一種以單個uv-led為光源的紫外熒光三信號水質(zhì)傳感器及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測和水處理領(lǐng)域，具體涉及一種以單個UV-LED為光源的紫外 熒光三信號水質(zhì)傳感器及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 溶解性有機物的組成和性質(zhì)，對強化混凝、膜過濾、高級氧化、吸附與離子交換等 工藝的處理效果均具有重要影響。溶解性有機物，特別是蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)，是氯化消 毒工藝中消毒副產(chǎn)物的重要前驅(qū)體，因此在水處理過程中，溶解性有機物是重要的監(jiān)測對 象。
[0003] 現(xiàn)有的水處理工藝，通常以設(shè)定的參數(shù)進行程序化地運行。由于水質(zhì)存在波動，各 種水處理工藝的運行參數(shù)難以根據(jù)實際情況及時做出調(diào)整，存在藥劑、能源和材料的過度 消耗或不足的問題。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和工業(yè)4. 0等概念正在改變著人們的生活和生 產(chǎn)方式，而傳感器是實現(xiàn)這些概念的重要前端環(huán)節(jié)之一?，F(xiàn)有的水處理工藝迫切需要一種 靈敏、快速、高效、經(jīng)濟、簡易的在線有機物監(jiān)測裝置，為現(xiàn)有水處理工藝和裝備地自動化控 制通過傳感器提供負反饋信號。
[0004] 目前對水體中溶解性有機物進行監(jiān)測分析的常用方法與指標主要包括：化學需氧 量（chemical oxygen demand，C0D)、總有機碳（total organic carbon，T0C)、紫外光譜、焚 光光譜。與COD和TOC方法相比，光譜法無需化學試劑，且快速、靈敏、方便，更適合為水處 理系統(tǒng)的自動化控制提供在線負反饋信號。
[0005] 目前一些特定波長的紫外吸收值，如254nm(簡稱UV254)，已列入美國環(huán)境保護局 水與廢水檢測標準方法（EPA SM 5910B)，作為反映水體中有機物相對濃度和芳香性的替代 性指標而被廣泛運用。之所以選用254nm波長，是因為早期紫外光譜儀采用低壓汞燈為光 源，其中一條主射線在254nm附近。目前采用紫外光譜法的溶解性有機物在線監(jiān)測產(chǎn)品和 專利主要采用UV254吸光度指標（比如專利文獻一一一種投入式紫外吸收在線分析儀，申 請?zhí)枺?01110106617. 8)，其光源普遍采用壽命較長的脈沖氙燈，但仍存在體積大、能耗高、 需要分光和散熱構(gòu)造等問題。
[0006] 相對于氙燈，深紫外LED具有單色性好、體積小、能耗低和發(fā)光效率高等優(yōu)點。目 前商業(yè)化比較成熟的深紫外LED有265±5nm，280±5nm和310±5nm等系列波段?；诂F(xiàn) 有理論與技術(shù)，隨著LED波長越低，其芯片需要摻雜更多的鋁元素，成品率、發(fā)光效率和使 用壽命也隨之降低，同時產(chǎn)熱量急劇升高。選用254nm附近的LED作為光源同樣會存在效 率、壽命、散熱和價格問題。
[0007] 由于水體中蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)所固有的熒光特性，近年來三維熒光光譜 (excitation emission matrix，EEM)在對各類水體中溶解性有機物的表征方面得到廣泛 運用。根據(jù)三維熒光光譜，合理選擇熒光光譜指標，即激發(fā)波長與發(fā)射波長參數(shù)，是實現(xiàn)熒 光法在線應(yīng)用的關(guān)鍵。關(guān)于三維熒光光譜中熒光峰的解釋，傳統(tǒng)觀點錯誤地認為不同激發(fā) /發(fā)射波長的熒光峰來自于不同的物質(zhì)。我們前期的研究表明激發(fā)波長不同而發(fā)射波長相 同的熒光峰反映相同的物質(zhì)，因此對于發(fā)射波長相同的熒光峰只需要選擇一個激發(fā)波長即 可。通常情況下，根據(jù)發(fā)射波長的位置，可以區(qū)分蛋白類物質(zhì)和腐殖質(zhì)類物質(zhì)。我們前期的 發(fā)明中，提出了一種以LED發(fā)光二極管為光源的紫外熒光雙信號水質(zhì)監(jiān)測裝置及其應(yīng)用方 法（申請?zhí)?01410502662. 9)，但為實現(xiàn)探測蛋白類和腐殖質(zhì)類熒光，需要采用兩個不同的 LED作為光源，而光源的不統(tǒng)一，往往會造成檢測的不必要的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 1.要解決的技術(shù)問題
[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的針對水質(zhì)檢測中紫外吸收分析設(shè)備往往體積較大而不方 便攜帶、成本高和多光源存在不必要誤差的問題，本發(fā)明提供了一種以單個UV-LED為光源 的紫外熒光三信號水質(zhì)傳感器。它綜合利用紫外的普適性和熒光法的選擇性和靈敏性，可 以實現(xiàn)對水體中溶解性有機物總體濃度變化的監(jiān)測，同時可以反映蛋白類或腐殖質(zhì)類等熒 光組分濃度的變化，為水處理提供一種靈敏、快速、高效、經(jīng)濟、簡易但信息豐富的在線監(jiān)測 裝置。
[0010] 2.技術(shù)方案
[0011] 本申請發(fā)明人經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)UV280與UV254均反映相同的溶解性有機物，只 是UV280的吸光度值相對較弱，并對江蘇省16個縣級以上地區(qū)飲用水源地以及德國卡爾斯 魯厄地區(qū)萊茵河的調(diào)研結(jié)果表明，地表水中UV280/UV254二者比值約為0. 75,因此可以通 過增加光程和后續(xù)信號處理電路兩種方式提高UV280靈敏度。結(jié)合LED和光電二極管的性 能，選用UV280替代UV254指標具有可行性和經(jīng)濟性。此外，UV 280還可作為蛋白類熒光 的激發(fā)光源。本申請發(fā)明人在近期實驗過程發(fā)現(xiàn)，280±15nm的紫外光可以同時激發(fā)蛋白 類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)產(chǎn)生熒光。雖然280nm波長附近的紫外光不是腐殖質(zhì)熒光的最佳激發(fā)波 長，但是由于帶通濾光片的透過率和光電二極管的響應(yīng)在410~480nm可見光波段均較高， 仍可以足夠靈敏地探測腐殖質(zhì)類熒光信號。
[0012] 為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0013] -種以單個UV-LED為光源的紫外熒光三信號水質(zhì)傳感器，包括光路部分和信號 控制處理部分，光路部分包括UV-LED、樣品池、紫外探測器、熒光探測器A和熒光探測器B ; 信號控制處理部分包括電源模塊、信號放大器A、信號放大器B、信號放大器C、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和微處理器；UV-LED為1個，其中：打開電源后，微處理器輸出開關(guān)指令給UV-LED驅(qū)動電 路，控制UV-LED按設(shè)定周期點亮或熄滅，所發(fā)出的紫外光經(jīng)過樣品池內(nèi)水樣吸收后，產(chǎn)生 的熒光和未被吸收的紫外光分成三路進行探測：一路經(jīng)熒光探測器A檢測、二路經(jīng)熒光探 測器B檢測、三路經(jīng)紫外探測器產(chǎn)生電信號，再分別經(jīng)信號放大器A、信號放大器B、信號放 大器C進行放大處理，全部經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，輸送入微處理器處 理。
[0014] 優(yōu)選地，信號控制處理部分還包括介于電源模塊和UV-LED之間的LED驅(qū)動電路以 及和微處理器通過導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線連接的顯示屏、存儲器、控制鍵盤、無線通訊裝置；微處理 器將數(shù)字信號儲存到存儲器，或者經(jīng)數(shù)據(jù)線/無線通訊裝置傳輸通過上位機接口輸出到上 位機中，顯示屏實時顯示數(shù)字信號，并通過控制鍵盤或上位機對整個傳感器進行控制和參 數(shù)輸入。
[0015] 優(yōu)選地，所屬的電源模塊由鋰電池作為內(nèi)置電源，經(jīng)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換模塊為信號 控制處理部分供電，并通過恒流源電路對光路部分中的UV-LED進行供電。
[0016] 優(yōu)選地，熒光探測器A包括光電二極管和帶通濾光片A，熒光探測器B包括光電二 極管和帶通濾光片B ;帶通濾光片A波長為330~360nm，用于蛋白類熒光的監(jiān)測；帶通濾光 片B波長為410~480nm，用于腐殖質(zhì)類熒光的監(jiān)測；檢測時，水樣中熒光團受激所發(fā)出的 熒光分別經(jīng)過帶通濾光片A和帶通濾光片B照射到光電二極管上產(chǎn)生電信號。
[0017] 優(yōu)選地，恒流源電路以連續(xù)或間斷方式工作，實現(xiàn)以設(shè)置的采集頻率對水質(zhì)進行 監(jiān)測。
[0018] 優(yōu)選地，UV-LED燈光源為中心波長為280± 15nm范圍的深紫外LED燈。
[0019] 優(yōu)選地，紫外探測器采用紫外強化響應(yīng)的光電二極管，熒光探測器采用藍光強化 響應(yīng)的光電二極管。
[0020] 優(yōu)選地，樣品池的水樣以虹吸、蠕動栗以及水樣自身的流速或壓力實現(xiàn)樣品采集， 進行在線監(jiān)測或選用比色皿取樣進行便攜式人工取樣測定。
[0021] 優(yōu)選地，UV-LED發(fā)光角小于30度，以避免斜射，樣品池或比色皿為石英透光材質(zhì)。
[0022] -種以單個UV-LED為光源的紫外熒光三信號水質(zhì)傳感器的應(yīng)用，至少能夠應(yīng)用 于水質(zhì)在線監(jiān)測、飲用水中消毒副產(chǎn)物生成勢的預(yù)測、臭氧高級氧化工藝中微污染物的降 解程度預(yù)測。
[0023] 3.有益效果
[0024] 相比于最接近的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益之處在于：
[0025] (1)本發(fā)明的