CN203275288U - 一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪 - Google Patents

Abstract

一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪。它是由氙灯、凹面平场数字全息光栅、数字光电传感器和光纤构成微型数字光纤光谱仪，通过测量待测水样的紫外可见光谱获取COD、BOD等水质指标。通过物理和电化学传感器获取氨氮、溶解氧、电导率等水质指标。将两种获取水质指标的装置融合并放置在一个柜体中，实现了对10余种水质指标的实时在线自动监测，监测参数可以调整和定制，测量快速，无需化学药剂。

Description

一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种环境监测领域的水质自动监测仪，它将光谱水质分析技术同物理传感器、电化学传感器水质测量技术结合，实现了含化学需氧量（COD）和氨氮在内的十余种常规水质指标的在线自动监测。 

背景技术

目前，我国对地表水和污水水质进行在线自动监测的仪器设备大多采用传统的实验室化学分析方法，如水质COD指标常采用《HJ/T399-2007水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》规定的方法。当前采用的分析方法分析周期长，一般耗时数十分钟以上，不能真正实现实时和在线自动监测的目的；使用化学试剂，甚至剧毒试剂，容易产生二次污染；单台仪器一般只能监测一个参数，需要多参数同时监测时须安装多台仪器，不经济；另外，有一些水质参数若采用现有标准方法无法或很难实现在线自动监测，如水质BOD指标等。 

以采用UV法对水质COD指标实施监测的紫外光度法开启了光学方法直接监测水质指标的先河，近年来多个波长UV法仪器的出现，进一步提高了该类仪器对水质变化的适应性。目前，利用单个或几个波长对水质COD指标进行自动监测的方法和技术较为成熟，市场上成熟的产品不少。但是，几个波长的吸光度数据仍然不能很好地使仪器适应多样化水质和水质变化的情况，而且，采用UV法测量单一COD指标也不能满足水质监测经常需要同时监测多个参数的需求。于是，基于分子吸收光谱的光谱法多参数测量技术和设备成为当前水质在线自动监测领域的发展方向。 

水中某些污染物质可以对特定波长的光产生吸收，形成分子吸收光谱法。于是，利用分子吸收光谱可以找到同水中污染物相关的信息，依此可以获取水质指标，这就是水质分析的光谱法。光谱法具有不使用化学试剂，无二次污染，分析速度快，一台仪器可以同时监测多种参数，可实现水质多参数实时自动监测等特点。但是，由于水样成分的复杂和多变，水体的颜色、颗粒物等干扰因素较多，使得光谱技术用于水质监测的技术和设备开发难度大，商业化产品极少，处于发展之中。另外，氨氮、溶解氧、电导率等常规水质监测指标目前尚不能利用分子吸收光谱技术进行监测。 

目前，利用物理和电化学传感器监测水质指标的仪器设备较多，方法和技术较为成熟。如电极法氨氮在线自动监测仪、浊度计、电导率测定仪、溶氧仪等，该类仪器通常只监测单个参数。 

光谱和传感器技术用于监测水质指标，测量速度快，一般只需数十秒，可实现在线和实时的目的；无需化学试剂，避免了对环境的污染；使用简便，维护简单；多个参数可通过 一台仪器实现，经济节约。目前，光谱技术和传感器技术的应用已经成为水质在线监测领域的发展方向，前景广阔。 

发明内容

为克服现有水质在线自动监测仪一般只能监测一个参数，分析过程周期长，常产生二次污染，以及BOD等水质指标目前尚不能实现在线自动监测等缺点，本实用新型提供了一种水质多参数在线自动监测仪，实时自动监测化学需氧量、生化需氧量（BOD）、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、浊度、水温、氨氮、溶解氧、电导率等指标，可同时获得的最大水质指标数量不少于10个，无需任何化学药剂，监测水质指标的种类和数量可以选择和定制，可满足对地表水和污水等不同水质多参数同时自动监测的需要。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用微型数字光纤光谱仪技术测量水样获取水样的分子吸收光谱，光谱波长范围200nm至800nm，通过对该紫外可见光范围光谱数据的处理获得化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等水质指标；同时，采用物理和电化学传感器测量氨氮、溶解氧、电导率、水温等水质指标。水质分析的光谱技术和传感器技术组合或单独应用可实现不同应用场景对多种水质指标同时和实时自动监测的目的。 

上述紫外可见分子吸收光谱数据来自两个光程不同的光学测量探头，其差值作为待测水样紫外可见分子吸收光谱的原始数据用于计算水样的水质指标。光学测量探头是接受光穿过待测水样并将经水样吸收后的光传送出来的探测器。 

上述提及的传感器技术，指分别利用测量水质指标的各类物理和电化学传感器直接测量水质指标的技术。如采用氨气敏电极或铵离子选择性电极等电化学传感器测量水质氨氮指标，如采用一种用透气薄膜将水样与电化学电池隔开的电极测定水中溶解氧，如采用电导率电极直接测量水的电导率指标，以及采用铂电极法直接测量水温指标，等等。上述技术成熟，市售产品丰富，可直接选用。 

本实用新型解决其技术问题所采用的具体技术方案是：光源模块1产生的200nm至800nm的紫外可见光由光纤传输至测量室10中的光学测量探头11、11’，然后射出至光电转换模块2，并由光电转换模块2将光信号转换成电信号送至电子学模块14；测量室10中集成传感器组12的传感器的电信号也传送电子学模块14。然后，电子学模块14将接收的电信号经处理后送至嵌入式工业控制计算机13。上述所有模块、器件和部件都放置在一个柜体中。 

光源模块1中的光路调理装置19包含一微型聚光透镜5将氙灯4的光汇聚，通过带浸没式透镜的Y型光纤分支器6将光分成两路传送至光路斩断器7，再经由Y型光纤分支器 9将光交替投射至光学测量探头11和11’。还包含一放置在光路斩断器7之后的光强调节装置8，调节入射到光学测量探头11和11’中的光强。光强调节装置8可选用光阑或狭缝或光路衰减器。还可通过调节氙灯4的强度，代替更换不同光程的光学测量探头，适应不同污染物浓度的水样。 

氙灯4提供200nm至800nm波长范围的紫外可见光源，光源经光路调理装置19进行聚焦、光强调整、屏蔽杂散光后分别送至光学测量探头11和11’，经凹面平场数字全息光栅16分光，再由光电传感器15实现光电转换，电信号传至仪控装置21。供样装置20向光学测量探头11、11’和集成传感器组12提供待测水样，集成传感器组12的电信号也传送至仪控装置21。超声波清洁装置18产生的超声波同时去除光学测量探头11和11’测量表面的污垢。 

为提高测量精度，避免杂散光和光源对其它部件的干扰，光源模块1和光电转换模块2中的所有器件皆分别密封在一避光的匣子中。 

测量室10为一两端带进出水样口的密封容器，用于放置光学测量探头11和11’、集成传感器组12，用于容纳待测水样。清洁光学测量探头11和11’的超声波清洁装置18的换能器头固定在测量室壁上，安装在光学测量探头11和11’的中间位置。 

集成传感器组12为一组物理和电化学传感器，用于测量光谱技术无法实现的水质指标。 

超声波清洁装置18将电能转换成超声波，超声波作用于光学测量探头11和11’，清除附着其上的污染物，保证光路不受污染和干扰。 

供样装置20由水泵、阀和各类管路构成，它将待测水样通过水泵由水源，经由管路、阀等输送至测量室10并流经光学测量探头11和11’，以及集成传感器组12，然后排出。 

仪控装置21由电子学模块14和嵌入式工业控制计算机13构成，为一基于嵌入式工业控制计算机的信号放大、获取、数据采集、处理和控制的系统，含有信号放大单元、模数转换单元、数据采集单元等，将各类传感器的电信号放大、采集并转换成数字信号，送至计算机存储和处理；含有控制单元，用于对仪器各部件的自动控制；含有软件，用于支撑仪器的执行元器件，对获取的光谱数据等测量数据进行处理，以及对仪器的各类数据和信号进行管理。 

所述的上述零部件、模块和材料皆放置在一由金属或其它材料制成的柜体中。为了实现工艺目的和便于维修维护等方面的需要，柜体分成A、B、C共3个舱室，B舱和C舱相背安置，A舱安置在B舱和C舱的正上方，分别用于分别放置不同功能和特点的硬件。B舱布置光源模块1、光电转换模块2、测量室10，并固定在B舱和C舱之间的隔板上；C舱放置 相关的泵、阀、管路、电源、超声波换能器件等配套器件。正对测量室10中光学测量探头11和11’的位置安装超声波换能器，用于对光学测量探头和光路上的污物进行清洁；A舱置于B、C舱之上，放置嵌入式工业计算机13、电子学模块14和打印机17等功能模块。供样装置20中的水泵将柜体外部的待测水样送至测量室10中的光学测量探头11、11’和传感器组12，然后排出柜体。 

本实用新型的有益效果是，一台仪器可以实现含COD、BOD、氨氮、溶解氧等在内的多达10个以上常用水质指标的测量，可以在数十秒之内完成，极大地缩短了测量时间，实现了实时在线自动测量的目的；无需化学药剂，避免了对环境的二次污染；可实现目前尚不能或很难在线自动监测的BOD等水质指标的在线自动监测，补充了水质在线自动监测领域的常用指标种类；可以同时监测多个水质指标，改变了水质自动监测领域监测多个参数需要配置多台单参数仪器的现状，经济节约。 

本实用新型采用微型数字化光纤光谱技术实现多个水质参数同时在线自动测量，获取光谱速度快，精度高，克服了传统光学光谱仪机械分光技术的缺陷，以及由之导致的测量速度慢和精度不高等缺点。采用由两支光学测量探头的差分光谱技术消除水质色度和浊度等干扰，使得实现本实用新型的装置对水质的适应性好，测量准确可靠。随着光谱分析技术的进步，在不改变现有硬件构架的条件下，可以进一步扩展监测水质参数的种类和数量。 

本实用新型采用物理和电化学传感器测量部分水质参数，测量速度快，技术成熟。可以根据需要选择传感器的种类和数量，方便灵活。 

本实用新型可以根据需要选择参数种类和数量，在无需改变系统硬软和件构架的前提下为用户提供适宜的监测设备，可满足不同类型的工业污水、城市生活污水、地表水，以及集中供水行业的多参数水质自动监测的需要。 

本实用新型采用一体化柜式结构，便于维护维修，使用稳定性好。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1为本实用新型的工艺流程框图； 

图2为本实用新型的技术方案图； 

图3为采用本实用新型的仪器结构正视图； 

图4为采用本实用新型的仪器结构侧视图。 

图中，1.光源模块，2.光电转换模块，4.氙灯，5.微型聚光透镜，6.带浸没式透镜的Y型光纤分支器，7.光路斩断器，8.光强调节装置，9.Y型光纤分支器，10.测量室，11、11’.光学测量探头，12.传感器组,13.嵌入式工业控制计算机，14.电子学模块，15.光电传感 器，16.凹面平场数字全息光栅，17.打印机，18.超声波清洁装置，19.光路调理装置，20.供样装置，21.仪控装置。 

具体实施方式

图1规定了实施本实用新型各工艺单元之间的逻辑关系，以及各器件和部件的连接关系。实施时，按照图示逻辑安排和连接各器件和部件。超声波清洁装置18可选用市售的超声波换能器，其功率应保证光学测量探头11和11’附近的超声波功率密度在100mW/cm²左右。 

在图2所示的实施例中，光源模块1产生紫外可见光，经由Y型光纤分支器9投射至光学测量探头11和11’。光电转换模块2将来自光学测量探头11和11’的光分光并转换成电信号，由电子学模块14和嵌入式工业计算机13处理并获得水样的紫外可见分子吸收光谱。 

测量室10容纳待测水样、两只光学测量探头11和11’，以及多种物理或电化学传感器组12，待测水样由水泵泵进测量室10。可以象图2所示的这样将所有传感器和光学测量探头放置在一个测量室中，也可以根据具体需要将测量室分成两个或数个分别布置。 

测量室10中的两只光学测量探头11和11’具有不同的光程，其测量的水样吸光度差值用于构成待测水质紫外可见吸收光谱，并用来获取水质指标。两只光学测量探头11和11’的光程依据测量对象种类及污染物浓度确定。 

光源模块1中的氙灯4提供紫外可见光源，由电源3供电。氙灯4发出的光经透镜5聚焦并投射到光纤分支器6入射端的浸没式透镜上。氙灯可选用Hamamatsu公司生产的L2441型频闪氙灯、以及E2442触发包，它产生190～1100nm范围内的波长，自带聚光透镜。灯座上还带有紫外光和可见光传感器，用于监控光强的变化。 

氙灯供电电源3的输出电流可以调节，光路衰减器7用于对光纤中的光强进行衰减。通过调节氙灯的输入电流和光路衰减器6实现对光纤中光强的调节。光路衰减器可选用复享科技的FVA-UV光纤可调衰减器。 

光纤切换器8将光源发出的光选通，通过光纤交替传送至光学测量探头11和11’。光学测量探头的光信号经Y型光纤分支器9传送至凹面平场数字全息光栅16，光栅分光，投射到光电传感器15，产生电信号，送至电子学系统14。凹面平场数字全息光栅可选择法国JY公司的52301030光栅，光电传感器可选择Hamamatsu公司的NMOS线性图像检测器S3922-512Q，光纤切换器可选择复享科技的FIB-STD光纤切换器。 

为防止外部杂散光和内部光路的互相干扰，光源模块1中的电源3、氙灯4、透镜5、入射端带浸没式透镜的光纤分支器6、光路衰减器7、光纤切换器8及传输光纤放置在一密 封避光的匣子中。光电转换模块2中的凹面平场数字全息光栅16和光电传感器15等全部元器件也放置在一个密封避光的匣子中。 

集成传感器组12由多个独立的传感器构成，如测量水质氨氮指标可选择氨气敏电极或离子选择性电极，测量水质的电导率参数可选择感应式电导率探头，测量水质溶解氧参数可选择电流法或荧光淬灭法的传感器，测量水质的PH值可选择内部差分盐桥的PH探头，等等。上述物理和电化学传感器皆有多种类不同商家的成熟产品供选择。 

电子学模块14承担将光电传感器15，以及传感器组12的电信号放大、模数转换、数据采集等任务，并传送至嵌入式工业控制计算机13。 

嵌入式工业控制计算机13接受来自电子学模块14的数字信号，通过建立的数学模型反演出水质化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、总有机碳等水质指标，对来自物理或电化学传感器的信号数据进行计算获取水质氨氮、电导率、溶解氧、浊度、温度和PH值等指标。同时，控制整个仪器的部件，使仪器自动进行测量。 

在图3和图4所示的实施例中，监测仪箱体结构分为A、B和C共3个舱。B舱放置光源模块1、光电转换模块2、测量室10，以及光学测量探头11、11’和传感器组12，并固定在B舱和C舱之间的隔板上；C舱放置相关的泵、阀、管路、电源、超声波换能器件等配套器件。正对测量室10中光学测量探头11和11’的位置安装超声波清洁装置18，用于对光学测量探头和光路上的污物进行清洁；A舱置于B、C舱之上，放置嵌入式工业控制计算机13、电子学模块14和打印机17等功能模块。 

监测仪的上述结构形式只是实现本实用新型的一种结构布置，实现本实用新型的布置形式可以有多种。 

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选的实施方案作了详细介绍，但应当认识到上述介绍不应被认为是对本实用新型的限制。当具有专业知识和技能的人员在阅读了上述内容后，对本实用新型的多种修改、代替和规避都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (2)

1.一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是光源模块（1）产生的200nm至800nm的紫外可见光由光纤传输至测量室（10）中的光学测量探头（11、11’），然后射出至光电转换模块（2），电子学模块（14）连接光电转换模块（2）、测量室（10）中的集成传感器组（12）和嵌入式工业控制计算机（13），它们都放置在一个柜体中。

2.根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是光源模块（1）是一个含有氙灯（4）和光路调理装置（19）的密封避光的匣子，氙灯（4）发出的紫外可见光源经光路调理装置（19）射出后经由两支Y型光纤分支器（9）交替射至光学测量探头（11、11’），然后返回再次经由Y型光纤分支器（9）传输至光电转换模块（2）。

3. 根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是光电转换模块（2）由凹面平场数字全息光栅（16）和光电传感器（15）组成并布置在一个密封避光的匣子中，它经由Y型光纤分支器（9）由光纤连接光学测量探头（11、11’），通过电缆连接电子学模块（14）。

4.   根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是光源模块（1）的光路调理装置（19）中的微型聚光透镜（5）将氙灯（4）的光汇聚，通过带浸没式透镜的Y型光纤分支器（6）将光分成两路传送至光路斩断器（7）和光强调节装置（8），然后交替射出。

5.   根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是测量室（10）中放置光学测量探头（11、11’）和集成传感器组（12），供样装置（20）抽取待测水样并将待测水样依次送至测量室（10）中的光学测量探头（11、11’）和传感器组（12）。

6.   根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是测量室（10）的外壁上正对光学测量探头（11、11’）的位置，安装有超声波清洁装置（18）。

7.   根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是所有硬件放置在一个柜体中，柜体分成A、B、C共3个舱室，B舱和C舱相背安置，A舱安置在B舱和C舱的正上方。

8.   根据权利要求1所述的一种集合光谱和传感器技术的水质多参数在线自动监测仪，其特征是A舱用于安装工业控制计算机（13）、电子学模块（14）和打印机（17），B舱用于安装光源模块（1）、光电转换模块（2）和测量室（10），C舱用于安装超声波清洁装置（18）和其他辅助装置。 

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