CN203786026U - 用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备，包括用于输送或保持水样的导管，并设置有至少一个模拟模块，其中，模拟模块包括：构造成产生电源信号的电源装置；构造成产生第一波长的光学信号的光学发射装置；构造成分别将光学信号的第一和第二部分朝向第一和第二光学接收装置引导的分光装置；构造成接收第一波长的电磁辐射的第一光学接收装置；构造成接收第二波长的电磁辐射的第二光学接收装置，用于输送或保持水样的装置介于发射装置和第二接收装置之间；构造成检测第一和第二光学接收装置的输出信号的位于第一频率下的交流分量的振幅值的检测装置；以及构造成建立检测装置检测到的值之间关系的比较装置。

Description

用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备，其包括一个或多个光学模块，该光学模块用于测量离散波长下的吸光度和其它物理化学参数。

背景技术

为了进行水质控制，更具体地为了确定水中的生物污染或有机污染，例如专利文献WO9216828中描述的使用氙闪光灯的设备是已知的，该氙闪光灯发射紫外线（UV）波长区域内的基本平谱的光。

在所述设备中，通过使紫外线光的脉冲穿过试样并测量特定波长下例如254nm下的吸光度来确定液体试样中有机物的量，如DIN38404标准所述。在该波长下，电磁辐射由芳香族有机化合物和具有共轭双键的其它有机化合物吸收。ISO7027:1999标准还建立了：必须利用860nm的波长下的吸光度执行浑浊度参数的测量。

为了进行不同波长下的吸光度测量，使用设置有感兴趣的波长下的带通滤波器的不同吸光度检测器。

使用用于供应给可见波长下的光源的交流信号以及随后使用窄的带通滤波器来防止由其它光源引起的干扰也是已知的，如专利文献JP9264845所述。然而，带通滤波器没有窄到足以将来自波长接近的邻近光学发射器的光学信号分离。

虽然可以从光学信号穿过试样之后所得到的衰减值来直接获得吸光度，但是可取的是，在光学信号穿过试样之前将其与所发射的光学信号的参考电压相比，如专利文献JP9304272所述。然而，该参考电压将在光学发射装置的整个使用寿命中改变，从而阻止后续处理步骤能够具有恒定的和理想的参考电压来计算穿过试样的信号经历的衰减，除了需要事先校准阶段之外。

用于测量吸光度的一些已知的设备使用模拟数字转换器，使得可以用数字计算方法处理信号。结果，实现了测量值的更好的分辨率，但是使用数字元件大大增加了设备成本，并且随着功率消耗和存储空间的后续增加而需要更多的电子元件。由于这些设备用于安装在远程水质控制站中，所以具有更适度消耗并且能够安装在紧凑的外壳中的设备即使它们在其测量值中没有同样多的分辨率也是优选的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供用于测量离散波长下的吸光度和其它物理化学参数的紧凑和廉价的设备。

本实用新型的用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备包括用于输送或保持水样的导管，并设置有至少一个模拟模块，所述模拟模块包括：构造成产生电源信号的电源装置，所述电源装置设有限流器；构造成产生第一波长的光学信号的光学发射装置；构造成将光学信号的第一部分朝向第一光学接收装置引导、并且将光学信号的第二部分朝向第二光学接收装置引导的分光装置；构造成接收第一波长的电磁辐射的第一光学接收装置；构造成接收第二波长的电磁辐射的第二光学接收装置，所述用于输送或保持水样的装置介于所述发射装置和所述第二接收装置之间；构造成检测所述第一和第二光学接收装置的输出信号的位于第一频率下的交流分量的振幅值的检测装置，所述检测装置包括各自的锁相放大器；以及构造成建立所述检测装置检测到的值之间关系的比较装置。

根据本实用新型的另一个特征，模拟模块的发射装置是LED，所述LED优选地构造成发射第一紫外线波长。所述第一波长允许获得试样的有机物含量。具体而言，当第一波长为254nm时，其构造成根据DIN38404标准检测试样中包含的有机物。

本实用新型还公开了设备的模拟模块的电源装置包括电流平衡装置，其被馈给参考电压。所述参考电压用来在发射的光学信号下降到预定阈值以下的情况下补偿电源信号，以便增加电源信号的强度，从而在光学发射装置的整个使用寿命中保持参考电压恒定，因此例如防止参考电压随着光学发射装置老化而下降。

根据另一个特征，每个模拟模块的电源信号具有正弦交流分量和直流分量。

本实用新型还公开了，所述模块还包括第三光学接收装置。

根据另一方面，所述设备设置有多个模块，各模块的电源信号的交流分量彼此正交。

所述设备进一步的特征在于，当其设置有多个模块时，所述模块的电源信号的交流分量彼此正交，以防止交叉干扰。

本实用新型还公开了，导管穿过模块，使得各模块共享相同的液体试样。

本实用新型还公开了，输送或保持水样的导管由真空室围绕，该真空室防止了导管的外壁上的冷凝，并且还充当热绝缘体。

根据本实用新型的另一个特征，输送或保持水样的导管是平行六面体，从而通过使所有光程具有相同的路线而防止光反射和内部光路。从而提高了设备的模块的检测极限。

本实用新型还公开了，输送或保持水样的导管由石英或玻璃形成，从而当波长是紫外线波长时改善了光发射的通路。

本实用新型的技术效果是提供了用于测量离散波长下的吸光度和其它物理化学参数的紧凑和廉价的设备。

附图说明

附图通过非限制性实例示出了根据本实用新型的用于测量参数的光学模块的变型。具体而言：

图1是设备的光学模块的框图；

图2是设备的用于根据图1的框图计算吸光度的光学模块的侧视图；

图3是设备的另外用于计算荧光度的另一光学模块的侧视图；以及

图4是设置有聚集在一起的几个光学模块的设备的视图。

具体实施方式

参考详细地示出了本实用新型的设备1和其模块21的上述附图进行下列描述。

图1示出了形成设备1的每个光学模块21的不同方块，这些光学模块用于测量设备的液体试样2的参数，特别是在波长（λ）下的吸光度，然而也适用于测量液体的如荧光度或衍射强度等其它物理化学参数，这将在下面进行描述。

本实用新型的设备1的每个模块21还允许同时测量试样2的不同参数。几个模块21可以如图4所示在同一个设备1中聚集在一起，以便同时分析相同的水样2。

因此，本实用新型的设置有光学模块21的设备构造用于水质控制和监测。

每个模块21具有电源装置3，其构造成产生具有直流和交流分量的电源信号13。直流分量具有强度Idc，交流分量是具有强度Iac和已知的第一频率的正弦信号。电源信号13用来馈给光学发射装置4，光学发射装置4发射第一波长的光学信号5。在图2所示的变型中，光学发射装置4包括254nm的紫外线波长的LED14，其构造成计算由于有机成分导致的吸光度。当然，在适当情况下，发射如280nm，330nm和860nm的紫外波段下以及可见或红外波段下的电磁辐射的其它LED可以用来检测水样2的其它参数。

对于以适当方式发射的LED14，由其电源信号13提供的强度必须是正的并且在其工作区域的适当范围内，即，该范围允许LED14发射的电磁辐射的功率可由光学接收装置7a、7b正确地检测，如下所述，这是因为LED14被馈给Idc-Iac与Idc+Iac之间的强度。因此，LED14发射振幅调制的光学信号5，光学信号5的载体将是电源信号13，并且光学信号5的调制器将具有LED14的发射波长。

LED14产生的光学信号5被分成第一部分5a和第二部分5b，第一部分5a指向第一光学接收装置7a，第一光学接收装置7a构造成接收与LED14发射的波长相同的波长，第二部分5b穿过要分析的水样2，在第二部分5b穿过所述水样2之后所得到的信号5b’利用构造成接收第二预定波长的第二光学接收装置7b进行检测。在图2的变型中，第一和第二光学接收装置7a、7b是光电晶体管17a、17b，其接收波长与LED14发射的波长相同。这些光电晶体管17a、17b构造成接收包括LED14的发射波长的波长范围，并且其带宽足够窄以充分减弱其它干扰光学信号。

为了提高每个光电晶体管17a、17b的输出端处的信号水平，所述光电晶体管包括为两个光电晶体管17a、17b的输出信号提供相同增益的预放大装置。

然而，光电晶体管17a、17b的带宽没有窄到足以消除其它干扰光学信号，例如来自相邻的光学模块1的信号，并且需要利用零差检测装置8a、8b处理的后续阶段，包括第一频率下的第一相干解调步骤和第二低通滤波步骤，由此在检测装置8a、8b的输出端处获得与检测装置8a、8b的输入信号的第一频率的分量的振幅相等的电压值。在图2的变型中，检测装置8a、8b是现有技术已知类型的模拟锁相放大器18a、18b，并且它们使用电源信号13作为参考信号。

锁相放大器18a、18b允许获得基本直流输出值，其与输入信号的位于参考信号的频率下的交流分量的振幅成比例。在本实用新型的上下文中，每个锁相放大器18a、18b的输入信号是与每个光电晶体管17a、17b的输出对应的预放大信号，并且参考信号是电源信号13，如图1和2所示。必须考虑到，锁相放大器18a、18b的输出值将以与第一频率下的输入信号和参考信号的相位差成比例的方式被减弱。理想地，如果两种信号都处在那个频率下的相位中，则将不存在衰减，但是由所述相位差引起的衰减可以极大地降低锁相放大器18a、18b的输出值或者甚至取消它。因此，在这种情况下，有必要引入各锁相放大器18a、18b的输入信号和电源信号13之间的同步或延迟步骤。

分别在锁相放大器18a、18b的输出端获得由光电晶体管17a、17b接收到的与对应光学信号的调制器的振幅成正比的基本直流电压。

当然，为了能够稍后比较这些值，如果锁相放大器18a、18b具有内部放大步骤，则由两个锁相放大器18a、18b提供的增益必须相同。第一锁相放大器18a的输出电压是参考电压10a，其总是等于或大于在第二锁相放大器18b的输出端获得的衰减电压10b。通过在比较装置9b中将参考电压10a与衰减电压10b比较来计算相对衰减值20b，比较装置9b在图2的变型中由对数放大器19b组成，对数放大器19b在其输出端提供为分贝的相对衰减值20b。相对衰减值20b在LED14的发射波长下与试样2的吸光度成比例，然后被发送到用于监测和处理的测量站（未示出）。

令人特别感兴趣的是，所述参考电压10a是恒定的，并且具有构造成能够将参考电压10a和衰减电压10b正确比较的值。

由于LED14在其整个使用寿命中的老化，对于一个相同的电源强度而言，所述LED发射的光学信号5的功率逐渐减小。结果，对数放大器19b的参考电压10a也将减少，不能在LED14的整个使用寿命中如希望的那样保持恒定。

有利地，通过评估参考电压10a并对电源装置3起作用的平衡装置23，本实用新型的设备1的每个模块21使用参考电压10a来补偿电源装置3，使得当参考电压10a由于LED14的老化而减小时，电源装置3提供给LED14的强度成比例地增加，以保持参考电压10a恒定。电源装置3也具有防止对LED14造成损害的限流器，当要提供给LED14的用于保持参考电压10a的强度可能对LED14造成损害时所述限流器便起作用。从这一刻起，因为提供给LED14的强度不再能增加，所以参考电压10a无法维持，因此对数放大器19b的操作条件将不再是理想的。尽管如此，由于该减少将影响参考电压10a和衰减电压10b两者，所以对数放大器19b的输出端的相对衰减值20b将保持稳定，直到所述相对衰减值20b变得不得不降低，此时设备1中的光学模块21就得更换了。

图3示出了与图2所示变型类似的另一实施例变型，但是还包括位于90度处的第三光电晶体管17c，第三光电晶体管17c接收到的波长不同于由LED14发射的波长，用于检测当光学信号5b的第二部分穿过水样2时产生的荧光，从而产生荧光学信号5c。在这种情况下，还使用第三锁相放大器18c，其输出电压10c在第二对数放大器19c中与参考电压10a相比较，从而在第二对数放大器19c的输出端获得与荧光度20c成比例的电压值。

为了简化本实用新型的描述，所示变型仅仅具有光学发射装置4，其被馈给包括第一频率的单一正弦交流分量的电源信号13。然而，使用和组装在设备1中的用于测量相同试样2的参数的不同的相邻光学模块21必须使其电源信号在各频率下的正弦交流分量彼此正交，从而能够利用零差检测装置8a、8b过滤由相邻模块21的光学发射装置4产生的干扰。光学模块21布置在设备1中而允许容易组装和更换光学模块21的这种布置显示在图4中，由于不同光学模块21布置在单个电子板11中，以在任一个模块21达到其使用寿命末尾时便于更换。从图4可以看出，不同模块21与要分析的水样2流过的导管12垂直地组装在设备1中，使得导管12以垂直的方式穿过模块21，并且设备1的不同模块21因而可以共用水样2。为了便于清洗和维修，导管12被设计成可拆卸。

可以看出，输送或保持水样2的导管12由真空室22围绕，从而当水样2和室温之间存在温度差时，成功地阻止了水蒸气凝结在导管12的外壁上（水蒸气凝结在导管12的外壁上可能会改变参数的读数），这样真空室22又充当热绝缘体。此外，为了使反射和光学信号5b的第二部分穿过导管12的壁之后必须行进的内部路径最小化，所述导管被设计成例如正方形或矩形的棱柱形等平行六面体，使得导管12的至少一些壁（光学信号5b的第二部分通过这些壁进入和离开导管）基本上垂直于光学信号5b的所述第二部分的入射方向。还令人感兴趣的是，输送或保持水样2的导管12由玻璃或石英制成，从而有利地透过紫外线辐射并防止过度辐射衰减。

如上所述，每个模块21的电源信号13的交流分量彼此正交，使得即使各模块21同时工作在设备1中，并且甚至每个电子板11的LED14发射相同的波长，信号也可以由对应光电晶体管17b正确地接收然后由锁相放大器以零差方式在其对应的电源频率下过滤，从而防止了设备1的不同模块21的LED14之间的干扰。同样，可以在设备1中的单一电子板11中将几个模块21聚集在一起，其中还可以添加另外的模拟或数字处理步骤。

Claims (11)

1.用于水质控制的测量离散波长下吸光度的设备（1），其特征在于，包括用于输送或保持水样（2）的导管（12），并设置有至少一个模拟模块（21），所述模拟模块包括：

构造成产生电源信号（13）的电源装置（3），所述电源装置设有限流器；

构造成产生第一波长的光学信号（5）的光学发射装置（4）；

构造成将光学信号（5a）的第一部分朝向第一光学接收装置（7a）引导、并且将光学信号（5b）的第二部分朝向第二光学接收装置（7b）引导的分光装置（6）；

构造成接收第一波长的电磁辐射的第一光学接收装置；

构造成接收第二波长的电磁辐射的第二光学接收装置，所述用于输送或保持水样的装置介于所述光学发射装置和所述第二接收装置之间；

构造成检测所述第一和第二光学接收装置的输出信号的位于第一频率下的交流分量的振幅值的检测装置（8a，8b），所述检测装置包括各自的锁相放大器（18a，18b）；以及

构造成建立所述检测装置检测到的值之间关系的比较装置（9b）。

2.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，所述模拟模块（21）的光学发射装置是LED（14）。

3.根据权利要求2所述的设备（1），其特征在于，所述LED（14）构造成产生紫外波段中的第一波长的光学信号（5）。

4.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，所述模拟模块（21）的电源装置（3）包括电流平衡装置（23），其被馈给参考电压（10a）。

5.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，所述模拟模块（21）还包括第三光学接收装置（7c）。

6.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，每个所述模拟模块（21）的电源信号（13）具有正弦交流分量和直流分量。

7.根据权利要求6所述的设备（1），其特征在于，所述模拟模块（21）的电源信号（13）的交流分量彼此正交。

8.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，所述导管（12）以垂直的方式穿过所述模拟模块（21）。

9.根据权利要求8所述的设备（1），其特征在于，输送或保持水样（2）的导管（12）由真空室（22）围绕。

10.根据权利要求9所述的设备（1），其特征在于，输送或保持水样（2）的导管（12）是平行六面体。

11.根据权利要求10所述的设备（1），其特征在于，所述导管（12）由石英或玻璃制成。