CN205091264U - 一种以单个uv-led为光源的紫外荧光三信号水质传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，属于环境监测和水处理领域。本实用新型的紫外荧光三信号水质传感器，包括光路部分和信号控制处理部分，光路部分包括1个UV-LED、样品池、紫外探测器、荧光探测器A和荧光探测器B；信号控制处理部分包括电源模块、信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C、模数转换器和微处理器。本实用新型无化学试剂消耗，实现了对水体中溶解性有机物总体浓度变化的实时监测，还能反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分浓度的实时变化，用于在线预测消毒副产物生成势以及高级氧化工艺中微污染物的降解程度，为水处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在线监测装置。

Description

一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器

技术领域

本实用新型涉及环境监测和水处理领域，具体涉及一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器。

背景技术

溶解性有机物的组成和性质，对强化混凝、膜过滤、高级氧化、吸附与离子交换等工艺的处理效果均具有重要影响。溶解性有机物，特别是蛋白类和腐殖质类物质，是氯化消毒工艺中消毒副产物的重要前驱体，因此在水处理过程中，溶解性有机物是重要的监测对象。

现有的水处理工艺，通常以设定的参数进行程序化地运行。由于水质存在波动，各种水处理工艺的运行参数难以根据实际情况及时做出调整，存在药剂、能源和材料的过度消耗或不足的问题。近年来，物联网、云计算和工业4.0等概念正在改变着人们的生活和生产方式，而传感器是实现这些概念的重要前端环节之一。现有的水处理工艺迫切需要一种灵敏、快速、高效、经济、简易的在线有机物监测装置，为现有水处理工艺和装备地自动化控制通过传感器提供负反馈信号。

目前对水体中溶解性有机物进行监测分析的常用方法与指标主要包括：化学需氧量(chemicaloxygendemand，COD)、总有机碳(totalorganiccarbon，TOC)、紫外光谱、荧光光谱。与COD和TOC方法相比，光谱法无需化学试剂，且快速、灵敏、方便，更适合为水处理***的自动化控制提供在线负反馈信号。

目前一些特定波长的紫外吸收值，如254nm(简称UV254)，已列入美国环境保护局水与废水检测标准方法(EPASM5910B)，作为反映水体中有机物相对浓度和芳香性的替代性指标而被广泛运用。之所以选用254nm波长，是因为早期紫外光谱仪采用低压汞灯为光源，其中一条主射线在254nm附近。目前采用紫外光谱法的溶解性有机物在线监测产品和专利主要采用UV254吸光度指标(比如专利文献——一种投入式紫外吸收在线分析仪，申请号：201110106617.8)，其光源普遍采用寿命较长的脉冲氙灯，但仍存在体积大、能耗高、需要分光和散热构造等问题。

相对于氙灯，深紫外LED具有单色性好、体积小、能耗低和发光效率高等优点。目前商业化比较成熟的深紫外LED有265±5nm，280±5nm和310±5nm等系列波段。基于现有理论与技术，随着LED波长越低，其芯片需要掺杂更多的铝元素，成品率、发光效率和使用寿命也随之降低，同时产热量急剧升高。选用254nm附近的LED作为光源同样会存在效率、寿命、散热和价格问题。

由于水体中蛋白类和腐殖质类物质所固有的荧光特性，近年来三维荧光光谱(excitationemissionmatrix，EEM)在对各类水体中溶解性有机物的表征方面得到广泛运用。根据三维荧光光谱，合理选择荧光光谱指标，即激发波长与发射波长参数，是实现荧光法在线应用的关键。关于三维荧光光谱中荧光峰的解释，传统观点错误地认为不同激发/发射波长的荧光峰来自于不同的物质。我们前期的研究表明激发波长不同而发射波长相同的荧光峰反映相同的物质，因此对于发射波长相同的荧光峰只需要选择一个激发波长即可。通常情况下，根据发射波长的位置，可以区分蛋白类物质和腐殖质类物质。我们前期的发明中，提出了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法(申请号201410502662.9)，但为实现探测蛋白类和腐殖质类荧光，需要采用两个不同的LED作为光源，而光源的不统一，往往会造成检测的不必要的误差。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的针对水质检测中紫外吸收分析设备往往体积较大而不方便携带、成本高和多光源存在不必要误差的问题，本实用新型提供了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器。它综合利用紫外的普适性和荧光法的选择性和灵敏性，可以实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分浓度的变化，为水处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在线监测装置。

2.技术方案

本申请发明人经过长期研究发现UV280与UV254均反映相同的溶解性有机物，只是UV280的吸光度值相对较弱，并对江苏省16个县级以上地区饮用水源地以及德国卡尔斯鲁厄地区莱茵河的调研结果表明，地表水中UV280/UV254二者比值约为0.75，因此可以通过增加光程和后续信号处理电路两种方式提高UV280灵敏度。结合LED和光电二极管的性能，选用UV280替代UV254指标具有可行性和经济性。此外，UV280还可作为蛋白类荧光的激发光源。本申请发明人在近期实验过程发现，280±15nm的紫外光可以同时激发蛋白类和腐殖质类物质产生荧光。虽然280nm波长附近的紫外光不是腐殖质荧光的最佳激发波长，但是由于带通滤光片的透过率和光电二极管的响应在410～480nm可见光波段均较高，仍可以足够灵敏地探测腐殖质类荧光信号。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，包括光路部分和信号控制处理部分，光路部分包括UV-LED、样品池、紫外探测器、荧光探测器A和荧光探测器B；信号控制处理部分包括电源模块、信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C、模数转换器和微处理器；UV-LED为1个，其中：打开电源后，微处理器输出开关指令给UV-LED驱动电路，控制UV-LED按设定周期点亮或熄灭，所发出的紫外光经过样品池内水样吸收后，产生的荧光和未被吸收的紫外光分成三路进行探测：一路经荧光探测器A检测、二路经荧光探测器B检测、三路经紫外探测器产生电信号，再分别经信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C进行放大处理，全部经模数转换器进行模数转换成数字信号后，输送入微处理器处理。

优选地，信号控制处理部分还包括介于电源模块和UV-LED之间的LED驱动电路以及和微处理器通过导线和数据线连接的显示屏、存储器、控制键盘、无线通讯装置；微处理器将数字信号储存到存储器，或者经数据线/无线通讯装置传输通过上位机接口输出到上位机中，显示屏实时显示数字信号，并通过控制键盘或上位机对整个传感器进行控制和参数输入。

优选地，所属的电源模块由锂电池作为内置电源，经DC-DC升压转换模块为信号控制处理部分供电，并通过恒流源电路对光路部分中的UV-LED进行供电。

优选地，荧光探测器A包括光电二极管和带通滤光片A，荧光探测器B包括光电二极管和带通滤光片B；带通滤光片A波长为330～360nm，用于蛋白类荧光的监测；带通滤光片B波长为410～480nm，用于腐殖质类荧光的监测；检测时，水样中荧光团受激所发出的荧光分别经过带通滤光片A和带通滤光片B照射到光电二极管上产生电信号。

优选地，恒流源电路以连续或间断方式工作，实现以设置的采集频率对水质进行监测。

优选地，UV-LED灯光源为中心波长为280±15nm范围的深紫外LED灯。

优选地，紫外探测器采用紫外强化响应的光电二极管，荧光探测器采用蓝光强化响应的光电二极管。

优选地，样品池的水样以虹吸、蠕动泵以及水样自身的流速或压力实现样品采集，进行在线监测或选用比色皿取样进行便携式人工取样测定。

优选地，UV-LED发光角小于30度，以避免斜射，样品池或比色皿为石英透光材质。

一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器的应用，至少能够应用于水质在线监测、饮用水中消毒副产物生成势的预测、臭氧高级氧化工艺中微污染物的降解程度预测。

3.有益效果

相比于最接近的现有技术，本实用新型的有益之处在于：

(1)本实用新型的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，以单个深紫外LED为光源，与现有采用脉冲氙灯或LED阵列灯组为光源的在线监设备相比，具有体积小，能耗低，成本低，结构简单，无需散热等优点；

(2)本实用新型的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，采用UV280LED作为光源，与采用波长在254nm附近的低波长LED作为光源相比，具有价格低，寿命长，发光效率高和产热量小的优点。同时以紫外强化的光电二极管探测紫外吸光度，其在280nm附近的光电响应要优于低波长的254nm。此外，UV280LED可以更好地激发蛋白类荧光。因此，采用UV280紫外吸光度指标更适合于水质在线监测；

(3)本实用新型的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，在监测UV280紫外吸光度的同时，采用带通滤光片结合光电二极管作为荧光探测器，监测蛋白类荧光和腐殖质类荧光两种信号。综合利用了紫外信号的相对广谱性和荧光信号的选择性与灵敏性，反映更多的关于溶解性有机物的水质信息，可以适用多种类型的水样；

(4)本实用新型的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，环境温度的变化会造成LED光源发光效率的微小波动。不同系列LED发光强度对环境温度变化的敏感度也不同，其使用寿命也存在差异。相对于采用多个LED灯，采用单个LED作为光源所产生的三种信号，其信号间比值可以削弱光源强度变化的影响，可以更加真实准确地反映溶解性有机物组分的变化；

(5)本实用新型的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，同时对LED灯光源照射到样品上所产生的荧光信号以及通过样品的紫外信号进行探测，综合利用紫外法的普适性与荧光法的选择性，可以实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分的浓度和氧化还原特性的变化，在定性和定量分析上更具优势，为科学研究和水处理运行提供实时监测数据。

附图说明

图1为本实用新型的框架示意图；

图2为本实用新型的电源模块电路原理图(包含LED驱动电路)；

图3为本实用新型的荧光信号放大电路原理图；

图4为本实用新型的紫外信号放大电路原理图；

图5为本实用新型的光路部分空间结构图；

图6为上位机通过Labview软件实时显示示意图；

图7为本实用新型的三种信号在线监测多种水样的数据曲线图；

图8为本实用新型的样机立体图；

图9(a)-9(f)为本实用新型的三种信号与消毒副产物生成势的关系图；

图10为本实用新型的三种信号在线监测臭氧工艺处理效果的数据曲线图；

图11为本实用新型的腐殖质荧光信号与微污染物臭氧氧化降解的关系图。

图中标号说明：51、UV-LED；52、样品池；53、带通滤光片A；54、带通滤光片B；55、光电二极管；61、紫外探测器数字信号实时显示；62、荧光探测器A数字信号实时显示；63、荧光探测器B数字信号实时显示；71、自来水在线监测数据；72、河水在线监测数据；73、城市生活污水在线监测数据；74、某印染废水生化处理出水在线监测数据；81、两欧元面额硬币；101、纯水校零阶段；102、进水阶段；103、稳定阶段；104、臭氧降解阶段。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，同时监测紫外吸光度UV280，蛋白类荧光和腐殖质类荧光三种信号，如图1所示，包括光路部分和信号控制处理部分，如图5所示，光路部分包括UV-LED51、样品池52、紫外探测器、荧光探测器A和荧光探测器B；UV-LED选用波长为280±15nm的深紫外LED，采用TO39支架封装，发光角小于30度。紫外探测器采用紫外强化响应的光电二极管55。荧光探测器包括硅光电二极管55和带通滤光片，选用波长为330～360nm的带通滤光片A53用于蛋白类荧光的监测；同时选用波长为410～480nm的带通滤光片B54用于腐殖质类荧光的监测。

样品池为石英透光材质流通池或比色皿。采用样品流通池时，利用虹吸、蠕动泵以及监测水体自身的流速或压力，实现样品采集，进行在线监测；比色皿适用于便携式人工取样测定。

信号控制处理部分包括电源模块、LED驱动电路、信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C、模数转换器、微处理器、显示屏、存储器、控制键盘、上位机接口和无线通讯装置；UV-LED为1个。

如图2所示的电源模块主要功能包括为UV-LED以及为整个水质传感器内***运放和单片机芯片等供电，提供20mA的恒流源以及+7.5V和-7.5V的运放电源和3.3V电源。在本实例中采用锂电池供电，要进行DC-DC升压转换，如图2所示，本实施例中通过采用TI公司的tps61040实现，其输入电压范围1.8-6V，输出最大28V且转换效率近90％，可直接转换为正负电源。图2所示的LED驱动电路采用LM317芯片结合定值电阻构成20mA精密可调的恒流源。利用单片机对tps61040的EN脚的高低电平进行控制，实现对LED的连续或间断开关。间断开关的占空比可通过单片机程序进行设定。

图3所示荧光信号放大电路原理图，本实施例中由于荧光探测器产生的电流为pA级，进行I-V转换时需要考虑运放的输入偏置电流。此处采用TI公司的OPA129芯片，其偏置电流最大为100fA，且具有极低的噪声和温漂。由于I-V转换电阻非常大(G级)，外界噪声及干扰很容易通过大电阻耦合进入电路，影响***系能。实验表明输出信号有峰值近200mV的50Hz工频干扰，在其后加一带宽为10Hz的低通滤波器解决。荧光信号放大器A与B设计基本相同，主要区别在于I-V转换电阻的大小，即电路放大倍数的不同。

图4所示为紫外信号放大电路，由于紫外探测器电流为mA级，同样采用TI公司的OPA129芯片，其I-V转换电阻小，受到的工频干扰非常小，只需要再其后加一无源滤波器即可，其响应时间非常快(本实施例定为2ms)。

微处理器、显示屏、存储器、控制按键、上位机接口、无线通信以及模数转换等模块及其辅助电路集成于主板电路上。本实施案例中微处理器采用TI公司的CC2530芯片，是一种2.4-GHz基于IEEE802.15.4标准的近距离无线通讯芯片。

本实施例的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，如图8所示，以置于水质传感器顶面的两欧元面额硬币81相对照可以发现，其体积不大，携带和使用非常方便，在工作过程中，微处理器输出开关指令信号给LED驱动电路，控制UV-LED灯光源以连续或间断形式进行工作；UV-LED发出紫外光源经过样品池内水样吸收后，所产生的荧光和未被吸收的紫外光分成三路：一路经荧光探测器A检测、二路经荧光探测器B检测、三路经紫外探测器产生电信号，再分别经信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C进行放大处理，全部经模数转换器进行模数转换成数字信号后，输送入微处理器处理，微处理器将数字信号储存到存储器，或者经数据线/无线通讯装置传输通过上位机接口输出到上位机中，显示屏实时显示数字信号，并通过控制键盘或上位机对整个传感器进行控制和参数输入，如图6所示，在上位机可以通过Labview软件实时显示无线数据传输模块获得的数据：有紫外探测器数字信号实时显示61、荧光探测器A数字信号实时显示62、荧光探测器B数字信号实时显示63；运用本实施例的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器对某地自来水、河水、城市生活污水以及某印染废水生化处理出水进行了在线测试，各水样通过蠕动泵泵入样品池中。三种信号在线监测数据如图7所示：自来水在线监测数据71、河水在线监测数据72、城市生活污水在线监测数据73、某印染废水生化处理出水在线监测数据74。

各水样监测数值统计如下表所示：

通过对比荧光强度及其比值，可以看出，生活污水中蛋白类物质相对丰富，且蛋白类物质对紫外吸光度UV280的贡献较大；印染废水生化处理出水的紫外吸光度和荧光信号最强。

实施例2

本实施例的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其具体结构同实施例1，可以应用于饮用水中消毒副产物生成势的预测上。

对江苏省16县市饮用水源水及其强化混凝和离子交换处理后的水样进行了消毒生成势实验，运用水质传感器测试各水样的UV280紫外吸光度、蛋白类和腐殖质类荧光信号，并运用气相色谱法和气相质谱对消毒副产物指标三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)进行了检测。如图9(a)-9(f)所示，通过对光谱信号和消毒副产物生成量进行拟合，结果表明三种信号均可用于对消毒副产物生成势的预测。其中，对于THMs，紫外吸光度UV280和腐殖质类荧光信号拟合效果优于蛋白类荧光；而对于HAAs生成势的预测，蛋白类荧光信号优于紫外吸光度UV280，腐殖质类荧光信号最佳因此，对于特定水厂，可以通过初期检测消毒副产物浓度，构建与上述三种光谱信号的关系，实现在线预测消毒副产物生成势，保障水质安全。

实施例3

本实施例的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，可以应用于预测臭氧高级氧化工艺中微污染物的降解程度。

本实施例的紫外荧光三信号水质传感器在线监测臭氧氧化过程中的水质变化曲线，如图10所示，分为纯水校零阶段101、进水阶段102、稳定阶段103和臭氧降解阶段104。本申请发明人研究了14种微污染物在臭氧氧化工艺中的降解程度与紫外吸光度UV280或蛋白类荧光信号或腐殖质类荧光信号去除率的关系，这14种微污染物包括：双酚A(CAS:80-05-7),卡马西平(CAS:298-46-4)，双氯芬酸钠(CAS:15307-86-5)，磺胺甲恶唑(CAS:723-46-6)，三氯生(CAS:3380-34-5)，甲氧苄氨嘧啶(CAS:738-70-5)，阿替洛尔(CAS:29122-68-7)，吉非贝齐(CAS:25812-30-0)，避蚊胺(CAS:134-62-3)，布洛芬(CAS:15687-27-1)，苯妥英(CAS:57-41-0)，扑米酮(CAS:125-33-7)，阿特拉津(CAS:1912-24-9)，磷酸三(2-氯丙基)酯(CAS:13674-84-5).结果表明，当上述三种光谱信号去除率达到50％左右，可以实现对地表水或城市生活污水中常见微污染物90％以上的去除率，如图11所示，不同水样臭氧氧化过程中腐殖质类荧光信号与药物卡马西平去除率间的关系。因此在臭氧水处理工艺中可以通过紫外荧光信号的变化实现对常见微污染物降解程度的预测。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，包括光路部分和信号控制处理部分，所述光路部分包括UV-LED、样品池、紫外探测器、荧光探测器A和荧光探测器B；所述信号控制处理部分包括电源模块、信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C、模数转换器和微处理器；其特征在于：所述UV-LED为1个，其中：

打开电源开关为整个水质传感器供电后，微处理器以设定的周期控制UV-LED光源开关，UV-LED所发出的紫外光经过样品池内水样吸收后，所产生的荧光和未被吸收的紫外光分成三路进行探测：一路经荧光探测器A检测、二路经荧光探测器B检测、三路经紫外探测器产生电信号，再分别经信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C进行放大处理，全部经模数转换器进行模数转换成数字信号后，输送入微处理器处理。

2.根据权利要求1所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述信号控制处理部分还包括介于电源模块和UV-LED之间的LED驱动电路以及和微处理器通过导线和数据线连接的显示屏、存储器、控制键盘、无线通讯装置；所述微处理器将数字信号储存到存储器，或者经数据线/无线通讯装置传输通过上位机接口输出到上位机中，所述显示屏实时显示数字信号，并通过所述控制键盘或上位机对整个传感器进行控制和参数输入。

3.根据权利要求1或2所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所属的电源模块由锂电池作为内置电源，经DC-DC升压转换模块为信号控制处理部分供电，并通过恒流源电路对光路部分中的UV-LED进行供电。

4.根据权利要求3所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述荧光探测器A包括光电二极管和带通滤光片A，所述荧光探测器B包括光电二极管和带通滤光片B；所述带通滤光片A波长为330～360nm，用于蛋白类荧光的监测；所述带通滤光片B波长为410～480nm，用于腐殖质类荧光的监测；检测时，水样中荧光团受激所发出的荧光分别经过带通滤光片A和带通滤光片B照射到光电二极管上产生电信号。

5.根据权利要求4所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述恒流源电路以连续或间断方式工作，实现以设置的采集频率对水质进行监测。

6.根据权利要求4所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述的UV-LED灯光源为中心波长为280±15nm范围的深紫外LED灯。

7.根据权利要求6所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述紫外探测器采用紫外强化响应的光电二极管，所述荧光探测器采用蓝光强化响应的光电二极管。

8.根据权利要求6所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述样品池的水样以虹吸、蠕动泵以及水样自身的流速或压力实现样品采集，进行在线监测或选用比色皿取样进行便携式人工取样测定。

9.根据权利要求8所述的以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，其特征在于：所述UV-LED发光角小于30度，所述光电二极管为硅光电二极管，所述样品池或比色皿为石英透光材质。