CN107340237A - 基于发光二极管的水质在线监测装置 - Google Patents

基于发光二极管的水质在线监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，该在线监测光路包括若干组LED光源发射器、控制器以及与LED光源发射器数量相同的参考光接收器、分光折返装置以及透射光接收器；每一LED光源发射器发出的光部分或全部发射到相应分光折返装置，经相应分光折返装置或LED光源发射器出射的一部分光发射到信号待测介质，穿过待测介质的光信号经相应透射光接收器探测接收，通过透射光信号获得待测介质对特定波长光的吸收情况，经相应分光折返装置出射的另一部分光信号经相应参考光接收器探测接收，通过参考光信号获得相应LED光源发射器的功率变化情况，控制器电连接参考光接收器和透射光接收器，并根据接收信号调节相应LED光源发射器的光功率。

Description

基于发光二极管的水质在线监测装置
技术领域
本发明涉及一种水质在线监测装置，特别是关于一种通过测量紫外和可见光吸收强度监测水体中化学需氧量(Chemical oxygen demand，COD)、生化需氧量(Biochemicaloxygen demand，BOD)、总有机碳(Total organic carbon，TOC)及浊度(turbidity)等参数的基于发光二极管的多参数宽量程水质在线监测装置，涉及水环境监测与污水处理技术领域。
背景技术
水质在线监测对于水环境保护和治理均具有重要意义。我国的水污染以有机物污染为主。因此与有机物污染相关的多种参数(例如COD，BOD，TOC等)的监测十分重要。
传统监测方法大都使用试剂滴定法，试剂滴定法需要采样后离线测量，无法满足在线实时监测的需求。近年来利用紫外光吸收监测水体有机物污染的方法逐渐成熟，国外也出现了某些基于紫外光吸收法的水质监测装置，但是现有的这些监测装置基本都采用氙灯或汞灯作为光源，其稳定工作寿命受到很大限制。也有少数研发技术采用LED(发光二极管)作为光源，但是LED光源功率受温度影响较大且随服役时间增长而衰减，直接影响了监测装置的准确性和可靠性。此外，单个监测装置的有效量程通常比较有限，难以适应污染状况变化较大的测量环境。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效扩展量程且有效提高测量的准确性和和可靠性的基于发光二极管的水质在线监测装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，该在线监测光路包括若干组LED光源发射器、一控制器以及与所述LED光源发射器数量相同的参考光接收器、分光折返装置以及透射光接收器；每一所述LED光源发射器发出的光部分或全部发射到相应所述分光折返装置，经相应所述分光折返装置或所述LED光源发射器出射的一部分光发射到信号待测介质，穿过所述待测介质的光信号经相应所述透射光接收器探测接收，通过透射光信号获得所述待测介质对特定波长光的吸收情况，经相应所述分光折返装置出射的另一部分光信号经相应所述参考光接收器探测接收，通过参考光信号获得相应所述LED光源发射器的功率变化情况，所述控制器电连接所述参考光接收器和透射光接收器，并根据接收信号调节相应所述LED光源发射器的光功率。
优选地，每一所述LED光源发射器均包括单波长LED灯及相应恒流源控制器，所述控制器通过控制所述恒流源控制器的电流进而控制所述单波长LED灯的光功率，不同所述单波长LED灯通过所述控制器控制进行分时工作。
优选地，当所述在线监测装置投放到所述待测介质前进行标定，具体标定过程为：随机采集目标待测样品，其有机物污染参数应尽量覆盖较宽变化范围，利用离线测量的方法预先测定其化学需氧量、生化需氧量、总有机碳及浊度参数，并利用所述在线监测装置测量目标待测样品对不同波长光的吸收系数，并对浊度进行修正。
优选地，每一所述参考光接收器均包括光电倍增管和对数运放放大器，所述光电倍增管用于接收所述分光折返装置的光信号，所述光电倍增管将接收的光信号进行光电转换后发送到所述对数运算放大器，所述对数运算放大器将处理后的电信号发送所述控制器，所述控制器根据处理结果通过所述恒流源控制器控制相应所述单波长LED灯的光功率。
优选地，每一所述透射光接收器均包括光电倍增管和对数运算放大器，所述光电倍增管用于接收穿过所述待测介质的光信号并进行光电转换后发送到所述对数运算放大器，所述对数运算放大器将处理后的电信号发送到所述控制器，所述控制器根据透射光信号的强弱动态调节所述LED光源发射器的光功率。
优选地，该在线监测装置还包括发射器套筒、接收器套筒、间隙块、进光石英窗和出光石英窗，所述分光折返装置采用石英直角棱镜；所述发射器套筒和接收器套筒均为封闭的套筒结构，所述发射器套筒与接收器套筒平行间隔设置，所述发射器套筒与接收器套筒通过所述间隙块连接，所述发射器套筒与接收器套筒之间的间隙开放用于容纳所述待测介质，所述发射器套筒内纵向间隔设置若干所述LED光源发射器，对应每一所述LED光源发射器的出光位置，所述发射器套筒的内壁上设置有用于透光的所述进光石英窗，相对于每一所述进光石英窗的位置，所述接收器套筒上设置用于透光的所述出光石英窗；每一所述LED光源发射器的光信号分别发射到相应所述石英直角棱镜和进光石英窗，部分未经过所述石英直角棱镜的光信号经所述进光石英窗发射到所述待测介质，透过所述待测介质的光信号经所述出光石英窗发射到所述透射光接收器，经所述石英直角棱镜折返的光信号发射到所述参考光接收器。
优选地，所述发射器套筒和接收器套筒的内侧下部均向内侧凹设，使得所述发射器套筒和接收器套筒间隙形成上窄下宽的梯形间隙。
优选地，位于所述间隙块上方固定设置有气体吹扫装置，所述气体吹扫装置通过所述间隙块顶部设置的导流孔对所述进光石英窗和出光石英窗进行定期吹扫清洗。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用脉冲工作的LED作为光源发射器，并结合灵活的脉冲参数设置，相比于氙灯或汞灯光源，显著地提高了光源以及整个监测装置的使用寿命。2、本发明通过建立吸收强度和LED光源发射器脉冲电流的反馈关联，在水体有机物含量突然增大时短暂地增大LED光源发射器光功率，拓宽了监测装置的有效量程，特别适用于水体有机物含量变化范围较大的情况。3、本发明设置了参考光接收器，用以监测LED光源发射器的功率变化，可在较宽温度范围内补偿温度变化引起的偏差，以及长期连续工作后光源衰减引起的偏差，显著提高了监测装置在室外长期服役时的准确性和可靠性。4、本发明的发射器套筒和接收器套筒的内侧下部均向内侧凹设，使得发射器套筒和接收器套筒间隙形成上窄下宽的梯形间隙，因此在一个监测装置内集成了两个光程不同的吸收光路，可以根据待测介质的具体情况选择不同的光路，有效地提高了监测复杂待测介质的能力。本发明可以广泛应用在水质在线监测。
附图说明
图1是本发明水质在线监测装置的原理示意图；
图2是本发明实施例1的水质在线监测装置的结构示意图；
图3是本发明实施例2的水质在线监测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的基于发光二极管的水质在线监测装置，包括若干组LED光源发射器、一控制器以及与LED光源发射器数量相同的参考光接收器、分光折返装置以及透射光接收器；每一LED光源发射器发出的光全部或部分发射到相应分光折返装置，经相应分光折返装置透射的光信号或经LED光源发射器发出的部分光信号发射到待测介质，穿过待测介质的光信号经相应的透射光接收器探测接收，通过透射光信号可以获得待测介质对特定波长光的吸收情况，经相应分光折返装置反射的光信号作为参考光信号经相应的参考光接收器探测接收，通过参考光信号可以获得LED光源发射器的功率变化情况，控制器分别连接参考光接收器和透射光接收器，并根据对接收信号的处理结果调节LED光源发射器的光功率。其中，分光折返装置可以根据实际选用仅具有反射功能的光学器件，或者选用既能反射光信号又能透射光信号的光学器件，如果分光折返装置仅仅具有反射功能则LED光源发射器发射部分光信号到分光折返装置进行反射，且LED光源发射器发射另外部分光信号到待测介质进行透射，如果分光折返装置既能反射光信号又能透射光信号的光学器件，则LED光源发射器将发射的信号全部发射到分光折返装置。
下面通过具体实施例详细说明本发明的基于发光二极管的水质在线监测装置的具体实现过程。
实施例1：
如图2所示，本实施例的基于发光二极管的水质在线监测装置，包括发射器套筒1、接收器套筒2、间隙块3、若干LED光源发射器4、进光石英窗5、出光石英窗6、控制器7以及与LED光源发射器4数量相同的石英直角棱镜8(本实施例的石英直角棱镜仅仅具有反射光信号的功能)、透射光接收器9和参考光接收器10；发射器套筒1内设置LED光源发射器4、控制器7和参考光接收器10，接收器套筒2内设置有透射光接收器9。
发射器套筒1和接收器套筒2均为封闭的套筒结构，发射器套筒1与接收器套筒2平行间隔设置，发射器套筒1与接收器套筒2通过间隙块3连接，发射器套筒1与接收器套筒2之间的间隙开放。当在线监测装置工作时，整个在在线监测装置浸泡在待测介质中，发射器套筒1与接收器套筒2之间的间隙充满待测介质。发射器套筒1内纵向间隔设置若干LED光源发射器4，对应于每一LED光源发射器4的出光位置，发射器套筒1的内壁上设置有用于透光的进入待测介质的进光石英窗5，相对于每一进光石英窗5的位置，接收器套筒2上设置用于透光的出光石英窗6，每一LED光源发射器4的光信号部分发射到相应石英直角棱镜8，部分未经过石英直角棱镜8的光信号经进光石英窗5发射到待测介质，透过待测介质的光信号经出光石英窗6发射到透射光接收器9，经石英直角棱镜8折返的光信号发射到参考光接收器10，每一透射光接收器9和参考光接收器10均通过连接器电路通道电连接控制器7。
在一个优选的实施例中，每一LED光源发射器4包括单波长LED灯和相应的恒流源控制器，LED光源发射器4以脉冲方式工作。脉宽、频率和电流的选择可综合考虑单波长LED灯的散热、寿命，以及应用场合对动态响应特性的要求。控制器7可以通过控制恒流源控制器的电流大小控制单波长LED灯的光功率，进而增大监测装置的有效量程。例如：控制器7可以根据透射光信号强弱通过控制恒流源控制器动态调节单波长LED灯的功率，当监测水体有机物含量短时间内突然增大，导致透射信号减弱时，可以暂时提高单波长LED灯的光功率以获得信噪比较高的测量信号，增大有效量程。不同单波长的LED灯可以通过控制器7控制进行分时工作，以减少相互之间的干扰。根据待测介质所要检测的物质对不同波长光的吸收系数，可以选择单波长LED灯的波长。如果需要监测待测介质中的有机物污染情况，单波长LED灯可以选择的波长为254nm，如果要测量待测介质的浊度，单波长LED灯可以选择的波长为550nm或850nm。
在一个优选的实施例中，位于间隙块3上方固定设置有气体吹扫装置11，气体吹扫装置11通过间隙块3顶部设置的导流孔对进光石英窗5和出光石英窗6进行定期吹扫清洗。
在一个优选的实施例中，在线监测装置投放到待测介质前，可以使用特定的标准水样进行标定，也可以再使用目标水体的样品进行二次修正标定，具体方法为：随机采集目标水体样品，其有机物污染参数如化学需氧量和浊度应尽量覆盖较宽变化范围，利用离线测量的方法预先测定其化学需氧量、生化需氧量、总有机碳、浊度等参数，利用监测装置测量水体样品对不同波长光的吸收系数，并与各项参数进行拟合关联。拟合关联中考虑浊度对紫外光吸收的干扰，对浊度进行修正。拟合关联可采用对数线性的拟合形式，当有机物含量较高时，亦可采用对数多项式的拟合形式，建立吸收系数与水质参数的关联式后，可存储在监测装置内部，也可在获取数据后进行后处理。
在一个优选的实施例中，每一参考光接收器10均包括一对数运放放大器101和一光电倍增管102，光电倍增管102用于接收石英直角棱镜8的反射光信号，光电倍增管102将接收的反射光信号进行光电转换后发送到对数运算放大器101，对数运算放大器101将处理后的电信号发送控制器7进行处理，并根据处理结果通过恒流源控制器控制相应单波长LED灯的光功率。参考光接收器10用于通过获得参考光信号强度监测LED光源发射器4的光功率变化，这种变化可以由温度波动引起的，也可以是由LED光源发射器4长期工作导致的衰减引起，如果不进行监测和补偿将严重影响监测装置的准确度。
在一个优选的实施例中，每一透射光接收器9均包括一对数运算放大器91和一光电倍增管92，光电倍增管92用于接收穿过待测介质的光信号并进行光电转换后发送到对数运算放大器91，对数运算放大器91将处理后的电信号发送到控制器7，例如控制器7可以根据透射光信号的强弱动态调节LED光源发射器4的功率，当监测待测介质有机物含量短时间内突然增大，导致透射信号减弱时，可以暂时提高LED光源发射器4的功率以获得信噪比较高的测量信号，增大有效量程。
实施例2：
透射光穿过的间隙就是吸收光程，该间隙的宽度决定了监测装置的有效量程，所以应根据监测水体的具体情况进行设计。特别地，针对有机物含量变化范围较大的情况，可采用阶梯形间隙的形式。如图3所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是本实施例采用阶梯型间隙，即本实施例的发射器套筒1和接收器套筒2的内侧下部均向内凹设，使得发射器套筒1和接收器套筒2间隙成为上窄下宽的梯形间隙，在一个监测装置内布置两个光程不同的吸收光路。当有机物含量较低时采用长光程光路的信号；当有机物含量较高，长光程光路的透射光信号较弱时，采用短光程光路的信号。通过这样的设计可拓宽监测装置的有效量程至数倍以上，有效提高了监测装置监测复杂待测介质的能力。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，该在线监测光路包括若干组LED光源发射器、一控制器以及与所述LED光源发射器数量相同的参考光接收器、分光折返装置以及透射光接收器；
每一所述LED光源发射器发出的光部分或全部发射到相应所述分光折返装置，经相应所述分光折返装置或所述LED光源发射器出射的一部分光发射到信号待测介质，穿过所述待测介质的光信号经相应所述透射光接收器探测接收，通过透射光信号获得所述待测介质对特定波长光的吸收情况，经相应所述分光折返装置出射的另一部分光信号经相应所述参考光接收器探测接收，通过参考光信号获得相应所述LED光源发射器的功率变化情况，所述控制器电连接所述参考光接收器和透射光接收器，并根据接收信号调节相应所述LED光源发射器的光功率。
2.如权利要求1所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，每一所述LED光源发射器均包括单波长LED灯及相应恒流源控制器，所述控制器通过控制所述恒流源控制器的电流进而控制所述单波长LED灯的光功率，不同所述单波长LED灯通过所述控制器控制进行分时工作。
3.如权利要求1所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，当所述在线监测装置投放到所述待测介质前进行标定，具体标定过程为：随机采集目标待测样品，其有机物污染参数应尽量覆盖较宽变化范围，利用离线测量的方法预先测定其化学需氧量、生化需氧量、总有机碳及浊度参数，并利用所述在线监测装置测量目标待测样品对不同波长光的吸收系数，并对浊度进行修正。
4.如权利要求2所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，每一所述参考光接收器均包括光电倍增管和对数运放放大器，所述光电倍增管用于接收所述分光折返装置的光信号，所述光电倍增管将接收的光信号进行光电转换后发送到所述对数运算放大器，所述对数运算放大器将处理后的电信号发送所述控制器，所述控制器根据处理结果通过所述恒流源控制器控制相应所述单波长LED灯的光功率。
5.如权利要求2所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，每一所述透射光接收器均包括光电倍增管和对数运算放大器，所述光电倍增管用于接收穿过所述待测介质的光信号并进行光电转换后发送到所述对数运算放大器，所述对数运算放大器将处理后的电信号发送到所述控制器，所述控制器根据透射光信号的强弱动态调节所述LED光源发射器的光功率。
6.如权利要求1所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，该在线监测装置还包括发射器套筒、接收器套筒、间隙块、进光石英窗和出光石英窗，所述分光折返装置采用石英直角棱镜；所述发射器套筒和接收器套筒均为封闭的套筒结构，所述发射器套筒与接收器套筒平行间隔设置，所述发射器套筒与接收器套筒通过所述间隙块连接，所述发射器套筒与接收器套筒之间的间隙开放用于容纳所述待测介质，所述发射器套筒内纵向间隔设置若干所述LED光源发射器，对应每一所述LED光源发射器的出光位置，所述发射器套筒的内壁上设置有用于透光的所述进光石英窗，相对于每一所述进光石英窗的位置，所述接收器套筒上设置用于透光的所述出光石英窗；
每一所述LED光源发射器的光信号分别发射到相应所述石英直角棱镜和进光石英窗，部分未经过所述石英直角棱镜的光信号经所述进光石英窗发射到所述待测介质，透过所述待测介质的光信号经所述出光石英窗发射到所述透射光接收器，经所述石英直角棱镜折返的光信号发射到所述参考光接收器。
7.如权利要求6所述的基于发光二极管的水质在线监测装置，其特征在于，所述发射器套筒和接收器套筒的内侧下部均向内侧凹设，使得所述发射器套筒和接收器套筒间隙形成上窄下宽的梯形间隙。
8.如权利要求6所述的一种基于发光二极管的水质在线监测装置，位于所述间隙块上方固定设置有气体吹扫装置，所述气体吹扫装置通过所述间隙块顶部设置的导流孔对所述进光石英窗和出光石英窗进行定期吹扫清洗。
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