CN111272671A - 一种波长自动选择水质检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：它包括：光源发射模块、水样采集模块、光谱检测模块、控制器模块和远程监测模块；该检测系统能够在无化学试剂的辅助下，以全波段光源入射，经光谱检测模块和控制器模块分析，即可计算出色度、浊度、COD、TOC、DOC、BOD等水质参数。且本发明的无试剂多参数波长自动选择水质检测系统能够自动准确的检测多项水质参数，可以用于实验室检测和在线监测两个方面。
Description
技术领域
本发明属于水质检测技术领域，具体讲就是涉及一种波长自动选择水质检测系统。
背景技术
现代社会环境污染尤其是水污染是迫切需要解决的问题之一，目前，自动水质检测仪的主要技术原理有化学滴定法、电化学测量法、可见分光光度计法。化学滴定法测量时间长、操作维护复杂、运行成本高和会造成二次污染；电化学测量法通过不同电化学法产生的电极电流变化只和一种替代参数有线性关系，和其他水质参数则存在非线性的关系，不能够实现多参数测定；而可见分光光度计法也不能够实现一次性测定多个参数。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有的自动水质检测仪采用的检测方法存在的技术缺陷，提供一种波长自动选择水质检测系统，无需试剂就能够快速准确的检测多项水质参数。
技术方案
为了实现上述技术目的，本发明提供的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：它包括：光源发射模块、水样采集模块、光谱检测模块、控制器模块和远程监测模块；
所述光源发射模块发射的光经过光纤传输至光纤分光器，光再由光纤分光器通过光纤输出到选择器一和选择器二，所述选择器一和选择器二将光通过相应的光纤发射到对应的准直镜一和准直镜二，所述准直镜一和准直镜二相应安装于样品槽和样品池的前侧，与样品池和样品槽置于同一水平位置，光线经过所述准直镜一和准直镜二后射入相应的所述水样采集模块中的样品槽中的待测水和样品池中的待测水，经过样品槽中的待测水和样品池中的待测水射出的光再由光纤传导至所述光谱检测模块的输入端，光谱检测模块的输出端通过串口将检测结果传输至所述控制器模块中的下位机，下位机通过串口将数据传输至上位机，由上位机对各参数的检测值进行处理和存储显示，同时，上位机通过串口将处理过的最终数据传输回下位机，下位机再通过串口传输至无线通讯设备，无线通讯设备通过无线传输将数据上传至云数据库，远程监测平台实时通过无线传输的方式获取云数据库上的最新数据并显示在平台上。
进一步地，所述光源发射模块包括全波段光源，光纤分光器，选择器一和选择器二；
所述光纤分光器为1/2分光器，将光源的光分两路输出，所述全波段光源的光源输出端口与所述1/2光纤分光器的输入端口连接，所述1/2的光纤分光器的两路输出端口分别连接到选择器一和选择器二的输入端口，所述选择器一和选择器二的输出端口通过光纤与相应的准直镜一和准直镜二连接。
进一步地，所述全波段光源采用的光源波长范围在200～1100nm之间，
进一步地，所述水样采集模块包括在线用途组件和实验室用途组件；
所述实验室用途组件包括样品槽，待测水置于样品槽中；
所述在线用途组件包括样品池、水位计、自动水循环单元和废水排放池，所述自动水循环单元包括进出水管道、立式注射泵、步进电机、多通阀，所述多通阀有三个通道，分别是纯水与立式注射泵相连的进水管一、待测水与立式注射泵相连的进水管二、废水排放池和立式注射泵之间的出水管一；立式注射泵的注射端与样品池通过进水管二和出水管二相连，步进电机通过电源线与多通阀和立式注射泵连接，水位计置于样品池的内壁上，水位计底部与样品池底部水平。
当步进电机供电后，若收到由控制器模块发来的检测指令，首先进行清洗步骤：多通阀开启纯水、废水排放池和立式注射泵之间的进水管1和出水管1，注射泵抽取纯水通过进水管2进入样品池进行清洗，当样品池中的水位计检测到水位达到90％后，由注射泵将样品池中的水通过出水管2抽取排放至废水排放池，直至样品池中的水排放完毕。完成清洗后，多通阀关闭进水管1转而开启待测水与注射泵之间的进水管3，注射泵通过进水管2、3将待测水抽取到样品池中进行检测，当样品池中的水到达90％时，注射泵一边从待测水中抽取水继续检测，一边从样品池抽水排放至废水排放池，当控制器模块发出停止检测的指令，多通阀关闭抽取待测水的进水管3，直至样品池中的待测水排放完毕后，多通阀开启进水管1和出水管1，重复清洗步骤，并等待下一次检测指令的到来。
进一步地，所述立式注射泵型号为SY-04。
所述光谱检测模块包括入射狭缝、准直镜、光栅、成像反射镜、CCD阵列探测器和A/D转换器，当光到达光谱检测模块时，光信号经过入射狭缝投射到准直镜上，将发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经过成像反射镜将光谱呈现在CCD探测阵列的接收面上，形成光谱谱面，使每一个光谱都照射到相对应探测器的像元上。CCD探测阵列再根据参数波长，一次性将对应探测器像元上的光信号转换成电子信号，并经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大，并经过串口传递给下位机，再由下位机传递给上位机，上位机对每个参数传回的数据预处理后，对比参数的标定曲线显示最终结果。CCD阵列探测器响应的波长范围在190nm～1100nm之间，测量时间为13～15ms，CCD阵列探测器输出端口与A/D转换器输入端口相连。所述CCD阵列探测器根据参数波长测量，是通过控制器模块的上位机设定所有参数的检测波长进而控制光谱自动探测各波长点的光谱值，无需用户手动选择参数，而是一键启动完成所有待测参数的测量，即光到达CCD阵列探测器时，CCD阵列探测器对设定的多个波长像点进行循环探测，自动探测设定波长点的光强完进而成测量。
进一步地，所述控制器模块包括上位机、下位机和无线通讯设备；
所述上位机是采用c#语言开发的应用软件，通过串口与下位机连接，上位机通过串口发送指令到下位机，下位机通过串口将指令下达到光源发射模块或水样采集模块或无线通讯设备或光谱检测模块；该软件具有：用途选择、测量、标定、参数波长和量程设定、保存数据、导出数据、查看历史数据、打印和数据信息显示等功能。上位机开发时设定好了待测参数的检测波长，检测前需要通过人工完成标定功能，标定功能是采用五点标定法，用各参数标准液对该设备进行标定，上位机将每个点的AD值根据朗伯比尔定律绘制标定曲线，并将每个参数的标定记录存在项目文件里，当点击测量时，上位机通过串口与下位机连接，发送指令到下位机，下位机通过串口下达到各执行模块：光源开始发射光源，经过样品池和样品槽后，由光谱仪接收光，并根据设定好的波长组不间断检测每个波长点的光强数值，再通过串口将光强数值发送到下位机，下位机再通过串口将数值传到上位机，上位机再将各参数的数值与对应参数的标定曲线进行换算得到最终结果存储显示，同时上位机将各参数的检测结果回传给下位机，并由下位机发送到无线通讯设备，无线通讯设备根据TCP/IP网络通讯协议传输到云数据库；
所述下位机为控制电路板，包括高端芯片ARM,数据传输串口、存储卡和带电可擦可编程只读存储器EEPROM，并为上位机和各功能模块提供通讯串口，所述通讯串口为：上位机与下位机之间的串口；下位机与光源采集模块中光源和选择器之间的串口；下位机与水样采集模块中步进电机、多通阀、立式注射泵和水位计之间的串口；下位机与光谱采集模块中CCD探测阵列和A/D转换器之间的串口。电路板中植入了控制水样采集模块的控制函数，配合上位机完成测量工作，其中EEPROM用于断电保护数据。
进一步地，所述远程监测模块包括云数据库和数据监测平台，云数据库与数据监测平台之间通过无线网络通讯。所述数据监测平台是一个由php语言开发的监测网站，通过手机和电脑登录网址即可查看，数据监测平台实时获取云数据库的数据信息，并实时显示，具有报表和动态曲线两种呈现方式，方便查看历史数据，平台还具有设置标准值的功能，一旦数据超出标准值的范围，平台显示异常报警信号。
有益效果
本发明提供的
本发明提供的一种波长自动选择水质检测系统，能够在无化学试剂的辅助下，以全波段光源入射，经光谱检测模块和控制器模块分析，即可计算出色度、浊度、COD、TOC、DOC、BOD等水质参数。且本发明的无试剂多参数波长自动选择水质检测系统能够自动准确的检测多项水质参数，可以用于实验室检测和在线监测两个方面。
附图说明
图1是根据本发明实施例的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的工作流程图。
图3是根据本发明中光谱检测模块连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明提供了一种波长自动选择水质检测系统，包括光源发射模块1、水样采集模块2、光谱检测模块3、控制器模块4和远程监测模块5。所述光源发射模块1发射的光经过光纤传输至光纤分光器101，光再由光纤分光器通过光纤输出到选择器一102和选择器二103，所述选择器一102和选择器二103将光通过光纤发射到对应的准直镜一104和准直镜二105，所述准直镜一104和准直镜二105安装于相应的样品槽106和样品池107的前侧，与样品池107和样品槽106置于同一水平位置，光线经过准直镜一104和准直镜二105后射入所述水样采集模块2中的样品槽106中的待测水和样品池107中的待测水，经过样品槽106中的待测水和样品池107中的待测水射出的光再由光纤传导至所述光谱检测模块3的输入端，光谱检测模块3的输出端通过串口将检测结果传输至所述控制器模块中4的下位机401，下位机401通过串口将数据传输至上位机402软件，由上位机402对各参数的检测值进行处理和存储显示，同时，上位机402通过串口将处理过的最终数据传输回下位机401，下位机401再通过串口传输至无线通讯设备403，无线通讯设备403通过无线传输，将数据上传至云数据库501，远程监测平台502实时通过无线传输的方式获取最新数据并显示在平台上。
具体地讲如图1至图3所示，首先控制器模块中的上位机设定各水质参数的检测波长和量程，再由人工对各参数进行标定，参数标定采用的是五点标定法，即将参数量程分为五个点标定，并根据朗伯比尔定律绘制标定曲线存储于上位机的项目文件中，供于测量数据的对比处理。
在上位机上确定用途后，点击测量功能，上位机通过串口给下位机发送波长数据和测量指令，下位机通过串口将各参数的检测波长数据传输至光谱采集模块的CCD探测阵列，若用户选择的是实验室用途，用户需要将待测水置于样品槽中；若选择的是在线用途，下位机通过串口开启水样采集模块的步进电机，步进电机开始为多通阀和立式注射泵供电运行，首先下位机控制多通阀打开进水管一，注射泵抽取纯水进样品池进行清洗，当下位机从串口接收到水位计反馈的标志信号1(水位到达90％)时，下位机控制多通阀关闭进水管一，转而打开出水管一，并控制注射泵将样品池中的清洗废水通过出水管一和出水管二抽取至废水排放池，当下位机收到水位计传来的标志信号2(清洗完毕)后结束清洗步骤，下位机通过串口控制多通阀关闭进水管一和出水管一转而开启进水管三，由注射泵将待测水通过进水管二和进水管三抽取进样品池，当下位机检测到标志信号1，下位机控制多通阀打开出水管一，注射泵以相同的频率抽水和排水，完成水样采集工作。
当水样采集模块准备完毕后，下位机打开全波段光源，光信号通过光纤传导至光纤分光器，光纤分光器将光分为两路输出到选择器，若用户选择的是实验室用途，选择器一便开始连通光纤，选择器二断开连接；若选择的是在线用途，选择器二连通光纤，选择器一断开连接；若双用途同时使用，则选择器一和选择器二同时连通光纤，将光传导至相应的准直镜一和准直镜二，准直镜一和准直镜二再将发散光变为准平行光，水平射入水样采集模块的样品槽或样品池中的待测水，再由光纤传导至光谱采集模块。
当光到达光谱检测模块时，如附图3所示，光信号经过入射狭缝投射到准直镜上，将发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经过成像反射镜将光谱呈现在CCD探测阵列的接收面上，形成光谱谱面，使每一个光谱都照射到相对应探测器的像元上。CCD探测阵列再根据下位机传来的参数波长，一次性将对应探测器像元上的光信号转换成电子信号，并经过A/D转换器完成模拟数字转换和A/D放大，再经过串口传递给下位机，再由下位机传递给上位机。
上位机对每个参数传回的数据对比项目文件中的标定记录及标定曲线，进行数据换算得到各参数的检测结果并存储显示和上传。所谓上传是指上位机将各参数的检测值通过串口传递给下位机，下位机再通过串口将数据发送到无线通讯设备，无线通讯设备通过网络通讯将数据上传到远程监测模块的云数据库中，数据监测平台通过网络通讯从云数据库中获取最新检测数值并显示。
数据监测平台是由php语言开发的监测网站，通过手机或电脑登录网址便可进入该平台。每台检测设备都设有设备编号和密码，当用户在该网站绑定正确的设备编号和密码后，数据监测平台根据设备号在云数据库中获取实时检测信息，实时信息的显示方式分为报表和动态曲线两种方式供用户选择，此外该平台还可以查看历史数据和设置标准值，一旦数据超过标准值范围，平台将弹出异常警告提示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域普通技术人员可以理解：
在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：它包括：光源发射模块、水样采集模块、光谱检测模块、控制器模块和远程监测模块；
所述光源发射模块发射的光经过光纤传输至光纤分光器，光再由光纤分光器通过光纤输出到选择器一和选择器二，所述选择器一和选择器二将光通过相应的光纤发射到对应的准直镜一和准直镜二，所述准直镜一和准直镜二相应安装于样品槽和样品池的前侧，与样品池和样品槽置于同一水平位置，光线经过所述准直镜一和准直镜二后射入相应的所述水样采集模块中的样品槽中的待测水和样品池中的待测水，经过样品槽中的待测水和样品池中的待测水射出的光再由光纤传导至所述光谱检测模块的输入端，光谱检测模块的输出端通过串口将检测结果传输至所述控制器模块中的下位机，下位机通过串口将数据传输至上位机，由上位机对各参数的检测值进行处理和存储显示，同时，上位机通过串口将处理过的最终数据传输回下位机，下位机再通过串口传输至无线通讯设备，无线通讯设备通过无线传输将数据上传至云数据库，远程监测平台实时通过无线传输的方式获取云数据库上的最新数据并显示在平台上。
2.根据权利要求1所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：所述光源发射模块包括全波段光源，光纤分光器，选择器一和选择器二；
所述光纤分光器为1/2分光器，将光源的光分两路输出，所述全波段光源的光源输出端口与所述1/2光纤分光器的输入端口连接，所述1/2的光纤分光器的两路输出端口分别连接到选择器一和选择器二的输入端口，所述选择器一和选择器二的输出端口通过光纤与相应的准直镜一和准直镜二连接。
3.根据权利要求2所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：所述全波段光源采用的光源波长范围在200～1100nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：所述水样采集模块包括在线用途组件和实验室用途组件；
所述实验室用途组件包括样品槽，待测水置于样品槽中；
所述在线用途组件包括样品池、水位计、自动水循环单元和废水排放池，所述自动水循环单元包括进出水管道、立式注射泵、步进电机、多通阀，所述多通阀有三个通道，分别是纯水与立式注射泵相连的进水管一、待测水与立式注射泵相连的进水管二、废水排放池和立式注射泵之间的出水管一；立式注射泵的注射端与样品池通过进水管二和出水管二相连，步进电机通过电源线与多通阀和立式注射泵连接，水位计置于样品池的内壁上，水位计底部与样品池底部水平。
5.根据权利要求4所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：所述立式注射泵型号为SY-04。
6.根据权利要求1所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于，所述控制器模块包括上位机、下位机和无线通讯设备；
所述上位机是采用c#语言开发的应用软件，通过串口与下位机连接，上位机通过串口发送指令到下位机，下位机通过串口将指令下达到光源发射模块或水样采集模块或无线通讯设备或光谱检测模块。
7.根据权利要求1所述的一种波长自动选择水质检测系统，其特征在于：所述远程监测模块包括云数据库和数据监测平台，云数据库与数据监测平台之间通过无线网络通讯。
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