一种基于全光谱水质在线监测设备及其监测方法与流程

文档序号:11945733阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:包括脉冲氙灯、清洗模块、光谱测量模块和控制单元;其中,所述清洗模块一端与脉冲氙灯,另一端与光谱测量模块相连;所述控制单元控制脉冲氙灯发射脉冲光,控制清洗模块按需要清洗测量表面,控制清洗模块进行光路切换,控制光谱测量模块读数每个波段的光信号强度。

2.如权利要求1所述的基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:所述脉冲氙灯发射波长185-2000nm,触发电压5-7kV,单个脉冲能量>0.1J,输出稳定波动<3.5%,寿命>109次,具体为滨淞或Perkin Elmer脉冲氙灯。

3.如权利要求1所述的基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:所述清洗模块由聚焦透镜、切换电机、清洗刷、准直透镜、测量光束、参考光束组成;其中,所述准直透镜位于脉冲氙灯前端,其将脉冲氙灯发生的点光源准直成平行光,同时照射到测量光束和参考光束上;所述测量光束位于设备外部,被待测水样吸收;所述参考光束位于设备内部,不经待测水样吸收;所述切换电机选择让测量光束通过或参考光束通过;所述聚焦透镜将平行光会聚成点光源进入订制多芯光纤的输入端;所述清洗刷与测量光束的窗口密封接触,在电机带动下清洗测量窗口。

4.如权利要求1所述的基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:所述光谱测量模块由凹面光栅、光电二极管阵列、订制多芯光纤组成,其测量波段为190-720nm,光谱分辨率<7nm,光谱间隔约2.2nm;该光谱测量模块外壳采用钛合金制作;所述凹面光栅为平场凹面全息光栅;所述光电二极管阵列选用滨淞S3904,灵敏度>1000V/J,暗电压<0.1μV,零点偏置电压±4mV。

5.如权利要求4所述的基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:所述订制多芯光纤的输入端为SM905接头,直径0.5mm,包含30根光纤,数值孔径为0.2,与聚焦透镜相连;输出端与光谱测量模块狭缝相连,呈直线分布,长度约2.5mm,与光谱测量模块的狭缝吻合。

6.如权利要求1所述的基于全光谱水质在线监测设备,其特征在于:所述控制单元包括用于光谱测量控制单元和化学建模算法单元;其中,

所述光谱测量控制单元在充电时间段内触发脉冲氙灯闪光,对光电二极管阵列充电;在放电时间段内触发AD采集光电管信号;

所述化学建模算法包括化学建模和浓度计算两部分,用于计算全波段光谱吸光度,并根据吸光度计算各污染因子的浓度,可测量COD、TOC、BOD、硝酸盐、亚硝酸盐、浊度、色度等因子;

所述化学建模部分根据已经浓度的标液,确定吸光度与污染因子之间的矩阵关系;配制各污染不同比例浓度的混合标液,并测量各不同混合标液的吸光度,按偏最小二乘法建立吸光度与混合标液之间的矩阵关系,得到矩阵系数;

所述浓度计算部分是根据测量的未知吸光度和矩阵关系,确定污染物的浓度;COD测量波段选用200-400nm,硝酸盐和亚硝酸盐测量波段选用200-250nm波段,浊度测量选择530-680nm波段,色度测量选用350-450nm波段;现场水样的相关性,将COD测量值转换成TOC值或BOD值。

7.一种基于全光谱水质在线监测方法,其特征在于:包括化学建模和浓度计算;具体如下:

化学建模流程:

步骤S1:准备混合标注,根据实际水样中的成分,配置不同浓度比例的混合标液;

步骤S2:分别测试不同标液的吸光度,吸光度测试步骤可参考浓度计算流程的步骤S1-S4;

步骤S3:偏最小二乘法拟合:根据每种标液测量的吸光度,和每种标液各污染因子浓度值,使用偏最小二乘法进行矩阵拟合,得到矩阵系数;

步骤S4:保存矩阵系数,用于浓度计算;

浓度计算流程:

步骤S1:测量暗信号:光谱测量模块3将光路切换到参考光束,不触发脉冲氙灯,在没有入射光的情况下,依次读取光电二极管阵列的256个光信号,完成暗信号测量;

步骤S2:测量光束光谱测量:将全光谱水质监测设备放入待测水样中,使待测水样浸没清洗模块,启动测量指令,光谱测量模块将光路切换到测量光束,并触发脉冲氙灯闪光;脉冲氙灯发出的点光源经清洗模块的准直透镜变为平行光,被待测水样吸收后经订制多芯光纤进入凹面光栅分光,光谱测量模块依次读取256个光信号,完成测量光束光谱测量;

步骤S3:参考光束测量:完成步骤S2后,将光路切换到参考光束,并再次触发脉冲氙灯闪光;脉冲氙灯发生的点光源经清洗模块的准直透镜变为平行光,参考光束在监测设备内部,不被待测水样吸收,直接经订制多芯光纤进入凹面光栅分光,光谱测量模块依次读取256个光信号,完成参考光束光谱测量;

步骤S4:计算吸光度:由暗信号、测量光束光谱值、参考光束光谱值,按比尔-朗伯定律计算整个波段的吸光度;

步骤S5:浓度计算:将全光谱水质监测设备放入待测水样中,使待测水样浸没清洗模块,启动测量指令,监测设备自动完成吸光度计算,并根据测量的吸光度和化学建模流程得到的矩阵系数,计算各污染因子浓度。

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