Cod和硝酸盐氮含量多参数在线同时监测传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种COD (化学需氧量)、硝酸盐氮含量多参数在线同时监测传感器，所述的传感器可用于水体中化学需氧量和硝酸盐氮含量的同时快速检测和分析，属传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)是指在一定的条件下，将IL水样中还原性物质氧化所消耗氧化剂的量，结果折算成氧的含量，单位为mg/L。COD是对水中含有的有机物和无机氧化物浓度的度量，反映了水体受还原性物质污染的程度。水体受到有机物污染是非常普遍的，有机物会过度消耗溶解在水体中的氧气，造成水体富营养化，对水生物带来不良影响。硝酸盐广泛存在于自然水体中，水中的硝酸盐是在有氧环境下，亚硝酸盐、氨氮等各种形态的含氮化合物中最稳定的氮化合物，亦是含氮有机物经无机化作用最终的分解产物，普遍存在于河流、湖泊及地下水中，水质中的硝酸盐氮主要来源于工业废水、生活污水、农业排水等含氮有机物及其被微生物分解的产物等。硝酸盐氮含量较高会对水生物、人体带来不同程度的危害。所以化学需氧量(COD)、硝酸盐氮含量都是判断水体污染程度的重要指标，也是各级水质监测站点的必测项目。
[0003]目前国内水质COD常规检测方法基本是采用GB11914-89规定的重铬酸钾法或其改进方法，硝酸盐氮的检测大部分是采用GB7480-87规定的酚二磺酸光度法或GB13580.5-92规定的离子色谱法等。这些方法往往需要从水源地采集样品，运送到实验室，再利用各种仪器对水质进行分析，虽然具有检测准确等优点，但却存在耗时长，对检测人员专业性要求高、且存在二次污染的可能性等缺点，无法满足实时在线监测的需求。
[0004]针对水质在线监测的问题，近年来国内外学者和相关企业提出了很多新的方法，主要有两类。
[0005]一类是基于传统方法的改进，构建在线监测传感器，如王伯安等发表在《环境科学与技术》上的《水质总磷总氮在线自动监测技术的研宄》，美国哈希公司的AmmoniumAnalyzers水质在线监测系统等。该类水质检测传感器将采样等过程实现自动化操作，取代了传统方法中的人工采样，提高了效率。但依然存在耗时长、存在有二次污染、检测成本高等缺点，因而限制了该类传感器的适用范围。
[0006]另一类是基于紫外吸光度法(UV法)的水质在线监测传感器，该类方法具有分析速度快、可检测多个污染物、无二次污染等优点，国内外学者均开展了对该类传感器的研宄，如发表在《Water Science and Technology》上的《On-line monitoring forcontrol of a pilot-scale sequencing batch reactor using a submersible UV/VISspectrometer》中提到的spectro:lyser水质监测传感器，以闪烁氣灯为紫外光源，以紫外图像传感器为光电转换元件，采集水体的紫外吸收光谱，可对水体中化学需氧量、硝酸盐氮等多个参数进行在线监测，但该传感器由于采用图像传感器等昂贵部件，导致内部结构复杂，成本高，难以大范围应用。再如中国专利公开号CN102519897A公开日:2012年6月27日的的专利文献公开了一种基于LED多特征波长的水质COD检测方法及装置。其特征是将多个不同特征波长的LED灯设计在转盘上作为光源，通过控制转盘转动切换光源，以光敏管作为光电转换元件，实现对化学需氧量的检测，有效的降低了装置的成本，但多个LED灯的使用增加了传感器的体积和功耗，内部活动部件的存在也降低了该装置长期运行的稳定性。
[0007]基于以上的国内外现状，本实用新型拟基于紫外吸光度法，选用微型氘灯(200nm?400nm)作为光源(具有比氙灯更高的效率)，低成本的光敏管作为光电转换元件，再利用不同波长带通的滤光片、经过特殊设计的光纤和检测探头，开发出可用以化学需氧量、硝酸盐氮双参数同时在线监测的传感器。本实用新型所提供的传感器可直接浸入水体中，可同时测量化学需氧量、硝酸盐氮两个参数，单次测量可在数分钟内完成，不但测量过程简单迅速，无二次污染，而且具有结构简单、成本低的优势，很适合大范围应用，类似传感器鲜有报道，从而构筑成本实用新型的构思。
【实用新型内容】
[0008]本实用新型的目的在于提供一种COD和硝酸盐氮含量多参数在线同时监测传感器及方法，以克服现有C0D，硝酸盐氮监测方法操作复杂、稳定性差、耗时长、集成度差，存在二次污染等缺点，本实用新型提供的传感器采用紫外吸光度法，将COD和硝酸盐氮含量的测定集成在一个探头上，通过一个探头可同时测定COD和硝酸盐氮含量，且操作简单、稳定性高、测定迅速、集成度高，无二次污染，具有广泛的应用前景。
[0009]具体地说，本实用新型是基于Lambert-Beer定律的紫外吸光度法，利用水中待测物质对紫光的特征吸收，建立起吸光度和待测物质浓度的关系。利用水样在254nm处的吸光度值和水样的化学需氧量浓度值建立线性关系，利用水样在210nm处的吸光度值和硝酸盐氮含量建立线性关系。
[0010]一种化学需氧量、硝酸盐氮含量多参数在线同时监测传感器的技术方案:
[0011]传感器主要由以下五个部分组成:(一)光源模块(微型氘灯)；(二)信号采集及发送模块(防水接头、多通道信号采集电路板、1#光敏管、2#光敏管、3#光敏管)；(三)光纤模块(1#信号光纤、2#信号光纤、光源光纤、参考光纤、254nm带通滤光片、21nm带通滤光片)；(四)检测探头(检测探头光端子、反射镜)(五)不锈钢外壳。其中光源模块、信号采集及发送模块、光纤模块均封装在不锈钢外壳内部，检测探头通过不锈钢外壳预留的螺丝孔伸出到外部，探头和外壳之间通过防水螺母固定在一起。微型氘灯(200nm-400nm)通过通用接口和光源光纤耦合在一起。其中一路通过参考光纤作为参考光直接进入3#光敏管，作为光源是否正常工作的信号指示；另外一路进入到水样中的检测探头，经过水样的吸收，再通过反射镜反射回信号光纤，一部分反射光进入1#信号光纤，经254nm滤光片进入1#光敏管，用以检测化学需氧量；另一部分反射光进入2#信号光纤，经210nm滤光片进入2#光敏管，用以检测硝酸盐氮浓度。再由多通道信号采集电路板同时采集三个光敏管的电压信号，信号经后端处理器处理，转换为吸光度，可通过无线发送装置发送至监测中心。
[0012]装置具体描述如下:
[0013]⑴光源
[0014]采用波长范围为200nm-400nm的氘灯作为紫外光源，供电电压为12V，功率为6W。
[0015](2)信号采集模块
[0016]信号采集模块采用通用放大和采集电路模块，从光敏管(光敏管购自德国Silicon Sensor Internat1nal AG公司，型号为PC10-2T05)输出的电信号经由信号采集模块放大，滤波，再发送到后端进行处理。
[0017]⑶光纤模块
[0018]光纤设计如图二所示，其中光源端光纤为4芯，其中3根直径为400 μm，即光源光纤，光源光纤连接光源端和检测探头端，给检测探头提供紫外光源，一根直径为100 μ m，即参考光纤，连接到参考光端子，用以指示光源是否正常工作；检测探头端光纤为9芯，直径均为400 μ m，其中三根和光源光纤端子连接，三根(即1#信号光纤)和1#信号光纤端子连接，还有三根(即2#信号光纤)和2#信号光纤端子连接。通过这样设计，将从探头收集来的光信号分成了两路，一路通过1#信号光纤9和254nm带通滤光片进入1#光敏管，另一路通过2#信号光纤10和210nm带通滤光片进入2#光敏管，即实现了对两个波长处吸光度的同时监测。所有光纤接头均选择SMA905适配器，光纤材料全部选择优质石英光纤，传输波长范围 200nm_1100nm。
[0019]⑷检测探头
[0020]检测探头端光纤结构如(3)光纤模块所述，其中反射镜通过可调节螺纹式设计固定在检测光端子上，可自由调节光程，其采用高反射率的紫外反射镜面，整个检测探头用不锈钢做成，可直接插入水中使用，结构如图3所示。
[0021](5)不锈钢外壳
[0022]传感器各模块都封装在不锈钢外壳里，各外部接口都使用防水接头，整个传感器可直接放在水下使