CN208239295U - 水质在线监测仪及测量单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水质在线监测仪，其包括用于对水样的水质进行测量的测量单元，该测量单元包括：测量池；光源装置，其构造成向所述测量池发射用于监测所述待监测的水样的光；第一光接收器，其用于接收透射经过所述待监测的水样的光；测量单元主体，测量池布置在测量单元主体之内，测量单元主体呈中空主体的形式，中空主体构造成密封地包围所述测量池，以阻止位于测量单元主体之内的空气与位于其外的环境空气之间的对流。本实用新型还涉及一种测量单元。借助它们可以显著减少测试COD因环境的变化。

Description

水质在线监测仪及测量单元

技术领域

本实用新型涉及一种水质在线监测仪，该水质在线监测仪包括用于对水样的水质进行测量的测量单元。此外，本实用新型也涉及一种测量单元、尤其是用于水质在线监测仪的测量单元。

背景技术

目前，水污染问题作为一个突出的环境保护问题日益引起关注。为了保护人类赖以生存的水环境、确保人们饮水卫生，一方面需要对生产、生活中的水质进行检测，另一方面，也须加强对各种生产和生活污水排放的监测。

在对水环境进行监测的过程中，通常采用水质检测装置，其已经广泛应用于发电厂、生活污水处理厂、纺织厂、制药厂、环保部门、防疫部门、医院等等。尤其是，水质分析仪的质量对水环境监测起着至关重要的作用。

目前，我国水体污染严重，化学需氧量(COD)是水质监测中表征有机物的常测项目，并已成为一个重要的水质监测指标。化学需氧量的国家标准检测方法是重铬酸钾回流法，这种方法具有测定结果准确、重现性好等优点。

现有COD水质在线监测仪器是以重铬酸钾法对地表水，生活污水以及工业废水等各行业的水质进行COD物质含量的在线监测。其主要测试原理是运用分光光度法。

更具体来说，通过分光光度法进行测量时提供了一种非破坏性的方案。这种可量化的检测形式易于使用且高度准确，并消除了人为的错误风险。而且目前国产大多数水质检测仪采用的都是通用检测标准。分光光度计通过使用颜色指数量化获得测量值，为水质所需要的参数提供精确分析。另外，分光光度计不仅可以测量颜色值，而且还可以测量特定波长的光，这有助于对各种水源中发现的化学成分的确切属性进行分类。精确的吸收值测量有助于识别和量化这些化合物的含量，从而提供有关水质的宝贵信息。

根据分光光度法，主要采用如图1中所示的测量模块，这种测量模块包括一个LED发射光源、测量池以及一个光接收器PD。

目前，COD水质在线监测仪器存在的主要问题是可能产生的温漂。具体来说，目前市面上主流的在线COD检测仪一般都将LED作为检测光源，而LED光源的发光效率却会随环境温度的变化而变化，因而可能造成COD检测结果也随环境温度而波动，给出误差较大的测试结果。

在采用分光光度法测试COD时，一般采用测试产生Cr³⁺离子浓度来表征COD浓度，检测Cr³⁺使用600～610nm的LED灯，当环境温度从5℃变化到40℃时，其发光效率变化达40％。同时，Cr³⁺的发光颜色也随其消解溶液的温度而发生改变，当消解溶液温度高，Cr³⁺颜色也越深，反之，也就越浅。当环境温度发生变化，其消解溶液温度也会发生变化。

鉴于上面两种因素的影响，当环境温度从5℃变化到40℃时，COD测量值误差可以超过40％。

为了解决COD测试的上述温漂问题，目前已知的常规的解决方案可能包括如下几种方案。

例如，可以采用分光系统，使用参考光路来减少温度的影响，但由于其分光设计以及分光片的透射和反射的比率没有考量，因而没有很好解决LED发光效率变化对测试吸光度时的影响。

又例如，在COD检测过程中，尽管测量池的温度被保持在100～175℃，但温度传感器设置在测量池上的一个小洞中，测试得到的温度是小洞或其测量池表面的温度，并不是测量池中被消解样品的实际温度；在实际测试被消解样品温度时发现其实际温度是随环境温度变化而变化的。

或者，采用温度校正方程来校准。然而，因为在线COD分析仪中各个零部件的差异，不可能采用统一的温度校正方程来校准所有仪器，同时随使用时间和环境的变化，即使同一台设备也会表现不同温度校正方程，因而温度校正方程也一般不被采用。

至此，即使在市场上占主导地位的一些公司的在线COD分析仪，其温漂(5℃到40℃)也有35％。彻底解决COD测量温漂问题也是一项很挑战的事情。

因此，在水质在线监测领域中始终存在对减少COD检测结果随环境变化而产生的变化、即温漂的需求。

实用新型内容

本实用新型涉及一种水质在线监测仪，水质在线监测仪包括用于对水样的水质进行测量的测量单元，测量单元包括：测量池，测量池构造成容纳待监测的水样；光源装置，光源装置构造成向测量池发射用于监测待监测的水样的光；第一光接收器，第一光接收器用于接收透射经过待监测的水样的光；测量单元主体，测量池布置在测量单元主体，其中，测量单元主体呈中空主体的形式，中空主体构造成密封地包围测量池，以阻止位于测量单元主体之内的空气与位于其外的环境空气之间的对流。

借助该水质在线监测仪，可以大幅提高测量单元主体内外的空气热阻，从而可以使测量池内的液体温度保持不变，进而显著减少化学需氧量的检测结果随环境的变化。

此外，测量单元主体还可以构造成能够支承光源装置和第一光接收器。由此，光源装置和第一光接收器能以紧凑的结构相对彼此布置。

另外，测量池优选地在测量单元主体之内布置成与测量单元主体径向间隔开，从而降低测试点处温度随测量单元主体的温度变化的不期望的影响。

有利地，第一光接收器定位成关于测量池与光源装置相对地设置。因此，光源装置发射出的光透射经过位于测量池内的液体被第一光接收器适当地接收并由此对水质进行检测。

优选地，测量单元主体可以包括从侧面包围测量池的池壁，在池壁上设有沿其厚度延伸的通孔，光源装置和第一光接收器分别经由通孔插设在池壁上。由此，能以紧凑的结构稳定地支承光源装置和第一光接收器，并且使二者的相对位置可靠地固定。

较佳地，光源装置可以包括光源元件和分光元件，该分光元件构造成使来自光源元件的光中的一部分透射经过分光元件，而光中的另一部分经由分光元件反射，经透射的一部分光与经反射的另一部分光彼此垂直。由此得到的实时吸光度基本不随环境温度的变化而变化。

更佳的是，测量单元还可以包括第二光接收器，第二光接收器用于接收经分光元件反射的另一部分光，第二光接收器布置在测量单元主体的外部。特别是，分光元件的分光比率与第一光接收器和第二光接收器到分光元件的距离可以设计成使得由第一光接收器和第二光接收器测得的电压随环境温度的变化率与分光比率保持一致。

经由分光元件的光透射与光反射之间的分光比率设定为70(正负10％)/30(对应地负正10％)。借助具有70/30的分光系数(即，透射光与反射光之间的比例)的分光元件，可以达到最小的误差比率。

另外，水质在线监测仪还可以包括温度传感器，该温度传感器布置在测量单元主体之内并且在测量池上从外部开设的凹入小孔中，由此精确地测量测试点处的温度。

此外，本实用新型还提供一种测量单元，该测量单元用于对容纳于测量池内的水样的水质进行测量，测量单元包括：光源装置，光源装置构造成能向待监测的水样发射光；第一光接收器，第一光接收器用于接收透射经过待监测的水样的光；测量单元主体，其中，测量单元主体呈中空主体的形式，中空主体构造成相对于环境为密封的，以阻止位于测量单元主体之内的空气与位于其外的环境空气之间的对流。

借助该测量单元，可以增大温度传感器所在的测量点与环境温度之间的热阻，从而减少化学需氧量的检测结果随环境的变化。

附图说明

图1示意地示出根据现有技术的用于水质在线监测仪的测量单元的结构图；

图2示意地示出根据本实用新型的一个实施例的用于水质在线监测仪的测量单元的结构图；以及

图3示出根据图2的测量单元的热量流的示意流向图。

具体实施方式

在本实用新型的各个附图中，仅示意性地示出COD水质在线监测仪100的各个部件之间的基本的流体连接关系，而没有具体示出流体回路中的其它必要部件(例如，控制部件、供电部件、驱动部件等)。但本领域技术人员可以理解到，未示出的部件并不是本实用新型的重点内容，因而在下文中不再赘述。

根据本实用新型的水质在线监测仪100可以包含消解单元，用于水质监测用的水样本身、一种或多种反应试剂、空气等可以依次流入该消解单元进行化学反应。

根据本实用新型的水质在线监测仪100还应包括测量单元20。例如，构造成包含测量池22的测量单元20接纳来自消解单元中已经经过化学反应的液体，从而对该液体进行化学需氧量的监测、或者氨氮含量的监测。有利地，测量池22主要用于容纳待监测的水样(该待监测的水样为经反应后的水样，而不是原始水样)。

但可以理解到，消解单元和测量单元20可以集成为一个模块、例如消解测量模块，即水样在该模块内可以进行化学反应、诸如消解以及在同一模块中进行测量。但也可以理解到，消解单元和测量单元20是彼此独立的两个单元，即仅在测量单元20中对水样的水质进行测量。

在采用分光光度法测试COD时，该测量单元20包括至少一个光源装置。优选地，该光源装置包括诸如LED的光源元件24，但也可以设想其它常见的可见或不可见的光源元件24。该光源装置主要用于向测量池22发射用于监测水样的光。

为此，可以理解到，测量单元20的测量池22包含可透过光的池壁材料、尤其是至少部分透光的材质、尤其是透明的材质。鉴于透光材质不是本实用新型的重点内容，因此不再赘述。

相应地，测量单元20还可以包括至少一个光接收器。例如，至少一个光接收器包含第一光接收器28，该第一光接收器28用于接收透射经过测量池22中的待监测水样的光。

特别有利的是，该第一光接收器28与光源装置相对定位成它们关于测量池22为直径上彼此相对的位置、即围绕测量池22彼此间隔开180度。但可以理解到，它们相对彼此的其它位置也是可行的。例如，第一光接收器28与光源装置之间围绕测量池22彼此间隔开并非180度、例如120度到240度，这取决于光接收器需要接收到的透射光的比例。另外，第一光接收器28与光源装置优选为处于同一高度上，但也可以设想处于并非同一高度上，即高度上略有偏差。

根据本实用新型的光源装置除了光源元件24之外还可以包括分光元件26。该分光元件26可以构造成使得来自光源元件24的光中的一部分透射经过测量池22中的液体并且达到第一光接收器28，而来自光源元件24的光中的另一部分经由该分光元件26反射到第二光接收器29。该第二光接收器29可以布置在测量单元主体21的外部(即环境中)。较佳地，经透射的一部分光与经反射的另一部分光的光路彼此垂直延伸，如图2中所示。

换言之，根据本实用新型可采用特定的分光系统，将来自光源元件24、诸如LED的一部分光分光到与样品测量90度的第二光接收器29上。作为参考，通过设计特定分光比率的分光元件26、诸如分光片，以及第一光接收器28和第二光接收器29到分光元件26的距离，以确保在第一光接收器28和第二光接收器29处测得的电压随其环境温度的变化率与二者之间的比率保持一致。这样得到的实时吸光度就基本不随环境温度的变化而变化。

基于对不同分光元件26的不同分光系数的耗时研究，根据本实用新型创造性地采用具有70/30分光系数(即，透射光与反射光之间的比例)的分光元件26。当环境温度由5℃变化到40℃时，可以达到最小的误差比率，具体参见下表1。这是因为由第二光接收器29检测到的光几乎与由第一光接收器28检测到的光其源基本一样。

表1分光元件的分光系数

根据本实用新型的测量单元20有利地包括测量单元主体21。在此，术语“主体”是指占据一定物理空间的实体，即包含一定体积和重量的物体。例如，测量单元主体21可以包括支架、壁部或其它任何适当形式的实体构件。

尤其是，该测量单元主体21可以围绕测量池22布置，即测量池22布置在测量单元主体21的内部。此外，该测量单元主体21可至少用于支承前述光源装置和第一光接收器28。

可以理解到，测量单元主体21为中空主体的形式、例如中空圆筒体或其它不规则的中空主体。因此，当测量池22布置在测量单元20的中空主体之内时，测量池22(例如，以测量池22的池壁)与该测量单元主体21(即，其中空主体的内壁)径向间隔开。在此，术语“径向”是指沿测量池22以及测量单元主体21的横截面的直径方向。

另外，测量单元主体21优选地包括围绕测量池22的侧壁，在侧壁上设有沿侧壁厚度方向延伸的通孔。由此，光源装置和第一光接收器28可以直接经由这些通孔被插设到侧壁上的对应位置、例如直径上彼此相对的位置，如图2中清楚所示。

特别有利的是，光源装置可以至少部分地突伸到测量单元主体21的侧壁之内，以接近并触碰到位于测量单元主体21内的测量池22(的池壁)。光源装置的该突伸到测量单元主体21的侧壁之内的部分有利地至少部分用于支承温度传感器。测量池22的池壁上可以包括向内凹入一定厚度的小孔(但并不穿过池壁)，温度传感器可以安置与该凹入的小孔中。此时，该凹入的小孔与光源装置一起用于支承该温度传感器。替代地，也可以设想仅借助凹入的小孔来支承温度传感器。

该温度传感器的位置可以用作温度测试点。如图3中所示，在该温度测试点Pt处的温度被标记为Tp。另外，在该测量单元主体21之外的环境中的温度被标记为Am(即，环境温度，或者也可以简单地理解成测量单元主体21的外壁处的温度，如图3中箭头所示)，而位于测量池22中的液体温度被标记为X。

接下来，参照图3具体阐释根据本实用新型的测量单元温度控制的策略。

如前所述，在图3中示意地标出位于测量池22中的经化学反应的液体的温度X、环境温度Am(或者说测量单元20外壳处的温度)和测试点Pt的温度Tp。尤其是，还在图3中示意地示出了在热量流动的方向上，这三种温度之间的关系，其中，A指X与Pt之间的热阻，B指Pt与Am之间的热阻。

根据如下一系列公式，可以得出这样的结论：

从上述分析可以得出，如果A<<B，则-A/B接近于0，此时可以得出X＝Tp，即、位于测量池22内的液体的温度X与测试点的温度Tp为一致的。由此，在环境温度(Am)发生变化时，控制测试点温度Tp实际不变，因而就可以使位于测量池22内的液体的温度保持不变。

为了获得X与Pt之间的热阻<<Pt与Am之间的热阻，根据本实用新型，可以采用至少两个措施：

第一，可以降低A的值，即减小位于测量池22内的液体与温度传感器所在的测量点之间的热阻尽可能小。为此，可以将目前通常为3毫米及以上的测试点的凹入小孔的厚度降低到1.5毫米以下、例如0.5到1.5毫米、尤其是1毫米左右，以减小二者之间的热阻。

第二，可以增加B的值、即增大温度传感器所在的测量点与环境温度之间的热阻。由于测量单元主体21构造成中空主体且测量池22位于该中空主体之内，因而，在测量单元主体21之内的测量点与位于测量单元主体21之外的环境(或者说测量单元主体21的壁部)之间仅包含空气。

当测量单元主体21之内的测量点与位于测量单元主体21之外的环境(或者说测量单元主体21的壁部)之间的距离为确定的情况下，如果强制使得二者之间存在的空气不发生对流，则它们之间的热阻B的值可以明显提升，这是因为如果存在空气对流则会大幅降低空气的热阻。

在现有技术的测量单元的情况下，通常采取四面支架的形式来固定测量池22以及安装光源和光接收器。此外，还可能采用风扇来使得测量池22进行降温。

但与此完全不同的是，根据本实用新型的上述分析，应将测量单元主体21构造成密封地包围测量池22，以阻止位于测量单元主体21之内的空气与位于测量单元主体21之外的环境空气之间发生空气对流。

特别是，测量单元主体21可以包括从侧面包围测量池22的侧壁，尽管在侧壁上留有用于支承光源装置和第一光接收器28的通孔，但由于光源装置和第一光接收器28插设在该通孔中，因此，实际上该侧壁仍然与环境空气密封开，空气不会由于存在这些通孔而流入或流出测量单元主体21。

下表列出了对现有技术中的敞开的测量单元和根据本实用新型的包含温度控制措施的测量单元之间的检测比对情况。

表2敞开的测量单元与经温控的测量单元之间的检测对比

从上表的测试结果来看，对测量单元20与其之外的空气进行控制后，可以显著性地降低位于测量单元主体21中的待监测水样(液体)的温度变化，从而显著减少测试COD因环境的变化。

下面，再给出实际COD在不同的环境温度下的测试结果(比照CCEP(中国环保产品认证)测试)。

表3实际COD在不同环境温度下的测试结果

重复次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10		平均值	标准偏差
														COD，mg/L	160	160	160	160	160	160	160	160	160	0
吸光度@5℃	0.133909	0.131715	0.131746	0.131797	0.130039	0.131797	0.119286	0.1195	0.133196	0.01895
														吸光度@20℃	0.130011	0.12793	0.127531	0.128272	0.1264	0.126503	0.116755	0.1155	0.129158	0.015407
吸光度@40℃	0.125384	0.125278	0.124925	0.126401	0.12358	0.123375	0.113676	0.11395	0.126405	0.01457
														5℃，COD误差，％	2.49％	3.51％	3.27％	3.12％	3.75％	3.36％	3.40％	3.54％	1.49％	2.57％		3.05％	0.68％
40℃，COD误差，％	-3.03％	-2.81％	-2.54％	-1.66％	-2.32％	-2.35％	-4.03％	-2.42％	-2.65％	-1.81％		-2.56％	0.66％
														标准	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％	±5％
通过/失败	通过	通过	通过	通过	通过	通过	通过	通过	通过	通过

由上表可以看出，COD最大平均误差为3.05％，充分满足CCEP中对温漂5％的要求。因此，本实用新型是目前COD仪器行业中第一次不采用温度校准曲线就能直接满足CCEP的要求的技术方案。而且，其对不同部件，重复性都可以满足要求。

总结来说，根据本实用新型的主要改进点包括：

-通过温控措施，在环境温度(Am)发生变化时，控制测试点温度Tp不变，就可以使测量池内的液体温度保持不变，从而显著减少测试COD因环境的变化；

-通过设计分光系统，进一步确保光接收器测得的电压随其环境温度的变化率与其之间的比率保持一致，这样得到的实时吸光度就基本不随环境温度的变化而变化。

尽管本实用新型的水质在线监测仪是按照化学需要量来进行描述的，但不排除对水质的其它量、例如氨氮含量进行测量的应用。

本发明中所述的具体实施例仅为较佳的实施方式，并不意在限制由下述权利要求书所限定的保护范围。本领域技术人员可根据本发明中所述的内容作等效变化与改型，这些都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水质在线监测仪(100)，所述水质在线监测仪包括用于对水样的水质进行测量的测量单元(20)，所述测量单元(20)包括：

测量池(22)，所述测量池(22)构造成容纳待监测的水样；

其特征在于，所述测量单元(20)还包括：

光源装置，所述光源装置构造成向所述测量池(22)发射用于监测所述待监测的水样的光；

第一光接收器(28)，所述第一光接收器用于接收透射经过所述待监测的水样的光；

测量单元主体(21)，所述测量池(22)布置在所述测量单元主体(21)，其中，所述测量单元主体(21)呈中空主体的形式，所述中空主体构造成密封地包围所述测量池(22)，以阻止位于所述测量单元主体(21)之内的空气与位于其外的环境空气之间的对流。

2.如权利要求1所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述测量单元主体(21)构造成能够支承所述光源装置和所述第一光接收器(28)，和/或所述测量池(22)在所述测量单元主体(21)之内布置成与所述测量单元主体(21)径向间隔开。

3.如权利要求2所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述第一光接收器(28)定位成关于所述测量池(22)与所述光源装置相对地设置。

4.如权利要求3所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述测量单元主体(21)包括从侧面包围所述测量池(22)的池壁，在所述池壁上设有沿其厚度延伸的通孔，所述光源装置和所述第一光接收器(28)分别经由所述通孔插设在所述池壁上。

5.如权利要求4所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述光源装置包括光源元件(24)和分光元件(26)，所述分光元件(26)构造成使来自所述光源元件(24)的光中的一部分透射经过所述分光元件(26)，而所述光中的另一部分经由所述分光元件(26)反射，经透射的一部分光与经反射的另一部分光彼此垂直。

6.如权利要求5所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述测量单元(20)还包括第二光接收器(29)，所述第二光接收器(29)用于接收经所述分光元件(26)反射的另一部分光，所述第二光接收器(29)布置在所述测量单元主体(21)的外部。

7.如权利要求6所述的水质在线监测仪，其特征在于，所述分光元件(26)的分光比率与所述第一光接收器(28)和所述第二光接收器(29)到所述分光元件(26)的距离设计成使得由所述第一光接收器(28)和所述第二光接收器(29)测得的电压随环境温度的变化率与所述分光比率保持一致。

8.如权利要求5-7中任一项所述的水质在线监测仪，其特征在于，经由所述分光元件(26)的光透射与光反射之间的分光比率设定为70/30。

9.如权利要求1-7中任一项所述的水质在线监测仪，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器布置在所述测量单元主体(21)之内并且在所述测量池(22)上从外部开设的凹入小孔中。

10.一种测量单元(20)，所述测量单元(20)用于对容纳于测量池(22)内的水样的水质进行测量，

其特征在于，所述测量单元(20)包括：

光源装置，所述光源装置构造成能向待监测的水样发射光；

第一光接收器(28)，所述第一光接收器(28)用于接收透射经过所述待监测的水样的光；

测量单元主体(21)，其中，所述测量单元主体(21)呈中空主体的形式，所述中空主体构造成相对于环境为密封的，以阻止位于所述测量单元主体(21)之内的空气与位于其外的环境空气之间的对流。