CN112730293A - 一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪及方法，解决现有水体中氨氮含量监测方式，存在或测量误差，或操作较复杂、准确度差；或难以维持灵敏度和准确度的问题。该监测仪包括水质预处理模块、光谱检测模块、信息采集与处理模块、信息传输模块、用户模块和电源模块；水质预处理模块用于滤除水样中的颗粒性杂质；光谱检测模块包括光源模块、光谱仪和用于存储过滤后水样的水样存储箱；光源模块包括短波紫外探照灯、光纤和扩束镜组，短波紫外探照灯发射的光经光纤、扩束镜组入射至水样存储箱的透光窗口；光谱仪对透光窗口透过的光进行分光探测；信息采集与处理模块收集光谱仪获取的水样光谱信息，并通过信息传输模块传输至用户模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种氨氮水质监测仪，具体涉及一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪及监测方法。
背景技术
绿色生态已经成为发展过程中不容忽视的一环，水作为生命之源，对城市用水排放前的检测与处理就显得尤其重要。氨氮是水体富营养化的元凶，水体中氨氮含量过高会造成浮游植物、藻类的爆发式增长，水华的肆虐会减少水中的含氧量，使得水中其他生物无氧可用，严重影响生态链的稳定。
水中无机氮污染物包括氨氮、硝态氮和亚硝态氮，其中硝态氮含量较高时可导致水体富营养化，亚硝态氮是强致癌物质，对人体危害极大。水体中不同形态的氮在一定环境条件下可相互发生转化，构成氮循环的重要组成部分。在有氧环境中，好氧微生物可将氨转化为亚硝酸盐，再进一步转化为硝酸盐，在无氧环境中，硝酸盐亦可在厌氧微生物的作用下被还原为亚硝酸盐，继而再被还原为氨。水体的氨氮含量是指以游离态氨(NH3)和铵离子(NH4+)形式存在的含氮总量，是反映水体污染的一个重要指标；含有大量氨氮的废水排入江河湖泊后，不仅造成自然水体的富养化污染，而且富营养化会带来蓝藻、赤潮等，使得水体缺氧，滋生有害水生物，进而导致鱼类死亡，对环境造成无法挽回的损失；其中特别是游离态的氨氮，其是一种脂溶性有毒气体，很小浓度时就对水生生物有明显的毒害作用，导致鱼类体内因携带氧能力下降而死亡。
随着对环境预警监测能力建设投入的加大和地表水水质自动监测技术的日趋成熟，水质在线监测仪器已得到了广泛应用。
目前，对于监测水体中氨氮含量主要有以下几种方式：
1、电极法。该方法在测定过程中需将NaOH溶液按照一定比例混合，混合液再与气敏电极接触，通过电极检测水样中氨氮的浓度。然而该方法存在水样与电极接触不均、需调节水样的PH值到达11等问题，较容易因环境和操作等问题造成测量误差。
2、光度法。该方法具有灵敏、稳定等优点，但易受水体杂质、颜色、浊度和悬浮物质的干扰，试剂较难配制且稳定性要求严格，操作比较复杂，测试数据准确度较差。
3、蒸馏分离滴定法。主要适用于生活污水和工业废水中氨氮的测定，具有测量范围宽、试剂及废液无毒性等特点。但是该方法由于混合指示剂稳定时间短等问题，难以维持测量的灵敏度和准确度。
发明内容
为了解决现有水体中氨氮含量的监测方式，或存在因环境和操作问题造成测量误差；或操作较复杂，测试数据准确度较差；或难以维持测量灵敏度和准确度的技术问题，本发明提供了一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特殊之处在于，包括水质预处理模块、光谱检测模块、信息采集与处理模块、信息传输模块、用户模块和电源模块；
所述水质预处理模块用于滤除水样中的颗粒性杂质，并将过滤后的水样传输至光谱检测模块；
所述光谱检测模块包括光源模块、光谱仪和用于存储过滤后水样的水样存储箱，水样存储箱侧壁设置有相对的透光窗口；
所述光源模块包括短波紫外探照灯、光纤和扩束镜组，短波紫外探照灯发射的短波紫外光经光纤传输至扩束镜组，扩束镜组对光束进行扩束和准直后入射至水样存储箱的其中一个透光窗口；
所述光谱仪用于对另一个透光窗口透过的光进行分光探测，并获取水样的光谱信息；
所述信息采集与处理模块用于收集光谱仪获取的水样光谱信息，并将光谱信息转换为模拟信号；
所述信息传输模块用于将所述模拟信号传输至用户模块；
所述电源模块与水质预处理模块、光谱检测模块、信息采集与处理模块、信息传输模块连接。
进一步地，所述光谱仪包括沿光路依次设置的前置镜组、分光光栅和光谱探测器；
所述前置镜组对经水样出射的光进行准直和消除杂散光，并入射至分光光栅，分光光栅对光束进行分光，并将不同的光波长聚焦于光谱探测器的不同像面上，光谱探测器用于获取水样的光谱信息。
进一步地，所述光谱仪包括沿光路依次设置的前置镜组、视场光阑、准直镜组、凹面光栅和光谱探测器；
所述前置镜组对经水样出射的光进行聚焦；
所述视场光阑位于前置镜组出射光路的交点处，用于消除杂散光；
所述准直镜组用于将入射光束反射为平行光并入射至凹面光栅；
所述凹面光栅用于将不同的光波长聚焦于光谱探测器的不同像面上；
所述光谱探测器用于获取水样的光谱信息。
进一步地，所述光谱探测器为CCD探测器。
进一步地，所述光源模块和光谱仪与水样存储箱平齐。
进一步地，所述水质预处理模块包括带有过滤棉和石墨网的过滤器。
进一步地，所述信息传输模块为信号发射器，信号发射器向用户模块发送无线信号，实现远程交互。
同时，本发明还提供了一种基于光谱分析法的氨氮水质监测方法，其特殊之处在于，采用上述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，所述监测方法包括以下步骤：
1)水质预处理模块对水样进行过滤，经过滤后的水样进入水样存储箱；
2)短波紫外探照灯发射的短波紫外光经光纤传输、扩束镜组扩束和准直后入射至水样存储箱的其中一个透光窗口；
3)光谱仪对水样存储箱另一个透光窗口透过的光进行分光探测，获取水样的光谱信息；
4)信息采集与处理模块收集所述光谱信息，将光谱信息转换成模拟信号，并通过信息传输模块传输至用户模块，实现远程交互。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明监测仪及监测方法通过水质预处理模块对水样中颗粒性杂质进行滤除，可提高水样监测的准确性；采用短波紫外探照灯与光纤结合作为输入光源，对水样进行透光照射，透过水样后的光带有氨氮光谱特征并被光谱仪分光探测，得到水样的光谱信息，并进行转换后传输至用户模块，实现交互；本发明采用光谱探测方式，提高灵敏度与准确度，降低检测复杂度，避免因为配试剂造成的程序冗长和试剂的二次污染问题。
2、由于氨氮组分的相应光谱位置在200nm～250nm波段内，因此，本发明采用短波紫外探照灯对水样进行透光照射，使得照射水样后的光波带有氨氮光谱特征；利用氨氮的相应光谱波段为短波紫外波段，选用短波紫外探照灯作为光源进行探测，有效避免了其余波长光的干扰，并增大了光通量，信噪比也提高，提高了检测准确度。
3、本发明光谱仪采用凹面光栅作为精细探测，可实现小型化与光谱探测。
4、本发明光谱探测器采用CCD探测器，可实现精密探测，同时提高探测灵敏度。
5、本发明采用水质预处理、光谱探测、信息处理、信息传输与用户模块相结合的结构，实现了测量-用户一体化。
6、本发明监测仪及监测方法适用于对水质氨氮要求高的环境，如工厂、医院等，有效监测城市用水的氨氮含量，具有高精度、高灵敏度、用户实时监控的特点。
附图说明
图1是本发明基于光谱分析法的氨氮水质监测仪的工作原理框图；
图2是本发明基于光谱分析法的氨氮水质监测仪实施例一的结构示意图；
图3是本发明基于光谱分析法的氨氮水质监测仪实施例一中各部分在空间上的布置结构示意图；
图4是本发明基于光谱分析法的氨氮水质监测仪实施例二的结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-水质预处理模块，101-水泵，102-过滤装置，2-光谱检测模块，200-光源模块，201-短波紫外探照灯，202-光纤，203-扩束镜组，204-水样存储箱，205-光谱仪，2051-前置镜组，2052-分光光栅，2053-光谱探测器，2054-视场光阑，2055-准直镜组，2056-凹面光栅，3-信息采集与处理模块，4-信息传输模块，5-用户模块，6-电源模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
实施例一
如图1至图3所示，一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，主要由水质预处理模块1、光谱检测模块2、信息采集与处理模块3、信息传输模块4、用户模块5和电源模块6组成；光谱检测模块2包括光源模块200、光谱仪205和水样存储箱204。
水质预处理模块1包括水泵101和过滤装置102，水泵101将水样抽取进过滤装置102，过滤装置102使用物理过滤方法，本实施例采用过滤棉加石墨的方式，即过滤装置102为带有过滤棉和石墨网的过滤器，将水中大多数颗粒性杂质滤除，并将过滤后的水样传输至水样存储箱204。该过滤装置102可拆换，也可以采用现有的水质过滤装置。
光源模块200包括短波紫外探照灯201、光纤202和扩束镜组203，短波紫外探照灯201用于发射短波紫外，使得光波范围处于氨氮的特征光谱波段；光纤202用于光的传输；扩束镜组203用于将通过光纤202传播的光扩束并准直出射至水样存储箱204；水样存储箱204用于存储过滤后的水样，且与光源模块200和小型光谱仪205模块相接的两侧壁为透光窗口，本实施透光窗口为透明玻璃，用于透过光线；水样存储箱204的进水口位于水样存储箱204下端，出水口位于水样存储箱204出口上端，这里的进出水便可以通过水位的自我调剂实现。
本实施例光源选用短波紫外探照灯201，通过光纤202与扩束镜镜组相连，平行光束穿过水样存储箱204时，由于氨氮组分的相应光谱位置在200nm～250nm波段内，因此，采用短波紫外探照灯201对水样进行透光照射，带有氨氮光谱特征的光波进入光谱仪205。
光谱仪205用于对通过水样的光进行分光探测，并采集光谱信息；本实施例光谱仪205为小型光谱模块，其包括经水样存储箱204透光窗口出射光传输方向依次设置的前置镜组2051、分光光栅2052和光谱探测器2053；前置镜组2051对经水样出射的光进行准直和消除杂散光，并入射至分光光栅2052，分光光栅2052对光束进行分光，并将不同的光波长聚焦于光谱探测器2053的不同像面上，光谱探测器2053用于获取水样的光谱信息。本实施例光谱仪是折射光学系统，在光瞳匹配的角度方面具有优势。
信息采集与处理模块3与光谱仪205相连，用于接收由探测器采集的数据，并对该光谱信息进行分析与平滑预处理。信息传输模块4通过信号发射器发射无线信号(WiFi信号)，将该实时数据传输至用户模块5，实现用户交互。
电源模块6向水质预处理模块1、光谱检测模块2、信息采集与处理模块3、信息传输模块4供电。
本实施例光源模块200和光谱仪205与水样存储箱204设置为平齐，为了保证光源发出的光通过水样存储箱204到达光谱仪205时，最大程度的避免光通量的拦截。
本实施例氨氮水质监测仪工作过程：
1)水泵101将水样抽取进过滤装置102，过滤装置102将水样中大多数颗粒性杂质滤除，经过过滤的水样通过管道进入水样存储箱204，水样存储箱204对水样进行储存；
2)通过短波紫外探照灯201对水样存储箱204内的水样进行透光照射，照射后带有氨氮光谱特征的光波进入了小型光谱仪205；
3)前置镜组2051将通过水样存储箱204出射的光信息进行准直和杂散光的消除，然后利用分光光栅2052的分光能力，根据光波长的不同聚焦在探测器面上。本实施例光谱探测器2053选用CCD探测器，相较于传统选择的CMOS探测器，精度与灵敏度更好；
4)信息采集与处理模块3收集探测器采集的光电子信息，并通过光电转换器将光电子信息转换成数字信息，再通过数模转换将数字信号转换为模拟信号；
5)信息传输模块4将采集并处理过的模拟信号通过无线(WiFi)，发射至用户模块5，实现远程交互。在整个运行过程中，电源模块6持续为系统供电。
实施例二
与实施例一不同之处在于：如图4所示，光谱仪205包括沿光路依次设置的前置镜组2051、视场光阑2054、准直镜组2055、凹面光栅2056和光谱探测器2053；前置镜组2051将通过水样存储箱204出射的光信息聚焦，并在交点处设置视场光阑2054，用以消除杂散光。光束打到准直镜上，反射光为平面光波，即平行光，利用凹面光栅2056的分光与聚焦的能力，根据光波长的不同聚焦在探测器面上，光谱探测器2053用于获取水样的光谱信息。采用凹面光栅2056作为精细探测模块，实现小型化与光谱探测。本实施例光谱仪205是折返光路，从能量利用率的角度考虑，能量利用率更高，光能传递过程中因在折射面上发生反射而造成的光能损失较少。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (8)
1.一种基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于，包括水质预处理模块(1)、光谱检测模块(2)、信息采集与处理模块(3)、信息传输模块(4)、用户模块(5)和电源模块(6)；
所述水质预处理模块(1)用于滤除水样中的颗粒性杂质，并将过滤后的水样传输至光谱检测模块(2)；
所述光谱检测模块(2)包括光源模块(200)、光谱仪(205)和用于存储过滤后水样的水样存储箱(204)，水样存储箱(204)侧壁设置有相对的透光窗口；
所述光源模块(200)包括短波紫外探照灯(201)、光纤(202)和扩束镜组(203)，短波紫外探照灯(201)发射的短波紫外光经光纤(202)传输至扩束镜组(203)，扩束镜组(203)对光束进行扩束和准直后入射至水样存储箱(204)的其中一个透光窗口；
所述光谱仪(205)用于对另一个透光窗口透过的光进行分光探测，并获取水样的光谱信息；
所述信息采集与处理模块(3)用于收集光谱仪(205)获取的水样光谱信息，并将光谱信息转换为模拟信号；
所述信息传输模块(4)用于将所述模拟信号传输至用户模块(5)；
所述电源模块(6)与水质预处理模块(1)、光谱检测模块(2)、信息采集与处理模块(3)、信息传输模块(4)连接。
2.根据权利要求1所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述光谱仪(205)包括沿光路依次设置的前置镜组(2051)、分光光栅(2052)和光谱探测器(2053)；
所述前置镜组(2051)对经水样出射的光进行准直和消除杂散光，并入射至分光光栅(2052)，分光光栅(2052)对光束进行分光，并将不同的光波长聚焦于光谱探测器(2053)的不同像面上，光谱探测器(2053)用于获取水样的光谱信息。
3.根据权利要求1所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述光谱仪(205)包括沿光路依次设置的前置镜组(2051)、视场光阑(2054)、准直镜组(2055)、凹面光栅(2056)和光谱探测器(2053)；
所述前置镜组(2051)对经水样出射的光进行聚焦；
所述视场光阑(2054)位于前置镜组(2051)出射光路的交点处，用于消除杂散光；
所述准直镜组(2055)用于将入射光束反射为平行光并入射至凹面光栅(2056)；
所述凹面光栅(2056)用于将不同的光波长聚焦于光谱探测器(2053)的不同像面上；
所述光谱探测器(2053)用于获取水样的光谱信息。
4.根据权利要求2或3所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述光谱探测器(2053)为CCD探测器。
5.根据权利要求1或2或3所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述光源模块(200)和光谱仪(205)与水样存储箱(204)平齐。
6.根据权利要求1所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述水质预处理模块(1)包括带有过滤棉和石墨网的过滤器。
7.根据权利要求1所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，其特征在于：所述信息传输模块(4)为信号发射器，信号发射器向用户模块(5)发送无线信号，实现远程交互。
8.一种基于光谱分析法的氨氮水质监测方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一所述基于光谱分析法的氨氮水质监测仪，所述监测方法包括以下步骤：
1)水质预处理模块(1)对水样进行过滤，经过滤后的水样进入水样存储箱(204)；
2)短波紫外探照灯(201)发射的短波紫外光经光纤(202)传输、扩束镜组(203)扩束和准直后入射至水样存储箱(204)的其中一个透光窗口；
3)光谱仪(205)对水样存储箱(204)另一个透光窗口透过的光进行分光探测，获取水样的光谱信息；
4)信息采集与处理模块(3)收集所述光谱信息，将光谱信息转换成模拟信号，并通过信息传输模块(4)传输至用户模块(5)，实现远程交互。
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