CN212568449U - 一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，旨在解决现有技术中存在的非原位测量导致测量精度小且使用不方便、非连续精细光谱测量导致影响化学反应的显色剂且无法校正过滤的浊度，以及总氮、总磷分立探测，导致探测效率较低的技术问题。本实用新型提出了一种海洋水下原位应用的总氮总磷在线监测装置，结合化学预处理与连续精细光谱法结合的方式，并将监测装置整体密封，采用水下侵入式原位长期测量，测量数据通过串口发送至岸边或者趸船，相比传统的柜式总氮总磷在线监测装置，本实用新型的装置具有海洋或者水下原位测量、连续精细光谱分析校正能力、总氮总磷整机光流一体探测能力等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及水体监测，具体涉及一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置。
背景技术
总氮和总磷是反映水体受污染程度及水体富营养化程度的重要指标之一，总磷和总氮含量的增加会导致微生物及藻类等水生生物大量繁殖，造成水体富营养化和水体质量的恶化。而海水中的成分复杂、形态多样、瞬息多变，通过监测分析海水中的总氮、总磷，了解海水中营养元素的含量，这对保护海洋生态系统有着至关重要的作用。
现有的总磷自动监测仪对总磷的检测都以化学法为基础，只是在水样消解方法及分解速度上有所不同。主要类型有过硫酸盐高温高压消解-光度法、过硫酸盐紫外消解-光度法、紫外线照射-钼催化加热消解-流动注射-光度法；总氮在线自动分析仪的主要类型有过硫酸盐高温高压消解-光度法、密闭燃烧氧化-化学发光分析法、过硫酸盐紫外消解-光度法、过硫酸盐高温高压消解-流动注射-光度法。
上述方法存在着诸多缺点：一是使用型式为柜式机，需要抽水到仪器内部进行测量分析，存在着非原位、使用不方便等缺点；二是光度测量为单光谱点测量，非连续精细光谱测量，对仪器化学反应的显色剂影响、过滤的浊度校正无能为力等缺点；三是总氮、总磷分立探测，其探测效率较低。
实用新型内容
本实用新型旨在解决现有技术中存在的非原位测量导致测量精度小且使用不方便、非连续精细光谱测量导致影响化学反应的显色剂且无法校正过滤的浊度，以及总氮、总磷分立探测，导致探测效率较低的技术问题，而提供一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置。
本实用新型提出了一种海洋水下原位应用的总氮总磷在线监测装置，结合化学预处理与连续精细光谱法结合的方式，并将监测装置整体密封，采用水下侵入式原位长期测量，测量数据通过串口发送至岸边或者趸船，相比传统的柜式总氮总磷在线监测装置，本实用新型具有海洋或者水下原位测量、连续精细光谱分析校正能力、总氮总磷整机光流一体探测能力等优点。
为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特殊之处在于：
包括密封壳体和废液收集桶，以及均位于密封壳体内的化学预处理单元、光流一体单元、光谱分析单元和主控单元；
所述密封壳体上设有液体入口和液体出口；
所述化学预处理单元的输入端与所述液体入口连通，用于将海水处理成待测液并输出；所述化学预处理单元的输入端还连接有去离子水；
所述光流一体单元包括相互连通的总氮池、总磷池和一分二光纤束；
所述总氮池内设有第一流道、第一光源以及第一准直镜；
所述第一流道一端与化学预处理单元的输出端连通；
所述第一光源发出的光束依次穿过第一流道内的待测液以及第一准直镜后，通过一分二光纤束传输至光谱分析单元；
所述总磷池内设有第二流道、第二光源和第二准直镜；
所述第二流道一端与第一流道另一端连通；
所述第二光源发出的光束依次穿过第二流道内的待测液以及第二准直镜后，通过一分二光纤束传输至光谱分析单元；
所述第二流道的另一端通过液体出口与废液收集桶连通；
所述光谱分析单元对出射光进行分析处理，并将分析处理后的光谱数据传输至主控单元；
所述主控单元控制化学预处理单元、光流一体单元以及光谱分析单元，并且根据所述光谱数据进行总氮、总磷浓度的实时计算。
进一步地，所述第一流道及第二流道均为Z型结构；
所述第一光源与第一准直镜分别位于Z型结构的第一流道中间段两端；
所述第二光源与第二准直镜分别位于Z型结构的第二流道中间段两端。
进一步地，所述第一光源和第二光源均为LED灯。
进一步地，所述光谱分析单元包含紫外-可见-近红外谱段。
进一步地，所述第一光源的波长范围为380～720nm；
所述第二光源的波长范围为650～880nm。
进一步地，所述第一流道与第二流道通过连接管连通。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型的海洋水下总氮总磷原位在线监测装置相比传统的柜式测量装置，具有良好的水下原位测量能力，可直接置于海水中进行测量，进而达到实时测量的目的，由于是原位测量，其测量精度更高，符合实际测量应用，而且化学预处理单元、光流一体单元和光谱分析单元均通过主控单元控制完成，其使用更方便。
2.本实用新型通过连续精细光谱获取测量所需信息，具有对海水过滤后浊度影响、显色剂的色度影响的校正能力，进一步提升了测量准确度。
3.本实用新型通过机械组合方式实现总氮总磷整机光流一体探测，其探测效率更高。
附图说明
图1是本实用新型一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-密封壳体，11-液体入口，12-液体出口；
2-废液收集桶；
3-化学预处理单元；
4-光流一体单元，41-总氮池，411-第一流道，412-第一光源，413-第一准直镜，42-总磷池，421-第二流道，422-第二光源，423-第二准直镜， 43-一分二光纤束，431-SMA905接口,44-连接管；
5-光谱分析单元；
6-主控单元。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本实用新型的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本实用新型涉及的海洋水下原位应用的总氮总磷在线监测装置如图1所示，主要由四部分组成：化学预处理单元3、光流一体单元4、光谱分析单元5、控制单元6四部分组成；
化学预处理单元3采用的是国标法的相关化学预处理方式，用于将海水处理成待测液并输出；
光流一体单元4由第一光源412(中心波长540nm，带宽为20nm，或者白色led,波长为380～720nm)、第一流道411、第一准直镜413、SMA905接口431、一分二光纤束43、第二准直镜423、第二流道421、连接管44、第二光源422(中心波长880nm，带宽20nm)组成；
光谱分析单元5采用连续精细光谱分析模块组成，分析谱段为紫外-可见-近红外(典型光谱谱段：185～1100nm，光谱分辨率为纳米级、闪耀波段为540nm、880nm两个位置)；
控制单元6主要包括ARM、DSP或FPGA，以及单片机组成的电子学驱动系统，用于实现光源控制、化学预处理单元蠕动泵、电机等的驱动、光谱仪的采集控制、光谱数据的接收与处理、处理完数据后生成信息的发送等。
本实用新型海洋水下总氮总磷原位在线监测装置设置于密封壳体1内，因此可直接设置于水下，密封壳体1上设有液体入口11和液体出口12，液体入口11与化学预处理单元3的输入端连通，液体出口12与废液收集桶2 连通；
该装置上电后，按照主控单元6内设定程序，启动化学预处理单元3内的蠕动泵，抽入适量海水，经过化学预处理单元3后最终形成组份为亚硝氮混合液，该亚硝氮混合液进入光流一体单元4中的第一流道411，此时启动第一光源412(第二光源422处于关闭状态)，第一光源412连续间歇性亮灭 5次(亮灭间隔时间可设置，通常为1秒)，第一光源412发出的光束经过亚硝氮混合液后，经由一分二光纤束43进入光谱分析单元5接收后存储，此时关闭第一光源412，控制单元6驱动化学预处理单元3的蠕动泵，抽入去离子水冲洗第一流道，此时启动第一光源412(第二光源422处于关闭状态)，再次连续间歇性亮灭5次(亮灭间隔时间可设置，通常为1秒)，第一光源 412发出的光束经过去离子水后，经由一分二光纤束43进入光谱分析单元5 接收后存储；
上述步骤结束后，按照设定程序，启动化学预处理单元3的蠕动泵，再抽入适量海水，经过化学预处理单元3形成组份为正磷酸盐混合液，该正磷酸盐混合液进入光流一体单元4，进入第二流道421，此时启动第二光源422 (第一光源412处于关闭状态)，连续间歇性亮灭5次(亮灭间隔时间可设置，通常为1秒)，第二光源422发出的光述经过正磷酸盐混合液后，经由一分二光纤束43进入光谱分析单元5接收后存储，此时关闭第二光源422，控制单元6驱动化学预处理单元3的蠕动泵，抽入去离子水冲洗第二流道 421，此时启动第二光源422(第一光源412处于关闭状态)，再次连续间歇性亮灭5次(亮灭间隔时间可设置，通常为1秒)，第二光源422发出的光束经过去离子水后，经由一分二光纤束43进入光谱分析单元5接收后存储，此时关闭第二光源422。
至此一个采集循环结束；获取的数据包括：亚硝氮混合液连续光谱数据、第一去离子水光谱数据(第一光源412)、正磷酸盐混合液光谱数据、第二去离子水光谱数据(第二光源422)，这四组数据进入主控单元6，主控单元通过这四组数据进行色度校正、浊度校正、标准水做去除等数据处理预处理步骤后，由朗伯-比尔定律，实现亚硝氮、正磷酸盐浓度的测量，再由化学预处理单元的化学反应离子对应关系计算出海水中总氮、总磷的浓度。
本实施例中的第一光源412和第二光源422均为LED灯，且总氮池和总磷池的位置可以调换相应的测量步骤也可以调换。
本实施例的工作过程如下：
步骤1.采集亚硝氮混合液连续光谱数据和第一去离子水光谱数据；
1.1.通过化学预处理单元抽取海水并对其进行预处理，获取亚硝氮混合液；
1.2.亚硝氮混合液进入光流一体单元中的总氮池，开启第一光源，关闭第二光源，第一光源发出的光束经亚硝氮混合液后通过一分二光纤束传输至光谱分析单元，光谱分析单元对采集的光束进行分析处理获取亚硝氮混合液连续光谱数据，并将亚硝氮混合液连续光谱数据传输至主控单元存储；
1.3.通过化学预处理单元抽取去离子水；
1.4.去离子水进入总氮池，第一光源发出的光束经去离子水后通过一分二光纤束传输至光谱分析单元，光谱分析单元对采集的光束进行分析处理获取第一去离子水光谱数据，并将第一去离子水光谱数据传输至主控单元存储；
步骤2.采集正磷酸盐混合液光谱数据和第二去离子水光谱数据；
2.1.通过化学预处理单元抽取海水并对其进行预处理，获取正磷酸盐混合液；
2.2.正磷酸盐混合液进入总磷池，关闭第一光源，开启第二光源，第二光源发出的光束经正磷酸盐混合液后通过一分二光纤束传输至光谱分析单元，光谱分析单元对采集的光束进行分析处理获取正磷酸盐混合液光谱数据，并将正磷酸盐混合液光谱数据传输至主控单元存储；
2.3.通过化学预处理单元抽取去离子水；
2.4.去离子水进入总氮池，第二光源发出的光束经去离子水后传输至光谱分析单元，光谱分析单元对采集的光束进行分析处理获取第二去离子水光谱数据，并将第二去离子水光谱数据传输至主控单元存储；
步骤3.数据处理及实时计算；
所述主控单元通过存储的亚硝氮混合液连续光谱数据、第一去离子水光谱数据、正磷酸盐混合液光谱数据和第二去离子水光谱数据实时计算海水中总氮、总磷的浓度。
Claims (6)
1.一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：
包括密封壳体(1)和废液收集桶(2)，以及均位于密封壳体(1)内的化学预处理单元(3)、光流一体单元(4)、光谱分析单元(5)和主控单元(6)；
所述密封壳体(1)上设有液体入口(11)和液体出口(12)；
所述化学预处理单元(3)的输入端与所述液体入口(11)连通，用于将海水处理成待测液并输出；所述化学预处理单元(3)的输入端还连接有去离子水；
所述光流一体单元(4)包括相互连通的总氮池(41)、总磷池(42)和一分二光纤束(43)；
所述总氮池(41)内设有第一流道(411)、第一光源(412)以及第一准直镜(413)；
所述第一流道(411)一端与化学预处理单元(3)的输出端连通；
所述第一光源(412)发出的光束依次穿过第一流道(411)内的待测液以及第一准直镜(413)后，通过一分二光纤束(43)传输至光谱分析单元(5)；
所述总磷池(42)内设有第二流道(421)、第二光源(422)和第二准直镜(423)；
所述第二流道(421)一端与第一流道(411)另一端连通；
所述第二光源(422)发出的光束依次穿过第二流道(421)内的待测液以及第二准直镜(423)后，通过一分二光纤束(43)传输至光谱分析单元(5)；
所述第二流道(421)的另一端通过液体出口(12)与废液收集桶(2)连通；
所述光谱分析单元(5)对出射光进行分析处理，并将分析处理后的光谱数据传输至主控单元(6)；
所述主控单元(6)控制化学预处理单元(3)、光流一体单元(4)以及光谱分析单元(5)，并且根据所述光谱数据进行总氮、总磷浓度的实时计算。
2.根据权利要求1所述的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：
所述第一流道(411)及第二流道(421)均为Z型结构；
所述第一光源(412)与第一准直镜(413)分别位于Z型结构第一流道(411)中间段的两端；
所述第二光源(422)与第二准直镜(423)分别位于Z型结构第二流道(421)中间段的两端。
3.根据权利要求2所述的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：
所述第一光源(412)和第二光源(422)均为LED灯。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：
所述光谱分析单元(5)包含紫外-可见-近红外谱段。
5.根据权利要求4所述的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：
所述第一光源(412)的波长范围为380～720nm；
所述第二光源(422)的波长范围为650～880nm。
6.根据权利要求5所述的一种海洋水下总氮总磷原位在线监测装置，其特征在于：所述第一流道(411)与第二流道(421)通过连接管(44)连通。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20210219 Effective date of abandoning: 20240809 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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