CN111239105B - 一种用于污水实时监测的光谱监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于污水实时监测的光谱监测系统，包括污水吸入缓冲装置、检测管道、光外差光谱检测装置、激光诱导击穿光谱检测装置和计算机。污水吸入缓冲装置吸入污水并使污水稳定流动后，送至检测管道中。光外差光谱检测装置设置在检测管道侧面，用于检测检测管道中污水的光外差光谱。激光诱导击穿光谱检测装置设置在检测管道末端，用于检测污水的激光诱导击穿光谱。计算机分别与光外差光谱检测装置和激光诱导击穿光谱检测装置相连，用于光谱数据分析。本发明的光谱监测系统检测速度快，灵敏度和准确度更高，检测过程污染小。

Description

一种用于污水实时监测的光谱监测系统
技术领域
本发明属于污水监测领域，涉及一种用于污水实时监测的光谱监测系统。
背景技术
污水处理中，污水所含元素离子、分子浓度是重要的指标。目前的污水监测多采用定时段化学监测方法，检测项目较多，采用的污水监测系统包括浊度仪、多参数水质分析仪、红外测油仪、BOD测定仪、COD测定仪、消解器、重金属检测仪、水质污染物测定仪、水质检测试剂、重金属试剂等，每个仪器所针对的检测项目不同，有的针对有害有机物，有的针对重金属离子，有的针对例如磷、硫等元素，在系统组成上较为复杂，并且，由于其复杂的组成，检测中的噪声会将一些含量较少的元素或物质的信号淹没，导致无法探测到。此外，整个检测流程较长，费时费力。
发明内容
本发明提出一种系统组成简单、检测速度快，并且灵敏度和准确度更高的用于污水实时监测的光谱监测系统。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于污水实时监测的光谱监测系统，包括污水吸入缓冲装置、检测管道、光外差光谱检测装置、激光诱导击穿光谱检测装置和计算机；所述污水吸入缓冲装置吸入污水并使污水稳定流动后，送至所述检测管道中；所述光外差光谱检测装置设置在所述检测管道侧面，用于检测所述检测管道中污水的光外差光谱；所述激光诱导击穿光谱检测装置设置在所述检测管道末端，用于检测所述污水的激光诱导击穿光谱；所述计算机分别与所述光外差光谱检测装置和所述激光诱导击穿光谱检测装置相连，用于光谱数据分析。
进一步地，所述光外差光谱检测装置包括染料激光器、第一分束镜、第一反射镜、光阑、第二反射镜、第二分束镜、光电探测器、信号放大器和示波器，所述检测管道左、右侧均设置有透光玻璃；
所述染料激光器发射的激光经所述第一分束镜分为第一透射光和第一反射光，所述第一透射光射至所述第二分束镜并作为标准光；所述第一反射光经所述第一反射镜反射后，依次穿过所述检测管道左透光玻璃、所述检测管道内的污水和所述检测管道右透光玻璃后，射至所述光阑并变为衍射光；所述衍射光作为调制光，经所述第二反射镜反射至所述第二分束镜后，与所述标准光“混合”形成混频光；所述光电探测器探测所述混频光的光谱信号，光谱信号经所述信号放大器放大后耦合进入所述示波器并传至所述计算机中。
进一步地，上述用于污水实时监测的光谱监测系统还包括漏斗，所述检测管道末端自所述漏斗上部切向插入所述漏斗中；所述激光诱导击穿光谱检测装置包括Nd:YAG固体激光器、第三反射镜、透镜、光纤探头和多通道光谱仪；所述Nd:YAG固体激光器发出的激光经所述第三反射镜反射至所述漏斗中，并经所述透镜聚焦于所述漏斗中的污水液面，产生高温等离子体；所述光纤探头对着激光聚焦点，探测高温等离子体跃迁光谱，并通过所述多通道光谱仪传至所述计算机中。
进一步地，所述漏斗包括筒形构件、第一喇叭构件、第二喇叭构件和底部出口管，所述筒形构件、所述第一喇叭构件和所述第二喇叭构件自上而下依次相连，所述筒形构件、所述第一喇叭构件和所述第二喇叭构件的倾斜角度依次减小，所述筒形构件上开设有供所述检测管道插入的通孔；所述底部出口管与所述第二喇叭构件底部一体连接。
进一步地，上述用于污水实时监测的光谱监测系统还包括排水管，所述排水管与所述底部出口管相连。
进一步地，所述污水吸入缓冲装置包括抽水器、电机、第一连接管、第二连接管和起反向阻塞作用的特斯拉阀，所述抽水器、所述第一连接管、所述特斯拉阀和所述第二连接管依次相连，所述第二连接管与所述检测管道相连，所述电机为所述抽水器提供动力。
进一步地，所述特斯拉阀结构中，单个缓冲单元的分流角度为30°，汇合角度为90°。
本发明的有益效果在于：
本发明的光谱监测系统结合了光外差光谱和LIBS(激光诱导击穿光谱)，简化了检测系统的组成以及检测流程，大大提高了检测速度。光外差光谱检测分子、离子种类浓度，激光诱导击穿光谱检测元素种类浓度检测，光谱检测过程相对于化学检测污染小，数据准确性和灵敏度更高。本发明的光谱监测系统特别适用于痕量物质检测。
附图说明
图1为本发明的光谱监测系统的结构示意图；
图2为特斯拉阀中，单个缓冲单元的示意图；
图3为特斯拉阀中，相邻缓冲单元间的连接排布示意图；
图4为光外差光谱检测装置的结构示意图；
图5为激光诱导击穿光谱检测装置的结构示意图；
图6为漏斗的结构示意图；
图7为漩涡形成效果示意图；
附图标记：1-污水吸入缓冲装置，101-抽水器，102-特斯拉阀，103-电机，104-第一连接管，105-第二连接管，2-检测管道，3-光外差光谱检测装置，301-染料激光器，302-第一分束镜，303-第一反射镜，304-光阑，305-第二反射镜，306-第二分束镜，307-光电探测器，308-信号放大器，309-示波器，4-激光诱导击穿光谱检测装置，401-Nd:YAG固体激光器，402-第三反射镜，403-透镜，404-光纤探头，405-多通道光谱仪，5-计算机，6-漏斗，601-筒形构件，602-第一喇叭构件，603-第二喇叭构件，604-底部出口管，7-排水管。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的用于污水实时监测的光谱监测系统作进一步地详细说明。
如图1所示的用于污水实时监测的光谱监测系统，包括污水吸入缓冲装置1、检测管道2、光外差光谱检测装置3、激光诱导击穿光谱检测装置4和计算机5。污水吸入缓冲装置1吸入污水并使污水稳定流动后，送至检测管道2中。光外差光谱检测装置3设置在检测管道2侧面，用于检测检测管道2中污水的光外差光谱，进行分子、离子种类浓度检测。激光诱导击穿光谱检测装置4设置在检测管道2末端，用于检测污水的激光诱导击穿光谱，进行元素种类浓度检测。计算机5分别与光外差光谱检测装置3和激光诱导击穿光谱检测装置4相连，用于光谱数据分析。
具体地，如图4所示，光外差光谱检测装置3包括染料激光器301、第一分束镜302、第一反射镜303、光阑304、第二反射镜305、第二分束镜306、光电探测器307、信号放大器308和示波器309，检测管道2左、右侧均设置有透光玻璃。
染料激光器301发射的激光经第一分束镜302分为第一透射光和第一反射光，第一透射光射至第二分束镜306并作为标准光。第一反射光经第一反射镜303反射后，依次穿过检测管道2左透光玻璃、检测管道2内的污水和检测管道2右透光玻璃后，射至光阑304并变为衍射光。衍射光作为调制光，经第二反射镜305反射至第二分束镜306后，与标准光“混合”形成混频光。光电探测器307探测混频光的光谱信号，光谱信号经信号放大器308放大后耦合进入示波器309并传至计算机5中进行分析。由于标准光振幅、相位、频率各项参数与混频光不同，因此可以通过二者所显示的不同信号辨别并计算出相应参数，光外差光谱的测量线性取决于调制频率(即生成调制光)与原子分子跃迁宽度比值。
参见图1和图5，上述用于污水实时监测的光谱监测系统还包括漏斗6和排水管7，检测管道2末端自漏斗6上部切向插入漏斗6中，如图1所示。激光诱导击穿光谱检测装置4包括Nd:YAG固体激光器401、第三反射镜402、透镜403、光纤探头404和多通道光谱仪405。Nd:YAG固体激光器401发出的超短脉冲激光经第三反射镜402反射至漏斗6中，并经透镜403聚焦于漏斗6中的污水液面，产生高温等离子体。光纤探头404对着激光聚焦点，探测高温等离子体跃迁光谱，并通过多通道光谱仪405传至计算机5中进行分析。漏斗6的作用在于利用检测管道2流出的水流制造小型漩涡，防止在进行激光探测时，被测污水液体飞溅。污水由检测管道2末端流出进入漏斗6中产生类似漩涡的效果，污水受整体向下重力的作用，并且始终保持向心力吸引，能够在一定程度上减小上侧激光在轰击其表面的时候减少液滴飞溅至光纤探头404上，由于产生了类似漩涡的效应，能够保证其更加快速经检测后并流出且不堵塞后方待检测污水。
本实施例中，漏斗6包括筒形构件601、第一喇叭构件602、第二喇叭构件603和底部出口管604，筒形构件601、第一喇叭构件602和第二喇叭构件603自上而下依次相连，筒形构件601、第一喇叭构件602和第二喇叭构件603的倾斜角度依次减小，可实现水流在较短时间内在下侧聚集，以便能够形成漩涡，原理图如图7所示。筒形构件601上开设有供检测管道2插入的通孔。底部出口管604与第二喇叭构件603底部一体连接，参见图6。排水管7与底部出口管604相连，污水可由排水管7排出。
污水吸入缓冲装置1包括抽水器101、电机103、第一连接管104、第二连接管105和起反向阻塞作用的特斯拉阀102，抽水器101、第一连接管104、特斯拉阀102和第二连接管105依次相连，第二连接管105与检测管道2相连，电机103为抽水器101提供动力。污水吸入缓冲装置1可将流速平稳的污水送入检测管道2中，原理在于：抽水器101吸入的污水流速较快，而特斯拉阀102可对水流进行缓冲，并保持其稳定流动。图2为特斯拉阀102中的一个缓冲单元，特斯拉阀用途分为两种：一种为正向加速流体运动，另一种为反向阻塞流体运动。本发明中，使用其反向阻塞的功能，其流体流入方向如图2所示。在逆向流动时，较大速度流量在分岔口处流向半圆环轨道，在直线通道内流体流速较低但稳定。由于分为直流轨道和半圆环轨道，使得二者交汇处的压力会明显减。半圆环结构能够将流速较快的流体进行减速并将其导入交汇处于流速较低的流体相汇合产生阻碍和干扰，达到阻碍减速的效果。若水流流入流出方向反置，通过调整以上两个角度可以达到加速水流的效果。参见图2和图3，为了能够实现最大程度的反向阻塞功能，且保持较好的压力分布。本实施例中个，特斯拉阀102结构中，各缓冲单元的分流角度为30°，汇合角度为90°。
激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy)，通过将超短脉冲激光由透镜聚焦于被测物质表面产生高温等离子体，通过采集等离子体跃迁光谱，能够快速识别物质中元素种类及含量。光外差光谱检测(optical heterodyne spectroscopy)，利用光的偏振与相干等物理性质，将通过样本的光与探测光相混合，通过对混合光的频率、振幅、相位检测，能够在有效减少噪声的情况下，在达到识别样本中分子、离子浓度种类的同时，保持很高的灵敏度。光外差光谱对于分子(特别是有机物分子)和离子有很强的辨别能力和灵敏度。
本实施例中，激光诱导击穿光谱检测装置4采集的光谱数据传至计算机5后，激光诱导击穿光谱通过Avantes公司的Avasoft8软件进行分析，并进行元素种类浓度测量。光外差光谱通过示波器309采集分析，观察示波器309上相应的特征波形。
需要指出，本发明的光谱监测系统还具有良好的兼容性，可根据实际情况，通过在光外差光谱原有的基础上，加入其他调制光谱(如速度调制光谱、调制磁旋转光谱、腔衰荡光谱)，可进一步降低噪声的影响，优化光谱数据，提高数据的准确性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于污水实时监测的光谱监测系统，其特征在于，包括污水吸入缓冲装置（1）、检测管道（2）、光外差光谱检测装置（3）、激光诱导击穿光谱检测装置（4）和计算机（5）；污水吸入缓冲装置（1）吸入污水并使污水稳定流动后，送至检测管道（2）中；光外差光谱检测装置（3）设置在检测管道（2）侧面，用于检测检测管道（2）中污水的光外差光谱；激光诱导击穿光谱检测装置（4）设置在检测管道（2）末端，用于检测污水的激光诱导击穿光谱；计算机（5）分别与光外差光谱检测装置（3）和激光诱导击穿光谱检测装置（4）相连，用于光谱数据分析；
还包括漏斗（6），检测管道（2）末端自漏斗（6）上部切向插入漏斗（6）中；激光诱导击穿光谱检测装置（4）包括Nd:YAG固体激光器（401）、第三反射镜（402）、透镜（403）、光纤探头（404）和多通道光谱仪（405）；Nd:YAG固体激光器（401）发出的激光经第三反射镜（402）反射至漏斗（6）中，并经透镜（403）聚焦于漏斗（6）中的污水液面，产生高温等离子体；光纤探头（404）对着激光聚焦点，探测高温等离子体跃迁光谱，并通过多通道光谱仪（405）传至计算机（5）中；
漏斗（6）包括筒形构件（601）、第一喇叭构件（602）、第二喇叭构件（603）和底部出口管（604），筒形构件（601）、第一喇叭构件（602）和第二喇叭构件（603）自上而下依次相连，筒形构件（601）、第一喇叭构件（602）和第二喇叭构件（603）的倾斜角度依次减小，筒形构件（601）上开设有供检测管道（2）插入的通孔；底部出口管（604）与第二喇叭构件（603）底部一体连接。
2.根据权利要求1所述的用于污水实时监测的光谱监测系统，其特征在于，光外差光谱检测装置（3）包括染料激光器（301）、第一分束镜（302）、第一反射镜（303）、光阑（304）、第二反射镜（305）、第二分束镜（306）、光电探测器（307）、信号放大器（308）和示波器（309），检测管道（2）左、右侧均设置有透光玻璃；
染料激光器（301）发射的激光经第一分束镜（302）分为第一透射光和第一反射光，所述第一透射光射至第二分束镜（306）并作为标准光；所述第一反射光经第一反射镜（303）反射后，依次穿过检测管道（2）左透光玻璃、检测管道（2）内的污水和检测管道（2）右透光玻璃后，射至光阑（304）并变为衍射光；所述衍射光作为调制光，经第二反射镜（305）反射至第二分束镜（306）后，与所述标准光“混合”形成混频光；光电探测器（307）探测所述混频光的光谱信号，光谱信号经信号放大器（308）放大后耦合进入示波器（309）并传至计算机（5）中。
3.根据权利要求1所述的用于污水实时监测的光谱监测系统，其特征在于，还包括排水管（7），排水管（7）与底部出口管（604）相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于污水实时监测的光谱监测系统，其特征在于，污水吸入缓冲装置（1）包括抽水器（101）、电机（103）、第一连接管（104）、第二连接管（105）和起反向阻塞作用的特斯拉阀（102），抽水器（101）、第一连接管（104）、特斯拉阀（102）和第二连接管（105）依次相连，第二连接管（105）与检测管道（2）相连，电机（103）为抽水器（101）提供动力。
5.根据权利要求4所述的用于污水实时监测的光谱监测系统，其特征在于，特斯拉阀（102）结构中，单个缓冲单元的分流角度为30°，汇合角度为90°。
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