CN111562229A - 用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水质监测技术领域,涉及一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统及方法。解决传统单光路方法在测量环境发生变化时测量结果不准确的问题,包括密封箱体、标液池、样品池及计算机;密封箱体内安装有闪烁光源模块、光路切换器及光谱仪;光路切换器的两路输入端分别通过光纤与标液池和样品池的出光口连接;光路切换器的两路输出端通过Y型光纤与光谱仪输入端连接;计算机与光路切换器及光谱仪通信。通过硬件系统双路实时测量、软件算法进行实时处理,能够在外界环境发生变化(如光源衰减、光纤弯折)时通过双光路在系统内部进行矫正,使外界环境变化不影响系统对被测物质吸收光谱的测量,在任何环境中都能正确的测量水质数据。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域,具体涉及一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统及方法。
背景技术
基于光谱法的水质在线监测系统是一种以水中特定物质对特定波长的光产生吸收作用为原理,通过测量物质的分子吸收光谱,来间接的测量水质参数的方法。光谱法由于不需要化学试剂,相比传统的化学检测方法,能做到实时的在线原位测量。
吸收光谱的测量是基于光谱法的水质在线监测系统中极为重要的一步。作为模型的输入,吸收光谱进入浓度定量分析模型后可直接输出被测水体所感兴趣成份(如COD、BOD、硝酸盐等)的浓度数据,可以说吸收光谱的测量准确性直接影响了最终浓度数据的准确性。
传统的方法一般为单光路的方法,即通过光纤连接光源、被测水体、光谱仪等来完成吸收光谱的测量。单光路的方法只适合固定环境中吸收光谱的测量,对同一种物质,一旦测量环境发生改变,被测物质吸收光谱的整体幅度值就会发生改变。例如光源输出光强度随使用时间而有所衰减,会直接导致被测物质的吸收光谱整体幅值减小,从结果上直接造成了输出浓度的减小,显然影响了测试的准确性。
发明内容
本发明针对水质在线监测系统对监测实时性的需求和传统单光路方法在测量环境发生变化时测量结果不准确的情况,提出了一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统及方法,通过硬件系统双路实时测量、软件算法进行实时处理,能够在外界环境发生变化(如光源衰减、光纤弯折)时通过双光路在系统内部进行矫正,使外界环境变化不影响系统对被测物质吸收光谱的测量,解决测量环境发生变化对系统吸收光谱测量的影响,使水质在线监测系统在任何环境中都能正确的测量水质数据。
本发明的技术方案是提供一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统,其特殊之处在于:包括密封箱体、标液池、样品池及计算机;上述标液池内添加标准液,上述样品池内循环流入待测水样;上述密封箱体内安装有闪烁光源模块、光路切换器及光谱仪;上述闪烁光源模块用于提供入射光,其输出端通过Y型光纤分别与标液池和样品池的入光口连接;上述光路切换器的两路输入端分别通过光纤与标液池和样品池的出光口连接;上述光路切换器的两路输出端通过Y型光纤与光谱仪输入端连接;上述计算机与光路切换器及光谱仪通信,计算机包括存储器及处理器,上述存储器内存储计算机程序,上述计算机程序在处理器中运行时,执行以下步骤:
步骤一、控制光路切换器切换光路,使得待测光路与参比光路分别先后进入光谱仪;其中待测光路为样品池出光口输出的光路,参比光路为标液池出光口输出的光路;
步骤二、控制光谱仪分别采集待测光路与参比光路的n组透射光谱数据,其中n为大于等于1的正整数;
步骤三、计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB;
步骤四、计算吸收光谱。
进一步地,上述步骤三通过公式1计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB:
进一步地,步骤四通过公式2计算吸收光谱:
进一步地,步骤四之后还包括吸收光谱滤波去噪的步骤。
进一步地,上述样品池为十字流通池,其中相对的两个端口处设有准直镜,另外两个端口为测水样的入口及出口。
本发明还提供一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量方法,包括以下步骤:
步骤1、将待测水样抽入样品池,水从样品池左侧流入、右侧流出;
步骤2、在标液池中添加标准液;
步骤3、闪烁光源模块发光,分别入射至样品池和标液池,后进入光路切换器;将样品池出光口输出的光路定义为待测光路,将标液池出光口输出的光路定义为参比光路;
步骤4、控制光路切换器切换光路,使得待测光路与参比光路先后分别进入光谱仪;
步骤5、控制光谱仪分别采集待测光路与参比光路的n组透射光谱数据,其中n为大于等于1的正整数;
步骤6、计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB;
步骤7、计算吸收光谱。
进一步地,上述步骤6通过公式1计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB:
进一步地,步骤7通过公式2计算吸收光谱:
进一步地,步骤7之后还包括对吸收光谱滤波去噪。
本发明的有益效果是:
1、本发明双光路吸收光谱稳定测量系统在监测水样时,可以在相同的监测环境中同时采集待测光路以及参比光路的透射光谱,相对于传统的单光路的吸收光路测量方法,在更换测量环境时,通过双光路在系统内部进行矫正,能够消除环境因素对吸收光谱测量的影响,使各种应用环境都能测量出正确的吸收光谱。
2、采用本发明所提供的双光路吸收光谱稳定测量系统所测得的吸收光谱,能够为多参数水质在线监测系统提供更稳定的输入,使仪器的稳定性更高,测量更准确。
附图说明
图1为本发明双光路吸收光谱稳定测量系统结构框图;
图2为吸收光谱锯齿噪声局部图;
图3为吸收光谱滤波去噪后局部图;
图4为滤波去噪方法框图;
图5为利用本发明方法测量的10组COD溶液的吸收光谱图;
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1,本发明双光路吸收光谱稳定测量系统由闪烁光源模块、Y型光纤、标液池、样品池、水路(进)、水路(出)、光纤、光路切换器、紫外-可见-近红外光谱仪、数据线、计算机等组成,其中闪烁光源模块、光路切换器、及紫外-可见-近红外光谱仪位于密封箱体内。闪烁光源模块的输出端通过Y型光纤分别接标液池与样品池的入光口,标液池与样品池的出光口通过光纤接光路切换器的两路输入端,光路切换器的两路输出端通过Y型光纤接入紫外-可见-近红外光谱仪,紫外-可见-近红外光谱仪通过数据线与计算机通讯。闪烁光源模块的作用是为系统提供入射光,其出射光通过Y型光纤分为A、B两路;其中A路光进入样品池,B路光进入标液池。标液池的作用是存储标准去离子水,两侧有准直镜可通光;样品池的作用是存储待测样,本实施例选用十字流通池作为样品池,其上下两侧为光路,有准直镜可通光,左右两侧为水路,一路为水路入口、另一路为水路出口。光路切换器的作用是切换光路,由电压控制挡光片,使A路单通或B路单通;紫外-可见-近红外光谱仪测量透射光光谱信息;密封箱体对这个系统进行有效防水密封;数据线连接紫外-可见-近红外光谱仪与采集计算机进行数据通信;计算机控制光路切换器切换光路及控制光谱仪分别采集待测光路与参比光路的透射光谱数据,并进行数据处理。
具体测试过程如下:
步骤1、将该测量系统搭载于多参数水质在线监测系统中后,待测水体经水泵抽入样品池,水从十字流通池左侧流入、右侧流出。
步骤2、在标液池中添加标准去离子水,并封紧标液池。
步骤3、由闪烁光源模块发出的入射光经Y型光纤分为A、B两路后,分别入射至样品池和标液池,图中,此时A路为待测光路、B路为参比光路。
步骤4、待测光路和参比光路分别经过光纤的传导入射至光路切换器。
步骤5、系统工作时,由计算机控制光路切换器进行光路切换并控制紫外-可见-近红外光谱仪进行透射光谱测量,当A路通B路不通时测量A路即待测光路;当A路不通B路通时测量B路即参比光路。
本实施例中,控制光谱仪测量10组A路即待测光路的透射光谱{IA1,IA2,…,IA10},再测量10组B路即参比光路的透射光谱{IB1,IB2,…,IB10},由公式3计算出待测光路透射光谱IA和参比光路透射光谱IB。测量组数可以根据需求改变。
第二步进行吸收光谱计算,吸收光谱A的计算如公式4。
通过公式2得到的吸收光谱局部可能存在锯齿噪声,如图2所示,采用均值滤波进行去噪,去噪后结果为图3所示,设经过滤波后的吸收光谱为B,则B的计算方法如图4所示。取滤波模板的中心位置为i,当i≤5时,滤波输出结果为前i个值的均值;当5<i<4091时,滤波输出结果为以i为中心的11个值的均值;当4092≤i≤4096时,滤波输出结果为第i至第4096共4096-i个值的均值。
最终,使用本系统对10组不同浓度的COD溶液进行测量,得到的吸收光谱B如图5所示。由图5可见,10组光谱曲线在紫外区域有明显吸收峰,符合COD溶液的紫外吸收特征。
使用本系统长时间多次测量,得到N条吸收光谱BMN,M表示像素点,每条吸收光谱有4096个像素点。BMmax、BMmin、BMave分别为N条吸收光谱每个像素点的最大值、最小值和平均值,BMave的计算方法如公式(3)。
设σ为该系统的测量误差,σ的计算方法如公式(4)、公式(5)。
该方法与传统单光路系统的测量误差对比如表1所示。
表1测量误差结果表
传统方法 | 本发明方法 | |
初始稳定性 | 5.05% | 3.43% |
更换环境后稳定性 | 240.05% | 4.29% |
表中的数据为先后两天的两次测量,测量的光路(光纤弯折方式)、时间、实验室环境(外界光照、温度、湿度)等均发生了变化,传统方法由于无法双路同时进行测量流路和参比流路的测量,导致稳定性较差、测量误差增大。而本发明提出的双光路吸收光谱稳定测量系统在外界环境发生变化(如光源衰减、光纤弯折)时通过双光路在系统内部进行矫正,使外界环境变化不影响系统对被测物质吸收光谱的测量,能有效的避免环境更换对吸收光谱测量的影响。
Claims (9)
1.一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统,其特征在于:包括密封箱体、标液池、样品池及计算机;所述标液池内添加标准液,所述样品池内循环流入待测水样;
所述密封箱体内安装有闪烁光源模块、光路切换器及光谱仪;
所述闪烁光源模块用于提供入射光,其输出端通过Y型光纤分别与标液池和样品池的入光口连接;
所述光路切换器的两路输入端分别通过光纤与标液池和样品池的出光口连接;所述光路切换器的两路输出端通过Y型光纤与光谱仪输入端连接;
所述计算机与光路切换器及光谱仪通信,计算机包括存储器及处理器,所述存储器内存储计算机程序,所述计算机程序在处理器中运行时,执行以下步骤:
步骤一、控制光路切换器切换光路,使得待测光路与参比光路分别先后进入光谱仪;其中待测光路为样品池出光口输出的光路,参比光路为标液池出光口输出的光路;
步骤二、控制光谱仪分别采集待测光路与参比光路的n组透射光谱数据,其中n为大于等于1的正整数;
步骤三、计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB;
步骤四、计算吸收光谱。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统,其特征在于,步骤四之后还包括吸收光谱滤波去噪的步骤。
5.根据权利要求4所述的用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量系统,其特征在于:所述样品池为十字流通池,其中相对的两个端口处设有准直镜,另外两个端口为测水样的入口及出口。
6.一种用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、将待测水样抽入样品池,水从样品池左侧流入、右侧流出;
步骤2、在标液池中添加标准液;
步骤3、闪烁光源模块发光,分别入射至样品池和标液池,后进入光路切换器;将样品池出光口输出的光路定义为待测光路,将标液池出光口输出的光路定义为参比光路;
步骤4、控制光路切换器切换光路,使得待测光路与参比光路先后分别进入光谱仪;
步骤5、控制光谱仪分别采集待测光路与参比光路的n组透射光谱数据,其中n为大于等于1的正整数;
步骤6、计算待测光路的透射光谱IA和参比光路的透射光谱IB;
步骤7、计算吸收光谱。
9.根据权利要求8所述的用于水质在线监测的双光路吸收光谱稳定测量方法,其特征在于,步骤7之后还包括对吸收光谱滤波去噪。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200821 |
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