專(zhuān)利名稱(chēng)：主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與分析、光學(xué)技術(shù)、嵌入式軟件和通訊技術(shù)，尤其涉及一 種基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
在目前的環(huán)境在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，很多水質(zhì)參數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)分析的方法進(jìn)行分 析，比如化學(xué)需氧量(COD)的測(cè)量，目前在線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是用蠕動(dòng)泵將需要檢測(cè)的水樣抽取 到相應(yīng)的容器中，再向容器中添加相應(yīng)的高錳酸鉀和重鉻酸鉀，然后進(jìn)行加熱消解，查看顏 色變化來(lái)測(cè)量COD值，這樣測(cè)量的缺陷在于要用到強(qiáng)腐蝕性試劑，會(huì)產(chǎn)生二次污染，設(shè)備一 直工作在高溫環(huán)境中，設(shè)備可靠性難以得到保障，而且消解時(shí)間長(zhǎng)，需要2小時(shí)，不能及時(shí) 的反饋水質(zhì)各個(gè)參數(shù)值。當(dāng)紫外光經(jīng)過(guò)水體時(shí)，水體中的各種物質(zhì)會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紫外光進(jìn)行吸收，同時(shí) 不同物質(zhì)的濃度又決定了對(duì)紫外光的吸收程度。但是目前水質(zhì)參數(shù)不是針對(duì)某種單一物 質(zhì)，每個(gè)水質(zhì)參數(shù)都是由于多個(gè)不同物質(zhì)組成，比如化學(xué)需氧量COD同時(shí)可能由烷烴、烯 烴、芳烴、醇、酚、醚等多種物質(zhì)組成，每一種物質(zhì)對(duì)于紫外光譜的吸收波長(zhǎng)完全不同，當(dāng)多 種物質(zhì)相互混合時(shí)候，各類(lèi)物質(zhì)之間相互影響，疊加導(dǎo)致整個(gè)光譜發(fā)生變化，這樣單純依據(jù) 單個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行水中各個(gè)物質(zhì)的累加變化，會(huì)導(dǎo)致依靠單個(gè)波長(zhǎng)光譜進(jìn)行詳細(xì)分析的計(jì)算方 法變得異常復(fù)雜，很難準(zhǔn)確的確定水中各類(lèi)物質(zhì)的真正含量，這就導(dǎo)致了紫外光譜測(cè)量方 法在實(shí)際的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中很難得到實(shí)現(xiàn)。主元分析PCA(Principal component analysis)是一種找出影響參數(shù)變換主要因 素對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析技術(shù)，這種技術(shù)最重要的應(yīng)用是對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。這種方法可以有 效的找出數(shù)據(jù)中最“主要”的元素和結(jié)構(gòu)，去除噪音和冗余，將原有的復(fù)雜數(shù)據(jù)降維，揭示隱 藏在復(fù)雜數(shù)據(jù)背后的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，而且無(wú)參數(shù)限制，可以方便的應(yīng)用與各個(gè) 場(chǎng)合。
發(fā)明內(nèi)容
紫外光穿過(guò)各類(lèi)水體時(shí)，水體中的各類(lèi)物質(zhì)會(huì)吸收紫外光，而各類(lèi)物質(zhì)對(duì)紫外光 的吸收程度會(huì)由于波長(zhǎng)、濃度含量不同而不同，本發(fā)明提供的一種基于紫外光譜法進(jìn)行多 種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量方法，依照光譜曲線(xiàn)，將紫外光譜測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，計(jì)算出水中多個(gè)參 數(shù)值，可直接浸沒(méi)安裝，無(wú)二次污染、能同時(shí)多參數(shù)測(cè)量。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連 續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，包含以下步驟步驟1、對(duì)于同一水體，分別提取兩種不同濃度時(shí)的水樣，作為低濃度水樣和高濃 度水樣；步驟2、對(duì)水樣進(jìn)行化學(xué)分析；步驟2. 1、利用目前常用的化工方法測(cè)量出步驟1中低濃度水樣參數(shù)值X1和高濃度水樣參數(shù)值X2 ；步驟2. 2、將步驟2. 1得到的參數(shù)值輸入信號(hào)處理模塊1 ；步驟3、利用基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的裝置對(duì)步驟1中的低濃度 水樣和高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)，得到吸光強(qiáng)度信號(hào)；步驟3. 1、對(duì)低濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)；步驟3. 1. 1、光譜信號(hào)采集電路將從參考光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低 濃度參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低濃度測(cè)量光吸收強(qiáng) 度，然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊；步驟3. 1. 2、計(jì)算模塊將同一波長(zhǎng)上的低濃度參考光吸收強(qiáng)度與低濃度測(cè)量光吸 收強(qiáng)度相減，得到低濃度水樣的吸收強(qiáng)度；步驟3. 2、對(duì)高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)；步驟3. 2. 1、光譜信號(hào)采集電路將從參考光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為高 濃度參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為高濃度測(cè)量光吸收強(qiáng) 度，然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊；步驟3. 2. 2、計(jì)算模塊將同一波長(zhǎng)上的高濃度參考光吸收強(qiáng)度與高濃度測(cè)量光吸 收強(qiáng)度相減，得到高濃度水樣的吸收強(qiáng)度；步驟4、在各個(gè)參數(shù)的對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)找出紫外光吸收度變化的波長(zhǎng)λρ λ2... λη；步驟5、計(jì)算低濃度和高濃度下的吸光度平均差值Μ;步驟5. 1、針對(duì)步驟4中的不同波長(zhǎng)，將低濃度和高濃度下的吸光度進(jìn)行相減，分 別計(jì)算出各個(gè)波長(zhǎng)上的吸光強(qiáng)度變化值的差值ΔΕΙ、ΔE2..... ΔΕη；步驟5. 2、計(jì)算平均差值麗AE = Σ°
η步驟6、計(jì)算濃度差值N = (X2-X1)；步驟7、計(jì)算吸光強(qiáng)度的平均值=I^L ；
η步驟8、計(jì)算各個(gè)參數(shù)的實(shí)際值；X=PiElX = +X1其中，X1的值可以在步驟2中得到的參數(shù)值X1和X2中隨機(jī)選取；步驟9、輸出步驟8得到的各個(gè)參數(shù)值。本發(fā)明不需要化學(xué)試劑，無(wú)二次污染；不需要消解，響應(yīng)時(shí)間快，設(shè)備不需要在高 溫下工作，穩(wěn)定可靠；直接將傳感器浸沒(méi)于代測(cè)水樣，不需要抽取水樣，節(jié)約能源。數(shù)字式信 號(hào)傳送接口，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。尤其適用于在線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
圖1是低濃度水樣的吸收強(qiáng)度和波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)；圖2是高濃度水樣的吸收強(qiáng)度和波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)；圖3是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的裝置中的信號(hào)處理模塊的結(jié)構(gòu)框5
圖5說(shuō)明對(duì)各個(gè)參數(shù)在不同波長(zhǎng)范圍的影響；圖6是本發(fā)明提供的一種主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的 方法的流程圖；圖7是具體實(shí)施例中多參數(shù)UV傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下根據(jù)圖1 圖6，具體說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例如圖3所示，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的裝置包含依次設(shè)置在光路中的光源9、聚光模 塊、光信號(hào)接收模塊，還包含電路連接所述光信號(hào)接收模塊的信號(hào)處理模塊1 ；所述的聚光模塊包含第一聚光鏡7和第二聚光鏡3 ；在所述的第一聚光鏡7和第二聚光鏡3之間還設(shè)置有保護(hù)模塊，該保護(hù)模塊包含 第一保護(hù)窗6和第二保護(hù)窗4 ；保護(hù)窗主要用于隔離待測(cè)水樣與傳感器內(nèi)部的直接空間，保 證內(nèi)部空間的防護(hù)等級(jí)，一般采用石英玻璃；在所述的第一聚光鏡7和光源9之間還設(shè)置有分光鏡8 ；所述的光信號(hào)接收模塊包含參考光信號(hào)接收器10和測(cè)量光信號(hào)接收器2 ；光源9發(fā)出的紫外光(波長(zhǎng)190nm 340nm)經(jīng)過(guò)分光鏡8 一分為二，其中一路參 考光源被參考光信號(hào)接收器10接收，輸送給信號(hào)處理模塊1，另一路測(cè)量光源經(jīng)過(guò)第一聚 光鏡7后形成平行光束，該光束依次穿過(guò)第一保護(hù)窗6、待測(cè)水樣5、第二保護(hù)窗4后，由第 二聚光鏡3進(jìn)行聚光后，傳遞給測(cè)量光信號(hào)接收器2，輸送給信號(hào)處理模塊1 ；如圖4所示，所述的信號(hào)處理模塊1包含依次電路連接的光譜信號(hào)采集電路401、 計(jì)算模塊402和輸入輸出模塊403 ；所述的光譜信號(hào)采集電路401將從參考光信號(hào)接收器10和測(cè)量光信號(hào)接收器2 接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后輸出給計(jì)算模塊402 ；所述的計(jì)算模塊402對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果輸出到輸入輸出模塊403 ；該計(jì) 算模塊402還可以進(jìn)行自身狀態(tài)信息，如光源強(qiáng)度信息，各單元運(yùn)行狀態(tài)信息等；所述的輸入輸出模塊403可提供電源輸入和對(duì)外通訊接口 ；所述的基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的裝置還包含清洗裝置11，利用噴 嘴噴射壓縮空氣，完成對(duì)兩個(gè)保護(hù)窗表面的清洗；圖5顯示了具體各個(gè)參數(shù)在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)受到的影響；本發(fā)明提供一種主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法(如 圖6所示)，包含以下步驟步驟1、對(duì)于同一水體，分別提取兩種不同濃度時(shí)的水樣，作為低濃度水樣和高濃 度水樣；步驟2、對(duì)水樣進(jìn)行化學(xué)分析；步驟2. 1、利用目前常用的化工方法測(cè)量出步驟1中低濃度水樣參數(shù)值X1和高濃 度水樣參數(shù)值x2，如化學(xué)需氧量(COD)、硝氮等；步驟2. 2、將步驟2. 1得到的參數(shù)值輸入信號(hào)處理模塊1 ；步驟3、利用基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的裝置對(duì)步驟1中的低濃度 水樣和高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)，得到吸光強(qiáng)度信號(hào)；
步驟3. 1、對(duì)低濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)；步驟3. 1. 1、光譜信號(hào)采集電路401將從參考光信號(hào)接收器10接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn) 換為低濃度參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器2接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低濃度測(cè)量 光吸收強(qiáng)度，然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊402 ；步驟3. 1. 2、計(jì)算模塊402將同一波長(zhǎng)上的低濃度參考光吸收強(qiáng)度與低濃度測(cè)量 光吸收強(qiáng)度相減，得到低濃度水樣的吸收強(qiáng)度和波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)(如圖1所示)；步驟3. 2、對(duì)高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)；步驟3. 2. 1、光譜信號(hào)采集電路401將從參考光信號(hào)接收器10接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn) 換為高濃度參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器2接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為高濃度測(cè)量 光吸收強(qiáng)度，然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊402 ；步驟3. 2. 2、計(jì)算模塊402將同一波長(zhǎng)上的高濃度參考光吸收強(qiáng)度與高濃度測(cè)量 光吸收強(qiáng)度相減，得到高濃度水樣的吸收強(qiáng)度和波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)(如圖2所示)；步驟4、在各個(gè)參數(shù)的對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)找出紫外光吸收度變化的波長(zhǎng)λρ λ2... λη； (如圖5所示)步驟5、計(jì)算低濃度和高濃度下的吸光度平均差值步驟5. 1、針對(duì)步驟4中的不同波長(zhǎng)，將低濃度和高濃度下的吸光度進(jìn)行相減，分 別計(jì)算出各個(gè)波長(zhǎng)上的吸光強(qiáng)度變化值的差值ΔΕΙ、ΔE2..... ΔΕη；步驟5. 2、計(jì)算平均差值麗ΑΕ=ΣοΑΕ"
η步驟6、計(jì)算濃度差值N = (X2-X1)；
V" Af步驟7、計(jì)算吸光強(qiáng)度的平均值Pam =^_^；
η步驟8、計(jì)算各個(gè)參數(shù)的實(shí)際值；X=PaeiX = +X1其中，X1的值可以在步驟2中得到的參數(shù)值X1和X2中隨機(jī)選取；步驟9、輸出步驟8得到的各個(gè)參數(shù)值。
實(shí)施例在HW-0EQM6000在線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的多參數(shù)UV傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖7所示，是該UV傳感器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，其中包含鐵鏈掛鉤1，可以安裝鐵鏈，方便將傳感器將固定各個(gè)水體中任何位置；傳感器信號(hào)連接口 2;不銹鋼殼體3，內(nèi)置分析單元和數(shù)字處理單元、氘燈等光電類(lèi)單板和器件；紫外光通過(guò)保護(hù)窗4、6 ；光程調(diào)節(jié)螺釘5，可以通過(guò)該螺釘調(diào)整從氘燈和光接收單元的距離；壓縮空氣輸入接口 7;待測(cè)水樣容納空間8，讓需要監(jiān)測(cè)水樣從該缺口通過(guò)。該傳感器主體材料采用不銹鋼棒加工而成，對(duì)外輸出接口采用芯航插座，傳感器
7防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68。該傳感器直接浸沒(méi)各種待測(cè)水樣，直接實(shí)時(shí)讀出水體中各個(gè)水質(zhì)參數(shù)。該傳感器測(cè)量的參數(shù)化學(xué)需氧量(COD)、總懸浮物(TSS)、硝氮(N03-N)、亞硝氮 (N02-N)；該發(fā)明在珠海某電鍍廠排放口進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)的測(cè)量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1 表1 某電鍍廠測(cè)量數(shù)值對(duì)比表(mg/1)
權(quán)利要求
一種主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其特征在于，該方法包含以下步驟步驟1、對(duì)于同一水體，分別提取兩種不同濃度時(shí)的水樣，作為低濃度水樣和高濃度水樣；步驟2、對(duì)水樣進(jìn)行化學(xué)分析，得到低濃度水樣參數(shù)值X1和高濃度水樣參數(shù)值X2；步驟3、利用基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的裝置對(duì)步驟1中的低濃度水樣和高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)，得到吸光強(qiáng)度信號(hào)；步驟4、在各個(gè)參數(shù)的對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)找出紫外光吸收度變化的波長(zhǎng)λ1、λ2...λn；步驟5、計(jì)算低濃度和高濃度下的吸光度平均差值步驟6、計(jì)算濃度差值N＝(X2 X1)；步驟7、計(jì)算多個(gè)吸光度變化值的平均值步驟8、計(jì)算各個(gè)參數(shù)的實(shí)際值； <mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mrow><mi>ΔE</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>×</mo><mfrac> <mi>N</mi> <mover><mi>ΔE</mi><mo>‾</mo> </mover></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>X</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow>其中，X1的值可以在步驟2中得到的參數(shù)值X1和X2中隨機(jī)選??；步驟9、輸出步驟8得到的各個(gè)參數(shù)值。F2009100575652C0000011.tif,F2009100575652C0000012.tif
2.如權(quán)利要求1所述的主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其 特征在于，所述的步驟2包含以下步驟步驟2. 1、利用目前常用的化工方法測(cè)量出步驟1中低濃度水樣參數(shù)值X1和高濃度水 樣參數(shù)值X2 ；步驟2. 2、將步驟2. 1得到的參數(shù)值輸入信號(hào)處理模塊(1)。
3.如權(quán)利要求1所述的主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其 特征在于，所述的步驟3包含以下步驟步驟3. 1、對(duì)低濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)； 步驟3. 2、對(duì)高濃度水樣進(jìn)行檢測(cè)。
4.如權(quán)利要求3所述的主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其 特征在于，所述的步驟3. 1包含以下步驟步驟3. 1. 1、光譜信號(hào)采集電路將從參考光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低濃度 參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為低濃度測(cè)量光吸收強(qiáng)度， 然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊；步驟3. 1. 2、計(jì)算模塊將同一波長(zhǎng)上的低濃度參考光吸收強(qiáng)度與低濃度測(cè)量光吸收強(qiáng) 度相減，得到低濃度水樣的吸收強(qiáng)度。如權(quán)利要求3所述的主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其特 征在于，所述的步驟3. 2包含以下步驟步驟3. 2. 1、光譜信號(hào)采集電路將從參考光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為高濃度 參考光吸收強(qiáng)度，將從測(cè)量光信號(hào)接收器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為高濃度測(cè)量光吸收強(qiáng)度， 然后將得到的吸收強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)輸出給計(jì)算模塊；步驟3. 2. 2、計(jì)算模塊將同一波長(zhǎng)上的高濃度參考光吸收強(qiáng)度與高濃度測(cè)量光吸收強(qiáng)度相減，得到高濃度水樣的吸收強(qiáng)度。如權(quán)利要求1所述的主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，其特 征在于，所述的步驟5包含以下步驟步驟5. 1、針對(duì)步驟4中的不同波長(zhǎng)，將低濃度和高濃度下的吸光度進(jìn)行相減，分別計(jì) 算出各個(gè)波長(zhǎng)上的吸光強(qiáng)度變化值的差值ΔΕΙ、ΔE2……ΔΕη； 步驟5. 2、計(jì)算平均差值腿
全文摘要
一種主元分析理論和光譜分析技術(shù)結(jié)合對(duì)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，利用光學(xué)裝置對(duì)不同濃度的水樣基于紫外光譜法進(jìn)行多種水質(zhì)參數(shù)測(cè)量，由于紫外光穿過(guò)各類(lèi)水體時(shí)，水體中的各類(lèi)物質(zhì)會(huì)吸收紫外光，而各類(lèi)物質(zhì)對(duì)紫外光的吸收程度會(huì)由于波長(zhǎng)、濃度含量不同而不同，本發(fā)明依照光譜曲線(xiàn)，將紫外光譜測(cè)量技術(shù)和算法模型結(jié)合在一起，計(jì)算出水中多個(gè)參數(shù)值，可直接浸沒(méi)安裝，無(wú)二次污染、能同時(shí)多參數(shù)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/33GK101943658SQ20091005756
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者梁永剛, 王小泉, 陳文杰 申請(qǐng)人:上海衡偉信息技術(shù)有限公司