CN105954192A

CN105954192A - 一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置

Info

Publication number: CN105954192A
Application number: CN201610570775.1A
Authority: CN
Inventors: 冯巍巍; 蔡宗岐
Original assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Current assignee: Yantai Institute of Coastal Zone Research of CAS
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: CN105954192B

Abstract

本发明公开一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置，包括一密封外壳，所述外壳内设置探测光学单元、信号处理单元，外壳的中间部位设置探测池；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；平行光经半透半反镜后被分为两路，一路穿过探测池的光窗后经透镜二聚焦，再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由光电探测器接收后传输至控制与信号处理模块；本发明的优点是：采用了太阳能供电，可长期运行，采用了光窗清净***，可保证测量数据的精确。

Description

一种基于光谱测量技术的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。目前对于水体中各类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。

此外，现有的光谱法检测水体中部分污染物的仪器一般都采用人工操作的方法，如想测量某一地点、某一深度的污染物，都需要人工到测量点实施测量，这不仅费时费力，而且有时候还非常危险，如到环境恶劣的海洋某处，常常对人身安全造成威胁；并且不能保证长期的实时的测量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种无需人工值守的，可长期自动实时检测的在线测量装置，具体技术方案如下：

一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置，包括一密封外壳，所述外壳内设置探测光学单元、信号处理单元，外壳的中间部位设置探测池；

所述探测光学单元包括光源控制板、光源、透镜一、半透半反镜、透镜二；

信号处理单元包括采集模块、控制与信号处理模块、光电探测器及接口；

所述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；平行光经半透半反镜后被分为两路，一路穿过探测池的光窗后经透镜二聚焦，再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由光电探测器接收后传输至控制与信号处理模块；

控制与信号处理模块分别与光源控制板、采集模块、光电探测器及温度测量模块连接，控制与信号处理模块还通过接口与上位机连接；

所述探测池包括一对左右对称设置的光窗，在光窗的内侧，设置清洁刷，所述清洁刷由电机驱动；在探测池的底部设置气体喷口，所述气体喷口朝向光窗。

所述接口连接通讯模块，所述通讯模块通过互联网与上位机连接。

还包括蓄电池，所述蓄电池给探测光学单元、信号处理单元及电机供电。

还包括太阳能电池组，所述太阳能电池组与蓄电池连接；所述太阳能电池组设置在浮标上；气体喷口通过气管与设置在浮标上的气管进口连接。

所述气管设置单向阀，所述单向阀在测量时用于阻止气管内的水流入探测池

本发明的优点是：由于采用了太阳能供电，可长期运行，采用了光窗清净***，可保证测量数据的精确；采用了气管进口设置在标志杆上，且开口朝下的技术方案，可避免海浪进入气管，进而进入测量池对测量数据的影响。

附图说明

图1为本发明的测量部分结构示意图；

图2是装置气路清洗结构示意图；

图3是本发明装置测量光窗位置示意图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图1中：1、光源控制板；2、光源；3、外壳；4、透镜一；5、半透半反镜；6、光电探测器；7、光窗；8、透镜二；9、温度测量模块；10、光纤；11、采集模块；12、控制与信号处理模块；13、接口；14、电机；15、清洁刷。

图2中：7、光窗；16、气路；17、气管接口。

图3中：7、光窗；1401、电机轴；15、清洁刷；清洁刷A位置；清洁刷B位置。

图4中，18为太阳能电池组，19为浮标，20为缆绳，21为标志杆，22为气管进口。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明，如图1所示，本发明包括一密封外壳3，

所述外壳3内设置探测光学单元、信号处理单元，外壳的中间部位设置探测池；

所述探测光学单元包括光源控制板1、光源2、透镜一4、半透半反镜5、透镜二8；

信号处理单元包括采集模块11、控制与信号处理模块12、光电探测器6及接口13；

所述光源控制板1控制光源2工作，光源2发出紫外-可见光；紫外-可见光经透镜一4后变为平行光；平行光经半透半反镜5后被分为两路，一路穿过探测池的光窗7后经透镜二8聚焦，再经光纤10传输至采集模块11，用于测试待测水样，另一路作为光源能量变化的参考信号由光电探测器6接收后传输至控制与信号处理模块12；

控制与信号处理模块12分别与光源控制板1、采集模11块、光电探测器6及温度测量模块9连接，控制与信号处理模块12还通过接口13与上位机连接；

所述探测池包括一对左右对称设置的光窗7，在光窗7的内侧，设置清洁刷15，所述清洁刷15由电机14驱动；在探测池的底部设置气体喷口71，所述气体喷口71朝向光窗7；

为保证远程实时控制及检测，所述接口13连接通讯模块，所述通讯模块通过互联网与上位机连接；所述通讯模块可采用市购产品，如采用基于GSM或CDMA的通讯模块。

如图4所示，为保证长期的无人值守，还包括蓄电池，所述蓄电池给探测光学单元、信号处理单元及电机供电；还包括太阳能电池组18，所述太阳能电池组18与蓄电池连接；所述太阳能电池组设置在浮标19上；气体喷口7的气路16通过气管接口17与设置在浮标上的气管进口22连接。浮标与测量装置间的缆绳20长度可调，以适应不同深度的测量。

所述气管设置单向阀，所述单向阀在测量工作时用于阻止气管内的水通过气管喷口71流入探测池，影响测量精度；所述气管进口设置在浮标上的标志杆上，且开口朝下以防止海浪自气管进口22涌入测量池。

本发明中所使用的测量模块及控制与信号处理模块、光电探测器均可采用市购产品，如控制与信号处理模块可采用STM32系列单片机；光电探测器采用日本滨松的线阵CCD。

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。

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。

图2所示包括石英光窗7、气路16和气管接头17。所述气管接头17将气路16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7定时进行清洗。

图3所示包括石英光窗7、电机轴1401、清洁刷15、清洁刷A位置和清洁刷B位置。所述控制与信号处理模块12定期控制电机14转动，电机14通过电机轴1401带动清洁刷15在清洁刷A位置和清洁刷B位置之间来回摆动，去除石英光窗7上的污渍。

本发明采用气体喷口与清洁刷组合的方式清洗光窗的原理是：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。

本发明的特点是：

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、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；

6、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。

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。

由于采用了太阳能供电及无线通讯连接，可长期无人值守运行，采用了光窗清净***，可保证测量数据的精确；采用了气管进口设置在标志杆上，且开口朝下的技术方案，可避免海浪进入气管，进而进入测量池对测量数据的影响。

Claims

1.一种基于光谱测量技术的双光路水体环境在线测量装置，包括一密封外壳，其特征在于：

所述外壳内设置探测光学单元、信号处理单元，外壳的中间部位设置探测池；

2.根据权利要求1所述的双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：所述接口连接通讯模块，所述通讯模块通过互联网与上位机连接。

3.根据权利要求1所述的双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：还包括蓄电池，所述蓄电池给探测光学单元、信号处理单元及电机供电。

4.根据权利要求3所述的双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：还包括太阳能电池组，所述太阳能电池组与蓄电池连接；所述太阳能电池组设置在浮标上；气体喷口通过气管与设置在浮标上的气管进口连接。

5.根据权利要求3所述的双光路水体环境在线测量装置，其特征在于：所述气管设置单向阀，所述单向阀在测量时用于阻止气管内的水流入探测池。