CN112285047A - 一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 - Google Patents
一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112285047A CN112285047A CN202011318763.2A CN202011318763A CN112285047A CN 112285047 A CN112285047 A CN 112285047A CN 202011318763 A CN202011318763 A CN 202011318763A CN 112285047 A CN112285047 A CN 112285047A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water quality
- nitrate nitrogen
- abs
- photodiode
- quality monitoring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 73
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 71
- MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] Chemical compound [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 32
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 37
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 31
- 238000000825 ultraviolet detection Methods 0.000 claims description 27
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 12
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 10
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 3
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 4
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 4
- JXBUOZMYKQDZFY-UHFFFAOYSA-N 4-hydroxybenzene-1,3-disulfonic acid Chemical compound OC1=CC=C(S(O)(=O)=O)C=C1S(O)(=O)=O JXBUOZMYKQDZFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 3
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000004255 ion exchange chromatography Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- YPJKMVATUPSWOH-UHFFFAOYSA-N nitrooxidanyl Chemical compound [O][N+]([O-])=O YPJKMVATUPSWOH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 2
- KMUONIBRACKNSN-UHFFFAOYSA-N potassium dichromate Chemical compound [K+].[K+].[O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O KMUONIBRACKNSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000012445 acidic reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005446 dissolved organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000012851 eutrophication Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000008239 natural water Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/33—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using ultraviolet light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
- G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
- G01N21/276—Calibration, base line adjustment, drift correction with alternation of sample and standard in optical path
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
- G01N21/3151—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using two sources of radiation of different wavelengths
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N2021/3129—Determining multicomponents by multiwavelength light
- G01N2021/3133—Determining multicomponents by multiwavelength light with selection of wavelengths before the sample
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
- G01N2021/3181—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using LEDs
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/02—Mechanical
- G01N2201/022—Casings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/062—LED's
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
- G01N2201/127—Calibration; base line adjustment; drift compensation
- G01N2201/12715—Zero adjustment, i.e. to verify calibration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于光谱法水质分析检测领域，公开了一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法，所述探头包括外壳、电路主板、光学检测组件，所述电路主板和光学检测组件设置在外壳内，所述光学检测组件包括峰值波长为235±5nm的第一紫外LED、峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED、紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B，所述第一深紫外LED、第二深紫外LED的光源的中心分别与紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B的中心透过石英片两两相对。本发明的监测装置，在硝态氮监测过程中利用双波长对有机物的干扰进行校准，可以同时实现对化学需氧量和硝态氮两种水质指标的准确有效的在线实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及光谱法水质分析检测技术领域，具体涉及一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法。
背景技术
在各类自然水体和污水中普遍存在溶解性有机物(dissolved organic matter，DOM)，而溶解性有机物是化学需氧量指标(Chemical Oxygen Demand,COD)主要贡献者。氮元素是造成水体富营养化的重要营养元素，其中硝态氮是水环境和污水排放的重要监测指标。
目前，测试化学需氧量的方法主要包括化学法和光谱法。其中化学法主要采用重铬酸钾或高锰酸钾试剂对水中的有机物以及其他还原性物质进行氧化；而光谱法则主要利用溶解性有机物在250～300nm范围内具有特征吸收。化学法虽然在国家或行业标准中广泛采用，但其在线监测设备结构复杂，体积较大，价格高昂，测试周期长，需要化学试剂，存在二次化学污染，运维与废液处理费用高昂；而光谱法的紫外吸光度测试具有简单、快速和无需化学试剂等优点，可以作为化学需氧量的替代性指标，并可通过转换系数实现对化学需氧量的快速预测。
硝态氮的测试方法有酚二磺酸光度法、紫外分光光度法、离子色谱法等，酚二磺酸试剂不稳定，限制了酚二磺酸光度法在线监测设备的广泛应用。离子色谱法主要应用在实验室的离线测试。硝酸根在240nm以下均有较强的紫外吸收。紫外分光光度法的原理是利用硝酸根在220nm有紫外吸收而在275nm处无紫外吸收，自然水体中溶解性有机物在220nm和275nm处的吸光度之间的关系约为Abs220＝2×Abs275，通过计算Abs220-2×Abs275来消除溶解性有机物对硝酸盐测定的干扰。
综上所述，溶解性有机物和硝态氮的水质指标均可通过光谱法实现快速检测。目前，具有同时检测溶解性有机物和硝态氮浓度功能的光谱法设备主要是采用脉冲氙灯光源，如奥地利S::CAN公司的水质监测探头，通过测试200-750nm波段的紫外-可见吸收光度，实现对硝酸盐浓度、溶解性有机物浓度、浊度和色度等多参数指标的分析检测。然而，这些基于脉冲氙灯光源的光谱法水质监测设备或探头，仍存在光学结构复杂、瞬时操作电压高、制造成本高的问题。
发光二极管LED具有体积小、功耗低、成本低、单色性好、操作电压低和可高速频繁开关等优点。特别是近年来，深紫外LED技术已经实现商业化生产，为光谱法水质监测技术提供了新型光源。
发明专利201520868857.5公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，该发明采用265nm或280nm LED作为光源，通过紫外吸收法或荧光光谱法实现对溶解性有机物和特定组分的快速分析检测。然而该方法无法实现对硝酸盐的检测。
专利CN109073455A公开了一种用于多参数水质测量的光学硝酸盐传感器，其原理是采用深紫外LED发出中心波长为229nm的紫外光，经分光片分为两条光路，一路紫外光经过水样照射到测量光电二极管上，另一路紫外光照射到参考光电二极管上。由于水样中溶解性有机物同样在229nm处具有强烈吸收，会导致所测硝态氮浓度严重偏高。此外，该发明所用的光电二极管为硅基光电二极管，需要添加滤光片，以消除可见散射光的干扰。
发明内容
1.要解决的问题
针对水中化学需氧量或硝态氮水质指标的在线监测需求，本发明提供了一种基于235±5nm紫外发光二极管LED和275±5nm紫外发光二极管LED的双波长紫外吸收法水质监测探头及监测装置，在硝态氮监测过程中利用双波长对有机物的干扰进行校准，可以同时实现对化学需氧量和硝态氮两种水质指标的准确有效的在线实时监测。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头，包括外壳、设置在外壳内的电路主板和光学检测组件，所述光学检测组件包括峰值波长为235±5nm的第一深紫外LED、峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED、紫外探测光电二极管A、紫外探测光电二极管B及透光部件，所述第一深紫外LED、第二深紫外LED的光源的中心分别与紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B的中心透过透光部件两两相对。
优选的方案，所述外壳包括依次连接的前端外壳、光学检测保护外壳和主电路保护外壳，所述光学检测组件位于光学检测保护外壳内部，所述光学检测保护外壳的侧面设缺口，所述缺口两侧的侧壁上分别固定有石英片。
优选的方案，所述探头还包括深紫外光源电路板和紫外光强探测电路板，所述的第一深紫外LED和第二深紫外LED设置于深紫外光源电路板，所述的紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B设置于紫外光强探测电路板，所述深紫外光源电路板和紫外光强探测电路板分别通过电线与电路主板连接。
优选的方案，所述第一深紫外LED、第二深紫外LED封装形式包括TO18金属封装、TO39金属封装或陶瓷支架封装。所述的235±5nm第一深紫外LED，其峰值波长在230～240nm范围内，所述的275±5nm第二深紫外LED，其峰值波长在270～280nm范围内。
优选的方案，所述的紫外探测光电二极管A采用AlGaN基或SiC基宽禁带半导体光电二极管，和/或和所述紫外探测光电二极管B采用AlGaN基或SiC基宽禁带半导体光电二极管，主要对370nm以下的紫外光具有响应，而对370nm以上的可见光无响应。
所述的电路主板，包括单片机、电压转换电路、LED驱动电路和数据通信模块，作为优选地方案，所述的LED驱动控制电路采用明微电子SM32105E芯片。
优选的方案，所述紫外光强探测电路板上布有两套运算放大电路，分别对紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B的光生电流信号进行放大。
优选的方案，所述光学检测保护外壳底部设置有孔洞，用于电路主板与紫外光强探测电路板供电连接和信号传输。
优选的方案，所述光学检测保护外壳的侧面呈凹字型，凹字缺口两侧的侧壁上分别设有圆孔，圆孔上固定有石英片。
优选的方案，前端外壳与光学检测保护外壳、光学检测保护外壳与主电路保护外壳之间通过橡胶垫圈和螺纹方式进行连接，主电路保护外壳尾端中心开孔，通过防水尾插将电缆线引出。
优选地方案，所述的235±5nm紫外LED和275±5nm紫外LED采用交替频闪的方式，在235±5nm紫外LED工作周期内，与该LED正对的光电二极管A产生的电流信号经过跨阻运放电路放大，被电路主板上的单片机采集处理；在275±5nm紫外LED工作时，与该LED正对的光电二极管B产生的电流信号经过跨阻运放电路放大，被电路主板上的单片机采集处理。
本发明提供了一种溶解性有机物与硝态氮水质监测探头的使用方法，包括以下步骤：
(1)水质监测探头初次使用前需采用超纯水进行零值校正。通过上位机发送校零信号给水质监测探头，探头中235±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia0，然后275±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib0，并保存在单片机内存中。
(2)将探头放入待测水样中进行测试。通过上位机发送测量信号给水质监测探头，探头中235±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia，然后275±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib，单片机根据朗伯比尔定律，分别计算紫外吸光度Abs235±5＝log(Ia0/Ia)和Abs275±5＝log(Ib0/Ib)，并上传到上位机中进行显示和处理。
(3)水质监测探头的硝态氮浓度标定。通过步骤(2)测定硝态氮标准溶液的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式中C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)的k值，进一步地通过步骤(2)测试已知硝态氮浓度的实际水样的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式中C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)的α值。将k值和α值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs235±5和Abs275±5实时计算硝态氮浓度。
(4)水质监测探头的COD浓度标定。通过步骤(2)测定若干已知COD浓度的实际水样的Abs275±5，根据COD＝γ×Abs275±5计算出γ的数值的均值。将γ值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs275±5实时计算COD浓度。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，采用235±5nm和275±5nm的深紫外LED作为光源，具有较好的单色性，与现有的氙灯光源的光谱法分析仪相比，无需特殊的滤光和分光结构，具有结构简单、轻巧便携的优点；由于散射作用，LED光源所发出的光会产生2λ波长的散射光，即460±5nm和550±5nm，其光强强度约为原有光强的～2％左右，选用仅对370nm紫外光响应的宽禁带半导体光电器件可以消除2λ波长散射光的干扰；与现有专利CN109073455A所采用的硅基光电二极管相比，本发明在光电二极管前方无需设置滤光片。
(2)本发明的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，通过Abs275±5吸光度反映溶解性有机物的COD或TOC指标，通过Abs235±5和Abs275±5来计算硝态氮浓度，与现有的专利CN109073455A仅采用229nm LED相比，可以修正实际水样中有机物吸光度对硝态氮测定所产生的干扰，并同时探测溶解性有机物相关的COD或TOC指标。
(3)本发明的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，通过两个深紫外LED频闪和交替工作方式，减少深紫外LED的发热积累来增加发光稳定性，与现有的专利CN109073455A相比和CN110542667A相比，无需45°角放置的分光片和用于光强监测的参考光电二极管。
(4)本发明旨在提供一种基于235±5nm紫外LED与275±5nm紫外LED双波长紫外吸收法水质监测探头，采用两个宽禁带半导体光电二极管分别对两个波长的LED紫外光强进行探测，根据朗伯比尔定律计算出紫外吸光度Abs235±5和Abs275±5，根据Abs275±5预测溶解性有机物的化学需氧量指标和总有机碳指标，根据Abs235±5和Abs275±5计算出硝态氮浓度，校准有机物的干扰。
附图说明
图1为溶解性有机物与硝态氮水质监测探头的整体结构示意图；
图2为光学检测组件的整体结构图；
图3为光学检测组件的详细结构图；
图4为第一深紫外LED和第二深紫外LED的工作模式图；
图中：1、外壳；2、电路主板；3、光学检测组件；1-1、前端外壳；1-2、光学检测保护外壳；1-3、主电路保护外壳；1-4、电缆固定外壳；3-1、第一深紫外LED；3-2、第二深紫外LED；3-3、紫外探测光电二极管A；3-4、紫外探测光电二极管B；3-5、深紫外光源电路板；3-6、紫外光强探测电路板；3-7、石英玻璃片；3-8、电子元件固定件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1，所示溶解性有机物与硝态氮水质监测探头，包括外壳1、电路主板2、光学检测组件3。
所述外壳1采用四段式结构，包括前端外壳1-1、光学检测保护外壳1-2、主电路保护外壳1-3以及电缆固定外壳1-4，所述光学检测组件3位于光学检测保护外壳1-2的内部，所述的电路主板2位于主电路保护外壳1-3的内部，其中前端外壳1-1、光学检测保护外壳1-2以及主电路保护外壳1-3互相之间通过橡胶垫圈和螺纹方式固定防水连接，主电路保护外壳1-3末端开有M3孔，并通过橡胶垫圈防水固定连接电缆固定外壳1-4。
如图2和图3，所述光学检测组件包括峰值波长为235±5nm的第一深紫外LED3-1、峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED3-2、用于紫外光强探测的光电二极管A3-3和光电二极管B3-4、深紫外光源电路板3-5、紫外光强探测电路板3-6、石英玻璃片3-7、电子元件固定件3-8和光学检测保护外壳1-2。用于紫外光强探测的光电二极管A3-3和光电二极管B3-4均采用AlGaN基宽禁带半导体光电二极管。
所述的第一深紫外LED3-1和第一深紫外LED3-2位于深紫外光源电路板3-5上，所述的用于紫外光强探测的光电二极管A3-3和光电二极管B3-4位于紫外光强探测电路板3-6上，第一深紫外LED3-1和第一深紫外LED3-2的光源中心与光电二极管A3-3和光电二极管B3-4的中心两两相对；所述的深紫外光源电路板3-5位于水质监测探头的光学检测保护外壳1-2的前端，所述的紫外光强探测电路板3-6位于光学检测保护外壳1-2尾端。
所述的石英玻璃片3-7为整体式石英玻璃片，其和电子元件固定件3-8、深紫外光源电路板3-5和紫外光强探测电路板3-6依次通过橡胶垫圈防水固定于光学检测保护外壳1-2内部的两侧；所述光学检测外壳1-2底部设置有孔洞，所述孔洞用于电路主板2与紫外光强探测电路板3-6供电连接和信号传输。
如图3，所述光学检测保护外壳1-2呈“凹”字型，左右两侧设置有两两相对的透光孔，透光孔的直径为15mm，使得深紫外LED发出的紫外光先经过凹型槽内的水样，再经过另一侧的透光孔，到达深紫外光电二极管。
所述深紫外光源电路板3-5上焊有峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED，采用TO39金属封装，同时焊接有峰值波长为235±5nm的第一深紫外LED，采用3535陶瓷贴片封装；深紫外LED所发出的光由于瑞利散射而产生2λ波长的散射光，其光强强度约为原有光强的～2％左右；所述的紫外光强探测电路板3-6焊接有两个氮化镓铝基(AlGaN)宽禁带光电二极管，分别为紫外探测光电二极管A3-3和紫外探测光电二极管B3-4，其封装为TO46金属封装，购自苏州镓敏光电有限公司，其响应波长范围为，对370nm以上可见光无响应，因此无需在光电二极管前方放置滤光片来消除2λ波长散射光。
所述的紫外光强探测电路板3-6上布有两套运算放大电路，分别对两个深紫外光电二极管的光生电流信号进行放大，本实例中采用OPA314AIDBVR芯片，其中探测235±5紫外光的深紫外光电二极管的运算放大电路采用100MΩ的反馈电阻，而275±5nm紫外光的深紫外光电二极管的运算放大电路采用2MΩ的反馈电阻。
所述的电路主板2包括单片机、电源管理电路、485通信模块、LED驱动控制电路和DC-DC升压电路，峰值波长为235±5的第一深紫外LED和峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED的驱动控制电路采用明微电子SM32105E芯片，该芯片的参考电压为170mV，采用8Ω参考电阻，其电流为约为20mA。所述的峰值波长为235±5nm的深紫外LED和峰值波长为275±5nm的深紫外LED采用交替频闪的方式。
如图4所示，在235±5第一深紫外LED工作周期内，电路主板上的单片机对所对应的深紫外光电二极管及其运放电路所产生的信号进行采集；在275±5nm第二深紫外LED工作周期内，电路主板上的单片机对所对应的深紫外光电二极管及其运放电路所产生的信号进行采集。
上述的溶解性有机物与硝态氮水质监测探头的使用方法，包括以下步骤：
(1)水质监测探头初次使用前需采用超纯水进行零值校正。通过上位机发送校零信号给水质监测探头，探头中235±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia0，然后275±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib0，并保存在单片机内存中。
(2)将探头放入待测水样中进行测试。通过上位机发送测量信号给水质监测探头，探头中235±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia，然后275±5nm紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib，单片机根据朗伯比尔定律，分别计算紫外吸光度Abs235±5＝log(Ia0/Ia)和Abs275±5＝log(Ib0/Ib)，并上传到上位机中进行显示和处理。
(3)水质监测探头的硝态氮浓度标定。通过步骤(2)测定硝态氮标准溶液的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式中C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)的k值为39.3，进一步地通过步骤(2)测试已知硝态氮浓度的实际水样的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式中C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)的α值为1.35。将k值和α值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs235±5和Abs275±5实时计算硝态氮浓度。
(4)水质监测探头的COD浓度标定。通过步骤(2)测定若干已知COD浓度的实际水样的Abs275±5，根据COD＝γ×Abs275±5计算出γ的数值的均值。将γ值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs275±5实时计算COD浓度。
表1实际水样硝态氮浓度测试
| 硝态氮浓度(mg/L) | Abs235(cm<sup>-1</sup>) | Abs275(cm<sup>-1</sup>) | k×(Abs<sub>235</sub>-α×Abs<sub>275</sub>) | 相对误差 | |
| 河水水样 | 1.86 | 0.162 | 0.084 | 1.91 | 2.7％ |
| 污水水样1 | 5.82 | 0.229 | 0.056 | 6.03 | 3.5％ |
实施例2
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
如图2所示，所述的峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED 3-2，其封装形式为TO39金属封装，对应的光电二极管B及其电路板上的运放的电路所采用的反馈电阻为1MΩ。由于目前市场上235±5nm深紫外LED尚无金属封装形式，仍采用3535nm贴片式封装。
实施例3
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
用于紫外探测的光电二极管及其电路板上所采用的光电二极管为SiC基光电二极管，与AlGaN基光电二极管相比，其响应波长主要在300nm以下。
实施例4
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述石英玻璃片3-7采用两个石英玻璃片，其尺寸略大于深紫外LED和紫外探测光电二极管，同时和电子元件固定件3-8、深紫外光源电路板3-5、紫外光强探测电路板3-6通过橡胶垫圈防水固定于光学检测保护外壳1-2内部的两侧。
实施例5
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的深紫外光源电路板3-5与紫外光强探测电路板3-6位置互换，所述的深紫外光源电路板3-5位于水质监测探头的外壳1的尾端，所述的紫外光强探测电路板3-6位于外壳1的前端。
Claims (10)
1.一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：包括外壳(1)、设置在外壳(1)内的电路主板(2)和光学检测组件(3)，所述光学检测组件(3)包括峰值波长为235±5nm的第一深紫外LED、峰值波长为275±5nm的第二深紫外LED、紫外探测光电二极管A、紫外探测光电二极管B及透光部件，所述第一深紫外LED、第二深紫外LED的光源的中心分别与紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B的中心透过透光部件两两相对。
2.根据权利要求1所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述透光部件为石英片，所述外壳(1)包括依次连接的前端外壳(1-1)、光学检测保护外壳(1-2)和主电路保护外壳(1-3)，所述光学检测组件(3)位于光学检测保护外壳(1-2)内部，所述光学检测保护外壳(1-2)的侧面设缺口，所述缺口两侧的侧壁上分别固定有石英片。
3.根据权利要求1或2所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述探头还包括深紫外光源电路板(3-5)和紫外光强探测电路板(3-6)，所述的第一深紫外LED和第二深紫外LED设置于深紫外光源电路板(3-5)，所述的紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B设置于紫外光强探测电路板(3-6)，所述深紫外光源电路板(3-5)和紫外光强探测电路板(3-6)分别通过电线与电路主板(2)连接。
4.根据权利要求3所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述第一深紫外LED、第二深紫外LED的封装形式包括TO18金属封装、TO39金属封装或陶瓷支架封装。
5.根据权利要求4所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述的紫外探测光电二极管A采用AlGaN基或SiC基宽禁带半导体光电二极管，和/或和所述紫外探测光电二极管B采用AlGaN基或SiC基宽禁带半导体光电二极管。
6.根据权利要求1或2所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述的电路主板(2)包括单片机、电压转换电路、LED驱动电路和数据通信模块。
7.根据权利要求1或2所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述紫外光强探测电路板(3-6)上布有两套运算放大电路，分别对紫外探测光电二极管A和紫外探测光电二极管B的光生电流信号进行放大。
8.根据权利要求2所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述的前端外壳(1-1)、光学检测保护外壳(1-2)与主电路保护外壳(1-3)两两之间通过橡胶垫圈和螺纹方式进行连接。
9.根据权利要求8所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头，其特征在于：所述光学检测保护外壳(1-2)底部设置有孔洞，所述孔洞用于电路主板(2)与紫外光强探测电路板(3-6)供电连接和信号传输。
10.利用权利要求1-9所述的化学需氧量与硝态氮水质监测探头进行水质检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水质监测探头初次使用前需采用超纯水进行零值校正：通过上位机发送校零信号给水质监测探头，探头中235±5nm的第一深紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia0，然后275±5nm的第二深紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib0，并保存在单片机内存中；
(2)将探头放入待测水样中进行测试：通过上位机发送测量信号给水质监测探头，探头中235±5nm的第一深紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管A所产生的光强信号Ia，然后275±5nm的第二深紫外LED工作，单片机采集和记录光电二极管B所产生的光强信号Ib，单片机根据朗伯比尔定律，分别计算紫外吸光度Abs235±5＝log(Ia0/Ia)和Abs275±5＝log(Ib0/Ib)，并上传到上位机中进行显示和处理；
(3)水质监测探头的硝态氮浓度标定：通过步骤(2)测定硝态氮标准溶液的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)中的k值，进一步地通过步骤(2)测试已知硝态氮浓度的实际水样的Abs235±5和Abs275±5，可以确定硝态氮浓度计算公式C(NO3_N)＝k×(Abs235±5-α×Abs275±5)中的α值，将k值和α值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs235±5和Abs275±5实时计算硝态氮浓度；
(4)水质监测探头的COD浓度标定：通过步骤(2)测定若干已知COD浓度的实际水样的Abs275±5，根据COD＝γ×Abs275±5计算出γ的数值的均值，将γ值输入到上位机中，即可根据探头所传送的Abs275±5实时计算COD浓度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011318763.2A CN112285047A (zh) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011318763.2A CN112285047A (zh) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112285047A true CN112285047A (zh) | 2021-01-29 |
Family
ID=74425193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011318763.2A Pending CN112285047A (zh) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112285047A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117074345A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-17 | 山东风途物联网科技有限公司 | 一种用于水质检测的光学设备的检测校准方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101832918A (zh) * | 2010-04-14 | 2010-09-15 | 南京大学 | 用于水质在线监测的紫外光电微型传感器装置及监测方法 |
| CN105259128A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-01-20 | 浙江微兰环境科技有限公司 | 一种cod和氨氮多参数在线监测装置及其监测系统 |
| CN109073455A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-12-21 | Ysi公司 | 用于多参数水质测量的光学硝酸盐传感器 |
| CN109085149A (zh) * | 2018-10-24 | 2018-12-25 | 南京大学 | 一种基于led光源的光谱法水质监测模块及其使用方法 |
| CN109374559A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-02-22 | 燕山大学 | 一种基于紫外吸收光谱的水体cod值测定方法 |
| CN109655110A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-04-19 | 南京大学 | 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 |
| CN110530801A (zh) * | 2018-05-25 | 2019-12-03 | 杨明恭 | 全光谱水质分析系统 |
| CN110687047A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-14 | 上海观流智能科技有限公司 | 一种用于cod测量的多光源装置及检测方法 |
-
2020
- 2020-11-23 CN CN202011318763.2A patent/CN112285047A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101832918A (zh) * | 2010-04-14 | 2010-09-15 | 南京大学 | 用于水质在线监测的紫外光电微型传感器装置及监测方法 |
| CN105259128A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-01-20 | 浙江微兰环境科技有限公司 | 一种cod和氨氮多参数在线监测装置及其监测系统 |
| CN109073455A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-12-21 | Ysi公司 | 用于多参数水质测量的光学硝酸盐传感器 |
| CN110530801A (zh) * | 2018-05-25 | 2019-12-03 | 杨明恭 | 全光谱水质分析系统 |
| CN109085149A (zh) * | 2018-10-24 | 2018-12-25 | 南京大学 | 一种基于led光源的光谱法水质监测模块及其使用方法 |
| CN109374559A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-02-22 | 燕山大学 | 一种基于紫外吸收光谱的水体cod值测定方法 |
| CN109655110A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-04-19 | 南京大学 | 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 |
| CN110687047A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-14 | 上海观流智能科技有限公司 | 一种用于cod测量的多光源装置及检测方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117074345A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-17 | 山东风途物联网科技有限公司 | 一种用于水质检测的光学设备的检测校准方法 |
| CN117074345B (zh) * | 2023-10-16 | 2024-01-16 | 山东风途物联网科技有限公司 | 一种用于水质检测的光学设备的检测校准方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11092584B2 (en) | Composite LED module and water quality monitoring device using the same | |
| CN104198391B (zh) | 一种以led发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法 | |
| CN102798602B (zh) | 一体化双光束水质cod在线检测传感器 | |
| CN102262061A (zh) | 一种在线检测二氧化氯气体浓度的方法和装置 | |
| WO2020082628A1 (zh) | 一种基于led光源的光谱法水质监测模块及其使用方法 | |
| CN201740730U (zh) | 紫外吸收法水质监测仪中的检测装置 | |
| CN106053421B (zh) | 水中有机质含量在线检测及滤芯/膜击穿预警的方法和装置 | |
| CN109115697A (zh) | 一种集合光学探头的水质多参数在线监测装置 | |
| CN113834789B (zh) | 一种多通道重金属检测装置及检测方法 | |
| CN112285047A (zh) | 一种化学需氧量与硝态氮水质监测探头及方法 | |
| CN215066128U (zh) | 一种饮用水水质检测装置 | |
| CN102288566A (zh) | 一种便携式多功能分析仪及其测试方法 | |
| CN112147101A (zh) | 一种便携式溶解性有机物与硝态氮水质分析仪及方法 | |
| CN209400419U (zh) | 一种基于led光源的双荧光信号与浊度水质监测探头 | |
| CN111537448A (zh) | 一种可调节量程双光源水质cod检测传感器 | |
| CN201335808Y (zh) | 双波长光学检测装置 | |
| CN207662797U (zh) | 双波长量子点荧光探针的荧光采集装置及浓度检测系统 | |
| CN210720145U (zh) | 一种便携式快速水质检测仪 | |
| CN214844785U (zh) | 一种溶解性有机物与硝态氮水质分析仪 | |
| CN212780522U (zh) | 一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪 | |
| CN115436301A (zh) | 一种基于bp神经网络混合离子浓度传感系统 | |
| CN213580647U (zh) | 一种可调节量程双光源水质cod检测传感器 | |
| CN209589846U (zh) | 荧光检测器稳定性测定装置 | |
| US20110134425A1 (en) | 48-channel arrayed isosbestic wavelength detection system | |
| CN109540842B (zh) | 基于led光源的双荧光信号与水质监测探头及使用方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210129 |