的结构设计极大的提升了光的有效利用效率，切光器的结构设计使得微处理系统能够准确分辨并计算出参考光与测量光的透射光强度数据。按照参考光或测量光的传播路径，所述光学测量系统的结构组成部件依次为：紫外光源、聚光镜、滤光片、切光器、参考液池与测量液池、光漏斗、感光元件，以及辅助部件。
所述紫外光源为窄带紫外LED发光二极管或氘灯，所述紫外光源可以根据被测量金属元素进行更换，并优先选择与被测量金属元素的特征吸收波长趋于一致的窄带紫外LED发光二极管作为光源；对于特征吸收波长很短的金属元素，窄带紫外LED发光二级管无法满足需求的，则可以采用氘灯作为光源。
所述聚光镜对紫外光源发出的光进行聚集，使之汇聚到参考液池与测量液池的通光窗口位置方向，最大限度的提升入射光强度，提升光的有效利用率。
所述滤光片为窄带滤光片，对紫外光源发出的光进行滤光，确保入射光的波长范围仅覆盖被测量金属元素的特征吸收波长，避免覆盖其它金属元素的特征吸收波长。
所述切光器由马达与圆盘形切光盘组成，马达为切光盘提供旋转动力，旋转频率一定，切光盘的旋转信号由微处理系统进行收集处理；所述切光器的旋转信号是微处理系统分辨并计算出参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据的重要依据。
所述参考液池用于盛装高纯水，所述参考液池可以为封闭空间，在测量过程中参考液池中的高纯水处于静止状态，参考液池内盛装高纯水以对应于测量液池的测量液，以使得参考光与测量光具有相同的光程；所述测量液池则用于导通测量液，所述测量液包括标准液、高纯水及被测量水质；所述参考液池与测量液池的结构设计与功能设计确保参考光与测量光的光程相同。
所述光漏斗用于收集从参考液池或测量液池通光窗口透射出的所有光，并将其聚集于感光元件上，最大限度的收集参考光或测量光的透射光，进一步提升光的有效利用率。
所述感光元件将接收到的光强度信号转换成相应的电信号并由微处理系统进行收集处理，微处理系统结合切光器的旋转频率的信号，分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
进一步的，所述切光器的切光盘采用以时间为依据的结构设计；所述以时间为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；内部圆环上有一个扇环通光孔称为内部扇环通光孔，外部圆环上有一个扇环通光孔称为外部扇环通光孔，内部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点与外部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点之间的连接线段过切光盘的圆心；内部扇环通光孔的面积与外部扇环通光孔的面积相等，且在切光盘旋转过程中，当内部扇环通光孔通过参考液池通光窗口时，外部扇环通光孔不通过测量液池通光窗口；当外部扇环通光孔通过测量液池通光窗口时，内部扇环通光孔不通过参考液池通光窗口；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并以时间为依据，分辨并计算出每个测量周期内参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。所述测量周期是指光学测量系统完成一组数据测量收集的时间，在一个测量周期内，切光盘会经过多个旋转周期。
作为一种优选，所述切光器的切光盘也可以采用以频率为依据的结构设计；所述以频率为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；所述内部圆环上均匀分布着m个面积相同的扇环通光孔，m为1~10的整数；所述外部圆环上均匀分布着n个面积相同的扇环通光孔，n为1~10的整数；且m不等于n；所述均匀分布是指内部圆环（或外部圆环）上m个（或n个）扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点均匀分布于内部圆环（或外部圆环）的外圆上；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并通过傅里叶变换方法，将每个测量周期内感光元件测量得到的光强度数据与时间的对应关系转换为光强度数据与频率的对应关系，并以频率为依据，分辨并计算出每个测量周期内参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。所述测量周期是指光学测量系统完成一组数据测量收集的时间，在一个测量周期内，切光盘会经过多个旋转周期。
进一步的，所述参考液池与测量液池为规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，所述用于制备空心长方体的材料对远紫外光到可见光波段的光都有很高的透射率；所述空心长方体的壁厚为0.5~2mm；所述空心长方体的底面为正方形，内腔对应的正方形的边长为5~30mm；所述空心长方体的高为50~200mm；所述参考液池与测量液池的外壁有不透光的黑色涂层，以屏蔽杂光的影响；所述参考液池与测量液池靠近切光盘的侧面及靠近光漏斗的侧面分别各有一个面积相同、位置相同的半圆形通光窗口，通光窗口处无黑色涂层，确保参考光与测量光的入射光与透射光能顺利通过；参考液池与测量液池相同侧面的通光窗口形成近似圆形的通光窗口，所述参考液池与测量液池各自相对的两侧分别形成的近似圆形的通光窗口正好分别与聚光镜的出光口、光漏斗的进光口相对应，尺寸一致，以便提升光的利用效率；所述光学测量系统的参考液池与测量液池紧靠在一起，仅允许参考液池或测量液池的通光窗口位置的光能够从聚光镜侧透射到光漏斗侧；所述测量液池的底部设置有测量液入口，顶部设置有测量液出口；所述参考液池与测量液池的规格相同、材质相同、光学结构相同的特性使得参考光与测量光的光程相同。
进一步的，所述水质连续采集输运系统由一级过滤器、微型泵、二级过滤器、去泡器、流量阀、单向阀及水管构成；所述水质连续采集输运系统由微型泵提供动力用于采集被测量水质，由一级过滤器与二级过滤器对水质进行两次过滤以滤除水质中颗粒物，由去泡器对被测量水质进行去泡处理以消除水质中的气泡，由流量阀控制被测量水质的流量，使得被测量水质按照设定的流量值输运到光学测量系统的测量液池进行被测量金属元素浓度的测量，完成测量后被测量水质重新返回到被测量水体中；所述单向阀是为了防止被测量水质倒流；所述去泡器的顶端有放气口，当去泡器顶部的空气达到一定量时将开启放气口进行放气；所述过滤器与去泡器将分别去除被测量水质中的颗粒物与气泡，避免颗粒物与气泡进入测量液池对测量光的散射而影响测量精度。
进一步的，所述原位连续检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法，所述测量计算方法为：
第一步，建立水质中被测量金属元素的浓度与测量光的透射光强度对应的多项式函数关系，其中多项式函数的常数为待标定计算的参数。
第二步，采用原位标定系统，选择光学测量系统针对被测量金属元素浓度的量程范围内均匀分布的5~10个浓度点的标准液进行标定，标定出这5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值；所述标准液是以高纯水为溶剂，配制的量程范围内均匀分布的5~10个浓度点所对应的被测量金属元素的标准浓度的溶液；所选择的标准液的浓度点包含最大量程点。
第三步，以第二步所标定出的这5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值为基础，采用数学优化方法计算得出多项式函数的常数的值，从而确定第一步所建立的多项式函数，即确定被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度对应关系的多项式函数。
第四步，测量计算出被测量水质的测量光的透射光强度值，并将测量计算得出的被测量水质的测量光的透射光强度值代入第三步所确定的多项式函数关系中就可以准确计算出被测量水质中被测量金属元素的浓度值。
所述水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法所用到的测量光的透射光强度都是经过参考光的透射光强度校准后的值。
所述多项式函数为：
F(I)=an•In+an-1•I n-1+ … +a2•I2+a1•I+a0 （1）
其中n为大于或等于1的整数，an、an-1、…、a2、a1、a0为多项式函数的常数，I为测量光的透射光强度。
所述数学优化方法为函数逼近的数学方法，在具体实施过程中主要采用的数学优化方法为最小二乘法，也可以采用插值法或其它函数逼近的数学方法。
进一步的，所述原位标定系统用于对被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定；所述原位标定系统主要由标准液及高纯水入口、单向阀、废液回收器及水管构成。在具体标定过程中，原位标定系统与水质连续采集输运系统的水都需要通过测量液池，因此在测量液池的入口与出口处分别安装有三通阀，用于将测量液池分别开放给原位标定系统或水质连续采集输运系统；将三通阀设置在原位标定系统时，原位标定系统与测量液池导通，而此时水质连续采集输运系统则与测量液池隔断，即只允许原位标定系统中的标准液或高纯水通过测量液池；将三通阀设置在水质连续采集输运系统时，水质连续采集输运系统与测量液池导通，而此时原位标定系统则与测量液池隔断，即只允许水质连续采集输运系统中的被测量水质通过测量液池。在采用原位标定系统进行标定时，由低至高依次通入光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度值的被测量金属元素的标准液，在每次通入标准液之前与之后，都需要通入高纯水对管道及测量液池进行清洗，规避残留液对测量精度的影响。所述5~10个浓度值的被测量金属元素的标准液是以高纯水为溶剂，配制的光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度点所对应的被测量金属元素的标准浓度的溶液；所选择的标准液的浓度点包含最大量程点。系统标定完成后，需要将三通阀设置为水质连续采集输运系统，以便开始对被测量水质中被测量金属元素含量进行测量。
作为一种优选，也可以采用另一种结构的原位标定系统，所述另一种结构的原位标定系统为标定液池结构的原位标定系统；所述标定液池结构的原位标定系统用于对被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定；所述原位标定系统为由5~10个装有一定浓度值的被测量金属元素的标准液的标定液池构成；所述标定液池为与所述测量液池规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，并盛装了规定的浓度值的被测量金属元素的标准液，在进行标定时只需将测量液池更换成对应浓度值的标定液池；所述5~10个标定液池中被测量金属元素的标准液的浓度值分别为光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度点的值；所选择的浓度点包含最大量程点。所述标定液池外壁的黑色涂层及侧面的半圆形通光窗口与测量液池的黑色涂层及侧面的半圆形通光窗口相同，确保标定液池与测量液池具有完全相同的光学结构。系统标定完成后，需要取出标定液池并将测量液池重新安装到光学测量系统的测量液池的位置，以便开始对被测量水质中被测量金属元素含量进行测量。
进一步的，所述原位连续检测系统的光源与滤光片可以根据水质中不同金属元素含量的测量需要进行更换，因而既可以对入射光的波长进行设置，也可以对入射光强度进行设置；因此，可以针对不同的金属元素的特征吸收波长设置对应波长的入射光，从而分别对水质中对应的金属元素的浓度进行测量，从而实现对水质中各种金属元素含量的测量；同时，可以针对被测量水质中金属浓度的实际情况设置不同的量程，使得所述原位连续检测系统既能应用于地下水、地表水及饮用水源等金属含量超低的自然水体的水质中金属元素含量的检测，又能应用于金属含量相对较高的城市污水、工业废水等水体的水质中金属元素含量的检测；所述原位连续检测系统可以分别测量不同水体的水质中铜、锌、铅、镉、锰、镍、铬、铁等金属元素的含量。
与现有的水质中金属元素含量的检测技术相比，本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统具有以下明显的优势特征与增益效果：
（1）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统采用光程相同的双光路的结构设计，且在光程相同的双光路结构设计中采用单紫外光源与单感光元件的结构设计，因而具有测量精度高，可重复性好的优势特点。光程相同的双光路结构设计可以确保整个测量过程中参与计算的测量光的透射光所对应的测量光的入射光强度保持一致，有效消除了紫外光源随时间的微弱变化的影响，单紫外光源结构设计可以有效消除不同光源发光强度的微弱变化的影响，单感光元件则可以有效消除不同感光元件光电转换效率的微弱差别的影响；因而，本发明的原位连续检测系统具有极高的测量精度，极好的可重复性。本发明的检测系统能很好的满足水质中金属元素含量检测相关的国家标准、行业标准对水质中金属元素含量的测量技术的要求。
（2）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统采用非分光结构设计与非平行光结构设计，可以简化光学测量系统中光学元件的配置，无需设置单色器，无需设置准直元件，光学元件之间的位置设置更加紧凑，从而有效减少参考光与测量光的光程，极大的缩小光学测量系统的体积，使得原位连续检测系统的成本更低、体积更小、更适宜于检测现场的工作环境；此外，非平行光的结构设计可以最大程度的利用光源发出的不同方向的光，更好的提高光源的利用效率。
（3）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统的光学测量系统采用以时间为依据的切光盘结构设计或以频率为依据的切光盘的结构设计，可以准确分辨出每个测量周期内参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据，有效解决了单感光元件在每个测量周期内对参考光与测量光的分辨问题；测量周期的时间长度可以根据具体的测量情况进行设置，确保所述光学测量系统具有极好的可重复性。
（4）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法。所述水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法可以有效克服朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law）在实际应用中要求平行光与单色光方面的缺陷。所述朗伯-比尔定律的数学表达式为I=I0e-lkc，其中I为透射光强度，I0为入射光强度，l为光线通过被测液体的光程，k为吸收系数，c为被测液体的浓度。具体而言：一是朗伯-比尔定律要求测量光为平行光，即所有光线通过被测量液体的光程相同，但是在实际测量过程中，是无法得到绝对的平行光的，因此其测量计算方法本身存在一定的误差；另外，为了获得尽量平行的光，需要增加相应的准直元件，增加参考光与测量光的光程，从而导致系统的体积较大；而本发明的金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法无需平行光，因而可以有效克服非平行光的影响，从而克服朗伯-比尔定律在实际测量中对平行光的要求这一缺陷。二是朗伯-比尔定律要求单色光，但是在实际应用过程中，由于仪器分辨能力所限，入射光实际为一很窄波段的谱带，因此会对测量结果造成一定的偏差；而本发明的金属元素浓度与测量光强度对应的函数关系的测量计算方法，是采用原位标定系统标定出5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值，并以这5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值为基础，建立和确定水质中被测量金属元素的浓度与测量光的透射光强度的多项式函数关系，在整个标定与测量过程中，只要保证测量光的入射光强度一致就可以通过确定的多项式函数关系准确计算出被测量金属元素的浓度；也就是说本发明的检测系统只需要且能够保证入射光为仅覆盖被测量金属元素特征吸收波长的很窄的波段而无需绝对的单色光，且保证测量光的入射光强度在整个标定测量过程中保持一致，这样就能很好的保证本发明的检测系统的测量精度，因此能很好的克服朗伯-比尔定律对单色光的要求这一实际应用的缺陷。
（5）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统无需对被测量水质中的金属元素进行原子化，也无需要向被测量水质中添加任何显色剂等添加剂；因此，本发明的原位连续检测系统操作更加便携，运行成本更低，也不会对被测量水质产生任何人为污染，非常适合于被测量水体现场的水质中金属元素含量的长期连续检测。
（6）本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统的光源与滤光片可以根据测量的实际需求进行更换，既可以设置不同波长的入射光，也可以设置入射光强度。因此，可以针对不同的金属元素的特征吸收波长设置对应的波长的入射光，从而分别对水质中对应的金属元素的浓度进行测量；因而，本发明的原位连续检测系统可测量的金属元素种类很全，可以满足水质中不同金属元素含量的测量需求。同时，本发明的原位连续检测系统具有量程可变的特性，既能应用于金属浓度含量极低的地下水、地表水等自然水体的水质中金属元素含量的检测，又能应用于金属浓度含量相对较高的城市污水或工业废水等水体的水质中金属元素含量的检测。因此，本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统具有广泛的应用空间。
附图说明
图1.光学测量系统俯视示意图。
图2.光学测量系统侧视示意图。
图3.以时间为依据的切光盘结构示意图。
图4.以频率为依据的切光盘结构示意图。
图5.参考液池与测量液池结构示意图。
图6.水质连续采集输运系统与原位标定系统结构示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明技术方案的具体内容，下面将结合附图与实施例对本发明的水质中金属元素含量的原位连续检测系统进行详细描述。需要说明，以下实施例是为了解释与说明本发明的技术方案，并不限定本发明的内容。
实施例1
在本实施例中，一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统由光学测量系统、水质连续采集输运系统、原位标定系统、微处理系统及辅助部件组成。
在本实施例中，一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统主要用于地下水或地表水等自然水源的水体中含量超低的金属铜元素的浓度的长期原位连续测量；所述原位连续检测系统针对金属铜元素的量程为0~100μg/L。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用光程相同的双光路结构设计，所述光程相同的双光路结构设计中采用单紫外光源与单感光元件结构设计，以确保检测系统具有极高的测量精度，极高的可重复性。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用金属铜元素的原子特征吸收波长的紫外光为入射光，无需对入射光进行分光，即采用非分光结构设计；因此，无需配置单色器，从而简化了光学测量系统光学元件的配置。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用非平行光的结构设计；因此，无需在光路中设置准直元件，从而简化光学测量系统光学元件的配置；可以使得光学元件的位置设置更加紧凑，可以有效减少参考光与测量光的光程，从而极大的缩小了光学测量系统的体积，使其更适宜于检测现场的工作环境。
在本实施例中，光学测量系统的俯视与侧视结构示意图分别参考图1与图2，按照参考光或测量光的传播路径，所述光学测量系统的结构组成部件依次为：紫外光源、聚光镜、滤光片、切光器、参考液池与测量液池、光漏斗、感光元件，以及辅助部件比如外壳、电源、电路板等。
在本实施例中，所述紫外光源为窄带紫外LED发光二极管，其中心波长为金属铜元素的原子特征波长324.7nm。所述聚光镜对紫外光源发出的光进行聚集，使之汇集到参考液池与测量液池的通光窗口位置方向，最大限度的提升入射光强度，提升光的有效利用率。所述滤光片为窄带滤光片，对光源发出的光进一步滤光，确保入射光的波长范围仅覆盖金属铜元素的特征吸收波长，避免覆盖其它金属元素的特征吸收波长。
在本实施例中，所述切光器由马达与圆盘形切光盘组成，马达为切光盘提供旋转动力，旋转频率设定为50Hz，切光器的旋转信号由微处理系统进行收集处理。在本实施例中，采用以时间为依据的切光盘的结构设计，以时间为依据的结构设计的切光盘的结构示意图参考图3，所述以时间为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；内部圆环上有一个扇环通光孔称为内部扇环通光孔，外部圆环上有一个扇环通光孔称为外部扇环通光孔，内部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点与外部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点之间的连接线段过切光盘的圆心；内部扇环通光孔的面积与外部扇环通光孔的面积相等，且在切光盘旋转过程中，当内部扇环通光孔通过参考液池通光窗口时，外部扇环通光孔不通过测量液池通光窗口；当外部扇环通光孔通过测量液池通光窗口时，内部扇环通光孔不通过参考液池通光窗口；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并以时间为依据，分辨并计算出每个测量周期内参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
在本实施例中，设定测量周期为1秒，在每个测量周期内，参考光与测量光强度交替出现50次；当参考光出现的时候测量光不出现，测量光出现的时候参考光不出现；参考光或测量光每次出现的时间长度相等，参考光与测量光交替出现的间隔时间长度相等；因而微处理系统以时间为依据，可以有效分辨出参考光的透射光强度与测量光的透射光强度；微处理系统分别对每个测量周期内的参考光出现的时间进行积分得出该测量周期内参考光的透射光强度积分值，对测量光出现的时间进行积分得出该测量周期内测量光的透射光强度的积分值；以每个测量周期内光强度的积分值进行计算，测量精度与可重复性更好。
在本实施例中，所述参考液池用于盛装高纯水，所述参考液池可以为封闭空间，在测量过程中参考液池中的高纯水处于静止状态；所述测量液池则用于导通测量液，所述测量液包括标准液、高纯水及被测量水质。参考液池与测量液池的结构示意图参考图5所示，所述参考液池与测量液池为规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，所述用于制备空心长方体的材料对远紫外光到可见光波段的光都有很高的透射率；所述空心长方体的壁厚为0.5mm；所述空心长方体的底面为正方形，内腔对应的正方形的边长为15mm；所述空心长方体的高为75mm；所述参考液池与测量液池的外壁有不透光的黑色涂层，以屏蔽杂光的影响；所述参考液池与测量液池靠近切光盘的侧面及靠近光漏斗的侧面分别各有一个面积相同、位置相同的半圆形通光窗口，通光窗口处无黑色涂层，确保参考光与测量光的入射光与透射光能顺利通过；参考液池与测量液池相同侧面的通光窗口形成近似圆形的通光窗口，所述参考液池与测量液池各自相对的两侧分别形成的近似圆形的通光窗口正好分别与聚光镜的出光口、光漏斗的进光口相对应，尺寸一致，以便提升光的利用效率；所述光学测量系统的参考液池与测量液池紧靠在一起，仅允许参考液池或测量液池的通光窗口位置的光能够从聚光镜侧透射到光漏斗侧；所述测量液池的底部设置有测量液入口，顶部设置有测量液出口；所述参考液池与测量液池的规格相同、材质相同、光学结构相同的特性使得参考光与测量光的光程相同。
在本实施例中，所述光漏斗用于收集从参考液池或测量液池通光窗口透射出的所有光，并将其聚集于感光元件上，进一步提升光的有效利用率。所述感光元件将接收到的光强度转换成相应的电信号，微处理系统结合切光盘的旋转频率的信号将感光元件的电信号转换成对应的光强度数据。
在本实施例中，水质连续采集输运系统的结构示意图参考图6，所述水质连续采集输运系统由一级过滤器、微型泵、二级过滤器、去泡器、流量阀、单向阀及水管构成；所述水质连续采集输运系统由微型泵提供动力用于采集被测量水质，由一级过滤器与二级过滤器对水质进行两次过滤以滤除水质中颗粒物，由去泡器对被测量水质进行去泡处理以消除水质中的气泡，由流量阀控制被测量水质的流量，使得被测量水质按照设定的流量值输运到光学测量系统的测量液池进行金属铜元素浓度的测量，完成测量后被测量水质重新返回到被测量水体中；所述单向阀是为了防止被测量水质倒流；所述去泡器的顶端有放气口，当去泡器顶部的空气达到一定量时将开启放气口进行放气；所述过滤器与去泡器将分别去除被测量水质中的颗粒物与气泡，避免颗粒物与气泡进入测量液池对测量光的散射而影响测量精度。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法，所述测量计算方法为：
第一步，建立水质中金属铜元素的浓度与测量光的透射光强度对应的多项式函数关系，其中多项式函数的常数为待标定计算的参数。
第二步，采用原位标定系统，选择光学测量系统针对金属铜元素浓度的量程范围内均匀分布的5个浓度点的标准液进行标定，标定出这5个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值；所述标准液是以高纯水为溶剂，配制的量程范围内均匀分布的5个浓度点所对应的金属铜元素的标准浓度的溶液；所选择的标准液的浓度包含最大量程点。
第三步，以第二步所标定出的这5个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值为基础，采用数学优化方法计算得出多项式函数的常数的值，从而确定第一步所建立的多项式函数，即确定金属铜元素浓度与测量光的透射光强度对应关系的多项式函数。
第四步，测量计算出被测量水质的测量光的透射光强度值，并将测量计算得出的被测量水质的测量光的透射光强度值代入第三步所确定的多项式函数关系中就可以准确计算出被测量水质中金属铜元素的浓度值。
所述水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法所用到的测量光的透射光强度都是经过参考光的透射光强度校准后的值。
在本实施例中，金属铜元素标准液所对应的5个点的浓度值分别为0μg/L，25μg/L，50μg/L，75μg/L，100μg/L。
在本实施例中，所选择的多项式函数为一次函数，具体为：
F(I)= a1•I+a0 （2）
其中a1、a0为多项式函数的常数，I为测量光的透射光强度。
在本实施例中，所采用数学优化方法即函数逼近方法为最小二乘法。
在本实施例中，所述原位标定系统用于对金属铜元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定，所述原位标定系统的具体结构参考图6所示；所述原位标定系统主要由标准液及高纯水入口、单向阀、废液回收器及水管构成。在具体标定过程中，原位标定系统与水质连续采集输运系统的水都需要通过测量液池，因此在测量液池的入口与出口处分别安装有三通阀，用于将测量液池分别开放给原位标定系统或水质连续采集输运系统；将三通阀设置在原位标定系统时，原位标定系统与测量液池导通，而此时水质连续采集输运系统则与测量液池隔断，即只允许原位标定系统中的标准液或高纯水通过测量液池；将三通阀设置在水质连续采集输运系统时，水质连续采集输运系统与测量液池导通，而此时原位标定系统则与测量液池隔断，即只允许水质连续采集输运系统中的被测量水质通过测量液池。在采用原位标定系统进行标定时，由低至高依次通入光学测量系统针对金属铜元素量程范围内均匀分布的5个浓度值的金属铜元素的标准液，所述金属铜元素标准液所对应的5个点的浓度值分别为0μg/L，25μg/L，50μg/L，75μg/L，100μg/L。在每次通入标准液之前与之后，都需要通入高纯水对管道及测量液池进行清洗，规避残留液对测量精度的影响。系统标定完成后，需要将三通阀设置为水质连续采集输运系统，以便开始对被测量水质中金属铜元素含量进行测量。
在本实施例中，通过以上技术方案制备的水质中金属元素含量的原位连续检测系统可以对地下水或地表水等金属含量超低的自然水源的水质中的金属铜元素的含量进行长期原位连续检测。
实施例2
在本实施例中，一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统由光学测量系统、水质连续采集输运系统、原位标定系统、微处理系统及辅助部件组成。
在本实施例中，一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统主要用于城市污水或工业废水等金属含量较高的水体中金属铅元素的浓度的长期原位连续测量；所述原位连续检测系统针对金属铅元素的量程为0~100mg/L。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用光程相同的双光路结构设计，所述光程相同的双光路结构设计中采用单紫外光源与单感光元件结构设计，以确保检测系统具有极高的测量精度，极好的可重复性。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用金属铅元素的原子特征吸收波长的紫外光为入射光，无需对入射光进行分光，即采用非分光结构设计；因此，无需配置单色器，从而简化了光学测量系统光学元件的配置。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用非平行光的结构设计；因此，无需在光路中设置准直元件，从而简化了光学测量系统光学元件的配置；使得光学元件的位置设置更加紧凑，可以有效减少参考光与测量光的光程，从而极大的缩小了光学测量系统的体积，使其更适宜于检测现场的工作环境。
在本实施例中，光学测量系统的俯视与侧视结构示意图分别参考图1与图2，按照参考光或测量光的传播路径，所述光学测量系统的结构组成部件依次为：紫外光源、聚光镜、滤光片、切光器、参考液池与测量液池、光漏斗、感光元件，以及辅助部件比如外壳、电源、电路板等。
在本实施例中，所述紫外光源为窄带紫外LED发光二极管，其中心波长为金属铅元素的原子特征波长283.3nm。所述聚光镜对紫外光源发出的光进行聚集，使之汇集到参考液池与测量液池的通光窗口位置方向，最大限度的提升入射光强度，提升光的有效利用率。所述滤光片为窄带滤光片，对光源发出的光进一步滤光，确保入射光的波长范围仅覆盖金属铅元素的特征吸收波长，避免覆盖其它金属元素的特征吸收波长。
在本实施例中，所述切光器由马达与圆盘形切光盘组成，马达为切光盘提供旋转动力，旋转频率设定为50Hz，切光器的旋转信号由微处理系统进行收集处理。在本实施例中，采用以频率为依据的切光盘的结构设计，以频率为依据的结构设计的切光盘的结构示意图参考图4，所述以频率为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；所述内部圆环上均匀分布着3个面积相同的扇环通光孔；所述外部圆环上均匀分布着4个面积相同的扇环通光孔；所述均匀分布是指内部圆环上3个扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点均匀分布于内部圆环的外圆上，外部圆环上4个扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点均匀分布于外部圆环的外圆上；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并通过傅里叶变换的方法，将每个测量周期内感光元件测量得到的光强度数据与时间的对应关系转换为光强度数据与频率的对应关系，并以频率为依据，分辨并计算出每个测量周期内参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
在本实施例中，切光盘的旋转频率设定为50Hz，内部圆环上均匀分布着3个面积相同的扇环通光孔，所对应的参考光的透射光强度出现的频率为150Hz；外部圆环上均匀分布着4个面积相同的扇环通光孔，所对应的测量光的透射光强度出现的频率为200Hz。在本实施例中，设定每个测量周期为1秒，通过傅里叶变换方法将每个测量周期内光强度与时间的对应关系转变为光强度与频率的对应关系，即频率为150Hz对应着参考光的透射光强度，频率为200Hz对应着测量光的透射光强度，微处理系统将根据不同的频率分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
在本实施例中，所述参考液池用于盛装高纯水，所述参考液池可以为封闭空间，在测量过程中参考液池中的高纯水处于静止状态；所述测量液池则用于导通测量液，所述测量液包括标准液、高纯水及被测量水质。参考液池与测量液池的结构示意图参考图5所示，所述参考液池与测量液池为规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，所述用于制备空心长方体的材料对远紫外光到可见光波段的光都有很高的透射率；所述空心长方体的壁厚为0.5mm；所述空心长方体的底面为正方形，内腔对应的正方形的边长为10mm；所述空心长方体的高为50mm；所述参考液池与测量液池的外壁有不透光的黑色涂层，以屏蔽杂光的影响；所述参考液池与测量液池靠近切光盘的侧面及靠近光漏斗的侧面分别各有一个面积相同、位置相同的半圆形通光窗口，通光窗口处无黑色涂层，确保参考光与测量光的入射光与透射光能顺利通过；参考液池与测量液池相同侧面的通光窗口形成近似圆形的通光窗口，所述参考液池与测量液池各自相对的两侧分别形成的近似圆形的通光窗口正好分别与聚光镜的出光口、光漏斗的进光口相对应，尺寸一致，以便提升光的利用效率；所述光学测量系统的参考液池与测量液池紧靠在一起，仅允许参考液池或测量液池的通光窗口位置的光能够从聚光镜侧透射到光漏斗侧；所述测量液池的底部设置有测量液入口，顶部设置有测量液出口；所述参考液池与测量液池的规格相同、材质相同、光学结构相同的特性使得参考光与测量光的光程相同。
在本实施例中，所述光漏斗用于收集从参考液池或测量液池通光窗口透射出的所有光，并将其聚集于感光元件上，进一步提升光的有效利用率。所述感光元件将接收到的光强度转换成相应的电信号，微处理系统结合切光盘的旋转频率的信号将感光元件的电信号转换成对应的光强度数据。
在本实施例中，水质连续采集输运系统的结构示意图参考图6，所述水质连续采集输运系统由一级过滤器、微型泵、二级过滤器、去泡器、流量阀、单向阀及水管构成；所述水质连续采集输运系统由微型泵提供动力用于采集被测量水质，由一级过滤器与二级过滤器对水质进行两次过滤以滤除水质中颗粒物，由去泡器对被测量水质进行去泡处理以消除水质中的气泡，由流量阀控制被测量水质的流量，使得被测量水质按照设定的流量值输运到光学测量系统的测量液池进行金属铅元素浓度的测量，完成测量后被测量水质重新返回到被测量水体中；所述单向阀是为了防止被测量水质倒流；所述去泡器的顶端有放气口，当去泡器顶部的空气达到一定量时将开启放气口进行放气；所述过滤器与去泡器将分别去除被测量水质中的颗粒物与气泡，避免颗粒物与气泡进入测量液池对测量光的散射而影响测量精度。
在本实施例中，所述原位连续检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法，所述测量计算方法为：
第一步，建立水质中金属铅元素的浓度与测量光的透射光强度对应的多项式函数关系，其中多项式函数的常数为待标定计算的参数。
第二步，采用原位标定系统，选择光学测量系统针对金属铅元素浓度的量程范围内均匀分布的6个浓度点的标准液进行标定，标定出这6个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值；所述标准液是以高纯水为溶剂，配制的量程范围内均匀分布的6个浓度点所对应的金属铅元素的标准浓度的溶液；所选择的标准液的浓度包含最大量程点。
第三步，以第二步所标定出的这6个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值为基础，采用数学优化方法计算得出多项式函数的常数的值，从而确定第一步所建立的多项式函数，即确定金属铅元素浓度与测量光的透射光强度对应关系的多项式函数。
第四步，测量计算出被测量水质的测量光的透射光强度值，并将测量计算得出的被测量水质的测量光的透射光强度值代入第三步所确定的多项式函数关系中就可以准确计算出被测量水质中金属铅元素的浓度值。
所述水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法所用到的测量光的透射光强度都是经过参考光的透射光强度校准后的值。
在本实施例中，金属铅元素标准液所对应的6个点的浓度值分别为0mg/L，20mg/L，40mg/L，60mg/L，80mg/L，100mg/L。
在本实施例中，所选择的多项式函数为二次函数，具体为：
F(I)= a2•I2+a1•I+a0 （3）
其中a2、a1、a0为多项式函数的常数，I为测量光的透射光强度。
在本实施例中，所采用的数学优化方法即函数逼近方法为最小二乘法。
在本实施例中，采用标定液池结构的原位标定系统；所述原位标定系统用于对金属铅元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定；所述原位标定系统为由6个装有一定浓度值的金属铅元素的标准液的标定液池构成；所述标定液池为与所述测量液池规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，并盛装了规定的浓度值的金属铅元素的标准液，在进行标定时只需将测量液池更换成对应浓度的标定液池；所述6个标定液池中金属铅元素的标准液的浓度值分别为光学测量系统针对金属铅元素量程范围内均匀分布的6个浓度点的值，即分别为0mg/L，20mg/L，40mg/L，60mg/L，80mg/L，100mg/L。系统标定完成后，需要取出标定液池并将测量液池重新安装到光学测量系统的测量液池的位置，以便开始对被测量水质中金属铅元素含量进行原位连续测量。
在本实施例中，通过以上技术方案制备的水质中金属元素含量的原位连续检测系统可以对城市废水或工业污水等金属含量较高的水体的水质中金属铅元素的含量进行长期原位连续检测。

Claims (10)

1.一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：
水质中金属元素含量的原位连续检测系统由光学测量系统、水质连续采集输运系统、原位标定系统、微处理系统及辅助部件组成；
所述原位连续检测系统采用光程相同的双光路结构设计、非分光结构设计、非平行光结构设计相互优化结合的结构设计；
所述光程相同的双光路结构设计是指同一紫外光源发出的光经聚光镜聚集并经滤光片滤光后形成入射光，入射光由切光器切割为两路光，一路光称为参考光并从参考液池透射而过，另一路光称为测量光并从测量液池透射而过，参考光与测量光都由光漏斗汇聚到同一感光元件上，所述参考光与测量光的光路相互对称且光程相同；所述参考光在入射参考液池之前称为参考光的入射光，所述参考光在透射出参考液池后称为参考光的透射光；所述测量光在入射测量液池之前称为测量光的入射光，所述测量光在透射出测量液池后称为测量光的透射光；所述参考光的透射光的作用是为了对测量光的透射光强度进行校准，确保整个测量过程中参与计算的测量光的透射光所对应的测量光的入射光强度保持一致，确保所述原位连续检测系统具有极高的测量精度；
所述非分光结构设计是指所述原位连续检测系统采用被测量金属元素的原子特征吸收波长的紫外光为入射光，无需对入射光进行分光，无需配置单色器，极大的简化了光学测量系统的配置，有效降低了检测系统的成本；
所述非平行光结构设计是指所述原位连续检测系统的参考光与测量光无需为平行光，可以简化光学测量系统的配置，光学测量系统中光学元件的位置设计更加紧凑，有效减少了参考光与测量光的光程，极大的缩小了光学测量系统的体积；
所述原位连续检测系统相互优化结合的结构设计，使得所述原位连续检测系统具备测量精度高、系统配置简化、系统成本低、系统体积小的优势特点；所述水质连续采集输运系统使得检测系统能够对不同水体中各类金属元素的含量进行长期、原位、连续检测。
2.根据权利要求1的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：
所述光学测量系统各光学元件的位置设置紧凑有序，光学测量系统的光程短，光学测量系统的参考光的光路与测量光的光路相互对称，参考光与测量光的光程相同，光的利用率高；按照参考光或测量光的传播路径，所述光学测量系统的结构组成部件依次为：紫外光源、聚光镜、滤光片、切光器、参考液池与测量液池、光漏斗、感光元件，以及辅助部件；
所述紫外光源为窄带紫外LED发光二极管或氘灯，所述紫外光源可以根据被测量金属元素进行更换，并优先选择与被测量金属元素的特征吸收波长趋于一致的窄带紫外LED发光二极管作为光源；对于特征吸收波长很短的金属元素，窄带紫外LED发光二级管无法满足需求的，则可以采用氘灯作为光源；
所述聚光镜对紫外光源发出的光进行聚集，使之汇聚到参考液池与测量液池的通光窗口位置方向，最大限度的提升入射光强度，提升光的有效利用率；
所述滤光片为窄带滤光片，对紫外光源发出的光进行滤光，确保入射光的波长范围仅覆盖被测量金属元素的特征吸收波长，避免覆盖其它金属元素的特征吸收波长；
所述切光器由马达与圆盘形切光盘组成，马达为切光盘提供旋转动力，旋转频率一定，切光盘的旋转信号由微处理系统进行收集处理；
所述参考液池用于盛装高纯水，所述测量液池则用于导通测量液，所述测量液包括标准液、高纯水及被测量水质，参考液池与测量液池的结构设计与功能设计确保参考光与测量光的光程相同；
所述光漏斗用于收集从参考液池或测量液池通光窗口透射出的所有光，并将其聚集于感光元件上，最大限度的收集参考光或测量光的透射光，进一步提升光的有效利用率；
所述感光元件将接收到的光强度信号转换成相应的电信号并由微处理系统进行收集处理，微处理系统结合切光器的旋转信号，分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
3.根据权利要求1与2中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述切光器的切光盘采用以时间为依据的结构设计；所述以时间为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；内部圆环上有一个扇环通光孔称为内部扇环通光孔，外部圆环上有一个扇环通光孔称为外部扇环通光孔，内部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点与外部扇环通光孔所对应的扇形的圆弧的中点之间的连接线段过切光盘的圆心；内部扇环通光孔的面积与外部扇环通光孔的面积相等，且在切光盘旋转过程中，当内部扇环通光孔通过参考液池通光窗口时，外部扇环通光孔不通过测量液池通光窗口；当外部扇环通光孔通过测量液池通光窗口时，内部扇环通光孔不通过参考液池通光窗口；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并以时间为依据，分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
4.根据权利要求1与2中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述切光器的切光盘采用以频率为依据的结构设计；所述以频率为依据的结构设计的切光盘由内到外有两个圆环，在切光盘旋转过程中，内部圆环对应着参考液池的通光窗口，外部圆环对应着测量液池的通光窗口；所述内部圆环上均匀分布着m个面积相同的扇环通光孔，m为1~10的整数；所述外部圆环上均匀分布着n个面积相同的扇环通光孔，n为1~10的整数；且m不等于n；微处理系统通过同时收集切光盘的旋转信息与感光元件的测量信息，并通过傅里叶变换方法，将每个测量周期内感光元件测量得到的光强度数据与时间的对应关系转换为光强度数据与频率的对应关系，并以频率为依据，分辨并计算出每个测量周期内的参考光的透射光强度数据与测量光的透射光强度数据。
5.根据权利要求1与2中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述参考液池与测量液池为规格相同、材质相同、光学结构相同的空心长方体，所述用于制备空心长方体的材料对远紫外光到可见光波段的光都有很高的透射率；所述空心长方体的壁厚为0.5~2mm；所述空心长方体的底面为正方形，内腔对应的正方形的边长为5~30mm；所述空心长方体的高为50~200mm；所述参考液池与测量液池的外壁有不透光的黑色涂层，以屏蔽杂光的影响；所述参考液池与测量液池靠近切光盘的侧面及靠近光漏斗的侧面分别各有一个面积相同、位置相同的半圆形通光窗口，通光窗口处无黑色涂层，确保参考光与测量光的入射光与透射光能顺利通过；参考液池与测量液池相同侧面的通光窗口形成近似圆形的通光窗口，所述参考液池与测量液池各自相对的两侧分别形成的近似圆形的通光窗口正好分别与聚光镜的出光口、光漏斗的进光口相对应，以便提升光的利用效率；所述测量液池的底部设置有测量液入口，顶部设置有测量液出口。
6.根据权利要求1的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述水质连续采集输运系统由一级过滤器、微型泵、二级过滤器、去泡器、流量阀、单向阀及水管构成；所述水质连续采集输运系统由微型泵提供动力用于采集被测量水质，一级过滤器与二级过滤器对水质进行两次过滤以去除水质中的颗粒物，去泡器对水质进行去泡处理以消除水质中的气泡，由流量阀控制被测量水质的流量，使得被测量水质按设定的流量值输运到光学测量系统的测量液池进行被测量金属元素浓度的测量，完成测量后被测量水质将重新返回到被测量水体中。
7.一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：
所述原位连续检测系统采用水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法，所述测量计算方法为：
第一步，建立水质中被测量金属元素的浓度与测量光的透射光强度对应的多项式函数关系，其中多项式函数的常数为待标定计算的参数；
第二步，采用原位标定系统，选择光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度点的标准液进行标定，标定出这5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值；所述标准液是以高纯水为溶剂，配制的量程范围内均匀分布的5~10个浓度点所对应的被测量金属元素的标准浓度的溶液；所选择的标准液浓度点包含最大量程点；
第三步，以第二步所标定出的这5~10个点的浓度值所对应的测量光的透射光强度的值为基础，采用数学优化方法计算得出多项式函数的常数的值，从而确定第一步所建立的多项式函数，即确定被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度对应关系的多项式函数；
第四步，测量计算出被测量水质的测量光的透射光强度值，并将测量计算得出的被测量水质的测量光的透射光强度值代入第三步所确定的多项式函数关系中就可以准确计算出被测量水质中被测量金属元素的浓度值；
所述水质中金属元素浓度与测量光强度对应函数关系的测量计算方法所用到的测量光的透射光强度都是经过参考光的透射光强度校准后的值。
8.根据权利要求1与7中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述原位标定系统用于对被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定；所述原位标定系统由标准液及高纯水入口、单向阀、废液回收器及水管构成；在采用原位标定系统进行标定时，由低至高依次通入光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度值的被测量金属元素的标准液，在每次通入标准液之前与之后，都需要通入高纯水对管道及测量液池进行清洗，规避残留液对测量精度的影响。
9.根据权利要求1与7中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述原位标定系统用于对被测量金属元素浓度与测量光的透射光强度的关系进行标定；所述原位标定系统由5~10个装有一定浓度值的被测量金属元素的标准液的标定液池构成；所述标定液池与所述测量液池规格相同、材质相同、光学结构相同，在进行标定时只需将测量液池更换成对应浓度值的标定液池；所述5~10个标定液池中的被测量金属元素的标准液的浓度值分别为光学测量系统针对被测量金属元素量程范围内均匀分布的5~10个浓度点的值。
10.根据权利要求1与7中任意一项的一种水质中金属元素含量的原位连续检测系统，其特征在于：所述原位连续检测系统可以针对不同的金属元素的特征吸收波长设置对应的波长的入射光，从而分别对水质中对应的金属元素的浓度进行测量；同时，所述原位连续检测系统也可以针对被测量水质中金属元素浓度的实际情况设置不同的量程，使得所述原位连续检测系统既能应用于金属含量浓度超低的自然水质中金属元素含量的检测，又能应用于金属含量浓度相对较高的城市污水或工业废水中金属元素含量的检测。
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