CN212780522U - 一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及水质分析检测技术领域，公开了一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪。所述装置包括外壳、暗盒和设置在暗盒内部的光学检测组件，所述光学检测组件包括具有四个透光面的比色皿以及与比色皿的每个透光面的分别对应设置的紫外LED光源模块、可见光LED光源模块、荧光光强检测模块、散射光强检测模块，所述紫外LED光源模块与可见光LED光源模块相对设置，荧光光强检测模块和散射光强检测模块相对设置。本实用新型利用紫外LED激发水中有机物产生荧光信号来反映溶解性有机物的浓度，同时通过可见光LED所发出的可见光遇到颗粒物发生散射实现对水中浊度的检测，从而满足溶解性有机物和浊度的现场快速检测需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及到环境分析检测领域的在线水质监测技术，具体涉及一种基于紫外LED与可见光LED双光源荧光法与散射光便携式水质分析仪，可以实现对水中溶解性的荧光类有机物浓度和浊度指标的快速检测。
背景技术
在各类自然水体和污水中普遍存在溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)、胶体和颗粒态物质。溶解性有机物是化学需氧量指标(Chemical Oxygen Demand,COD)和溶解性有机碳指标(dissolved organic carbon，DOC)的主要贡献值，而水中泥土、砂砾、浮游生物等悬浮物和胶体的含量则通过浊度指标来进行衡量。
分析检测DOM浓度水平的方法主要包括化学法和光谱法。其中化学法主要包括化学需氧量测试和总有机碳测试；而光谱法则包括紫外吸光度法和荧光光谱法。紫外吸光度主要利用溶解性有机物在254nm处的紫外吸收，而荧光光谱法主要利用水中的溶解性有机物受紫外光激发后产生发射波长在340±20nm的蛋白类荧光和450±30nm的腐殖质类荧光。近年来研究表明，腐殖质荧光与254nm处紫外吸光度具有良好的线性相关性。在化学法虽然在国家或行业标准中广泛采用，但其在线监测设备结构复杂，体积较大，价格高昂，测试周期长，需要化学试剂，存在二次化学污染，运维与废液处理费用高昂；而光谱法具有简单、快速和无需化学试剂等优点，中国水利企业协会发布了《光谱法水质在线监测***技术导则》T/CWEC 13-2019，明确了光谱法在化学需氧量水质指标在线监测领域应用的可行性。
浊度指标是人可以直接观察感受到的指标之一，也是目前水中监测领域的常规五参数之一。浊度的测试方法主要包括比浊法(可见光吸收)或散射光法，可见波长吸光度和散射光法均是目前浊度计的主要方法。
综上所述，溶解性有机物和浊度的水质指标均可通过光谱法实现快速检测。目前，商业化应用的反映DOM浓度水平的光谱法设备主要是采用脉冲氙灯光源或低压汞灯光源。例如，采用低压汞灯作为光源，通过测试254nm波长下的紫外吸光度(UV254)作为化学需氧量的替代性指标；采用脉冲氙灯光源，通过测试200-750nm波段的紫外-可见吸收光度，实现对硝酸盐浓度、DOM浓度和浊度等指标的分析检测。然而，这些基于低压汞灯或脉冲氙灯光源的光谱法水质监测设备或探头，仍存在体积较大，功耗较高的问题。特别是此类设备需要特定的电源，难以实现便携手持式产品的开发。
发光二极管LED具有体积小、功耗低、成本低、单色性好、操作电压低和可高速频繁开关等优点。特别是近年来，深紫外LED技术已经实现商业化生产，为光谱法水质检测提供了新型光源技术。申请号为201910035691.1的发明专利公开了一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头及使用方法，该发明采用280±10nm深紫外LED芯片和465±10nm蓝光LED芯片进行复合封装，两种LED芯片交替工作，所发出的深紫外光激发水样产生两种发射波长的蛋白类荧光和腐殖质类荧光，分别被硅光电二极管结合两种带通滤光片330-370nm和400-500nm所探测；所发出的蓝光遇到颗粒物或胶体所产生的散射光经过400-500nm带通滤光片被硅光电二极管所探测。该发明的特点在于(1)采用了复合封装LED光源，(2)含有400-500nm带通滤光片的硅光电二极管具有双重功能，既探测腐殖质类荧光，又通过蓝光散射光探测浊度。该发明为探头式设计，蓝光LED芯片和深紫外LED芯片的复合封装成本较高，由于采用荧光检测与蓝光散射光检测复用一个通道，无法采用其他可见光波长进行浊度检测。
申请号为201910932111.9的发明专利公开了一种便携式快速水质检测仪及水质检测方法，该申请案的方法主要采用中心波长在250～300nm范围内的深紫外LED实现对溶解性有机物的紫外吸光度指标、蛋白类荧光和腐殖质类荧光的同步快速检测。该发明主要采用了中心波长在250～300nm的深紫外LED，该类LED需要带有石英透镜的TO39封装，价格仍然较高；此外深紫外LED芯片的电光转换效率仍然较低，在2％左右，所产生的热量影响LED的光强稳定性，因此需要设有光源检测模块实现对光源光强变化的校正。此外，针对水中溶解性有机物和浊度的现场快速检测需求，该装置不具有浊度检测功能，限制其更为广泛应用。
发明内容
1.要解决的问题
针对水中溶解性有机物和浊度的现场快速检测需求，本实用新型旨在提供一种基于紫外LED与可见光LED双光源的便携式水质分析仪，通过将光学检测组件设置为紫外LED光源模块、可见光LED光源模块和两个光强检测模块分别对应比色皿不同的透光面，其中紫外LED光源模块与可见光LED光源模块相对，两个光强检测模块相对的结构，利用紫外LED激发水中有机物产生荧光信号来反映溶解性有机物的浓度，同时利用可见光LED所发出的可见光散射实现对水中浊度的检测，从而使溶解性有机物和浊度现场检测同步进行，大大提高检测效率，扩大应用范围。
2.技术方案
为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，包括外壳、暗盒和设置在暗盒内部的光学检测组件，所述光学检测组件包括具有四个透光面的比色皿以及与比色皿的每个透光面分别对应设置的紫外LED光源模块、可见光LED光源模块、荧光光强检测模块、散射光强检测模块，所述紫外LED光源模块与可见光LED光源模块相对设置，荧光光强检测模块和散射光强检测模块相对设置。
优选的方案，所述暗盒包括位于上部的暗盒盖子和位于下部的暗盒本体，所述暗盒盖子上设有用于比色皿***至暗盒中的方形口；所述紫外LED光源模块、可见光LED光源模块、荧光光强检测模块、散射光强检测模块固定在暗盒本体内部。
优选的方案，所述的荧光光强检测模块和散射光强检测模块分别包括电路板、在电路板上固定设置的硅光电二极管、固定部件和带通滤光片，所述带通滤光片通过固定部件固定在硅光电二极管上。
优选地方案，所述的紫外LED光源中心波长为365±10nm，其封装形式可以为TO18金属封装、TO39金属封装、F3塑料封装或F5塑料封装，更为优选地，采用TO39金属封装。
优选地方案，所述的可见光LED光源，其中心波长可以为680±20nm(红色)、620±20nm(橙红色)或550±20(绿色)，其封装形式可以为TO18金属封装、TO39金属封装、F3塑料封装或F5塑料封装，更优选地采用TO18金属封装的680nm红光LED。
优选的方案，所述荧光光强检测模块对应的带通滤光片的带通波长范围为400～500nm，和/或所述散射光强检测模块对应的带通滤光片的带通波长范围为650～700nm、600-650nm或525-575nm，与所采用的可见光LED光源的波长相匹配。
优选的方案，所述运算放大电路包括两级运算放大芯片，其中一级运算放大芯片采用跨阻运算放大形式，二级运算放大芯片采用反相运算放大形式；荧光光强检测模块用于紫外光激发水中溶解性有机物所产生的荧光信号的检测，其对应的滤光片的带通波长范围为400-500nm，跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值范围为200-1000MΩ；散射光强检测模块用于对可见光LED照射到颗粒物所产生的垂直方向的散射光光强进行检测，其对应的滤光片的带通波长范围与所用采用的可见光LED波长相匹配，其跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值范围为10-200MΩ。
优选地方案，所述的电路主板，包括单片机、按键电路、电源管理电路、显示屏驱动电路、蓝牙模块、蜂鸣器、LED驱动控制电路和DC-DC升压电路，更为优选地方案，所述的紫外LED和可见光LED的驱动控制电路采用明微电子SM32105E芯片。
优选地方案，所述的紫外LED和可见光LED采用交替频闪的方式，在紫外LED工作周期内，电路主板上的单片机对荧光信号光强检测模块的所产生的电信号进行采集；在可见光LED工作时，电路主板上的单片机对散射光强检测模块所产生的电信号进行采集。
优选地方案，所述外壳包括上部外壳和下部外壳，所述上部外壳上设有用于安***色皿的方形孔和用于方形孔开闭的遮光盖，所述方形孔与下方的方形口相对应。
3.有益效果
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，通过中心波长为365±10nm的紫外LED激发水中有机物产生400-500nm波长范围内的荧光信号来反映溶解性有机物的浓度，通过红色波长LED或绿色波长LED所发出的可见光散射实现对水中浊度的检测，具有一机两用，同步检测的特点，满足溶解性有机物和浊度的现场快速检测需求。
(2)本实用新型的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，从溶解性有机物与浊度检测的原理出发，通过简单的设置将两种检测方式结合，通过在比色皿的周围分别设置紫外LED光源模块、可见光LED光源模块和两个光强检测模块，使上述模块分别对应不同的透光面，并使紫外LED光源模块、可见光LED光源模块对应设置，两个光强检测模块对应设置来实现溶解性有机物与浊度的同步检测分析，整体的结构紧凑，占用体积较小，利用推广。
(3)本实用新型的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，对于腐殖质荧光信号检测而言，采用365nm LED作为光源替代现有技术中通常采用的275nm LED光源，由于溶解性有机物在365nm的吸光度较小，因此采用365nm LED作为光源受内部掩盖效应干扰小，具有更高浓度的线性检测范围，另一方面，由于365nm LED比275nm LED的发光效率高而产热量小，光源强度更加稳定，无需光源强度校准。
(4)本实用新型的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，采用独立的紫外LED和可见LED光源，制作成本比复合封装的多波长LED低，且容易实现独立控制和器件更换。
附图说明
图1为实施例1中一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪的外壳及内部结构；
图2为暗盒与光学检测组件图；
图3为光学检测组件位置关系图；
图4为光强检测模块示意图；
图中：11、上部外壳；12、下部外壳；13、遮光盖；14、按键；15、导光柱；16、亚克力板；17、支撑板；18、固定板；19、暗盒盖子；20、暗盒本体；21、比色皿；22、紫外LED光源模块；23、可见光LED光源模块；24、荧光光强检测模块、25、散射光强检测模块、31、电路板；32、硅光电二极管；33、带通滤光片；34、固定部件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪包括外壳、电池、按键14、显示屏、电路主板、导光柱15、亚克力板16、支撑板17、固定板18、暗盒。
所述外壳包括上部外壳11和下部外壳12，所述上部外壳上设置方形孔和用于使方形孔开闭的遮光盖13。
所述亚克力板16和显示屏通过支撑板17固定于上部外壳11，所述亚克力板16对显示屏起到防水保护作用，所述按键14和电路主板通过螺丝固定于上部外壳11，所述电池通过固定板18固定于下部外壳12上。
所述按键14包括电源键、返回键、菜单键、保存键、测量键和校零键，所述导光柱15用于将电路主板上的指示灯光源导出，以指示按键响应和充电状态。
如图2所示，光学检测组件位于暗盒内，包括一个具有四个透光面的比色皿21、紫外LED光源模块22、可见光LED光源模块23、荧光光强检测模块24和散射光强检测模块25。如图3所示，所述紫外LED光源模块22、可见光LED光源模块23、荧光光强检测模块24和散射光强检测模块25固定在比色皿21的四周，分别对应不同的透光面，其中紫外LED光源模块22与可见光LED光源模块23相对设置，荧光光强检测模块24和散射光强检测模块25相对设置。
所述暗盒包括暗盒盖子19和暗盒本体20，暗盒结构为黑色塑料材质，具有遮光和固定作用，暗盒盖子19上设有方形口，所述方形口与所述方形孔位置相对，用于使比色皿21在遮光盖13打开时从上方***到暗盒中；下方的暗盒本体20带有固定槽位，起到固定紫外LED光源模块22、可见光LED光源模块23、荧光光强检测模块24和散射光强检测模块25的作用。
所述的紫外LED光源中心波长为365±10nm，其封装形式为TO39金属封装，由于所采用的紫外波长能够透过K9玻璃，TO39金属封装前端的透镜材质可以采用K9玻璃替代石英，降低封装成本。
所述可见光LED光源为680nm红色LED，其封装形式为TO18金属封装，该封装的发光角小于5度，可以减少光源自身的散射光。
如图4所示，所述的荧光光强检测模块24和散射光强检测模块25分别包括电路板31、电路板上固定设置的硅光电二极管32、带通滤光片33和固定部件34。
所述的电路板31上印制有运算放大电路，其包括两级运算放大芯片，其中一级运算放大芯片采用OPA129，采用跨阻运算放大形式，二级运算放大芯片为OPA227，采用反相运算放大形式；所述的固定部件34为固定圆帽，其将带通滤光片33固定在硅光电二极管32上。
荧光光强检测模块24用于紫外光激发水中溶解性有机物所产生的荧光信号的检测，其对应的带通滤光片33的带通波长范围为400-500nm，跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值为500MΩ；散射光强检测模块25，用于对可见光LED照射到颗粒物所产生的垂直方向的散射光光强进行检测，其对应的带通滤光片33的带通波长范围为650-700nm，其跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值为100MΩ。
所述的电路主板包括单片机、按键电路、电源管理电路、显示屏驱动电路、蓝牙模块、蜂鸣器、LED驱动控制电路和DC-DC升压电路，所述的紫外LED和可见光LED的驱动控制电路采用明微电子SM32105E芯片，该芯片的参考电压为170mV，其中紫外LED驱动控制电路采用4Ω参考电阻，其电流为约为40mA，而红光LED驱动控制电路采用16Ω参考电阻，其电流约为10mA。所述的紫外LED和可见光LED采用交替频闪的方式，在紫外LED工作周期内，电路主板上的单片机对荧光信号光强检测模块24的所产生的电信号进行采集；在可见光LED工作时，电路主板上的单片机对散射光强检测模块25所产生的电信号进行采集。
实施例2
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的紫外LED光源中心波长为365±10nm，其封装形式为TO18金属封装，所述的荧光光强检测模块24中跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值为1GΩ。
所述的可见光LED光源为620nm橙红色LED，其封装形式为TO39金属封装。所述的散射光强检测模块25所采用的滤光片33的带通波长范围为600-650nm，跨阻运算放大电路所用到的反馈电阻阻值为200MΩ。
实施例3
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的紫外LED光源中心波长为365±10nm，其封装形式为F5塑料封装。
所述的可见光LED光源为550nm绿色LED，其封装形式为F3塑料封装。所述的散射光强检测模块25所采用的滤光片33的带通波长范围为525-575nm。
Claims (10)
1.一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，包括外壳、暗盒和设置在暗盒内部的光学检测组件，其特征在于：所述光学检测组件包括具有四个透光面的比色皿(21)以及与比色皿(21)的每个透光面分别对应设置的紫外LED光源模块(22)、可见光LED光源模块(23)、荧光光强检测模块(24)、散射光强检测模块(25)，所述紫外LED光源模块(22)与可见光LED光源模块(23)相对设置，荧光光强检测模块(24)和散射光强检测模块(25)相对设置。
2.根据权利要求1所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述暗盒包括位于上部的暗盒盖子(19)和位于下部的暗盒本体(20)，所述暗盒盖子(19)上设有安***色皿(21)的方形口；所述紫外LED光源模块(22)、可见光LED光源模块(23)、荧光光强检测模块(24)、散射光强检测模块(25)固定在暗盒本体(20)内部。
3.根据权利要求1或2所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述的荧光光强检测模块(24)和散射光强检测模块(25)分别包括电路板(31)、在电路板(31)上固定设置的硅光电二极管(32)、固定部件(34)和带通滤光片(33)，所述带通滤光片(33)通过固定部件(34)固定在硅光电二极管(32)上。
4.根据权利要求3所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述的紫外LED光源的中心波长为365±10nm，和/或其封装形式包括TO18金属封装、TO39金属封装、F3塑料封装或F5塑料封装。
5.根据权利要求4所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述的可见光LED光源的中心波长包括680±20nm、620±20nm或550±20。
6.根据权利要求5所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述的可见光LED光源的封装形式包括TO18金属封装、TO39金属封装、F3塑料封装或F5塑料封装。
7.根据权利要求5所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述荧光光强检测模块(24)对应的带通滤光片(33)的带通波长范围为400～500nm，和/或所述散射光强检测模块(25)对应的带通滤光片(33)的带通波长范围为650～700nm、600-650nm或525-575nm，与所采用的可见光LED光源的波长相匹配。
8.根据权利要求3所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述的电路板(31)上印制有运算放大电路，所述放大电路包括两级运算放大芯片，一级运算放大芯片采用跨阻运算放大形式，二级运算放大芯片采用反相运算放大形式。
9.根据权利要求8所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述荧光光强检测模块(24)的一级运算放大芯片所用到的反馈电阻阻值范围为200-1000MΩ；所述散射光强检测模块(25)的二级运算放大芯片所用到的反馈电阻阻值范围为10-200MΩ。
10.根据权利要求2所述的便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪，其特征在于：所述外壳包括上部外壳(11)和下部外壳(12)，所述上部外壳(11)上设有用于安***色皿(21)的方形孔和用于方形孔开闭的遮光盖(13)，所述方形孔与下方的方形口相对应。
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| CN202021409102.6U CN212780522U (zh) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | 一种便携式溶解性有机物与浊度水质分析仪 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102022107746A1 (de) | 2022-03-31 | 2023-10-05 | Lytegate GmbH | Verfahren und Messanordnung zur Untersuchung organischen Materials |
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2020
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