CN213398205U - 一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，解决现有监测装置存在成本较高、体积偏大、测量精度较低、清洗维护不便的问题。该装置包括控制模块、用户操控模块、电源模块、数据采集及预处理模块、液体通道选择单元和通信模块；数据采集及预处理模块包括样品池、标液池、Y型光纤、密封箱体、光源、光路切换器、聚焦透镜及光谱仪；Y型光纤输入端设在密封箱体上，其两路输出端分别连接在样品池和标液池光路进口处；光路切换器两光路输入端通过光纤与样品池和标液池光路出口连接，光路切换器出射光束通过聚焦透镜进入光谱仪；控制模块控制光路切换器切换光路；液体通道选择单元用于控制流入样品池的液体是待测水样还是清洗液。

Description

一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置

技术领域

本实用新型属于水质监测领域，涉及一种水质在线监测装置，特别是涉及一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置。

背景技术

水污染是当今世界环境面临的最严峻问题之一，如何有效控制水污染、保护水资源已经成为世界各国共同关注的热点问题，而水质监测可及时、准确、全面反映水环境质量和污染源的状况，是环境保护的前提和基础。

传统的环境水质监测系统主要以人工现场取样、实验室仪器分析为主。虽然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散、不能及时快速准确的反映污染变化状况等缺陷，难以满足有效水体环境监测与管理的需求。

目前，水质监测方法主要包含以下几种方法：色谱分离技术法、电化学分析法、生物传感技术法和光谱分析法。其中，基于光谱分析法的水质监测方法，是目前水质监测技术中的一个重点发展方向。光谱分析法主要可分为原子吸收光谱法、分子吸收光谱法和高光谱遥感法等，其中分子吸收光谱法具有操作简单快捷、重复性好、测量精度高和分析快速等优点，并且其可测光谱波长范围可从紫外光达到近红外光，光谱范围较广。因此，基于分子吸收光谱法的水质监测系统不需要化学试剂，能做到实时在线原位测量。

公开号为CN 208125620U，申请号为201721878842.2的中国专利，公开了一种基于宽光谱多参数的水质在线监测装置，该装置采用双光路双光谱仪同步采样结构，实现对水质环境数据的在线实时分析处理。但是由于该装置使用了双光路及双光谱仪系统结构，因此成本较高，装置体积偏大，不利于量产化制造生产。

此外，该水质在线监测装置使用两路光路共计两个聚焦透镜和两个光谱仪进行测试，最终再将两个光谱仪的测量数据比对计算，这样将会把两个聚焦透镜的镀膜质量差异和两个光谱仪的个体性能差异引入测量结果中，降低测量精度。

该水质在线监测装置的样品水池的流道无清洗结构，每次测量完成一种待测水样后，为防此次测量中的残余水样影响下批水样的测量结果，需要人工对装置进行清洗，由此造成的人工成本十分之高，并且使得整个装置使用维护不便。

实用新型内容

为了解决现有水质在线监测装置由于采用双光路双光谱仪同步采样结构，存在成本较高、体积偏大、测量精度较低和清洗维护不便的技术问题，本实用新型提供了一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特殊之处在于：包括控制模块、用户操控模块、电源模块以及分别与控制模块连接的数据采集及预处理模块、液体通道选择单元和通信模块；

所述数据采集及预处理模块包括样品池、标液池、Y型光纤和水质测量传感单元，水质测量传感单元包括密封箱体以及设置在密封箱体内的光源、准直透镜、光路切换器、聚焦透镜及光谱仪；

所述光源用于提供宽光谱带的入射光束；

所述准直透镜用于对光源出射的光束进行准直；

所述Y型光纤的输入端设置在密封箱体上，且位于准直透镜的出射光路上，Y型光纤的两路输出端分别连接在密封箱体外的样品池光路进口和标液池光路进口处；

所述光路切换器的两个光路输入端分别通过光纤与样品池的光路出口和标液池的光路出口连接，光路切换器输出端出射的光束通过聚焦透镜进入所述光谱仪中；

所述控制模块用于控制光路切换器切换光路，使待测水样光路与标准水样光路分别先后进入光谱仪；其中待测水样光路为样品池光路出口输出的光路，标准水样光路为标液池光路出口输出的光路；

所述控制模块接收光谱仪测得的待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据，并通过通信模块传输给用户操控模块，用户操控模块对待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据进行处理，最终可获得样品池中待测水样的水质参数数据；

所述液体通道选择单元包括第一管道、第二管道、第三管道、切换阀和清洗液池；切换阀为两位三通阀，包括入口A、入口B和出口Ⅰ；第一管道的入口与待测水样池连通，第一管道的出口与入口A连通；第二管道的入口与清洗液池连通，第二管道的出口与入口B连通；第三管道的入口与出口Ⅰ连通，第三管道的出口与样品池的入口连通；需要清洗样品池时，向切换阀发送指令，使切换阀的入口B与出口Ⅰ连通；需要向样品池注入待测水样时，向切换阀发送指令，使切换阀的入口A与出口Ⅰ连通；

所述电源模块用于向控制模块、数据采集及预处理模块、液体通道选择单元及用户操控模块供电。

进一步地，所述用户操控模块包括工控机、数据处理及显示控制单元、鼠标输入器及显示屏；

所述工控机用于接收待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据，并传输给数据处理及显示控制单元；

所述鼠标输入器用于向数据处理及显示控制单元发送执行命令；

所述数据处理及显示控制单元根据执行命令对接收的待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据进行处理，获得样品池中待测水样的水质参数数据，将水质参数数据按照用户自定义修改数据显示方式，比如表格显示、柱形图显示和折线图显示等，并在每次测量完成后可以按照用户需求自动生成水质监测测试报告；

所述显示屏用于显示待测水样的水质参数数据。

进一步地，所述清洗液池和第二管道的入口均为多个且数量相等，所述第一管道的入口为多个。

进一步地，还包括与控制模块通讯连接的自动报警模块，用于对异常情况进行报警。

进一步地，所述光源为氙灯光源。

进一步地，所述光谱仪为体相全息光栅紫外拉曼光谱仪。

进一步地，所述待测水样的水质参数数据包括水体的色度、浊度、化学需氧量、生化需氧量、总有机碳、总氮、总磷、硝酸盐、氰离子、六价铬以及溴离子。

进一步地，所述切换阀为电磁阀或者手动阀。

进一步地，所述用户操控模块包括数据处理及显示控制单元，数据处理及显示控制单元用于对测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据在线分析处理、水质的多参数在线动态显示和水质参数测量报告输出。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型装置中数据采集及预处理模块仅利用一个光谱仪、一片准直透镜及一片聚焦透镜便可进行宽光谱多参数的测量，从而降低制造成本，并且消除镜片镀膜差异和光谱仪个体性能差异对水质监测数据的影响，实现对水质光谱数据准确、高效的获取，提高测量精度。

2、由于样品池经常流通待测水，为了保证测量结果的准确性，本实用新型液体通道选择单元具有提供待测水样的作用，还可实现对样品池的清洗，液体通道选择单元中切换阀设有两个入口，可根据工作需要选择流入样品池的液体种类，当选择入口A与出口Ⅰ连通时(待测水样通道时)，本实用新型监测装置可测量待测水样的质量参数；当选择入口B与出口Ⅰ连通时(清洗液通道时)，本实用新型监测装置可自动对样品池进行清洗，实现自动清洗样品水池，降低人工维护成本。

3、本实用新型采用了一种双光路单光谱仪结构，通过比对样品水样和标准水样的光谱数据，再通过相应的算法即可准确高效的计算出水质的多种参数。相较传统的化学分析法，该方法可以同时高效准确的在线测量水质的多种参数，测量周期短，产品体积小，并且对样品水样无污染，样品水样可以继续回收利用。

4、本实用新型在相同的监测环境中同时采集样品水样和标准水样的光谱数据，避免装置中外部环境因素(比如光源衰减和光纤弯折等)对测量结果的影响，本实用新型装置测量精度及稳定性较高。

5、本实用新型清洗液池、第一管道入口、第二管道入口的数量均为多个，实现了样品池的自动清洗功能，并且可进行多通道水样以及多通道清洗液池的自动切换，智能化程度更高，节省维护人力成本。

6、本实用新型装置还包括自动报警模块，自动报警模块用于监控整个装置工作状况，当出现异常状况时报警通知用户。

7、本实用新型用户操控模块可实现对水质数据的在线分析处理、水质的多参数在线动态显示和水质参数测量报告输出，便于用户使用。

附图说明

图1为本实用新型基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置原理框图；

图2为本实用新型基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置中数据采集及预处理模块和液体通道选择单元的结构示意图；

其中，附图标记如下：

101-液体通道选择单元，102-数据采集及预处理模块，103-控制模块，104-电源模块，105-自动报警模块，106-通信模块，107-用户操控模块，108-工控机，109-数据处理及显示控制单元，110-鼠标输入器，111-显示屏；

201-清洗液池，202-切换阀，203-样品池，204-标液池，205-光源，206-准直透镜，207-Y型光纤，208-光路切换器，209-聚焦透镜，210-光谱仪，211-第一管道，212-第二管道，213-第三管道，214-待测水样池，215-密封箱体，216-水质测量传感单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，包括控制模块103、数据采集及预处理模块102、液体通道选择单元101、用户操控模块107、自动报警模块105以及电源模块104。控制模块103用于向其他通讯相连的模块发送指令，并接收反馈的结果；控制模块103和数据采集及预处理模块102以及液体通道选择单元101均建立好通讯连接，相互之间可传送控制命令及数据。

数据采集及预处理模块102利用双光路吸收光谱单光谱仪法进行采集待测水样及标准水样的光谱数据，并对数据进行预处理，数据采集及预处理模块102包括样品池203、标液池204、Y型光纤207和水质测量传感单元216。数据采集及预处理模块102采用了一种让同一个光源205的光分成两路，分别经过待测水样和标准水样后形成的测量光路和标准光路，并将两组光谱数据分别前后导入光谱仪210，再进行数据分析，可实现对水质光谱数据准确、高效的获取和预处理。

样品池203中用于装待测水样，待测水样从样品池203的进口进入后，会从样品池203的出口流出至装置出水口外；标液池204用于装标准水样，用于和待测水样的光谱数据进行对比，最终可得出样品水样的水质参数数据。

水质测量传感单元216包括密封箱体215以及设置在密封箱体215内的光源205、准直透镜206、光路切换器208、聚焦透镜209及光谱仪210；本实施例水质测量传感单元216将光源205、准直透镜206、光路切换器208、聚焦透镜209及光谱仪210集成在一个单独的密封箱体215内，可确保密封箱体215内的器件长期可靠性及寿命；以及仅使用了一个准直透镜206、一个聚焦透镜209和一个光谱仪210便可进行宽光谱多参数的测量，从而降低制造成本，并且消除了透镜镀膜差异以及光谱仪210自身性能差异对测量结果的影响，进一步提高了测量结果的准确性，并且降低了该装置的制造成本，更利于量产。

光源205用于提供宽光谱带的入射光束，光源205选择宽光谱光源，宽光谱光源的光束波长范围足够宽，本实施例中选择氙灯光源，其出射光的谱段包括紫外光、可见光和近红外光，波长范围为185nm～1100nm。

准直透镜206可将来自光源205的光束转换为准直平行光。

Y型光纤207的输入端设置在密封箱体215上，且位于准直透镜206的出射光路上，Y型光纤207的两路输出端分别连接在密封箱体215外的样品池203光路进口和标液池204光路进口处。

样品池203的光路出口和标液池204的光路出口通过两路光纤连接至光路切换器208的两个光路输入端，光路切换器208的输出端出射的光束通过聚焦透镜209后进入光谱仪210中，光谱仪210对获得光束进行光谱分析；光谱仪210需测量光谱范围足够宽，应为紫外光、可见光及近红外光谱段光谱仪，本实施例选择体相全息光栅紫外拉曼光谱仪，其可实现在液体介质中直接进行从紫外光到可见光的宽光谱及连续光谱测量的水质分析。

控制模块103用于控制光路切换器208切换光路，使待测水样光路与标准水样光路分别先后进入光谱仪210，其中待测水样光路为样品池203光路出口输出的光路，标准水样光路为标液池204光路出口输出的光路；即先后两次采集同一个光源205的光经过样品池203和标液池204后最终进入光谱仪210，得到待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据；

控制模块103还可接收来自于数据采集及预处理模块102的待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据，并通过通信模块106传输给用户操控模块107。通信模块106可将控制模块103与用户操控模块107建立通讯连接，用于两者之间的数据及控制指令传输。用户操控模块107可实现对水质数据的在线分析处理、水质的多参数在线动态显示和水质参数测量报告输出，便于用户使用，用户操控模块107包括工控机108、数据处理及显示控制单元109、鼠标输入器110及显示屏，工控机108接收到水质光谱数据后，利用数据处理及显示控制单元109中的算法，并根据用户通过键鼠输入器输入的指令开始计算水质多种参数，并在显示屏上在线动态显示分析结果。用户还可通过鼠标输入器110输入指令通过数据处理及显示控制单元109自动生成水质多参数测试报告。

现有装置中的样品池由于经常流通待测水，为了保证测量结果的准确性，样品池需要定期清洗，现有通过人工清洗的方式，人工维护成本较高。因此本实施例液体通道选择单元101用于选择待测水样通道或者清洗液通道，当选择待测水样通道时，装置可测量待测水样的质量参数，当选择清洗液通道时，装置可自动对样品池203进行清洗。液体通道选择单元101包括第一管道211、第二管道212、第三管道213、切换阀202和清洗液池201；切换阀202为两位三通阀，其包括入口A、入口B和出口Ⅰ，切换阀202可为电磁阀或者手动阀；第一管道211的入口与待测水样池214连通，第一管道211的出口与入口A；第二管道212的入口与清洗液池201连通，第二管道212的出口与入口B连通；第三管道213的入口与出口Ⅰ连通，第三管道213的出口与样品池203的入口连通；通过控制切换阀202可选择流入样品池203的液体是样品水还是清洗液，当需要向样品池203注入待测水样时，控制模块103向切换阀202发送指令，使切换阀202的入口A与出口Ⅰ连通，待测水样池214中样品水流入样品池203中，即为正式测量过程；当需要清洗样品池203时，控制模块103向切换阀202发送指令，使切换阀202的入口B与出口Ⅰ连通，清洗液池201中的清洗液流入样品池203中，即为清洗样品池203的过程(实现自动清洗样品池203功能)，该过程可以定期自动进行，也可以在每次测量结束后自动进行。

清洗液池201中装有用于清洗样品池203的清洗液，清洗液池201可有多个用于装不同种类的清洗液，相应的第二管道212的入口为多个，第二管道212的多个入口分别对应于不同种类清洗液的清洗池，可根据选择流入样品池203的清洗液种类(不同来源的样品水源污染后的样品池203)，选择不同清洗液池201与样品池203连通(清洗液池201的选择使用与第二管道212的入口一一对应)，也可选择同时与多个清洗池连通，相应不工作的第二管道212入口为关闭状态。同理，第一管道211的入口也可为多个，形成不同的多供应通道，可根据流入样品池203的样品水选择供应通道。本实施例液体通道选择单元101可实现了样品池的自动清洗功能，并且可进行多通道水样以及多通道清洗液池的自动切换，智能化程度更高，节省维护人力成本。

电源模块104用于给整个装置供电，确保整个装置正常运行。

自动报警模块105和控制模块103有通讯连接，当控制模块103检测到装置有局部或者全部故障时，比如某一仪器零件出现故障时，自动报警模块105可检测到该异常情况，并发出警报，以提示用户检查装置故障。

本实施例监测装置可实现对水体的色度、浊度、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、硝酸盐、氰离子、六价铬、溴离子(Br^-)，有溶解有机物(CDOM)等多种物质属性和含量的监测。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：包括控制模块(103)、用户操控模块(107)、电源模块(104)以及分别与控制模块(103)连接的数据采集及预处理模块(102)、液体通道选择单元(101)和通信模块(106)；

所述数据采集及预处理模块(102)包括样品池(203)、标液池(204)、Y型光纤(207)和水质测量传感单元(216)，水质测量传感单元(216)包括密封箱体(215)以及设置在密封箱体(215)内的光源(205)、准直透镜(206)、光路切换器(208)、聚焦透镜(209)及光谱仪(210)；

所述光源(205)用于提供宽光谱带的入射光束；

所述准直透镜(206)用于对光源(205)出射的光束进行准直；

所述Y型光纤(207)的输入端设置在密封箱体(215)上，且位于准直透镜(206)的出射光路上，Y型光纤(207)的两路输出端分别连接在密封箱体(215)外的样品池(203)光路进口和标液池(204)光路进口处；

所述光路切换器(208)的两个光路输入端分别通过光纤与样品池(203)的光路出口和标液池(204)的光路出口连接，光路切换器(208)输出端出射的光束通过聚焦透镜(209)进入所述光谱仪(210)中；

所述控制模块(103)用于控制光路切换器(208)切换光路，使待测水样光路与标准水样光路分别先后进入光谱仪(210)；其中待测水样光路为样品池(203)光路出口输出的光路，标准水样光路为标液池(204)光路出口输出的光路；

所述控制模块(103)接收光谱仪(210)测得的待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据，并通过通信模块(106)传输给用户操控模块(107)，用户操控模块(107)对待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据进行处理，可获得样品池(203)中待测水样的水质参数数据；

所述液体通道选择单元(101)包括第一管道(211)、第二管道(212)、第三管道(213)、切换阀(202)和清洗液池(201)；切换阀(202)为两位三通阀，包括入口A、入口B和出口Ⅰ；第一管道(211)的入口与待测水样池(214)连通，第一管道(211)的出口与入口A连通；第二管道(212)的入口与清洗液池(201)连通，第二管道(212)的出口与入口B连通；第三管道(213)的入口与出口Ⅰ连通，第三管道(213)的出口与样品池(203)的入口连通；

所述电源模块(104)用于向控制模块(103)、数据采集及预处理模块(102)、液体通道选择单元(101)及用户操控模块(107)供电。

2.根据权利要求1所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述用户操控模块(107)包括工控机(108)、数据处理及显示控制单元(109)、鼠标输入器(110)及显示屏(111)；

所述工控机(108)用于接收待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据，并传输给数据处理及显示控制单元(109)；

所述鼠标输入器(110)用于向数据处理及显示控制单元(109)发送执行命令；

所述数据处理及显示控制单元(109)根据执行命令对接收的待测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据进行处理，获得样品池(203)中待测水样的水质参数数据；

所述显示屏(111)用于显示待测水样的水质参数数据。

3.根据权利要求2所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述清洗液池(201)和第二管道(212)的入口均为多个且数量相等，所述第一管道(211)的入口为多个。

4.根据权利要求1至3任一所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：还包括与控制模块(103)通讯连接的自动报警模块(105)，用于对异常情况进行报警。

5.根据权利要求4所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述光源(205)为氙灯光源。

6.根据权利要求5所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述光谱仪(210)为体相全息光栅紫外拉曼光谱仪。

7.根据权利要求6所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述待测水样的水质参数数据包括水体的色度、浊度、化学需氧量、生化需氧量、总有机碳、总氮、总磷、硝酸盐、氰离子、六价铬以及溴离子。

8.根据权利要求1所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述切换阀(202)为电磁阀或者手动阀。

9.根据权利要求1所述基于光谱法的高稳定性多参数水质在线监测装置，其特征在于：所述用户操控模块(107)包括数据处理及显示控制单元(109)，数据处理及显示控制单元(109)用于对测水样光路水质光谱数据和标准水样光路水质光谱数据在线分析处理、水质的多参数在线动态显示和水质参数测量报告输出。

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