專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量水中成分及其濃度的變動(dòng)光徑測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置及測(cè)量方法，尤其涉及一種以紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線(UV-VIS-NIR)吸收光譜測(cè)量水質(zhì)的裝置及測(cè)量方法，該測(cè)量裝置具有多個(gè)測(cè)量位置以產(chǎn)生多個(gè)光徑，該測(cè)量方法可經(jīng)由多次稀釋來(lái)降低與去除懸浮顆粒濃度或濁度對(duì)于測(cè)量范圍與結(jié)果所造成的干擾。
背景技術(shù)：
一般水體的化學(xué)需氧量的測(cè)量方法是以重鉻酸鉀(Potassium bichromate)法與電化學(xué)測(cè)量法較為普遍。重鉻酸鉀法必須額外添加化學(xué)藥劑，而電化學(xué)測(cè)量法必須使用接觸式電極，這些皆會(huì)影響反應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成操作維護(hù)不易與測(cè)量質(zhì)量不佳等問(wèn)題。
此外，測(cè)量水體的懸浮固體濃度的市售儀器是采用光學(xué)測(cè)量，并以單一波長(zhǎng)的吸光度進(jìn)行分析。然而，單一波長(zhǎng)的吸光度的分析無(wú)法適用于各種不同粒徑的懸浮固體的測(cè)量。
重金屬主要來(lái)自于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、電鍍業(yè)及印刷電路板(PCB)業(yè)，較常見(jiàn)的重金屬種類(lèi)分別為銅、鎳、鐵、鋅、鉻及鎘等。重金屬污染較其它有機(jī)物污染更具危害性是因?yàn)橹亟饘倩蛘咂浣饘倩衔锊灰资艿阶匀唤缰形锢怼⒒瘜W(xué)或者生物作用使其濃度降低或者分解。在廢水處理系統(tǒng)方面，廢水中重金屬濃度過(guò)高會(huì)毒化微生物造成處理系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮正常功能。因此，如何有效掌握水中重金屬濃度來(lái)進(jìn)一步提升處理成效、降低重金屬污染物進(jìn)入承受水體的總量，以維護(hù)承受水體的生態(tài)是為一個(gè)重要課題。
重金屬測(cè)量研究主要可分為添加顯色藥劑、分析設(shè)備的改良與開(kāi)發(fā)及生物芯片三種研究技術(shù)。在添加顯色藥劑方面，只能測(cè)量一種金屬類(lèi)別且其藥品費(fèi)用昂貴并有廢液的產(chǎn)生與處理問(wèn)題；在分析設(shè)備的改良與開(kāi)發(fā)方面，其設(shè)備的建置費(fèi)用高昂且分析水量大，并需事先以人工方式判斷其濃度范圍以便建立各重金屬檢量線，所需時(shí)間較長(zhǎng)且人工測(cè)量誤差較大；在生物芯片方面，目前僅對(duì)銅離子的測(cè)量較為準(zhǔn)確，但無(wú)法同時(shí)獲得多項(xiàng)重金屬濃度的信息，且容易受到顆粒的干擾。
美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，244，634揭露利用具有特定官能基團(tuán)的螯合樹(shù)脂使水樣通過(guò)開(kāi)放式管柱螯合管柱層析，來(lái)偵測(cè)水樣中的過(guò)渡元素或稀有元素。美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2009/0263907A1揭露利用試劑比色法測(cè)量環(huán)境中水樣(如廢水、廢液)中的重金屬濃度。然而，此二項(xiàng)專(zhuān)利分別利用添加顯色劑及螯合劑與重金屬離子結(jié)合使水溶液產(chǎn)生顏色，再依據(jù)顏色深淺來(lái)做為濃度高低的判斷，對(duì)環(huán)境造成二次污染。
目前廢水處理方面，對(duì)于重金屬的測(cè)量大多只能利用快速測(cè)量重金屬的檢知管或者利用原子吸收(Atomic Absorption,AA)光譜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量,無(wú)法獲得實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)信息，而滿(mǎn)足控制的需求。因此，欲開(kāi)發(fā)出一種重金屬測(cè)量設(shè)備與方法，通過(guò)多次稀釋與掃描可消除懸浮顆粒(Suspended Solid, SS)與化學(xué)需氧量(Chemical oxygen Demand,COD)濃度所產(chǎn)生的光譜干擾，來(lái)同步獲得銅、鎳、鐵、鋅及鉻等重金屬濃度。
過(guò)去在光學(xué)應(yīng)用于水中成分的測(cè)量，如C0D、氨氮、重金屬及SS方面，大都只能測(cè)量單一項(xiàng)目，其測(cè)量范圍與準(zhǔn)確性大多受限于水中濁度或SS，且其測(cè)量方法大多為單一波長(zhǎng)或選擇多個(gè)推估結(jié)果較好的波長(zhǎng)，來(lái)進(jìn)行水中成分的測(cè)量。在水中成分較多時(shí)，由于各成分間會(huì)互相干擾與競(jìng)爭(zhēng)及遮蔽，此類(lèi)的測(cè)量技術(shù)并無(wú)法獲得較好的測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明申請(qǐng)人鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，經(jīng)過(guò)悉心試驗(yàn)與研究，并本著鍥而不舍的精神，終于構(gòu)思出本發(fā)明，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，以下為本發(fā)明的簡(jiǎn)要說(shuō)明。

發(fā)明內(nèi)容
為了構(gòu)思出消除SS與COD濃度所產(chǎn)生的光譜干擾，并且期望能同步測(cè)量多種水中成分的濃度，本發(fā)明根據(jù)Beer-Lambert原理，以不添加額外藥劑并以光學(xué)頻譜分析技術(shù)為基礎(chǔ)，建立應(yīng)用光譜掃描同時(shí)獲得水中各種重金屬濃度的測(cè)量方法與設(shè)備，通過(guò)此測(cè)量技術(shù)與批次測(cè)量設(shè)備做為重金屬實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，本發(fā)明提供一種測(cè)量裝置，包括槽體，所述槽體包括可透光且相對(duì)應(yīng)配置的第一側(cè)面及第二側(cè)面，所述第一側(cè)面及所述第二側(cè)面在空間上延伸交會(huì)成夾角，且所述槽體容納水體；支撐部，具有與所述槽體連接的至少一個(gè)支撐架；載具，包括與所述支撐部鏈結(jié)的至少一個(gè)移動(dòng)裝置，以便固定并上下移動(dòng)所述支撐部；第一光源，配置于所述槽體外且朝向所述第一側(cè)面發(fā)射第一光線；以及第一測(cè)量元件，配置于所述槽體外且朝向所述第二側(cè)面，以便接收來(lái)自所述第一光源且依序穿過(guò)所述第一側(cè)面、所述水體及所述第二側(cè)面的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。較佳地，所述測(cè)量裝置中所述槽體還包括第三側(cè)面，所述第三側(cè)面具有透光性且分別與所述第一側(cè)面及所述第二側(cè)面相連接，所述測(cè)量裝置還包括配置于所述槽體外且朝向所述第三側(cè)面的第二測(cè)量元件，所述第二測(cè)量元件測(cè)量所述水體中的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。較佳地，所述測(cè)量裝置中所述槽體還包括第四側(cè)面，所述第四側(cè)面具有透光性且與所述第三側(cè)面平行配置，所述測(cè)量裝置還包括配置于所述槽體外且朝向所述第四側(cè)面的第二光源，當(dāng)所述第一光線未射出時(shí)，第三測(cè)量元件設(shè)置于所述第三側(cè)面外，以接收來(lái)自所述第二光源且依序穿過(guò)所述第四側(cè)面、所述水體及所述第三側(cè)面的第二光線，以測(cè)量所述水體的水位高度、懸浮粒子濃度和懸浮粒子沉淀速度中的至少一種。較佳地，所述測(cè)量裝置中所述槽體還包括相互平行配置的第五側(cè)面及第六側(cè)面，所述第五側(cè)面與所述第一側(cè)面相連接，所述第六側(cè)面與所述第二側(cè)面相連接，所述夾角位于所述第五側(cè)面與所述第六側(cè)面之間的空間，且當(dāng)所述槽體移動(dòng)至使所述第一光源朝向所述第五側(cè)面時(shí)，所述第一測(cè)量元件接收來(lái)自所述第一光源且依序穿過(guò)所述第五側(cè)面、所述水體及所述第六側(cè)面的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。所述測(cè)量裝置中的移動(dòng)裝置可為鏈條齒輪組或者其它能使支撐部與載具作相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)的裝置。本發(fā)明另提出一種測(cè)量裝置，包括:底座；以及槽體，其設(shè)置于所述底座上，用以盛裝待測(cè)流體樣本，并包括沿著長(zhǎng)度方向變動(dòng)截面積的區(qū)段。較佳地，所述測(cè)量裝置中所述區(qū)段的截面積是沿著長(zhǎng)度方向線性地變動(dòng)，以產(chǎn)生多個(gè)測(cè)量位置。
較佳地，所述測(cè)量裝置中所述槽體是亞克力或石英的透光材質(zhì)且呈倒三角體，使所述測(cè)量裝置具有多個(gè)光徑長(zhǎng)度，且所述倒三角體的底部連接長(zhǎng)方體區(qū)域，所述長(zhǎng)方體區(qū)域具有透光性且具有最小光徑。
較佳地，所述測(cè)量裝置中所述底座是支架，與所述槽體具有連結(jié)處，使所述槽體可從所述連結(jié)處向上延伸。
較佳地，所述測(cè)量裝置還包括空氣槽，設(shè)置于所述槽體上方；不反光的黑色槽體，設(shè)置于在所述空氣槽上方，所述空氣槽與所述不反光的黑色槽體用以進(jìn)行光源強(qiáng)度與光感應(yīng)器的校正；以及超音波震蕩片，設(shè)置于所述倒三角體的外壁，可透過(guò)不同頻率來(lái)清洗所述槽體以及與混合所述待測(cè)流體樣本。
較佳地，所述測(cè)量裝置還包括載具，所述載具包括與所述支架鏈結(jié)的至少一個(gè)移動(dòng)裝置，以便固定所述測(cè)量裝置并上下移動(dòng)。
本發(fā)明另提出一種測(cè)量裝置，包括:底座；以及槽體，其設(shè)置于所述底座上，用以盛裝待測(cè)流體樣本，并建構(gòu)至少兩條光徑以供測(cè)量經(jīng)所述至少兩條光徑的所述待測(cè)流體樣本的性質(zhì)，所述性質(zhì)是吸光值。
本發(fā)明另提出一種待測(cè)流體樣本的測(cè)量方法，包括下列步驟:(a)稀釋所述待測(cè)流體樣本；(b)以光纖光源掃描所述待測(cè)流體樣本；(c)以紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線光譜設(shè)備測(cè)量所述待測(cè)流體樣本的光譜強(qiáng)度變化以獲得吸光值；(d)判斷所述吸光值是否落于誤差容限內(nèi)，若為否，則將所述待測(cè)流體樣本稀釋至更高的稀釋倍數(shù)；以及(e)重復(fù)步驟(C)及(d)，直到所述吸光值落于所述誤差容限內(nèi)。
較佳地，所述測(cè)量方法可用于測(cè)量所述水體中重金屬濃度、懸浮顆粒濃度、有機(jī)物濃度、化學(xué)需氧量及其組合。


圖1為本發(fā)明的水樣槽結(jié)構(gòu)圖2(a)及圖2(b)分別為本發(fā)明的載具的立體示意圖及背面透視圖3為本發(fā)明的水樣槽與載具結(jié)合的示意圖4(a)至圖4(c)為利用本發(fā)明的測(cè)量裝置測(cè)量水體的光學(xué)分析示意圖5 (a)、圖5 (b)及圖5 (c)為銅重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果；
圖6 (a)、圖6 (b)及圖6 (c)為鎳重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果；
圖7(a)、圖7(b)及圖7(c)為鉻重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果；
圖8為鉻及銅重金屬混合水樣光譜掃描；
圖9為鉻及鎳重金屬混合水樣光譜掃描；
圖10為電鍍業(yè)實(shí)廠廢水水樣光譜掃描；
圖11為印刷電路板實(shí)廠廢水水樣光譜掃描。
主要元件符號(hào)說(shuō)明
100 水樣槽300 測(cè)量裝置
110 槽體310 水樣槽
111 第一側(cè)面 320 載具
112 第二側(cè)面 321 移動(dòng)裝置
113第三側(cè)面 322 光纖光源114第四側(cè)面 323 光纖傳感器組件115第五側(cè)面 325 矩陣式光傳感器116第六側(cè)面 326 面光源120支撐部 400 槽體121支撐架 401 低水位122不反光的黑色槽體402 高水位123空氣槽403 水位高度124超音波震蕩片411 第一側(cè)面125排水口412 第二側(cè)面200載具413 第三側(cè)面201第一面414 第四側(cè)面202第二面415 第五側(cè)面203第三面416 第六側(cè)面 204第四面421 光纖光源205光纖光源422 光纖傳感器組件206光纖傳感器組件423 光纖傳感器組件207光纖傳感器組件424 面光源208面光源425 矩陣式光傳感器209矩陣式光傳感器430 UV-VIS-NIR光線210移動(dòng)裝置431 可見(jiàn)光線221清水口222廢水口
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將可由以下的實(shí)施例說(shuō)明而得到充分了解，使得熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以據(jù)以完成本發(fā)明，然而本發(fā)明的實(shí)施例并非可由下列實(shí)施例而被限制其實(shí)施型態(tài)，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員仍可依據(jù)已揭露的實(shí)施例的精神推演出其它實(shí)施例，該等實(shí)施例皆當(dāng)屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的測(cè)量裝置包括水樣槽及承載水樣槽的載具。請(qǐng)參閱圖1，其為本發(fā)明的水樣槽結(jié)構(gòu)圖。在圖1中，水樣槽100包括槽體110，該槽體110可容納水體且包括可透光且相對(duì)應(yīng)配置的第一側(cè)面111及第二側(cè)面112，該第一側(cè)面111及該第二側(cè)面112在空間上延伸交會(huì)成夾角，形成倒三角體槽體，使依序穿過(guò)該槽體110的第一側(cè)面111、該水體及該槽體110的第二側(cè)面112的光線在槽體110中具有多個(gè)光徑。該槽體110還包括第三側(cè)面113(面向讀者眼睛的一側(cè))以及第四側(cè)面114(遠(yuǎn)離讀者眼睛的一側(cè))，該第三側(cè)面113具有透光性且分別與該第一側(cè)面111及該第二側(cè)面112相連接，而該第四側(cè)面114也具有透光性且分別與該第一側(cè)面111及該第二側(cè)面112相連接，并與該第三側(cè)面113平行配置。該槽體110還包括第五側(cè)面115及第六側(cè)面116，該第五側(cè)面115與該第一側(cè)面111相連接，該第六側(cè)面116與該第二側(cè)面112相連接，該夾角落于或者超出該第五側(cè)面115與該第六側(cè)面116之間的空間(在本實(shí)施例為“超出”)，該第五側(cè)面115、該第六側(cè)面116與底部圍成長(zhǎng)方體空間，且該槽體110具光線穿過(guò)第五側(cè)面115及第六側(cè)面116之間的最小光徑，在本實(shí)施例中為0.8公分。該水樣槽100還包括支撐部120，具有與該槽體110連接的至少一個(gè)支撐架121。該槽體110還包括排水口 125，設(shè)置于該長(zhǎng)方體空間的該第三側(cè)面113，以將清水或廢水從該槽體110中排出。該水樣槽100還包括位于槽體110上方的不反光的黑色槽體122與空氣槽123，以進(jìn)行光源強(qiáng)度與光感應(yīng)器的校正。水樣槽100還具有設(shè)置于槽體110中該第一側(cè)面111與該第二側(cè)面112外壁(例如在圖1所示的設(shè)置于第一側(cè)面111上)的超音波震蕩片124，當(dāng)槽體110承載水體時(shí)，該超音波震蕩片124可通過(guò)發(fā)射不同頻率的波來(lái)進(jìn)行槽體110的清洗與水樣的混合。
請(qǐng)參閱圖2(a)及圖2(b)，其分別為本發(fā)明的載具的立體示意圖及背面透視圖。以下將合并參照?qǐng)D2(a)及圖2(b)進(jìn)行說(shuō)明。載具200包括與該支撐架121鏈結(jié)的至少一個(gè)移動(dòng)裝置210，以便固定并上下移動(dòng)該支撐架121。該載具200是長(zhǎng)方體，具有第一面201、第二面202、第三面203及第四面204，其中該第一面201、該第二面202、該第三面203、該第四面204分別對(duì)應(yīng)于該槽體110的該第一側(cè)面111、該第二側(cè)面112、該第三側(cè)面113、該第四側(cè)面114，且該第一面201上配置光纖光源205，可發(fā)射第一光線，該第一光線是紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線(UV-VIS-NIR)光線。該第二面202及該第三面203上各設(shè)置光纖傳感器組件206、207，可接收由該光纖光源205發(fā)射出的該紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線(UV-VIS-NIR)光線。該第三面203上還設(shè)置矩陣式光傳感器209，該第四面204上設(shè)置面光源208，該面光源208可發(fā)射可見(jiàn)光線并由該矩陣式光傳感器209接收。清水口 221及廢水口 222設(shè)置于該載具200的上方，以將清水或廢水注入該槽體110中。
請(qǐng)參閱圖3，其為本發(fā)明的水樣槽與載具結(jié)合的示意圖。在圖3的測(cè)量裝置300中，水樣槽310的支撐架(圖3未示)與載具320的移動(dòng)裝置321鏈結(jié)成一體，便于固定該水樣槽310并上下移動(dòng)。
在測(cè)量水體時(shí)，當(dāng)水樣槽310的槽體440中的水體為低水位401時(shí)，如圖4(a)所示，該光纖光源421發(fā)射出的UV-VIS-NIR光線430依序穿過(guò)槽體400的第五側(cè)面415及第六側(cè)面416，并由光纖傳感器組件422、423接收該光線430。當(dāng)水樣槽的槽體400中的水體為高水位402時(shí)，如圖4 (b)所示，該移動(dòng)裝置321移動(dòng)讓水樣槽相對(duì)于載具向下移動(dòng)，使該光纖光源421發(fā)射出的該UV-VIS-NIR光線430依序穿過(guò)槽體400的第一側(cè)面411及第二側(cè)面412，并由光纖傳感器組件422、423接收該光線430。水樣槽中的水位高度403由矩陣式光傳感器425測(cè)量，如圖4 (c)圖所示，該載具320上的面光源424所發(fā)射出可見(jiàn)光線431依序穿過(guò)槽體330的第四側(cè)面414及第三側(cè)面413，再由該矩陣式光傳感器425接收該可見(jiàn)光線431，以判斷槽體330中水位的高度403。當(dāng)槽體的透光度不佳時(shí)，槽體330外壁的超音波震蕩片124可通過(guò)不同頻率來(lái)進(jìn)行水樣槽的清洗。
本發(fā)明是利用UV-VIS-NIR分光光度計(jì)測(cè)量水中重金屬物質(zhì)與其濃度，主要是利用光學(xué)頻譜分析技術(shù)的靈敏、準(zhǔn)確、快速、無(wú)干擾、可微量取樣及全系統(tǒng)分析的多種優(yōu)點(diǎn)。依照吸收光譜特性及Beer-Lambert定律的基礎(chǔ),可定性及定量出水質(zhì)中的成分及濃度。尤其，廢水中溶解性物質(zhì)在水中以分子形態(tài)存在，不同的分子型態(tài)、官能基或發(fā)色基團(tuán)(Chromophores)會(huì)造成不同吸收光譜，因此可利用光譜特定吸收波長(zhǎng)來(lái)鑒別有機(jī)物及其結(jié)構(gòu)，達(dá)到廢水成分定性的目的。以有機(jī)物而言，吸收峰多在紅外光區(qū)及紫外光區(qū)，紅外光區(qū)的吸收與其鍵結(jié)的共振有關(guān)，而紫外光區(qū)的吸收則與其官能基有關(guān)。若要由可見(jiàn)光區(qū)段定性有機(jī)物則需要使有機(jī)化合物發(fā)色，有機(jī)化合物的分子具有許多潛在發(fā)色基團(tuán)，當(dāng)發(fā)色基團(tuán)與助色團(tuán)(Auxochrome)結(jié)合時(shí)，兩者分別變成電子接收者及電子供給者，使其吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)或增加吸收強(qiáng)度，并可于可見(jiàn)光區(qū)產(chǎn)生波峰而定性其所含成分。另外，關(guān)于廢水定量的原理是根據(jù)Beer-Lambert定理,如公式I,當(dāng)同一成分的濃度愈高，所造成的吸光值也愈高，因此可利用吸收頻譜的吸光值，達(dá)到廢水濃度定量的目的。A = abc 公式 I其中A為吸光值，a為莫耳吸光系數(shù)，b為光徑長(zhǎng)度，c為溶液濃度。本發(fā)明依據(jù)上述提及的分析原理建立一種實(shí)時(shí)測(cè)量水中成分及其濃度的技術(shù)，主要將實(shí)施內(nèi)容分為三部分，分別為水中成分光譜數(shù)據(jù)庫(kù)建立、多成分定性定量算法的建立以及實(shí)驗(yàn)室與實(shí)廠的驗(yàn)證。其實(shí)施策略與方法分述如下:1.水中成分光譜數(shù)據(jù)庫(kù)建立金屬在自然界中，不管是以化合物、離子狀態(tài)存在，皆很難通過(guò)生物的降解而從自然界中移除，當(dāng)金屬經(jīng)由食物鏈進(jìn)入生物體的組織器官中，對(duì)其生殖能力及神經(jīng)中樞系統(tǒng)等造成永久性的破壞。依行業(yè)類(lèi)別的不同，使用的金屬也不相同，如染整業(yè)會(huì)使用銅作為染料或是固色劑，印刷電路板業(yè)則常有因蝕刻酸洗產(chǎn)生銅，電鍍工業(yè)為增加鍍件的耐蝕性，以鍍鉻增加其硬度。故本發(fā)明依廢水中常見(jiàn)的銅、鉻、鎳及鐵作為重金屬離子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)象，配制多種濃度并掃描其吸收光譜，可建立重金屬的光譜特性，以界定其成分的吸收波段、特征波長(zhǎng)及吸光系數(shù)，做為后續(xù)多成分定性定量算法的基礎(chǔ)。2.多成分定性定量算法多成分演算的分析程序，其為利用全波段掃描的吸收光譜，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)前處理及噪聲剔除，再根據(jù)所建置的光譜特性數(shù)據(jù)庫(kù)不同成分的吸收光譜特性，依序定性及定量出廢水水質(zhì)成分。多成分算法的分析程序主要分為吸收光譜數(shù)據(jù)前處理、多成分定性算法及多成分定量算法三個(gè)部分:第一部分:吸收光譜數(shù)據(jù)前處理。在進(jìn)入多成分定性及定量分析演算程序之前，對(duì)于掃描水質(zhì)所得的吸收光譜需訂定其數(shù)據(jù)分析的范圍值，選取較有意義的光譜數(shù)據(jù)(即各成分的吸收波段)，做為后續(xù)算法計(jì)算的依據(jù)。第二部分:多成分定性算法。針對(duì)不同成分其吸收波段也不同，而多成分定性分析法分析即為利用全波段掃描的吸收光譜，比對(duì)所建置的水質(zhì)光譜特性數(shù)據(jù)，由長(zhǎng)波長(zhǎng)至短波長(zhǎng)依序檢視其吸光值以推估水樣中存在的成分。另外，再利用多個(gè)不同稀釋水樣的光譜掃描信息(190 IlOOnm的吸光值)與所推估成分的濃度，通過(guò)類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后建立各波長(zhǎng)分別相對(duì)于水中成分的權(quán)重，通過(guò)各波長(zhǎng)權(quán)重值大小來(lái)篩選出各成分的特征波長(zhǎng)，通過(guò)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)與其權(quán)重的篩選，來(lái)判斷與鑒別水中的存在成分。第三部分:多成分定量算法。各水樣的光譜圖為水中各成分吸收UV-VIS-NIR光的綜合結(jié)果，由于水中各成分對(duì)于光的吸收能力不同，造成遮蔽作用且成分間會(huì)有干擾與競(jìng)爭(zhēng)，因此，利用傳統(tǒng)方式建立特征波長(zhǎng)的吸光系數(shù)來(lái)推估水中成分濃度的效果不佳。故本發(fā)明測(cè)量裝置是利用類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立水中成分及其濃度的測(cè)量技術(shù)。由于各工廠所使用的原物料與其產(chǎn)生廢水的組成成分變異不大，因此，利用本裝置進(jìn)行掃描多批廢水，通過(guò)不同光徑與稀釋倍數(shù)的程序所獲得的光譜信息，再與人工檢測(cè)所獲得水中成分的濃度，利用類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練及推估，來(lái)建立光譜信息與水中各個(gè)成分的關(guān)系，進(jìn)而開(kāi)發(fā)水中多成分測(cè)量的技術(shù)。3.實(shí)驗(yàn)室與實(shí)廠的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室與實(shí)廠驗(yàn)證程序包括兩部分:第一部分:水中各個(gè)成分吸收光譜與吸收系數(shù)的建立。將廢水水樣稀釋多種倍數(shù)并進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜掃描與重金屬、懸浮顆粒及COD的測(cè)量。扣除水中懸浮顆粒與有機(jī)物所產(chǎn)生UV-VIS-NIR吸收光譜的干擾，來(lái)獲得廢水中各個(gè)成分的吸收光譜與吸光值。根據(jù)已知水中各個(gè)成分濃度與吸光值，以類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算各個(gè)成分于UV-VIS-NIR波段的權(quán)重。第二部分:多種水中成分濃度同步求解方法的建立。步驟1:將工廠廢水以不同稀釋倍數(shù)進(jìn)行稀釋并進(jìn)行連續(xù)多次UV-VIS-NIR吸收光譜掃描。步驟2:再將水樣稀釋以過(guò)濾測(cè)量水中SS濃度并進(jìn)行UV-VIS-NIR吸收光譜掃描。步驟3:將工廠制程所需使用的原物料與廢水中可能存在的成分進(jìn)行水質(zhì)分析。步驟4:利用多個(gè)不同稀釋過(guò)濾水樣的光譜掃描信息，并通過(guò)類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后的權(quán)重值與光譜分析技術(shù)，來(lái)建立水中存在成分的特征波長(zhǎng)。步驟5:分析多個(gè)不同稀釋原水的光譜掃描信息，來(lái)測(cè)量SS的特性與其影響的吸收光譜波段。步驟6:累積一定數(shù)量的水樣水質(zhì)與光譜信息，再通過(guò)類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立UV-VIS-NIR吸收光譜與推估成份濃度的模式。步驟7:若模式推估結(jié)果不好，則重復(fù)步驟I的程序，累積足夠信息量來(lái)提升類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)與推估模式的能力。步驟8:當(dāng)工廠制程改變或通過(guò)定期采樣分析結(jié)果來(lái)調(diào)整與修正其推估模式，以維持模式的測(cè)量有效性。操作程序:1.進(jìn)清水程序:進(jìn)水量每次固定0.1-lOOmL。2.暗電流校正程序。3.光源空氣校正程序:判斷光源的強(qiáng)度。4.光源強(qiáng)度校正程序:所測(cè)量到的光源強(qiáng)度做為光源原始強(qiáng)度值，并進(jìn)行基線的測(cè)量，判斷測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定度。5.排清水程序:排掉清水，準(zhǔn)備進(jìn)行廢水的光譜測(cè)量。6.進(jìn)廢水程序:每次測(cè)量廢水量固定加入0.1-lOOmL。7.UV-VIS-NIR測(cè)量程序:在進(jìn)行稀釋程序時(shí)，先找到適合稀釋倍數(shù)(吸光值<儀器偵測(cè)最大值)再進(jìn)行沉淀程序。若吸光值大于儀器偵測(cè)最大值，可分別將水樣槽上下移動(dòng)，使光徑長(zhǎng)度改變，或是再加入清水稀釋于同一點(diǎn)測(cè)量吸光值，使最終吸光值小于儀器偵測(cè)最大值。再依此稀釋倍數(shù)做多個(gè)光徑長(zhǎng)度或是往下再做多個(gè)稀釋倍數(shù)及其沉淀的UV-VIS-NIR光譜測(cè)量。其中稀釋的水量是利用矩陣式光學(xué)傳感器(如CCD或CMOS的攝影機(jī))來(lái)獲得稀釋水量與水位，槽體移動(dòng)的最高位置也是通過(guò)矩陣式光學(xué)傳感器測(cè)量來(lái)判定(不同稀釋倍數(shù)有不同水位高度；換言之槽體移動(dòng)與水位高度有關(guān))。8.排水程序。9.清洗程序:讓槽體注入清水并上下移動(dòng)一次并同時(shí)進(jìn)行光譜掃描，測(cè)量各個(gè)光徑的光源強(qiáng)度值，當(dāng)光源強(qiáng)度值小于95 %的原始光源強(qiáng)度則重新清洗，直至光源強(qiáng)度值大于95%的原始光源強(qiáng)度才停止清洗程序。實(shí)施例1將含有銅重金屬的待測(cè)液體配制成濃度為50ppm，將該濃度為50ppm的含銅待測(cè)液體置于水樣槽的槽體中，先由波長(zhǎng)范圍為190 400nm、400 700nm、700 IlOOnm進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，接著分別將50ppm的含銅待測(cè)液體稀釋成25ppm、10ppm、5ppm及l(fā)ppm，再分別依上述波長(zhǎng)范圍進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，結(jié)果如圖5(a)、5(b)及5(c)所
/Jn ο銅重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果:將銅重金屬依上述步驟進(jìn)行多個(gè)濃度(lppm、5ppm、10ppm、25ppm及50ppm)的測(cè)量,結(jié)果如圖5(c)所示，當(dāng)光徑長(zhǎng)度為5公分時(shí)，測(cè)得吸收波峰會(huì)落于800nm及805nm位置。實(shí)施例2將含有鎳重金屬的待測(cè)液體配制成濃度為50ppm，將該濃度為50ppm的含鎳待測(cè)液體置于水樣槽的槽體中，先由波長(zhǎng)范圍為190 400nm、400 700nm、700 IlOOnm進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，接著分別將50ppm的含鎳待測(cè)液體稀釋成25ppm、10ppm、5ppm及l(fā)ppm，再分別依上述波長(zhǎng)范圍進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，結(jié)果如圖6 (a)、6(b)及6 (c)所
/Jn ο鎳重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果:將鎳重金屬依上述步驟進(jìn)行多個(gè)濃度(lppm、5ppm、10ppm、25ppm及50ppm)的測(cè)量,結(jié)果如圖6(b)及圖6(c)所示，當(dāng)光徑長(zhǎng)度為5公分時(shí)，測(cè)得吸收波峰會(huì)落于390nm位置及705nm與710nm位置之間。實(shí)施例3將含有鉻重金屬的待測(cè)液體配制成濃度為50ppm，將該濃度為50ppm的含鉻待測(cè)液體置于水樣槽的槽體中，先由波長(zhǎng)范圍為190 400nm、400 700nm、700 IlOOnm進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，接著分別將50ppm的含鉻待測(cè)液體稀釋成25ppm、10ppm、5ppm及l(fā)ppm，再分別依上述波長(zhǎng)范圍進(jìn)行UV-VIS-NIR光譜測(cè)量，結(jié)果如圖7(a)、7(b)及7 (c)所
/Jn ο鉻重金屬光學(xué)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)建置結(jié)果:將鉻重金屬依上述步驟進(jìn)行多個(gè)濃度(lppm、5ppm、10ppm、25ppm及50ppm)的測(cè)量,結(jié)果如圖7(b)及圖7(c)所示，當(dāng)光徑長(zhǎng)度為5公分時(shí)，測(cè)得吸收波峰會(huì)落于410nm及575nm位置。實(shí)施例4鉻及銅重金屬混合水樣光譜掃描:如圖8所示，發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng)410nm與575nm的位置，有兩個(gè)吸收波峰存在，因此可判斷此水樣含有重金屬鉻的存在，且在波長(zhǎng)650nm以后其吸光值隨著波長(zhǎng)的增加有逐漸升高的趨勢(shì)，可判斷此水樣也有重金屬銅的存在。實(shí)施例5鉻及鎳重金屬混合水樣光譜掃描:如圖9所示，發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng)410nm與575nm的位置，有兩個(gè)吸收波峰存在，可判斷此水樣含有重金屬鉻的存在，同時(shí)在波長(zhǎng)390nm的位置存在一個(gè)吸收波峰，可分析水樣中含有重金屬鎳的存在，但在波長(zhǎng)690nm以后其吸光值隨著波長(zhǎng)的增加有逐漸遞減的趨勢(shì)，因此可判斷此水樣沒(méi)有重金屬銅的存在。
因此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可依本發(fā)明，可有效的降低與去除懸浮顆粒濃度或濁度對(duì)于測(cè)量范圍與結(jié)果所造成的干擾，且本發(fā)明的測(cè)量裝置及方法不需添加額外的藥劑，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，具有顯著的市場(chǎng)價(jià)值。
實(shí)施例6
電鍍工廠廢水水樣光譜掃描:如圖10所示，從經(jīng)過(guò)多倍稀釋的廢水的光譜掃描結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，分別在275nm與375nm的位置有兩個(gè)吸收波峰，透過(guò)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)可分析水樣中含有醛類(lèi)與重金屬鋅的存在，其它波段則無(wú)較大的吸收波峰，因此，可判定無(wú)其它成分存在。
實(shí)施例7
印刷電路板工廠廢水水樣光譜掃描:如圖11所示，從經(jīng)過(guò)多倍稀釋的廢水的光譜掃描結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，分別在280nm、400nm及SOOnm的位置有三個(gè)吸收波峰，透過(guò)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)可分析水樣中含有醛類(lèi)與重金屬鋅與銅的存在，其它波段則無(wú)較大的吸收波峰，因此，可判定無(wú)其它成分的存在。
本發(fā)明時(shí)屬難能的創(chuàng)新發(fā)明，深具產(chǎn)業(yè)價(jià)值，故依法提出申請(qǐng)。此外，本發(fā)明可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員做任何修改，但不脫離權(quán)利要求所要保護(hù)的范圍。
參考文獻(xiàn)(通過(guò)引用并入本文)
US Pat.N0.5，244，634(1991 年 11 月 29 日)
US Pat.N0.2009/0263907A1 (2007 年 8 月 27 日)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量裝置，包括: 槽體，所述槽體包括可透光且相對(duì)應(yīng)配置的第一側(cè)面及第二側(cè)面，所述第一側(cè)面及所述第二側(cè)面在空間上延伸交會(huì)成夾角，且所述槽體容納水體； 支撐部，具有與所述槽體連接的至少一個(gè)支撐架； 載具，包括與所述支撐部鏈結(jié)的至少一個(gè)移動(dòng)裝置，以便固定并上下移動(dòng)所述支撐部; 第一光源，配置于所述槽體外且朝向所述第一側(cè)面發(fā)射第一光線；以及 第一測(cè)量元件，配置于所述槽體外且朝向所述第二側(cè)面，以便接收來(lái)自所述第一光源且依序穿過(guò)所述第一側(cè)面、所述水體及所述第二側(cè)面的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中所述槽體還包括第三側(cè)面，所述第三側(cè)面具有透光性且分別與所述第一側(cè)面及所述第二側(cè)面相連接，所述測(cè)量裝置還包括配置于所述槽體外且朝向所述第三側(cè)面的第二測(cè)量元件，所述第二測(cè)量元件測(cè)量所述水體中的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。
3.如權(quán)利要求2所述的測(cè)量裝置，其中所述槽體還包括第四側(cè)面，所述第四側(cè)面具有透光性且與所述第三側(cè)面平行配置，所述測(cè)量裝置還包括配置于所述槽體外且朝向所述第四側(cè)面的第二光源，當(dāng)所述第一光線未射出時(shí)，第三測(cè)量元件設(shè)置于所述第三側(cè)面外，以接收來(lái)自所述第二光源且依序穿過(guò)所述第四側(cè)面、所述水體及所述第三側(cè)面的第二光線，以測(cè)量所述水體的水位高度、懸浮粒子濃度和懸浮粒子沉淀速度中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中所述槽體還包括相互平行配置的第五側(cè)面及第六側(cè)面，所述第五側(cè)面與所述第一側(cè)面相連接，所述第六側(cè)面與所述第二側(cè)面相連接，所述夾角位于所述第五側(cè)面與所述第六側(cè)面之間的空間，且當(dāng)所述槽體移動(dòng)至使所述第一光源朝向所述第五側(cè)面時(shí)，所述第一測(cè)量元件接收來(lái)自所述第一光源且依序穿過(guò)所述第五側(cè)面、所述水體及所述第六側(cè)面的所述第一光線，以測(cè)量所述水體。
5.一種測(cè)量裝置，包括: 底座；以及 槽體，其設(shè)置于所述底座上，用以盛裝待測(cè)流體樣本，并包括沿著長(zhǎng)度方向變動(dòng)截面積的區(qū)段。
6.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置，其中所述區(qū)段的截面積沿著長(zhǎng)度方向線性地變動(dòng)。
7.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置，其中所述槽體是透光材質(zhì)且呈倒三角體，使所述測(cè)量裝置具有多個(gè)光徑長(zhǎng)度，且所述倒三角體的底部連接長(zhǎng)方體區(qū)域，所述長(zhǎng)方體區(qū)域具有透光性且具有最小光徑。
8.如權(quán)利要求7所述的測(cè)量裝置，還包括: 空氣槽，設(shè)置于所述槽體上方； 不反光的黑色槽體，設(shè)置于在所述空氣槽上方，所述空氣槽與所述不反光的黑色槽體用以進(jìn)行光源強(qiáng)度與光感應(yīng)器的校正；以及 超音波震蕩片，設(shè)置于所述倒三角體的外壁，可通過(guò)不同頻率來(lái)清洗所述槽體以及與所述待測(cè)流體樣本混合。
9.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置還包括載具，所述載具包括與所述支架鏈結(jié)的至少一個(gè)移動(dòng)裝置，以便固定所述測(cè)量裝置并上下移動(dòng)。
10.一種測(cè)量裝置，包括: 底座；以及 槽體，其設(shè)置于所述底座上，用以盛裝待測(cè)流體樣本，并建構(gòu)至少兩條光徑以供測(cè)量經(jīng)所述至少兩條光徑的所述待測(cè)流體樣本的性質(zhì)。
11.一種待測(cè)流體樣本的測(cè)量方法，包括下列步驟: (a)稀釋所述待測(cè)流體樣本； (b)以光纖光源掃描所述待測(cè)流體樣本； (C)以紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線光譜設(shè)備測(cè)量所述待測(cè)流體樣本的光譜強(qiáng)度變化以獲得吸光值； (d)判斷所述吸光值是否落于誤差容限內(nèi)，若為否，則將所述待測(cè)流體樣本稀釋至更高的稀釋倍數(shù)；以及 (e)重復(fù)步驟(C)及(d)，直到所述吸光值落于所述誤差容限內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法用于測(cè)量所述水體中的重金屬濃度、懸浮顆粒濃度、有機(jī)物濃度、化學(xué)需 氧量及其組合。
全文摘要
本發(fā)明提出一種測(cè)量水中成分及其濃度的變動(dòng)光徑測(cè)量裝置及方法。本發(fā)明的測(cè)量裝置具有多個(gè)測(cè)量位置以產(chǎn)生多個(gè)光徑長(zhǎng)度與多種稀釋倍數(shù)，通過(guò)多個(gè)光徑長(zhǎng)度可提升測(cè)量濃度的范圍與測(cè)量準(zhǔn)確性，并通過(guò)不同稀釋倍數(shù)來(lái)降低與去除懸浮顆粒濃度或濁度對(duì)于測(cè)量范圍與結(jié)果所造成的干擾，進(jìn)一步測(cè)量出水中成分的特征波長(zhǎng)。再利用光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的信息來(lái)判斷水中可能存在的成分(定性分析)，并應(yīng)用紫外光-可見(jiàn)光-近紅外線(UV-VIS-NIR)吸收光譜頻譜分析技術(shù)同步獲得水中各個(gè)成分的濃度(定量分析)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK103185700SQ201210143569
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者廖述良, 陳建谷, 王欣怡, 林泱瑜, 朱振華, 詹志中 申請(qǐng)人:中央大學(xué), 財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院