CN212180619U - 一种管道式全光谱水质检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种管道式全光谱水质检测装置，包括用于全光谱采集的光谱仪，所述检测装置还包括：用于安装于管道的基于光纤的反射式探头；用于提供紫外光和可见光的氙灯光源；用于同步光源、光谱仪、水路的协同工作模块；用于水路控制和清洗的可控水路管道；用于放置光谱仪与氙灯光源的恒温箱；用于光谱数据处理、水质指标显示的数据处理与显示模块。本实用新型可以同时测量多种水质参数，基于工业现场的管道式安装易于维护、自清洗能力强探头不易污染、光谱仪与光源等其他电子设备在恒温箱放置实现‑20℃～60℃下可靠运行；实现多种混合物质的快速可靠测量。
Description
技术领域
本实用新型属于水质检测领域，具体涉及一种管道式安装的全光谱水质检测装置。
背景技术
随着光谱技术的不断发展，基于光学的水质分析仪器发展迅速。不同的化学物质对不同波长的光吸收强度不同，大多数物质都有对应确定的紫外可见吸收光谱。吸收谱体现了物质的特性，这是全光谱水质检测的基础，进而进行定性和定量的分析。目前市场上的光学水质分析仪器多采用单波长或者双波长进行测量，当水中污染物复杂时，不能有效排除干扰物质的影响，数据结果往往不够可靠，使得这种仪器应用范围窄。全光谱法则是测量紫外乃至可见的波长范围，能够同时测量多种参数，例如硝酸盐、亚硝酸盐、浊度、色度、COD等。
工业生产现场，往往需要管道式安装，便于配合流水线工作，管道的内液体的流动会减少脏污附着，管道式安装成为水质分析仪器的新的应用场景。在水质全光谱采集中，需要光源和光谱仪等关键部件，往往光谱数据的稳定性与可靠性成为测量的关键，窗口脏污、温漂问题、光源的衰减一直是困扰因素。例如S::can 公司的全光谱水质探头，需要增加刷洗模块解决窗口脏污问题。随着环境温度的变化，光谱仪的感光灵敏度会产生漂移，相同浓度的液体，得到吸收谱产生漂移，并且光源的其他电子设备也会受到温度的影响，导致传统设备只能在0～40℃下运行。光源在使用过程中会产生老化问题，设备运行过程中需要对光源强度重新校准，目前比较多的是双光路法进行光源校准，此方法光路复杂，对结构设计和安装要求高，台间一致性差。
发明内容
为了实现工业生产过程中复杂水质的监测，解决传统装置存在的测量参数单一问题和全光谱法测量中存在的窗口脏污、温漂、运行温度范围小、光源衰减等问题，进一步解决传统方法上不能有效降低干扰物质影响的问题，本实用新型提供了一种管道式全光谱水质检测装置，可以同时测量多种水质参数，基于工业现场的管道式安装易于维护、自清洗能力强探头不易污染、光谱仪与光源等其他电子设备在恒温箱放置实现-20℃～60℃下可靠运行；实现多种混合物质的快速可靠测量。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种管道式全光谱水质检测装置，包括用于全光谱采集的光谱仪，所述检测装置还包括：
用于安装于管道的基于光纤的反射式探头；
用于提供紫外光和可见光的氙灯光源；
用于同步光源、光谱仪、水路的协同工作模块；
用于水路控制和清洗的可控水路管道；
用于放置光谱仪与氙灯光源的恒温箱；
用于光谱数据处理、水质指标显示的数据处理与显示模块；
所述光谱仪与基于光纤的反射式探头连接，所述光谱仪与数据处理与显示模块连接，将采集后的数据实时发送给数据处理与显示模块；所述氙灯光源与基于光纤的反射式探头连接，所述协同工作模块分别与光谱仪、氙灯光源和可控水路管道连接，所述可控水路管道与所述反射式探头连接。
进一步，所述光谱仪的测量波长范围为200～630nm，波长分辨率小于3nm，单次采集512个波长数据。
再进一步，所述氙灯光源用于提供激发光源，波长范围为185nm～2000nm，闪烁工作次数支持大于1x109，平均功率10W。
更进一步，所述基于光纤的反射式探头由Y型多芯光纤、光纤准直器、平面反射镜、单向气动接头与探头壳体组成，以上部件均耐高低温。
优选的，所述Y型多芯光纤由1芯+6芯复合组成，1芯端为600um芯径连接光谱仪，6芯端为200um芯径连接氙灯光源，复合端连接光纤准直器。光由氙灯光源发出由6芯端接收，光由复合端输出到光纤准直器，光平行射出打在反射镜上，光经过液体的两次吸收后反射进入光纤准直器，吸收后的光谱通过1芯端进入光谱仪。
再优选的，所述基于光纤的反射式探头的平面反射镜为单独部件置于探头的一端，可以更换该部件来调整探头的光程，进而获得最佳的水质参数测量范围。
更优选的，所述基于光纤的反射式探头的单向气动接头与探头壳体连接，在探头壳体内部用气管将高压气体导入到反射镜与光纤准直器上，可以清除附着在其表面的脏污与水珠。
所述协同工作模块包括2路继电器输出，一个气动电磁阀输出和两路同步工作触发输出，所述协同工作模块与可控水路管道连接，其2路继电器输出，分别连接两个电动三通球阀，所述协同工作模块具有气动电磁阀功能，高压气体接入到气动电磁阀，电磁阀的输出通过气管与反射式探头的单向气动接头连接，进而实现吹气清洁功能。
为了节约氙灯光源寿命，光谱仪与氙灯光源可以同步工作，达到每次采集时光强的一致性。
所述可控水路管道由两个电动三通球阀和一个三通转接头组成，共两路水路输入，两路水路输出；所述两个电动三通球阀由协同工作模块控制实现自来水与工业待测水样的切换，可以根据工业待测水样的脏污程度适当增加或缩短自来水进入管道冲刷的次数，每次冲刷时间最优考虑在30秒为宜。周期性的利用自来水冲刷解决了使用过程中的反射式探头上窗口与反射镜的脏污附着问题；所述三通转接头与基于光纤的反射式探头连接，使得探头深入管道与液体充分接触，并且与探头壳体密闭接触，可以20bar的水压下正常工作。
所述恒温箱由保温材料填充，由开光电源、半导体制冷器(TEC)和扇热风扇组成。箱体内部用于将不耐高低温的电子设备放置于内，包括光谱仪、氙灯光源。
所述数据处理与显示模块由stm32F7系列处理器和RAM、Nand-flash，LCD 显示屏等组成。数据处理与显示模块将光谱仪先将传输过来的暗背景(Dark)、参考光数据记录(I0)，工作过程中将实时获得吸收后的光谱(I)加入进行计算，获得吸光度数据，再将吸光度数据代入提前训练好的算法模型中去，最后的到水质参数。
本实用新型的技术构思为：水质监测领域测量参数单一，往往会受到其他物质的干扰导致精度大幅下降。本实用新型利用管道式安装的优势实现探头不易污染，光源容易在线校准，光谱仪与光源恒温放置，解决了温漂问题，大幅提高了设备的运行温度范围。
本实用新型的有益效果主要变现在：基于工业现场的管道式安装易于维护、自清洗能力强探头不易污染、光谱仪与光源等其他电子设备在恒温箱放置实现 -20℃～60℃下可靠运行。结合全光谱法的优势实现多种混合物质的快速可靠测量。
附图说明
图1是一种管道式全光谱水质检测装置结构框图；
图2是可控水路管道结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1和图2，一种管道式全光谱水质检测装置，包括用于全光谱采集的光谱仪、还包括：
用于安装于管道的基于光纤的反射式探头；
用于提供紫外光和可见光的氙灯光源；
用于同步光源、光谱仪、水路的协同工作模块；
用于水路控制和清洗的可控水路管道；
用于放置光谱仪与氙灯光源的恒温箱。
用于光谱数据处理、水质指标显示的数据处理与显示模块。
所述光谱仪的测量波长范围为200～630nm，波长分辨率小于3nm，单次采集 512个波长数据。
进一步，所述光谱仪与基于光纤的反射式探头连接，采集经过水路吸收后的光谱。
再进一步，所述光谱仪与数据处理与显示模块连接，将采集后的数据实时发送给数据处理与显示模块。
所述氙灯光源与基于光纤的反射式探头连接，提供激发光源，波长范围为 185nm～2000nm，闪烁工作次数支持大于1x109，平均功率10W。
所述基于光纤的反射式探头由Y型多芯光纤、光纤准直器、平面反射镜、单向气动接头与探头壳体组成，以上部件均耐高低温。
进一步，所述Y型多芯光纤由1芯+6芯复合组成，1芯端为600um芯径连接光谱仪，6芯端为200um芯径连接氙灯光源，复合端连接光纤准直器。光由氙灯光源发出由6芯端接收，光由复合端输出到光纤准直器，光平行射出打在反射镜上，光经过液体的两次吸收后反射进入光纤准直器，吸收后的光谱通过1芯端进入光谱仪。
进一步，所述基于光纤的反射式探头的平面反射镜为单独部件置于探头的一端，可以更换该部件来调整探头的光程，进而获得最佳的水质参数测量范围。
再进一步，所述基于光纤的反射式探头的单向气动接头与探头壳体连接，在探头壳体内部用气管将高压气体导入到反射镜与光纤准直器上，可以清除附着在其表面的脏污与水珠。
所述协同工作模块包括2路继电器输出，一个气动电磁阀输出和两路同步工作触发输出。
进一步，所述协同工作模块与可控水路管道连接，其2路继电器输出，分别连接两个电动三通球阀。
进一步，所述协同工作模块具有气动电磁阀功能，高压气体接入到气动电磁阀，电磁阀的输出通过气管与反射式探头的单向气动接头连接，进而实现吹气清洁功能。
再进一步，所述协同工作模块分别连接光谱仪、氙灯光源。为了节约氙灯光源寿命，光谱仪与氙灯光源可以同步工作，达到每次采集时光强的一致性。
如图2所示，所述可控水路管道由两个电动三通球阀、和一个三通转接头组成，共两路水路输入，两路水路输出。
进一步，所述两个电动三通球阀由协同工作模块控制实现自来水与工业待测水样的切换，可以根据工业待测水样的脏污程度适当增加或缩短自来水进入管道冲刷的次数，每次冲刷时间最优考虑在30秒为宜。周期性的利用自来水冲刷解决了使用过程中的反射式探头上窗口与反射镜的脏污附着问题。
再进一步，所述三通转接头与基于光纤的反射式探头连接，使得探头深入管道与液体充分接触，并且与探头壳体密闭接触，可以20bar的水压下正常工作。
所述恒温箱由保温材料填充，由开光电源、半导体制冷器(TEC)和扇热风扇组成。箱体内部用于将不耐高低温的电子设备放置于内，包括光谱仪、氙灯光源。
所述数据处理与显示模块由stm32F7系列处理器和RAM、Nand-flash，LCD 显示屏等组成。数据处理与显示模块将光谱仪先将传输过来的暗背景(Dark)、参考光数据记录(I0)，工作过程中将实时获得吸收后的光谱(I)加入进行计算，获得吸光度数据，再将吸光度数据代入提前训练好的算法模型中去，最后的到水质参数。
上述实施方式为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种管道式全光谱水质检测装置，包括用于全光谱采集的光谱仪，其特征在于，所述检测装置还包括：
用于安装于管道的基于光纤的反射式探头；
用于提供紫外光和可见光的氙灯光源；
用于同步光源、光谱仪、水路的协同工作模块；
用于水路控制和清洗的可控水路管道；
用于放置光谱仪与氙灯光源的恒温箱；
用于光谱数据处理、水质指标显示的数据处理与显示模块；
所述光谱仪与基于光纤的反射式探头连接，所述光谱仪与数据处理与显示模块连接，将采集后的数据实时发送给数据处理与显示模块；所述氙灯光源与基于光纤的反射式探头连接，所述协同工作模块分别与光谱仪、氙灯光源和可控水路管道连接，所述可控水路管道与所述反射式探头连接。
2.如权利要求1所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述光谱仪的测量波长范围为200～630nm，波长分辨率小于3nm，单次采集512个波长数据。
3.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述氙灯光源用于提供激发光源，波长范围为185nm～2000nm，闪烁工作次数支持大于1x109，平均功率10W。
4.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述基于光纤的反射式探头由Y型多芯光纤、光纤准直器、平面反射镜、单向气动接头与探头壳体组成；
所述Y型多芯光纤由1芯+6芯复合组成，1芯端为600um芯径连接光谱仪，6芯端为200um芯径连接氙灯光源，复合端连接光纤准直器，光由氙灯光源发出由6芯端接收，光由复合端输出到光纤准直器，光平行射出打在反射镜上，光经过液体的两次吸收后反射进入光纤准直器，吸收后的光谱通过1芯端进入光谱仪；
所述平面反射镜为单独部件置于探头的一端，可以更换该部件来调整探头的光程，进而获得最佳的水质参数测量范围；
所述单向气动接头与探头壳体连接，在探头壳体内部用气管将高压气体导入到反射镜与光纤准直器上，可以清除附着在其表面的脏污与水珠。
5.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述协同工作模块包括2路继电器输出，一个气动电磁阀输出和两路同步工作触发输出，所述协同工作模块与可控水路管道连接，其2路继电器输出，分别连接两个电动三通球阀，所述协同工作模块具有气动电磁阀功能，高压气体接入到气动电磁阀，电磁阀的输出通过气管与反射式探头的单向气动接头连接，进而实现吹气清洁功能。
6.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述可控水路管道由两个电动三通球阀和一个三通转接头组成，共两路水路输入，两路水路输出；所述两个电动三通球阀由协同工作模块控制实现自来水与工业待测水样的切换，根据工业待测水样的脏污程度适当增加或缩短自来水进入管道冲刷的次数；周期性的利用自来水冲刷解决了使用过程中的反射式探头上窗口与反射镜的脏污附着问题；所述三通转接头与基于光纤的反射式探头连接，使得探头深入管道与液体充分接触，并且与探头壳体密闭接触，在20bar的水压下正常工作。
7.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述恒温箱由保温材料填充，由开光电源、半导体制冷器和扇热风扇组成，箱体内部用于将不耐高低温的电子设备放置于内，包括光谱仪和氙灯光源。
8.如权利要求1或2所述的一种管道式全光谱水质检测装置，其特征在于，所述数据处理与显示模块由stm32F7系列处理器和RAM、Nand-flash，LCD显示屏等组成，数据处理与显示模块将光谱仪先将传输过来的暗背景、参考光数据记录，工作过程中将实时获得吸收后的光谱加入进行计算，获得吸光度数据，再将吸光度数据代入提前训练好的算法模型中去，最后的到水质参数。
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| CN202020372052.2U CN212180619U (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种管道式全光谱水质检测装置 |
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| CN111220559A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-06-02 | 杭州罗盘星科技有限公司 | 一种管道式全光谱水质检测装置及其方法 |
| CN114441463A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-06 | 安徽新宇环保科技股份有限公司 | 全光谱水质数据分析方法 |
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