專利名稱：：用于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置及監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染指標(biāo)的方法和利用這種方法工作的水質(zhì)污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)裝置，用于水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)和污染處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：水質(zhì)污染的變化，將嚴(yán)重影響水生生物的生長(zhǎng)和平衡，因此監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染指標(biāo)的變化顯得非常重要，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到環(huán)保監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)流程污染監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域，但是由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB11914-89)中COD的測(cè)試方法存在測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，需要預(yù)處理，化學(xué)試劑二次污染等問(wèn)題，使得快速檢測(cè)困難重重。利用水體的紫外光吸收?qǐng)D譜進(jìn)行測(cè)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染指標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)試的目標(biāo)，但是傳統(tǒng)的紫外檢測(cè)裝置體積龐大，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)儀器又由于通常使用單一波長(zhǎng)(通常采用低壓汞燈的254nm波長(zhǎng))的檢測(cè)方法，不足之處在于有些有機(jī)化合物在254nm處沒(méi)有吸收，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大，因此，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)污染的在線快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以快速、準(zhǔn)確測(cè)量水質(zhì)污染指標(biāo)的方法以及利用這種方法工作的水質(zhì)污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)裝置，這種監(jiān)測(cè)的方法可以在線、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示監(jiān)測(cè)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化。本發(fā)明提供的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置，用于在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置，它包括紫外光源1，紫外探測(cè)器2，待監(jiān)測(cè)的水流樣品置于紫外光源1和紫外探測(cè)器2之間，數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、源、支架和密封罩所組成，其中紫外光源與紫外探測(cè)器固定在支架上，紫外光源的兩端通過(guò)導(dǎo)線與電源相連接，紫外探測(cè)器的兩端通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊相連接，部件被封裝在密封罩內(nèi)。紫外探測(cè)器由GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成，其響應(yīng)窗口與上述LED的中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊由單片機(jī)組成，所述的紫外光源為多個(gè)紫外LED光源，波長(zhǎng)覆蓋200nm到400nm的整個(gè)區(qū)間。如紫外光源由6個(gè)紫外LED組成，典型的中心波長(zhǎng)分別為220nm，255nm，280nm，300nm，365nm，400nm；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊主要是AD和單片機(jī)系統(tǒng)，可包含數(shù)據(jù)采集與發(fā)送兩個(gè)功能。采用6個(gè)LED光源進(jìn)行監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)明顯，相比傳統(tǒng)的低壓汞燈254nm單波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)方法，其監(jiān)測(cè)范圍不僅覆蓋了整個(gè)紫外波段，能計(jì)及所有在紫外波段具有吸收的有機(jī)污染物對(duì)COD等參數(shù)的貢獻(xiàn)，而且其中400nmLED光源用于濁度補(bǔ)償，能對(duì)吸收強(qiáng)度進(jìn)行校正。這樣，采用6個(gè)LED光源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。LED的工作電壓為6-8V，電流為30-80mA，通過(guò)恒流源電路定時(shí)驅(qū)動(dòng)，每次點(diǎn)亮LED—分鐘后進(jìn)行紫外探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)熄滅。所述的密封罩為石英玻璃和塑料等材料封裝，可以防水和防腐蝕。本發(fā)明提供的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法基本原理是通過(guò)收集樣品的光譜數(shù)據(jù)和水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算并建立數(shù)學(xué)模型，最后利用建立的數(shù)學(xué)模型和被3測(cè)樣品的光譜圖預(yù)測(cè)出被測(cè)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)，針對(duì)不同的水質(zhì)與污染指標(biāo)，建立光譜數(shù)據(jù)與被測(cè)對(duì)象的函數(shù)關(guān)系，將多種水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型及光譜數(shù)據(jù)與污染指標(biāo)函數(shù)關(guān)系預(yù)置在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊中。步驟如下建立光譜數(shù)據(jù)與被測(cè)對(duì)象的函數(shù)關(guān)系，將多種水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型及光譜數(shù)據(jù)與污染指標(biāo)函數(shù)關(guān)系預(yù)置在服務(wù)器8中；紫外光源1為多個(gè)LED光源，波長(zhǎng)離散分布在200nm至400nm區(qū)間，多個(gè)紫外探測(cè)器2可以準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊3得到此多個(gè)離散的吸光度數(shù)值后發(fā)送給服務(wù)器8，服務(wù)器選擇對(duì)應(yīng)的模式與預(yù)置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)擬合得到200nm至400nm區(qū)間的光譜數(shù)據(jù)，調(diào)用預(yù)置的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系得到被測(cè)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)。不同波長(zhǎng)的紫外光對(duì)不同被測(cè)對(duì)象參數(shù)的敏感性不同，多個(gè)波長(zhǎng)又可以反應(yīng)不同波段對(duì)同一參數(shù)的響應(yīng)情況，因而可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、準(zhǔn)確的測(cè)量。本發(fā)明有益效果是根據(jù)本發(fā)明的水質(zhì)污染指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)方法而設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)快速、便捷、準(zhǔn)確、大面積區(qū)域的實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)不同條件下的測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)指定監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的水質(zhì)污染指標(biāo)；因此，在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、治理，科學(xué)研究，工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在于該測(cè)量系統(tǒng)的體積小巧、功耗低、成本低，可以置入水下，能實(shí)現(xiàn)便捷、安全的戶外大面積區(qū)域的多點(diǎn)測(cè)量。四圖1是本發(fā)明水質(zhì)污染指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意剖面圖。1-紫外光源、2-紫外探測(cè)器、3-數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、4-電源、5-支架、6-導(dǎo)線、7-密封罩、8-服務(wù)器。圖2為吸光度與待測(cè)項(xiàng)目函數(shù)相關(guān)參數(shù)獲取算法流程3為具體水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)算法流程圖五具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1用于在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置的實(shí)施例，參見(jiàn)圖1，紫外光源是由多個(gè)紫外LED組成的光源。紫外探測(cè)器由6個(gè)GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成(其中5個(gè)AlGaN和1個(gè)InGaN)，AlGaN和InGaN可采用本實(shí)驗(yàn)室樣品或商業(yè)制品，其響應(yīng)窗口覆蓋LED波長(zhǎng)范圍；在紫外光源1和紫外探測(cè)器2之間設(shè)有水槽，可均勻流動(dòng)待監(jiān)測(cè)的水流樣品，紫外探測(cè)器2數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、上述的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊也可由數(shù)據(jù)采集卡和無(wú)線發(fā)送模塊組成，包含數(shù)據(jù)采集，傳輸功能；所述的電源可為太陽(yáng)能電池，干電池或可充電電池；所述支架5用金屬材料制成；所述的密封罩7用石英玻璃等透光材料制成；所述的服務(wù)器8由數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)算程序組成，具有數(shù)據(jù)讀取、分析、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警功能。通過(guò)服務(wù)器8內(nèi)置的參考吸收譜圖模式和污染指標(biāo)相關(guān)性參數(shù)，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的具體情況進(jìn)行選擇和設(shè)置合適的模式，針對(duì)不同水質(zhì)污染指標(biāo)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的專門(mén)相關(guān)性函數(shù)，使得每個(gè)水質(zhì)污染指標(biāo)的測(cè)量更加精準(zhǔn)。實(shí)施例2水質(zhì)污染指標(biāo)COD的監(jiān)測(cè)。將此方法應(yīng)用到南京秦淮河水質(zhì)進(jìn)行在線COD的監(jiān)測(cè)試。紫外光源(1)由6個(gè)紫外LED組成，中心波長(zhǎng)分別為220nm，255nm，280nm，300nm，365nm，400nm；紫外探測(cè)器(2)由6個(gè)GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成(5個(gè)AlGaN和1個(gè)InGaN)，其響應(yīng)波長(zhǎng)與上述LED的中心波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)由單片機(jī)組成，單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸；電源(4)為太陽(yáng)能電池，給紫外光源(1)中的LED和數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)供電，太陽(yáng)能電池板置于河邊路燈桿上，通過(guò)導(dǎo)線(6)連接紫外光源(1)和數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)；支架(5)為不銹鋼，用于固定部件(1)、(2)、(3)、(4)，密封罩(7)LED與探測(cè)器的對(duì)應(yīng)部位為石英玻璃，可以透過(guò)紫外光，其余部位為耐腐蝕塑料；紫外探測(cè)器(2)的兩端通過(guò)導(dǎo)線(6)與數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)相連接；部件(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)被封裝在密封罩(7)內(nèi)；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)通過(guò)無(wú)線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器(8)，服務(wù)器首先在城市河流、野外河流、城市湖泊、野外湖泊、化工區(qū)河流等多種模式中選取城市河流模式，選定測(cè)量對(duì)象為COD測(cè)量，服務(wù)器通過(guò)在線數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算，實(shí)時(shí)給出測(cè)量結(jié)果并實(shí)行顯示、存儲(chǔ)、預(yù)警功能。監(jiān)結(jié)果表明，COD的預(yù)測(cè)值和進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)在0.9以上，誤差均在士5%以內(nèi)，達(dá)到了快速、便捷、免分離和免預(yù)處理進(jìn)行水體COD測(cè)試的目的。實(shí)施例3可以參照中國(guó)專利CN200810196207.5，紫外光源采用Seoul公司的紫外LED光源。建立紫外光譜數(shù)據(jù)與COD的函數(shù)關(guān)系實(shí)施例，服務(wù)器8預(yù)置的COD與紫外吸光度UVA的函數(shù)關(guān)系為C0D=A+B*UVA255+C*UVA300，參數(shù)A、B、C根據(jù)不同模式預(yù)置對(duì)應(yīng)的值(對(duì)應(yīng)城市湖泊模式的設(shè)定值為A=4.4，B=14，C=27)。紫外光源是由3個(gè)紫外LED組成的光源，中心波長(zhǎng)分別為255nm，300nm，400nm，紫外探測(cè)器由3個(gè)GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成(其中2個(gè)AlGaN和1個(gè)InGaN)，2個(gè)AlGaN探測(cè)器測(cè)得255nm和300nm處的吸光度UV255、UV300減去InGaN探測(cè)器測(cè)得400nm處的吸光度UV400得到扣除渾濁度影響的255nm和300nm處的吸光度UVA255和UVA300的值，經(jīng)過(guò)預(yù)置的COD與紫外吸光度UVA的函數(shù)關(guān)系得到COD數(shù)值。將此方法應(yīng)用到南京玄武湖進(jìn)行COD的測(cè)量(測(cè)量時(shí)間為2009年9月)，得到255nm，300nm,400nm處的吸光度及對(duì)應(yīng)的COD結(jié)果如表1所示。表1南京玄武湖水質(zhì)COD測(cè)量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權(quán)利要求用于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置，它包括紫外光源，紫外探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、支架、密封罩所組成，待監(jiān)測(cè)的水流樣品置于紫外光源和紫外探測(cè)器之間，其中紫外光源與紫外探測(cè)器固定在支架上，紫外光源的兩端通過(guò)導(dǎo)線與電源相連接，紫外探測(cè)器的兩端通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊相連接，其特征是紫外光源、紫外探測(cè)器和支架被封裝在密封罩內(nèi)紫外探測(cè)器由GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成，其響應(yīng)窗口與上述LED的中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；紫外光源為3-7個(gè)紫外LED組成，波長(zhǎng)覆蓋200nm到400nm的區(qū)間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置，其特征在于所述的紫外探測(cè)器(2)為六個(gè)GaN基紫外光電探測(cè)器，響應(yīng)波長(zhǎng)在200nm到400nm區(qū)間，中心波長(zhǎng)分別為220nm，255nm,280nm,300nm,365nm,400nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)為單片機(jī)系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集與發(fā)送兩個(gè)功能。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置，其特征在于所述的密封罩(7)為石英玻璃和塑料等材料封裝，可以防水和防腐蝕。5.一種利用權(quán)利要求1所述水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感的方法，其方法步驟如下建立光譜數(shù)據(jù)與被測(cè)對(duì)象的函數(shù)關(guān)系，將多種水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型及光譜數(shù)據(jù)與污染指標(biāo)函數(shù)關(guān)系預(yù)置在服務(wù)器中；紫外光源(1)為多個(gè)LED光源，波長(zhǎng)離散分布在200nm至400nm區(qū)間，多個(gè)紫外探測(cè)器(2)可以準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度；數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊(3)得到此多個(gè)離散的吸光度數(shù)值后與預(yù)置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)擬合得到200nm至400nm區(qū)間的光譜數(shù)據(jù)，調(diào)用預(yù)置的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系得到被測(cè)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)；不同波長(zhǎng)的紫外光對(duì)不同被測(cè)對(duì)象參數(shù)的敏感性不同，多個(gè)波長(zhǎng)又反映不同波段對(duì)同一參數(shù)的響應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。6.權(quán)利要求5所述水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感的方法，其特征在于動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)。7.權(quán)利要求6所述水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感的方法，其特征在于可以同時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)TOC、COD等水質(zhì)污染指標(biāo)的數(shù)值。8.權(quán)利要求6所述水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感的方法，其特征在于通過(guò)參考吸收譜圖模式和污染指標(biāo)相關(guān)性參數(shù)，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的具體情況進(jìn)行選擇和設(shè)置合適的模式，針對(duì)不同水質(zhì)污染指標(biāo)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的專門(mén)相關(guān)性函數(shù)，使得每個(gè)水質(zhì)污染指標(biāo)的測(cè)量更加精準(zhǔn)。全文摘要用于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的紫外光電微型傳感器裝置，它包括紫外光源，紫外探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、支架、密封罩所組成，待監(jiān)測(cè)的水流樣品置于紫外光源和紫外探測(cè)器之間，其中紫外光源與紫外探測(cè)器固定在支架上，紫外光源的兩端通過(guò)導(dǎo)線與電源相連接，紫外探測(cè)器的兩端通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊相連接，其特征是紫外光源、紫外探測(cè)器和支架被封裝在密封罩內(nèi)紫外探測(cè)器由GaN基肖特基型紫外探測(cè)器組成，其響應(yīng)窗口與上述LED的中心波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；紫外光源為3-7個(gè)紫外LED組成，波長(zhǎng)覆蓋200nm到400nm的區(qū)間。該裝置體積小、功耗低，可及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境污染指標(biāo)(TOC，COD等)的變化情況，具有廣泛的應(yīng)用前景。文檔編號(hào)G01N21/33GK101832918SQ20101014657公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年4月14日優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日發(fā)明者張開(kāi)驍,張榮,胡立群,鄭有炓,陳敦軍申請(qǐng)人:南京大學(xué)