CN202393706U - 基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，它包括光源模块、传感模块和信号处理显示模块，所述光源模块、传感模块和信号处理显示模块之间两两相连，所述传感模块包括分别与信号处理显示模块相连的光纤pH探头、光纤溶解氧探头、光纤氨氮探头和光纤浊度探头，所述光纤pH探头、光纤溶解氧探头和光纤氨氮探头均为荧光式探头。本实用新型不仅能够测量水质的温度、pH值、溶解氧、氨氮、浊度等参数值，降低了测量误差，提高了测量精度，而且具有响应时间短、灵敏度高、成本低、重复性好、便于小型化、商业化等特点，可在潮湿水面、电磁干扰等恶劣环境下长期工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及环境监测及分析仪，特别是涉及一种基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪。
背景技术
随着经济发展和人们对环境保护越来越重视，水污染问题慢慢进入人们的视野，要减轻水污染、进行污水处理以及回用，首先需要对污染物的排放和中水(即再生水或者回用水)的水质进行检测。因此，水质检测在控制水污染和污水回用中都有重要地位，对解决水污染和水资源短缺具有非常重大的意义。评价水资源的污染程度所涉及的参数有pH(酸碱度)值、溶解氧、浊度、电导率、氨氮、总磷、余氯以及与污泥有关的浓度、含水率、重金属含量等。
常规的五参数分析仪一般采用流通式多传感器测量池结构，无零点漂移，无需基线校正。例如：英国ABB公司生产的EIL7976型多参数分析仪、法国Polymetron公司生产的常规五参数分析仪、澳大利亚GREENSPAN公司生产的Aqualab型多参数分析仪(包括常规五参数、氨氮、磷酸盐)和法国SERES公司生产的MPZ000型多参数在线水质分析仪。这些分析仪都采用金属电极测量pH值和溶解氧等参数，电极需要经常清洗，而且电极的透气膜容易老化，此外，分析仪需要电极本身的氧化还原反应来测定外界值的浓度，测定过程中需消耗被测样品，因此它的测量精确度和响应时间都受到严重约束。
但是，利用光纤来测量这些参数可以很好克服这些缺点，并且还 具有以下优点：
(1)光纤传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰，且耐高温、高压，防腐蚀，阻燃防爆，使之可用于远距离遥测。
(2)工作时不产生电磁辐射、有毒气体、液体或废渣，不需化学试剂、溶剂等，本身不易受电磁干扰，可在高温、高压化学反应条件下工作，无噪声。
(3)可采用多波长和时间分辨技术来提高方法的选择性，可同时进行多参数或连续多点检测，以获得大量信息。
关于将光纤用于水质检测，鲜有相关产品，只有近似的文献和发明专利，且大部分是利用光纤测量水质中的某一个参数，例如pH值或者溶解氧等。除此之外，大多数基于光纤的水质分析仪都是利用光吸收原理，通过光强被吸收的多少来确定被测参数的值。虽然光吸收方法十分简单且容易应用，但它的灵敏性不高，需要外界被测参数的浓度比较高，另外由于其传送方式是将敏感膜放置在两个面对面的光纤之间，或者是利用反射镜来反射光强，所以利用光吸收原理的光纤水质分析仪体积较大，难以小型化。
申请号为201020174420.9的中国实用新型专利公开了一种多参数水质分析仪，它包括光源、光纤、比色皿座、比色皿、光电接收器、电脑处理器等，它通过光纤将多个不同波长的光源并联连接比色皿，接入光电检测系统，根据不同的需要，选择某个波长光源，检测某个水质参数，并可以通过不同的选择，分别测量各种水质参数，这种水质分析仪需要不同的比色皿，体积较大，不利于水质分析仪的小型化。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，不仅能够测量水质的温 度、pH值、溶解氧、氨氮、浊度等参数值，降低了测量误差，提高了测量精度，而且具有响应时间短、灵敏度高、成本低、重复性好、便于小型化、商业化等特点，可在潮湿水面、电磁干扰等恶劣环境下长期工作。
本实用新型提供的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，它包括光源模块、传感模块和信号处理显示模块，所述光源模块、传感模块和信号处理显示模块之间两两相连，所述传感模块包括分别与信号处理显示模块相连的光纤pH探头、光纤溶解氧探头、光纤氨氮探头和光纤浊度探头，所述光纤pH探头、光纤溶解氧探头和光纤氨氮探头均为荧光式探头。
在上述技术方案中，所述光纤浊度探头包括一个圆环和固定在所述圆环上的六根光纤，所述六根光纤中任意相邻的两根光纤之间的夹角均为60°，六根光纤的中轴线相交于圆环的中心。
在上述技术方案中，所述六根光纤中相互间隔120°的三根光纤为入射光纤，其余的三根光纤为接收光纤。
在上述技术方案中，所述接收光纤中的一根光纤为透射光接收光纤，另外两根光纤为散射光接收光纤。
在上述技术方案中，所述信号处理显示模块包括顺次相连的光电转换器、滤波放大器、多路开关、A/D转换器、微处理器和显示装置。
在上述技术方案中，所述光电转换器分别与传感模块中的光纤pH探头、光纤溶解氧探头、光纤氨氮探头和光纤浊度探头相连。
在上述技术方案中，所述信号处理显示模块还包括键盘和通信接口，所述键盘和通信接口分别与微处理器相连。
在上述技术方案中，所述传感模块还包括温度传感器，所述 温度传感器与信号处理显示模块中的A/D转换器相连。
在上述技术方案中，所述光源模块包括一个光源、一个光源稳定电路、两个光分路器和三个透镜滤光片，所述光源通过光源稳定电路与第一个光分路器相连，第一个光分路器分别与三个透镜滤光片和第二个光分路器相连。
在上述技术方案中，所述三个透镜滤光片和第二个光分路器分别与传感模块中的光纤pH探头、光纤溶解氧探头、光纤氨氮探头、光纤浊度探头相连，第二个光分路器还与信号处理显示模块中的光电转换器相连。
与现有技术相比，本实用新型的优点如下：
(1)本实用新型中的传感探头无电子元件，可在潮湿水面、电磁干扰等恶劣环境下长期工作，测量水质的温度、pH值、溶解氧、氨氮、浊度等参数值。
(2)本实用新型中的光纤pH探头、光纤溶解氧探头和光纤氨氮探头均采用荧光式探头，与其他类型的水质分析仪相比，具有响应时间短、灵敏度高、成本低、重复性好、便于小型化、商业化等特点。
(3)本实用新型中的光纤浊度探头采用了六根光纤等角度的固定在一个圆环上的新型结构，降低了测量误差，提高了测量精度。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构框图。
图2是光纤浊度探头的结构示意图。
图中：1-光源，2-光源稳定电路，3-光分路器，4-透镜滤光片，5-光纤pH探头，6-光纤溶解氧探头，7-光纤氨氮探头，8-光纤浊度探头，9-温度传感器，10-光电转换器，11-滤波放大器，12-多路开关，13-A/D转换器，14-微处理器，15-显示装置，16-键盘，17-通信接口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
参见图1所示，本实用新型实施例提供的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，它包括光源模块、传感模块和信号处理显示模块，光源模块、传感模块和信号处理显示模块之间两两相连，传感模块包括分别与信号处理显示模块相连的光纤pH探头5、光纤溶解氧探头6、光纤氨氮探头7和光纤浊度探头8，光纤pH探头5、光纤溶解氧探头6和光纤氨氮探头7均为荧光式探头。
参见图2所示，光纤浊度探头8包括一个圆环和固定在圆环上的六根光纤，六根光纤中任意相邻的两根光纤之间的夹角均为60°，六根光纤的中轴线相交于圆环的中心。六根光纤中相互间隔120°的三根光纤为入射光纤，其余的三根光纤为接收光纤。接收光纤中的一根光纤为透射光接收光纤，另外两根光纤为散射光接收光纤。
参见图1所示，信号处理显示模块包括顺次相连的光电转换器10、滤波放大器11、多路开关12、A/D转换器13、微处理器14和显示装置15。光电转换器10分别与传感模块中的光纤pH探头5、光纤溶解氧探头6、光纤氨氮探头7和光纤浊度探头8相连。
为了方便信号的输入与输出，信号处理显示模块还包括键盘16和通信接口17，键盘16和通信接口17分别与微处理器14相连。
为了实时了解检测环境的温度以及对各种荧光探头进行温度补偿，传感模块还包括温度传感器9，温度传感器9与信号处理显示模块中的A/D转换器13相连。
参见图1所示，光源模块包括一个光源1、一个光源稳定电路2、两个光分路器3和三个透镜滤光片4，光源1通过光源稳定电路2与第一个光分路器3相连，第一个光分路器3分别与三个透镜滤光片4 和第二个光分路器3相连。三个透镜滤光片4和第二个光分路器3分别与传感模块中的光纤pH探头5、光纤溶解氧探头6、光纤氨氮探头7、光纤浊度探头8相连，第二个光分路器3还与信号处理显示模块中的光电转换器10相连。
本实用新型实施例的原理详细阐述如下：
参见图1所示，在光源稳定电路2的作用下，光源1发出的光经过第一个光分路器3形成四束光，其中三束光在不同规格的透镜滤波片4的作用下，形成λ1、λ2、λ3三种不同波长的特定光束，其中波长为λ1的光束，激发光纤端头或其它位置的pH荧光指示剂，荧光指示剂会发出一定波长为λA的荧光；波长为λ2、λ3的光束分别激发光纤端头或光纤其它位置的溶解氧荧光指示剂和氨氮指示剂，溶解氧荧光指示剂和氨氮指示剂分别发出波长为λB、λC的荧光；与此同时，光束在经过第二个光分路器3分成三束光束，在这三束光上分别安装光路开关，依次打开这三个光路开关，每次都只有一束光进入探头。
参见图2所示，本实用新型实施例中的光纤浊度探头8将6根光纤等角度的固定在一个圆形环上，间隔120°的三根光纤为入射光纤(例如图2中的a、b、c)，其余的三根光纤为接收光纤，其中一根光纤接收透射光，另外两根光纤接收散射光。每次测量需要对三根入射光纤分别接通光源，这样一束光进入探头就会产生一个透射光和两个散射光，即一次测量就会得到3束透射光强值，6束散射光强值。之后这几个荧光、透射及散射和参考光信号分别进入光电转换器10变成电信号，参见图1所示，再之后经过滤波放大器11进入多路开关12，根据实际的需要，有选择性把某一个模拟电信号经过A/D转换器13转换成数字信号，然后进入微处理器14，将这些值和参考光强值相比较，利用神经元网络算法，求出溶液的浊度，最后在显示装置 15上显示待测参数的测量值。
本实用新型实施例中的光纤pH探头5、光纤溶解氧探头6和光纤氨氮探头7都是荧光式探头。其原理是：首先将荧光剂固定在支持物上，构成固定荧光指示剂，然后将它们固定在光纤的端头或光纤的其它地方，在激光光源的激发下，荧光指示剂会发出一定波长的荧光。外界不同待测量的对应不同荧光指示剂，荧光强度与溶液中的待测量的浓度成函数关系，通过测定荧光指示剂发出的荧光强度就能得知溶液中带测量的浓度。
本实用新型实施例中的光纤浊度探头8不仅可以利用透射光和散射光的强度来确定溶液的浊度，且由于结构的对称性，所以本实用新型的光纤探头的误差很低，有着较高的测量精度。
溶液中的固体悬浮颗粒对传输光束具有散射和吸收的能力，能够影响穿过浊液的透射光及散射光的强度，浊度的测量原理是：通过测量光束经过浊液后的强度衰减情况，来推算出溶液中的固体悬浮颗粒数，进而求出溶液的浊度。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，它包括光源模块、传感模块和信号处理显示模块，所述光源模块、传感模块和信号处理显示模块之间两两相连，其特征在于：所述传感模块包括分别与信号处理显示模块相连的光纤pH探头(5)、光纤溶解氧探头(6)、光纤氨氮探头(7)和光纤浊度探头(8)，所述光纤pH探头(5)、光纤溶解氧探头(6)和光纤氨氮探头(7)均为荧光式探头。
2.如权利要求1所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述光纤浊度探头(8)包括一个圆环和固定在所述圆环上的六根光纤，所述六根光纤中任意相邻的两根光纤之间的夹角均为60°，六根光纤的中轴线相交于圆环的中心。
3.如权利要求2所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述六根光纤中相互间隔120°的三根光纤为入射光纤，其余的三根光纤为接收光纤。
4.如权利要求3所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述接收光纤中的一根光纤为透射光接收光纤，另外两根光纤为散射光接收光纤。
5.如权利要求1至4中任一项所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述信号处理显示模块包括顺次相连的光电转换器(10)、滤波放大器(11)、多路开关(12)、A/D转换器(13)、微处理器(14)和显示装置(15)。
6.如权利要求5所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述光电转换器(10)分别与传感模块中的光纤pH探头(5)、光纤溶解氧探头(6)、光纤氨氮探头(7)和光纤浊度探头(8)相连。
7.如权利要求5所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述信号处理显示模块还包括键盘(16)和通信接口(17)，所述键盘(16)和通信接口(17)分别与微处理器(14)相连。
8.如权利要求5所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述传感模块还包括温度传感器(9)，所述温度传感器(9)与信号处理显示模块中的A/D转换器(13)相连。
9.如权利要求5所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述光源模块包括一个光源(1)、一个光源稳定电路(2)、两个光分路器(3)和三个透镜滤光片(4)，所述光源(1)通过光源稳定电路(2)与第一个光分路器(3)相连，第一个光分路器(3)分别与三个透镜滤光片(4)和第二个光分路器(3)相连。
10.如权利要求9所述的基于荧光式探头的光纤多参数水质分析仪，其特征在于：所述三个透镜滤光片(4)和第二个光分路器(3)分别与传感模块中的光纤pH探头(5)、光纤溶解氧探头(6)、光纤氨氮探头(7)、光纤浊度探头(8)相连，第二个光分路器(3)还与信号处理显示模块中的光电转换器(10)相连。
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