CN113310893B - 一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置及方法，装置包括上部壳体、下部壳体、光源、电源、准直透镜、光学拣选反射镜、滤光器、温度传感器、中央微处理器、存储器和电机；上部壳体与下部壳体之间通过轴承可旋转的连接，上部壳体与下部壳体的连接处之间相对的设有不同高度的凹槽；凹槽的上面板和下面板上均相对应的设有透光窗口；每个凹槽的下面板均能够随下部壳体做360°旋转；其中一个凹槽的下面板下方的下部壳体内从上到下依次设置有光学拣选反射镜、准直透镜和光源，光学拣选反射镜的一侧设有第一光电探测器；两个凹槽的上面板上方的上部壳体内分别设有第二光电探测器和第三光电探测器；光电探测器的输入端前方均设置有滤光器。

Description

一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置及方法
技术领域
本发明是涉及水质监测领域，特别是一种基于光谱法的可根据当前浊度做出实时浓度矫正的可变光程的多指标水质在线监测装置及方法。
背景技术
随着我国经济的发展和城市化进程的加快，环境污染问题也日趋严重。水资源与人们生产、生活密切相关，工业废水的违规排放、化学农药的泛滥使用、城市生活废水的未达标处理等等，均对水环境造成严重损害。污染带来的最直接影响是给人类的健康带来严重威胁。由于我国仍处于污染事件高发阶段，尤其以水污染事件最为频繁，危害也最严重，因此针对水质污染具有突发性及扩散性的特点，应该从源头上进行管控，加强在线监测分析仪器与平台的建设，提高监控力度，同时应对重点水域，特别是多条重点河流交汇，工农业发达，地下水与地表水交互频繁的区域，对水质进行及时、准确的追踪与监控。
水质监测是监视及测定水体中特定污染物的浓度及变化趋势，并以此来评估水质的过程，是实施水环境保护和水资源管理的重要你。其中一些评估水质的重要指标包括：温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、硝酸盐氮(NO3-N)等。主要方法包括：生物法、化学法和光谱法等。
其中，基于生物法的水质分析仪则普遍体积庞大臃肿，传感元件易发生不可逆反应，从而影响识别精度，维护成本高，已不作为主要监测手段。
国内用光谱法测量水质起步较晚，所以国家标准大部分是采用化学法。但是化学法水质分析仪缺点明显：测量需要消耗试剂、功耗高，并且需要专业人员操作。存在二次污染、采样测试周期长无法跟踪水质变化、维护繁复、成本高的特点。
光谱法不同于生物法和化学法，可以同时测定多个指标。无需试剂不会造成二次污染，分析速度快容易实现在线分析，装置简易、维护简便所以使用成本低。现有的光谱法水质分析仪主要包括了紫外光(UV)/紫外-可见光(UV-VIS)/荧光吸收光谱分析法。
然而现有的光谱法在线监测装置大部分采用柜式结构并且只能监测一种参数，功耗较高、体积庞大，所以部署灵活性较低，无法进行原位检测。在水体成分复杂，污染严重时，水体浊度对准确性干扰严重。狭窄的光路也容易被污染物、悬浮颗粒和微生物堵塞，对测量精度造成较大影响。另外，由于光谱法本身特点，在面对污染物浓度跨度较大的水样时，无法保证测量精度。
天然水体中的吸光物质/目标污染物浓度跨度较大。根据比尔-朗伯定律右等式的描述，光路长度、随所用光的波长变化的摩尔吸光系数和吸光物质浓度相互制约。这也造成了在较短波长下，一般的固定光程传感器信号对比度无法维持较高水准，因此无法准确测量较低浓度的吸光物质。但是比尔-朗伯定律也提供了一种解决办法：改变光路长度，及在低浓度时使用较长的光路长度，在高浓度时使用较短的光路长度。有研究者在光路中插入透明介质来改变光路长度(JP2006194775A)，见图1，但是显然对于长期的原位测量装置不适用。
以上缺点导致市面上可用的水质传感器不适用与进行对水质的原位、长期、稳定、精确的监测。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置及方法，满足体积小巧、分析时间短、不受污染物浓度影响、测量结果准确受干扰小、维护便捷的特点，特别适用于对水质进行多点的原位长期测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置，包括上部壳体、下部壳体、光源、电源、准直透镜、光学拣选反射镜、温度传感器、中央微处理器、存储器和电机；所述上部壳体与下部壳体均为圆柱腔体结构，所述上部壳体与下部壳体之间通过轴承可旋转的连接，上部壳体与下部壳体的连接处之间相对的设有不同高度的凹槽；所述凹槽的上面板和下面板上均相对应的设有透光窗口；每个凹槽的下面板均能够随下部壳体做360°旋转；其中一个凹槽的下面板下方的下部壳体内从上到下依次设置有光学拣选反射镜、准直透镜和光源，所述光学拣选反射镜的一侧设有第一光电探测器；两个凹槽的上面板上方的上部壳体内分别设有第二光电探测器和第三光电探测器；当所述光源为紫外光时，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输入端前方均设置有滤光器；当所述光源为全光谱光源时，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输入端前方均设置有凹面全息光栅；所述温度传感器、中央微处理器、存储器、电源和电机均设置于上部壳体内；所述中央微处理器与温度传感器、存储器、电源、电机、第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器连接；所述电机传动轴与下部壳体连接，通过手动或控制电机实现下部壳体的360°旋转。
进一步的，所述上部壳体和下部壳体之间设置有密封。
进一步的，所述下部壳体小于上部壳体。
进一步的，所述上部壳体的顶部设置有接口，中央微处理器通过所述接口与外部系统连接。
进一步的，所述中央微处理器用以处理光电探测器、温度传感器的信号，并内置有信号运算和浊度、温度矫正功能；同时负责判断监测装置本身状态，包括：电量、光路通畅情况、浓度变化、电机负载、存储器容量和温度；中央微处理器能够下达驱动电机、发送警报信号、进入节电模式、进入保护模式指令；所有记录下来的数据存储在存储器中。
本发明还提供一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测方法，基于所述水质监测装置，包括以下步骤：
(1)打开水质监测装置，装置中各模块初始化并自检，自检通过后根据接口情况判断当前处于编辑模式还是测量模式；编辑模式下温度传感器、光源和各光电探测器断电；
(2)测量模式下，打开光源，检测光谱信号的测量值和参考值，若判断光路被堵塞，则控制电机使下部壳体按先顺时针转动360°后逆时针转动360°的顺序往复旋转，直到光路疏通；
(3)通过内置于中央微处理器内的模型计算水质参数并进行浊度和温度矫正；
(4)判断水质的浓度范围，若不合适则通过电机控制使下部壳体转动180°后重新开始测量；若合适则存储当前监测信息至存储器。
具体的：如果初始状态是长程光路，也就是用来测量低浓度的状态。光电探测器运行之后得出参数浓度超过阈值，也就是浓度不合适，那么就会通知电机旋转180°，转到较窄凹槽的那一端，使用短程光路，也就是用来测量高浓度的状态。
所以转动180°后，重新开始测量，如计算得到的浓度合适则存储当前信息，如依然不合适则存储警告信息。
进一步的，测量模式下由光源产生的光将首先通过准直透镜，然后通过光学拣选反射镜，一部分作为参考光射向第一光电探测器，并产生光电流，经过互阻放大器转化成电压后作为参考信号R输出到中央微处理器；另一部分通过旋转下部壳体实现两种不同长度光程的测量，射向第二光电探测器或第三光电探测器，并产生光电流，经过互阻放大器转化成电压后作为测量信号M输出到中央微处理器。
进一步的，当使用短光程测量高浓度污染物时，下部壳体旋转至光源与高度较低的凹槽上的透光窗口相对应；当使用长光程测量低浓度污染物时，下部壳体旋转至光源与高度较高的凹槽上的透光窗口相对应。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明提供的这种在线监测装置，设计精巧，圆柱形密闭外壳坚硬耐腐蚀，适用于淡水、海水、高度污染水等各种水体。可应用于严酷的各类工业、自然环境。
2.本发明内部所用元件体积小巧使得便携简单，改装方便，可灵活应对多种情况，为多种水体提供原位测量。同时可对多个参数进行测量，有效降低成本，提高信息量。可应对环保监测、科学研究等目的进行大规模部署。
3.本发明分析时间短、稳定性高、能够实时监测且测量结果精准。同时提供了本地计算和存储模块，使其可单独使用，进行长期的原位测量。顶部的通讯和通电接口使其拥有卓越的可扩展性，使其可搭配多种清洁、传感器集束、保护装置。也可通过电缆连接外部单元提供额外供电、计算和存储能力，实现更长期的原位测量。
4.本发明提供的这种在线监测仪使用光学法，在不引入二次污染的情况下，快速准确的表征水中多个参数的含量。提供的浊度矫正、温度矫正功能，克服了水体成分复杂、浊度高时对测量准确性的干扰。
5.本发明采用的结构可根据精度、目标污染物的不同需求更换关键元件，实现紫外光、紫外-可见光方法的切换。
6.本发明采用的结构可以物理改变光程，并且可以对目标污染物浓度变化做出判断并实时反映，自动或手动改变光程，克服了浓度跨越大对信号对比度、测量精度的干扰。可以随时随地保证一致的信号对比度和测量精度。
7.本发明上下两部分壳体可拆分。下部壳体的腔体内包含了易耗件。为更换光源，延长仪器使用寿命提供了可能性。
8.本发明水质监测装置可以帮助清洁狭窄光路中污染物、悬浮颗粒和微生物的阻塞。通过对接受信号的判断，自行预警和清洁。同时保证了采样准确度和降低了维护次数。
附图说明
图1是使用透明介质改变光路的示意图。
图2是本发明装置的结构示意图。
图3是中央微处理器的控制结构示意图。
图4是本发明水质监测方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明基于光谱法的水质传感器利用水体中不同物质对紫外光(190-400nm波长)、可见光(400-800nm波长)的吸光机制进行分析测定。利用UV发光二极管(LED)作为深紫外(190-230nm)、紫外光源，或者使用氙灯作为涵盖整个紫外光与可见光(UV-VIS)范围的光谱光源，配合光电探测器和其他传感器来实现对水体目标污染物的测定。由于近年来光电原件的发展和材料学的进步，所需器件体积已经可以极大的缩小，达到多点原位测量，便携灵活部署的效果。
根据比尔-朗伯定律(Beer-Lamber Law)，物质吸光度可以表达为：
Figure GDA0004043371480000051
其中A是吸光度，It是透射光强度，I0是入射光强度,∈是摩尔吸收系数，b是光路长度，C是吸光物质浓度。
为了实现这种测量，装置中的UV/UV-VIS光源将照射光路上的水体。水体中的吸光物质/目标污染物将在特定波长下吸收部分的光，对入射光强度造成衰减。被衰减过后的透射光在光路的另一端照射到光电探测器上，由此产生光电流。此光电流又经过互阻放大器的转换输出电压，由此产生信号来判断物质吸光度，进而通过计算得出吸光物质浓度。
然而在高浊度环境下，浊度对紫外-可见光谱整体会造成非线性抬升，分析物引起的散射损失将大大影响吸光度的判断。例如：在λ波长下，测得的吸光度A(λ)＝A污染物(λ)+A浊度(λ)+A干扰物(λ)。假设其他干扰物吸光度为零的情况下，污染物的吸光度只要用实测吸光度A(λ)减去当前波长下的浊度吸光度A浊度(λ)及可完成对浊度的矫正。由于在相同波长下的浊度吸光度与浊度大致呈线性关系。因此在大量数据和已知浊度的支持下，用户可以根据具体情况选择颗粒物种类或者使用预设的中间值来计算浊度吸光度A浊度(λ)。
本发明以监测装置本身的物理设计来达到随时改变光路长短以适应浓度变化的目的。
本实施例中光源采用紫外光，如图2中左侧的监测装置所示，本发明实施例中的装置结构经过简化电路、其他辅助元件及电池后包含了：上部壳体12、下部壳体13、光源1、准直透镜2、光学拣选反射镜3、滤光器5、温度传感器9、中央微处理器10、存储器11和电机15；上部壳体12与下部壳体13均为圆柱腔体结构，上部壳体12与下部壳体13之间通过轴承可旋转的连接，上部壳体12与下部壳体13的连接处之间相对的设有不同高度的凹槽作为测量区域；凹槽的上面板16和下面板17上均相对应的设有透光窗口用于形成光路通道4；每个凹槽的下面板17均能够随下部壳体13做360°旋转；其中一个凹槽的下面板17下方的下部壳体内从上到下依次设置有光学拣选反射镜3、准直透镜2和光源1，具体实施过程中准直透镜2和光源1之间还可安装聚光透镜；光学拣选反射镜3的一侧依次设有光电探测器7；两个凹槽的上面板上方的上部壳体内分别设有光电探测器6和光电探测器8；光电探测器7、光电探测器6和光电探测器8的输入端前方均设置有滤光器5；温度传感器9、中央微处理器10、存储器11、电源均设置于上部壳体内；中央微处理器10与温度传感器9、存储器11、电源、电机15、光电探测器7、光电探测器6和光电探测器8连接；本实施例中电机15设置于上部壳体和下部壳体连接处，电机传动轴与下部壳体连接，通过手动或控制电机实现下部壳体的360°旋转。
本实施例中两个凹槽中，相对较窄的凹槽用于高浓度短程光路的测量，相对较宽的凹槽用于低浓度长程光路的测量；
具体的，上部壳体12与下部壳体13的材料可选用不锈钢、钛等耐腐蚀材料制成。上部壳体12与下部壳体13两部分由可自由旋转的轴承链接且密封。下部结构较小，可以通过手动或者通过电机带动自动进行360度的旋转。这样的旋转可以达到物理改变光程的目的，同时帮助清除阻塞在测量区域中的污染物、悬浮颗粒和微生物等。所有元件都可以通过上部结构中的高性能锂电池驱动，也可以使用顶部的接口14连接电缆通过外部供电进行更长时间的运行，以此提供多种监测方案，适应不同的情况。
中央微处理器的控制结构如图3所示。在上部腔体中的中央微处理器10用以处理光电探测器、温度传感器等的信号，并内置了信号运算和浊度矫正功能。同时负责判断监测装置本身状态，包括：电量，光路通畅情况，浓度变化，电机负载，存储器容量，温度等，并相应的做出反应。它可以下达驱动电机、发送警报信号、进入节电模式、进入保护模式等指令。所有记录下来的数据将存储在存储器11中。
光源1和滤光器5可根据需要选用适用于紫外(UV)、紫外-可见光(UV-VIS)的光源和相应滤光器。本实施例中的所有光电探测器均由光电二极管构成，当光源为UV-VIS时，光电探测器由多个光电二极管组成阵列形式，形成多通道检测器；此外示意图2中的滤光器也应该变成光栅。由光源1产生的光将按照图2所示的光路先通过准直透镜，准直透镜可使用紫外光学石英玻璃等光学材料，以在全光谱打到90％以上的透光率。然后通过光学拣选反射镜3，一部分作为参考光经过滤光器射向光电探测器7，并产生光电流，经过互阻放大器转化成电压后作为参考信号R输出到中央微处理器10。另一部分可以通过两种不同长度的测量区域即通过旋转下部壳体结构实现。当使用短光程测量高浓度污染物时，下部壳体13旋转至图2中的位置A。当使用长光程测量低浓度污染物时，下部壳体13由位置A旋转180度至图2中的位置B。这部分光经过水体中吸光物质/目标污染物后，入射到上部壳体12，经过滤光器射向用于高浓度测量的光电探测器6或用于低浓度测量的光电探测器8，并产生光电流。光电流经过互阻放大器转化成电压后作为测量信号M输出到中央微处理器10。此时中央微处理器将根据用户预设值对结果进行上文描述的浊度矫正，并计算最终结果，存入存储器。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置，其特征在于，包括上部壳体、下部壳体、光源、电源、准直透镜、光学拣选反射镜、温度传感器、中央微处理器、存储器和电机；所述上部壳体与下部壳体均为圆柱腔体结构，所述上部壳体与下部壳体之间通过轴承可旋转的连接，上部壳体与下部壳体的连接处之间相对的设有不同高度的凹槽；所述凹槽的上面板和下面板上均相对应的设有透光窗口；每个凹槽的下面板均能够随下部壳体做360°旋转；其中一个凹槽的下面板下方的下部壳体内从上到下依次设置有光学拣选反射镜、准直透镜和光源，所述光学拣选反射镜的一侧设有第一光电探测器；两个凹槽的上面板上方的上部壳体内分别设有第二光电探测器和第三光电探测器；当所述光源为紫外光时，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输入端前方均设置有滤光器；当所述光源为全光谱光源时，所述第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的输入端前方均设置有凹面全息光栅；所述温度传感器、中央微处理器、存储器、电源和电机均设置于上部壳体内；所述中央微处理器与温度传感器、存储器、电源、电机、第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器连接；所述电机传动轴与下部壳体连接，通过手动或控制电机实现下部壳体的360°旋转，所述中央微处理器用以处理光电探测器、温度传感器的信号，并内置有信号运算和浊度、温度矫正功能；同时负责判断监测装置本身状态，包括：电量、光路通畅情况、浓度变化、电机负载、存储器容量和温度；中央微处理器能够下达驱动电机、发送警报信号、进入节电模式、进入保护模式指令；所有记录下来的数据存储在存储器中。
2.根据权利要求1所述一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置，其特征在于，所述上部壳体和下部壳体之间设置有密封。
3.根据权利要求1所述一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置，其特征在于，所述下部壳体小于上部壳体。
4.根据权利要求1所述一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测装置，其特征在于，所述上部壳体的顶部设置有接口，中央微处理器通过所述接口与外部系统连接。
5.一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测方法，其特征在于，基于权利要求1所述水质监测装置，包括以下步骤：
(1)打开水质监测装置，装置中各模块初始化并自检，自检通过后根据接口情况判断当前处于编辑模式还是测量模式；编辑模式下温度传感器、光源和各光电探测器断电；
(2)测量模式下，打开光源，检测光谱信号的测量值和参考值，若判断光路被堵塞，则控制电机使下部壳体按先顺时针转动360°后逆时针转动360°的顺序往复旋转，直到光路疏通；
(3)通过内置于中央微处理器内的模型计算水质参数并进行浊度和温度矫正；
(4)判断水质的浓度范围，若不合适则通过电机控制使下部壳体转动180°后重新开始测量；若合适则存储当前监测信息至存储器。
6.根据权利要求5所述一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测方法，其特征在于，测量模式下由光源产生的光将首先通过准直透镜，然后通过光学拣选反射镜，一部分作为参考光射向第一光电探测器，并产生光电流，经过互阻放大器转化成电压后作为参考信号R输出到中央微处理器；另一部分通过旋转下部壳体实现两种不同长度光程的测量，射向第二光电探测器或第三光电探测器，并产生光电流，经过互阻放大器转化成电压后作为测量信号M输出到中央微处理器。
7.根据权利要求5所述一种基于光谱法的可变光程多参数水质监测方法，其特征在于，当使用短光程测量高浓度污染物时，下部壳体旋转至光源与高度较低的凹槽上的透光窗口相对应；当使用长光程测量低浓度污染物时，下部壳体旋转至光源与高度较高的凹槽上的透光窗口相对应。
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