CN113109275A

CN113109275A - 一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统

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Publication number: CN113109275A
Application number: CN202110537961.6A
Authority: CN
Inventors: 董培青; 傅珍丽; 高永智; 潘鼎臣
Original assignee: Beijing Xuyu Feihong Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Xuyu Feihong Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-07-13

Abstract

本发明公开了一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统，该方法包括以下步骤：将样本投入到比色池中产生消解反应；根据欲检测的样本中的污染因子，调整入射光源的波长；采用相同的光电探测器，同时检测光源射出端的光强度和比色池的透射光的光强度，并转换为参比端电压信号和检测端电压信号；利用参比端电压信号对检测端电压信号进行修正，获得修正电压信号；分析所述修正电压信号获得所述样本中污染因子数值。本发明，利用光源射出端的光强度对透射光的光强度进行校正，由于采用的是相同的光电探测器，因此，能够排除噪声信号的影响，提高了检测精度，降低了温漂，数据误差、准确性和重复性均得到很大的提升。

Description

一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统

技术领域

本发明涉及污染源和地表水等水体污染因子检测技术领域，具体涉及一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统，特别是一种水体污染因子检测系统。

背景技术

目前，我国对污染源和地表水的考核因子(检测指标)，主要包括化学需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODmn)这几项，国标方法都是以实验室分析的化学法为主，操作繁杂且耗时长，无法实时监测，无法满足现代环境监测的发展要求。

为此，中国发明专利CN 102680462 B公开了一种在线监测水体内多种重金属含量的方法及监测装置，采用能提供多个波长或连续波长的光源的测量光源；控制系统取样、反应和显色，采用测量光源中特定波长光由光学检测装置对比色液进行吸光度测量，所述光学检测装置为光学传感器或光谱仪；控制系统测得待测水样中特定波长的光对应的重金属污染物的含量后，此波长的光对应的重金属含量测定结束；循环显色测量直至所有重金属污染物的含量测定结束。该方案采用具有分光功能的光谱仪，通过对比色池透射光的检测，测定多种不同水中重金属物质的含量。虽然，提高了监测效率，但是，由于光谱仪中光电探测器的接收信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，检测结果受噪声和温漂的影响较大，检测精度较低，重复性较差。

有鉴于此，需要对现有的水体污染因子检测方法和系统进行改进，以降低温漂、提高水体污染因子检测精度。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统，以解决现有技术检测精度较低，重复性较差的问题。

为此，本发明提供了一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法，包括以下步骤：

将样本投入到比色池中，与比色池中的试剂产生消解反应；

根据欲检测的样本中的污染因子，调整光源的波长；

采用相同的光电探测器，同时检测光源射出端的光强度和射出比色池后的透射光的光强度，并将光源射出端的光强度转换为参比端电压信号ADref，将透射光的光强度转换为检测端电压信号ADmea；

利用以下公式ADxz＝ADmea/ADref对检测端电压信号ADmea进行修正，获得修正电压信号ADxz；

利用污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系分析所述修正电压信号ADxz，获得所述样本中的污染因子数值。

在上述方法中，优选地，通过改变所述光源的波长以及更换试剂，检测水体中的不同的污染因子。

在上述方法中，优选地，所述污染因子包括以下任意一种或多种：

化学需氧量、氨氮、总磷、总氮和高锰酸盐指数。

本发明还提供了一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的系统，包括用于使样本产生消解反应的比色池，以及用于向所述比色池提供入射光的LED光源，和用于检测经所述比色池透射出的透射光的透射端光电探测器，所述透射端光电探测器将透射光的光强度转换为检测端电压信号ADmea，还包括：

射出端光电探测器，与所述透射端光电探测器相同，设置在所述LED光源的射出端，用于检测所述LED光源的射出光的光强度，并转换为参比端电压信号ADref；

校正单元，用于利用公式ADxz＝ADmea/ADref对检测端电压信号ADmea进行修正，获得修正电压信号ADxz；

分析单元，用于利用污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系分析所述修正电压信号ADxz，获得所述样本中污染因子数值。

在上述系统中，优选地，所述LED光源采用恒流源型光电发射电路驱动，所述恒流源型光电发射电路包括：

恒流驱动器，其CS引脚通过外接电阻连接GND引脚，通过调整所述外接电阻改变所述LED光源的波长。

在上述系统中，优选地，所述射出端光电探测器和透射端光电探测器均包括前置放大电路、主放大电路和滤波电路，所述LED光源的射出光依次经过射出端光电探测器的前置放大电路、主放大电路和滤波电路转换为参比端电压信号ADref，透射光依次经过透射端光电探测器的前置放大电路、主放大电路和滤波电路转换为检测端电压信号ADmea。

由上述技术方案可知，本发明提供的降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统，解决了现有技术检测精度较低，重复性较差的问题。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用与检测端相同的光电探测器，采集光源射出端的光强度，并对透射光的光强度进行校正，能够排除噪声信号的影响，提高检测精度，降低温漂，数据误差、准确性和重复性均得到很大的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法的流程图；

图2为本发明提供的一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度系统的示意图；

图3为本发明中恒流源型光电发射电路的电路示意图；

图4为本发明中透射端光电探测器的示意图；

图5为本发明中主放大电路的电路图；

图6为本发明中滤波电路的电路图；

图7为本发明的检测结果数据。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实现原理是：

利用公式ADxz＝ADmea/ADref对检测端电压信号ADmea进行修正，获得修正电压信号ADxz；

利用污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系分析所述修正电压信号ADxz，获得所述样本中污染因子数值。

本发明提供的方案，利用光源射出端的光强度对透射光的光强度进行校正，由于采用的是相同的光电探测器，因此，能够排除光电探测器中噪声信号的影响，提高了检测精度，降低了温漂，数据误差、准确性和重复性均得到很大的提升。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。

需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。

具体实施例一。

请参见图1，图1为本发明具体实施例一提供的一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法的流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤110，将样本投入到比色池中，与比色池中的试剂产生消解反应。

步骤120，根据欲检测的样本中的污染因子，调整LED光源的波长。

步骤130，采用相同的光电探测器，同时检测光源射出端的光强度和射出比色池后的透射光的光强度，并将光源射出端的光强度转换为参比端电压信号ADref，将透射光的光强度转换为检测端电压信号ADmea；

步骤140，利用公式ADxz＝ADmea/ADref对检测端电压信号ADmea进行修正，获得修正电压信号ADxz；

步骤150，利用污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系分析所述修正电压信号ADxz，获得样本中污染因子数值。

系统中会内置污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系，这种线性关系的获得与现有技术一样，都是通过预先多次标定获得的，当然，也可以采用现有技术中的标准曲线，这时则需要与标准曲线的测试工艺完全一样，例如：采用同样的试剂和测试温度等测试条件。

本发明方案得出比色池的光检吸收度的修正透光值，来还原原始的特定物质的理论浓度，并排除温度、电路噪声造成的影响。

以上步骤，描述了检测样本中一种特定的污染因子的方法，例如化学需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODmn)的任意一种，需要检测哪一种，则需要根据该污染因子，改变LED光源的射出光的波长，以及相应的试剂和测试条件，并对结果与预设的相应曲线进行比较。

由此，通过多次检测与分析，获得样本中各种污染因子数值。

具体实施例二。

请参见图2，图2为本发明具体实施例二提供的一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的系统的示意图，即一种水体污染因子检测系统，可以降低温漂、提高水体污染因子检测精度。

如图2所示，该系统包括LED光源10、射出端光电探测器20、消解反应比色池30、透射端光电探测器40、校正单元50和分析单元60。

LED光源10，用于产生一束平行的单色光，并沿纵向垂直通过消解反应比色池30。LED光源10可以采用单色LED光源，或者将LED光源10发出的射出光过滤为单色光。

射出端光电探测器20与透射端光电探测器30采用相同的结构(参数)。

射出端光电探测器20设置在LED光源的射出端，用于检测LED光源10的射出光的光强度，并转换为参比端电压信号ADref，输出至校正单元50，可以通过分光镜将LED光源发射出的光线等分为两部分，一部分射入消解反应比色池30，另一部分和风物语射出端光电探测器20进行光强度检测。

消解反应比色池30用于投入污染因子，并与其中的检测试剂产生消解反应，消解反应比色池30采用现有技术，能够调节温度，以对应不同的检测因子。

透射端光电探测器40用于检测由消解反应比色池30射出的透射光，并将透射光的光强度转换为检测端电压信号ADmea，输出至校正单元50。

校正单元50利用以下公式ADxz＝ADmea/ADref对检测端电压信号ADmea进行修正，获得修正电压信号ADxz。

分析单元60用于利用污染因子数值与透射光的光强度电压信号的线性关系分析所述修正电压信号ADxz，获得样本中污染因子数值。

具体实施例2中，LED光源10采用恒流源型光电发射电路驱动，该电路采用QX7136(U3)搭建低静态电流、低压差的LED恒流驱动器，QX7136内部自带软启动、过热保护、低压保护。

具体电路如图3所示，其中恒流驱动芯片QX7136的VDD引脚接LED光源的阳极，LED引脚连接LED光源的阴极；CS引脚连接外接电阻R14，通过调整外接电阻R14调整驱动LED光源的输出电流，近而改变LED光源的波长，DRV引脚悬空设置。VDD引脚和GND引脚通过电容C4连接，起到保护的作用。

具体实施例2中，通过调整低温漂的外接电阻R14，使输出电流在10mA到400mA范围内进行调节，由于需要电流IF＝10-20mA，因此外接电阻R14选择为2.7Ω-5.3Ω。

外接电阻R14采用多档位电阻器，每一个挡位对应一个输出波长。

污染因子与LED光源的波长对应关系如下：

光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。

射出端光电探测器20与透射端光电探测器30结构相同，下面以透射端光电探测器30为例子说明其具体电路。

如图4所示，透射端光电探测器40包括前置放大电路41、主放大电路42和滤波电路43。

前置放大电路41采用的是光电二极管前置放大电路，用于将探测到的光强度信号转换为电压信号，其属于现有技术，在此不再赘述。

主放大电路42的电路可以采用如图5所示的一种示例，用于将前置放大电路41输出的电压信号放大。

滤波电路43的电路可以采用如图6所示的一种示例，采用一阶低通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。

一阶低通滤波电路含有集成运算放大器等有源器件，由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。

应用本发明的一个具体实施如下，多次的检测结果如图表明，透光率的检测结果非常稳定，数据误差、准确性和重复性均得到很大的提升，能够排除噪声干扰的影响，提高检测精度，降低了温漂。

关于本发明排除噪声信号影响的原理解释如下：

ADxz＝ADmea/ADref；

其中，ADref为光检参比端的电压，ADmea光检测量端的电压，ADxz经过修正计算得到的修正透光值。

由于光检参比端和光检测量端使用的是相同的光检电路，且处于相同的温度湿度环境下，两者因温度，电路噪声等原因造成的光源检测噪声信号应具有等比关系，即：

△ADref＝ADref×Nref；

△ADmea＝ADmea×Nmea；

Nref＝Nmea，Nref是参考端信号变化率，如5％或10％；Nmea是测量端信号变化率。

1、现有技术算法误差分析：

ADmea1＝(ADmea0+△ADmea0)＝(ADmea0+ADmea0×Nmea)＝ADmea0×(1+Nmea)；

所以，ADmea1/ADmea0＝(1+Nmea)。

通过计算结果可以看出，噪声信号△ADmea对测量结果的实际值误差、准确性和重复性均有很大影响，且因为这个噪声信号必然存在，难以避免，所以在实际检测中，即使千方百计的进行噪声屏蔽、电路改进、恒温控制，只能是将可能的减小Nmea的影响，而无法根除。

2、采用本发明修正算法的误差分析：

ADxz＝ADmea/ADref＝(ADmea+△ADmea)/(ADref+△ADref)

＝(ADmea+ADmea×Nmea)/(ADref+ADref×Nref)

＝ADmea×(Nmea+1)/ADref×(Nref+1)；

因为Nmea＝Nref，所以ADxz＝ADmea/ADref。

通过计算结果可以看出，经过修正计算的结果，就从根本上排除了噪声信号△ADref和△ADmea的影响，数据的数值误差、准确性和重复性均得到很大的提升。

综合以上具体实施例的描述，本发明提供的降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法和系统，与现有技术相比，具有如下优点：

首先，采用与检测端相同的光电探测器，采集光源射出端的光强度，并对透射光的光强度进行校正，能够排除噪声信号的影响，提高了检测精度，降低了温漂，数据误差、准确性和重复性均得到很大的提升。

其次、通过改变LED光源的波长并更换检测试剂，可获得样本中多种污染因子数值，进一步提高了效率。

第三、光电探测器由包括前置放大电路、主放大电路和滤波电路组成，滤波电路采用一阶低通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。

最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将样本投入到比色池中，与比色池中的试剂产生消解反应；

根据欲检测的样本中的污染因子，调整光源的波长；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变所述光源的波长以及更换试剂，检测水体中的不同的污染因子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述污染因子包括以下任意一种或多种：

化学需氧量、氨氮、总磷、总氮和高锰酸盐指数。

4.一种降低温漂、提高水体污染因子检测精度的系统，包括用于使样本产生消解反应的比色池，以及用于向所述比色池提供入射光的LED光源，和用于检测经所述比色池透射出的透射光的透射端光电探测器，所述透射端光电探测器将透射光的光强度转换为检测端电压信号ADmea，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述LED光源采用恒流源型光电发射电路驱动，所述恒流源型光电发射电路包括：

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述射出端光电探测器和透射端光电探测器均包括前置放大电路、主放大电路和滤波电路，所述LED光源的射出光依次经过射出端光电探测器的前置放大电路、主放大电路和滤波电路转换为参比端电压信号ADref，透射光依次经过透射端光电探测器的前置放大电路、主放大电路和滤波电路转换为检测端电压信号ADmea。