CN205786295U - 一种双光路水体环境在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双光路水体环境在线测量装置，控制与信号处理模块控制光源控制板，光源控制板控制光源工作，光源发出紫外可见光，紫外可见光经透镜一后变为平行光；平行光被分为两路，一路穿过石英光窗后经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块，用于测试待测水样；另一路作为光源能量变化的参考信号经参考光路经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块；电机转动带动挡片摆动，挡片有两个静止位置，分别对应测量光路与参考光路光通过位置，从而使测量光路与参考光路光信号分别经透镜聚焦后通过光纤被采集模块采集；本实用新型采用双光路结构，可有效的避免光源波动及光源衰减带来的影响，提高了装置的测量稳定性和准确性。

Description

一种双光路水体环境在线测量装置

技术领域

本发明专利涉及水体环境污染在线监测领域，尤其涉及环境光学监测技术领域，具体为一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的迅速发展，国内环境污染日益严重。其中，水体环境污染已经十分突出。污染物进入水体后对水体环境、水生动植物具有严重危害，饮用水中大量存在此类污染物会对人体健康造成危害。目前对于水体中污染物的传统检测方法主要依靠化学试剂法。传统方法多以现场采样、实验室分析为主，需要进行水样预处理，步骤繁琐，成本高，难以满足现代环境监测的要求；此类分析方法对操作人员的健康构成威胁，如果废液直接排放到环境当中，还会造成非常严重的二次污染。然而光谱法不需要任何化学试剂，对水质本身没有影响，而且现场直接测量，不需要对水样进行预处理，检测速度快，避免了繁琐的步骤。目前国内采用光谱法检测水体中部分污染物的仪器多采用单光源，测量参数单一。与西方发达国家相比，我国的水体水质环境探测、传感器技术总体是落后的，缺乏价格合理、可实现全面、实时、快速、精确多参数同时检测的自主知识产权的传感器分析仪器，这种局面严重制约了对水体水质环境的监测与控制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述方面的缺点，实现水体不同污染物的同时实时、在线测量，本发明提供一种基于光谱测量技术，无需 化学试剂，几乎不用维护，且不易受到外界干扰性能优异，使用方便的探头式在线测量装置。装置主要由传感器壳体、控制与信号处理单元、光源和信号采集单元四部分组成，实现了现场实时、快速精准监测水体COD、BOD、TOC、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐和浊度等污染物浓度的目的。该装置控制与信号处理模块控制光源控制板，光源控制板控制光源工作，光源发出紫外-可见光，紫外-可见光经透镜后变为平行光，平行光被分为两路，一路用于测试待测水样，另一路作为光源能量变化的参考信号。通过控制与信号处理模块控制电机工作，电机转动带动挡片摆动，从而使测量光路与参考光路光信号分别经透镜聚焦后通过光纤被采集模块采集。采集光信号经控制与信号处理模块处理后由接头对外输出。

本发明具体技术方案如下：

一种双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：包括传感器壳体、控制与信号处理单元、光源和信号采集单元。

所述传感器壳体包括接头、外壳、石英光窗、清洁刷和气管接口；

所述控制与信号处理单元包括控制与信号处理模块、光源控制板、电机和挡片；

所述信号采集单元包括透镜、光纤、采集模块和温度测量模块；

其中：

控制与信号处理模块控制光源控制板，光源控制板控制光源工作，光源发出紫外可见光，紫外可见光经透镜一后变为平行光；平行光被分为两路，一路穿过石英光窗后经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块，用于测试待测水样；另一路作为光源能量变化的参考信号经参考光路经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块；

控制与信号处理模块控制电机工作，电机转动带动挡片摆动，挡 片有两个静止位置，分别对应测量光路与参考光路光通过位置，从而使测量光路与参考光路光信号分别经透镜聚焦后通过光纤被采集模块采集；

控制与信号处理模块控制温度测量模块对现场水体进行温度测量；采集光信号与温度信号经控制与信号处理模块处理后由接头对外输出。

外接气泵通过气管对石英光窗定时进行清洗，在气泵工作的同时清洁电机工作。

所述光源采用脉冲氙灯，波长范围185nm-2000nm；所述光源控制板采用二次电压变换，由12V升压至脉冲氙灯工作电压。

本发明的优点是：

1、采用脉冲氙灯作为光源，并在光源前端设计一个光源控制板，光源控制板通过二次电压变化为光源提供稳定的电压输入，保证了测量的准确性；

2、探测机理采用光学方法进行探测，不需要化学试剂，对水质本身没有影响，而且现场直接测量，不需要对水样进行预处理，检测速度快，避免了繁琐的步骤，仪器几乎不用维护，简便实用，可以通过远程通讯接口，进行数据自动采集与传输，适用于长期无人值守监测；

3、光路结构采用双光路结构，为测量设置一个参考光路，可有效的避免光源波动及光源衰减带来的影响，提高了装置的测量稳定性和准确性；

4、本发明的计算方法是将紫外-可见波段的光作为整体光谱考虑，基于人工智能算法进行浓度计算，可以有效消除不同成分带来的交叉干扰，具有更高的灵敏度和准确性；

5、可同时测量多种水质参数，包括COD、BOD、TOC、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐和浊度等，并设计一个温度测量模块，实时检测水体环境温度；

6、装置设计一个自动清洗装置，外接气泵通过气管对石英光窗定时进行清洗，气泵工作同时清洁刷工作，两者同时工作可有效降低光窗污染，减少测量误差。

本发明的效果：

本发明的一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置采用测量透射光信号强度反演COD、BOD、TOC、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐和浊度等污染物浓度，可实现对水体环境的直接测量、检测速度快，避免繁琐的步骤，同时不需要化学试剂，避免对水质的二次污染。采用双光路结构，可有效的避免光源波动及光源衰减带来的影响，提高了装置的测量稳定性和准确性。从而实现快速、实时、精确掌握水体COD、BOD、TOC、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐和浊度等污染物变化情况，提高环境保护部门对水体环境的监测水平，为有效防治水体COD、BOD、TOC、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐和浊度等污染物污染提供有力的技术支撑。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图1中：1、光源控制板；2、光源；3、外壳；4、透镜；5、石英光窗；6、测量光路；7、参考光路；8、挡片；9、电机；10、透镜；11、光纤；12、采集模块；13、控制与信号处理模块；14、接头；15、温度测量模块；18、清洁电机；19、清洁刷。

图2是本发明装置挡片示意图；

图2中：6、测量光路；7、参考光路；8、挡片；801、挡片孔； 901、电机轴；挡片A位置；挡片B位置。

图3是装置气路清洗结构示意图；

图3中：5、石英光窗；16、气路；17、气管接头。

图4是本发明装置测量光窗位置示意图；

图4中：6、石英光窗；1801、电机轴；19、清洁刷；清洁刷C位置；清洁刷D位置。

具体实施方式

图1所示包括传感器壳体、控制与信号处理单元、光源和信号采集单元。

所述传感器壳体包括接头14、外壳3、石英光窗5、清洁刷19和气管接口17；

所述控制与信号处理单元包括控制与信号处理模块13、光源控制板1、电机9和挡片8；

所述信号采集单元包括透镜4和10、光纤11、采集模块12和温度测量模块15。

其中：

采用脉冲氙灯作为光源2，并在光源2前端设计一个光源控制板1，为光源2提供稳定的电压，保证光源2的稳定正常工作。

控制与信号处理模块13控制光源控制板1，光源控制板1控制光源2工作，光源2发出紫外可见光，紫外可见光经透镜4后变为平行光，平行光被分为两路，一路用于测试待测水样，另一路作为光源2能量变化的参考信号。通过控制与信号处理模块13控制电机9定时工作，电机9转动带动挡片8摆动，挡片8有两个静止位置，分别对应测量光路6与参考光路7光通过位置，从而使测量光路6与参考光路7光信号分别经透镜10聚焦后通过光纤11被采集模块12采集。控制与信号处理模 块13控制温度测量模块15对现场水体进行温度测量。采集光信号与温度信号经控制与信号处理模块13处理后由接头14对外输出。

所述光源2采用脉冲氙灯，波长范围185nm-2000nm。

所述光源控制板1采用二次电压变换，由12V升压至脉冲氙灯工作电压。

所述光路结构采用双光路结构，一路经石英光窗5后作用于待测水样用来测量待测水样，另一路未经过任何样品作为光源2能量变化的参考信号。

图2所示包括测量光路6、参考光路7、挡片8、挡片孔801、电机轴901、挡片A位置和挡片B位置。所述控制与信号处理模块13定时控制电机9转动，电机9通过电机轴901带动挡片8在A位置和B位置之间来回摆动。当挡片8在A位置时，挡片8挡住测量光路6的光通过，参考光路7的光通过挡片孔801通过后被采集。当挡片8摆动至B位置时，参考光路7的光被挡片8挡住，测量光路6被打开，测量光通过后被采集。

图3所示包括石英光窗5、气路16和气管接头17。通过气管接头17将气路连通，外接气泵将外部气体输入传感器测量位置对石英光窗5定时进行清洗。

图4所示包括石英光窗5、电机轴1801、清洁刷19、清洁刷A位置和清洁刷B位置。所述控制与信号处理模块13定期控制电机18转动，电机18通过电机轴1801带动清洁刷19在清洁刷C位置和清洁刷D位置之间来回摆动，去除石英光窗5上的污渍。

本实用新型采用气体喷口与清洁刷组合的方式清洗石英光窗的原理是：由于在水下，尤其是较深的水下，电机驱动的清洁刷摆动阻力较大，且与光窗间的压力较小，无法完全清除一些附着物，而采用 气体喷口的好处，一方面是可通过气体向石英光窗喷射，形成一个局部的气液混合空间，这样，清洁刷的摆动阻力大为减小；此外，由于气体是喷向石英光窗方向，清洁刷的垂直于喷口方向的表面是一个片状，因此，给清洁刷的表明施加一定的压力，可保证清洁刷与石英光窗的紧密贴合，提高了清洁效率；再次，可采用通过气体喷口施加药物的方法去除附着物，以达到彻底清洁石英光窗的目的。

本发明原理是：不同分子结构导致不同物质对光有选择吸收性，从而产生不同的吸收光谱，可通过研究吸收光谱特性来对物质进行分析。根据物质的吸收光谱曲线的形状，吸收峰的数目、高度和对应的波长，可对物质进行定性分析。在一定的浓度范围内不同浓度的污染物与其特征峰的高度(吸光度值)呈线性关系，通过测量其特征峰的高度(吸光度值)可以反演出污染物浓度。对于COD、NO3-N和浊度而言，COD和NO3-N的吸收峰之间基本没有影响可忽略，浊度的吸收光谱对于COD、NO3-N的吸收峰均有影响，在计算时应扣除浊度信号对COD、NO3-N的影响。

Claims (2)

1.一种双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：包括传感器壳体、控制与信号处理单元、光源和信号采集单元；所述传感器壳体包括接头、外壳、石英光窗、清洁刷和气管接口；所述控制与信号处理单元包括控制与信号处理模块、光源控制板、电机和挡片；所述信号采集单元包括透镜、光纤、采集模块和温度测量模块；其中：控制与信号处理模块控制光源控制板，光源控制板控制光源工作，光源发出紫外可见光，紫外可见光经透镜一后变为平行光；平行光被分为两路，一路穿过石英光窗后经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块，用于测试待测水样；另一路作为光源能量变化的参考信号经参考光路经透镜二汇聚成光束经光纤传输至采集模块；控制与信号处理模块控制电机工作，电机转动带动挡片摆动，挡片有两个静止位置，分别对应测量光路与参考光路光通过位置，从而使测量光路与参考光路光信号分别经透镜聚焦后通过光纤被采集模块采集；控制与信号处理模块控制温度测量模块对现场水体进行温度测量；采集光信号与温度信号经控制与信号处理模块处理后由接头对外输出；外接气泵通过气管对石英光窗定时进行清洗，在气泵工作的同时清洁电机工作。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光源采用脉冲氙灯，波长范围185nm-2000nm；所述光源控制板采用二次电压变换，由12V升压至脉冲氙灯工作电压。