CN102661923A - 一种复合型水质多参数在线自动监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种用于在线自动监测水质指标的方法和实现方法的装置，采用紫外可见吸收光谱和多种传感器测量相结合的方法，可以一次性地测量含化学需氧量和氨氮在内的十余种水质指标，可依需对测量指标进行积木式配置，无需化学药剂。装置以构建的数字光纤光谱仪为核心，以小波降噪、主元分析和支持向量机三种方法顺序组合的方式对水样的紫外可见吸收光谱数据进行处理，获取水质化学需氧量、生化需氧量等水质指标值。通过多种物理和电化学传感器获取氨氮、溶解氧、电导率等水质指标。实现本发明方法的所有硬、软件放置在柜体中构成本发明的装置，在嵌入式工业控制计算机系统的控制下对引入的水样进行分析，实现对水质指标的实时自动监测。

Description

一种复合型水质多参数在线自动监测仪

技术领域

本发明涉及一种环境监测领域的在线自动水质监测方法和装置，具体涉及一种采用紫外可见吸收光谱同（物理或电化学）传感器相结合的，可同时测量十余种水质指标的测量方法，以及采用该方法的在线自动监测仪。

背景技术

目前，我国对地表水和污水水质进行在线自动监测的仪器设备大都采用传统的实验室化学分析方法，分析周期长，不能真正实现实时在线监测的目的，且容易产生二次污染，单台仪器一般只能监测一个参数。以采用UV法对水质COD指标实施监测的紫外光度法开启了光学方法直接监测水质指标的先河，近年来多个波长UV法仪器的出现，进一步提高了该类仪器对水质变化的适应性。但是，几个波长的吸光度数据仍然不能很好地使仪器适应多样化水质和水质变化的情况，而且，采用UV法测量单一COD指标也不能满足水质监测经常需要同时监测多个参数的需求。于是，基于分子吸收光谱的光谱法多参数测量技术和设备成为目前世界范围内水质在线自动监测领域的发展方向。

吸收光谱法水质监测方法具有不使用化学试剂，无二次污染，分析速度快，真正实现实时自动监测，一台仪器可以同时监测多种参数等优点。但是，由于水样成分的复杂和多变，水体的颜色、颗粒物等干扰因素较多，使得吸收光谱技术用于水质监测的方法和技术开发难度大，技术和设备尚未成熟，处于发展之中。另外，氨氮、溶解氧、电导率等常规水质监测指标目前尚不能通过分子吸收光谱技术进行监测。

目前，利用单个或几个波长对水质COD指标进行自动监测的方法和技术较为成熟，市场上有不少成熟的仪器产品。

利用物理和电化学传感器监测水质指标的仪器设备较多，方法和技术比较成熟。如电极法氨氮在线自动监测仪、浊度计、水质电导率测定仪、溶氧仪等，该类仪器通常只监测单个参数。

发明内容

本发明提供了一种水质多参数在线自动监测方法和装置，采用分子光谱和传感器相结合的方法，实时自动监测常用水质指标，如化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、浊度、水温、氨氮、溶解氧、电导率等指标，可同时获得的水质指标数量不少于10个，不使用任何化学药剂。监测的参数可以自由选择和定制，可满足对地表水、各类污水等不同水质对多参数同时自动监测的需要。

本发明所述的水质多参数在线自动监测方法，指的是采用紫外可见吸收光谱技术和（物理和电化学）传感器技术相结合的方法，两种方法组合或单独应用可实现不同应用对多种水质指标同时和实时自动监测的目的。

上述紫外可见吸收光谱指200nm至1000nm波长范围水样的紫外可见吸收光谱。它利用微型光纤数字紫外可见光谱技术测量得到水样的紫外可见吸收光谱数据，通过对光谱数据的处理获得化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等水质指标。

上述对光谱数据的处理，采用小波降噪、主元分析和支持向量机的机器学习方法以顺序组合的方式对光谱数据进行处理，建立光谱数据同水质指标映射关系的数学模型，并通过建立的数学模型和获得的光谱数据获取待测水样的水质指标。在上述数据处理过程中，首先通过小波方法对获取的光谱数据进行处理，剔除噪声。然后，通过主元分析方法降维，找到同水质指标关联密切的特征光谱数据。最后，通过支持向量机的机器学习方法建立特征光谱数据同水质指标映射关系的数学模型。

上述紫外可见吸收光谱数据来自两个光程不同的测量室（或光学测量探头），其差值作为待测水样紫外可见吸收光谱的原始数据，用于计算水样的水质指标。

上述提及的传感器方法，指分别利用测量水质指标的各类物理和电化学传感器直接测量水质指标的方法。如采用氨气敏电极或铵离子选择性电极等方法测量水质氨氮指标，如采用一种用透气薄膜将水样与电化学电池隔开的电极来测定水中溶解氧的方法，如采用电导率电极直接测量水的电导率指标方法，以及采用铂电极法直接测量水温指标的方法，等等。上述方法和技术成熟，市售产品丰富，可直接选用。

上述水质多参数在线自动监测方法通过如下技术流程和实现技术目的的部件实现：氙灯4提供200nm至1000nm波长范围的紫外可见光源，光源经光路调理装置19进行聚焦、光强调整、屏蔽杂散光后分别透过光学测量室11和11’，平场凹面数字全息光栅16将光学测量室的出射光分光，再由光电传感器15实现光电转换，电信号传至仪控装置21。供样装置20向光学测量室11、11’和集成传感器组12提供待测水样，集成传感器组的电信号也传送至仪控装置21。超声波清洁装置18和18’去除测量室11和11’（或光学测量头）光路上的污垢。

光路调理装置19包含一微型聚光透镜，将氙灯的光汇聚。还包含一光路斩断器（当使用光纤传输时使用光纤切换器），将光分成两路并序时投射至光学测量室11和11’中。还包含一光强调节装置，如光阑、狭缝、光路衰减器等，调节入射到光学测量室（或光学测量探头）的光强。还可通过调节入射光的强度，代替更换不同光程的测量池（或光学测量探头）实现对不同污染物浓度水样的适应性。

集成传感器组12为一能固定多个物理和电化学传感器并容纳测量水样进行测量的装置。

供样装置20由水泵、阀和各类管路构成，它将待测水样通过水泵由水源，经由管路、阀等输送至测量室11和11’，以及集成传感器组12中，然后排出仪器柜体。

 超声波清洁装置18和18’将电能转换成超声波，超声波作用于光学测量室11和11’，清除附着其上的污染物，保证光路不受污染和干扰。

仪控装置21为一基于嵌入式工业控制计算机的信号放大、获取、数据采集、处理和控制的系统，含有信号放大单元、模数转换单元、数据采集单元等，将各类传感器的电信号放大、采集并转换成数字信号，送至计算机存储和处理；含有控制单元，用于对仪器各部件的自动控制；含有软件，用于支撑仪器的执行元器件，对获取的光谱数据等测量数据进行处理，以及对仪器的各类数据和信号进行管理。

所述的工艺单元的硬件皆放置在一金属或其它材料制成的柜体中。供样装置20中的水泵将柜体外部的待测水样（分别或同时）送至测量室11、11’和传感器组12，然后排出柜体。

同现有技术相比较，本发明的装置无需化学药剂就可以一次性同时测量多个水质参数，改变了水质自动监测领域监测多个参数需要配置多台单参数仪器的现状，经济节约，不产生二次污染。

本发明采用的光纤微型紫外可见数字光谱技术，获取光谱速度快，精度高，克服了传统光谱仪分光技术的缺陷。采用差分光谱技术消除水质色度和浊度等干扰，采用先进的数据处理技术处理光谱数据和建立适应性强的数学模型，使得实现本发明方法的装置对水质的适应性好，测量准确可靠。

本发明采用的光强调节模拟测量池光程调节的方法，方便实用，解决了实际使用中废水浓度变化而不能实时更换光程不同的测量池或光学测量探头的难题。

本发明采用的小波降噪、主元分析和支持向量机的顺序组合式光谱数据处理方法，充分利用了小波降噪、主元分析和支持向量机的机器学习数据分析和处理方法各自的特点，既有效地剔除了光谱数据的干扰信息，极大地减少了数据分析处理的工作量，提高了仪器对大量光谱数据的处理速度，又能保证获得的特征光谱数据具有很好地代表性，对不同水质的适应性好，保证了测量结果的准确可靠。

随着光谱分析技术的进步，在不改变现有硬件构架的条件下，可以扩展监测水质参数种类和数量。

本发明采用的一体化柜式结构，便于维护维修，使用稳定性好。

本发明采用的积木式参数配置模式，可以使本发明的装置在无需改变系统硬软件构架的前提下为用户提供适宜的监测设备，可满足不同类型的工业污水、城市生活污水、地表水，以及集中供水行业的多参数水质自动监测的需要。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图；

图2为采用本发明方法的水质多参数在线自动监测仪技术路线图；

          图3为采用本发明方法的一种水质多参数在线自动监测仪结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

图2为采用本发明方法的一种水质多参数在线自动监测仪的技术路线图，通过构建的微型紫外可见数字光纤光谱仪和各类传感器相结合的方法一次性地实现了10个以上水质参数的在线自动测量。

测量室10容纳待测水样、两只光学测量探头11和11’，以及多种物理或电化学传感器组12，待测水样由水泵泵进测量室10。测量室可以象图2所示的这样将所有传感器和光学测量探头放置在一个测量室中，也可以根据具体需要将测量室分成两个或几个分别布置。

测量室中的两只光学测量探头11和11’具有不同的光程，其测量的水样吸光度差值用于构成待测水质紫外可见吸收光谱，并用来获取水质指标。两只光学测量探头的光来自氙灯4，由高稳定性电源3供电。氙灯4发出的光经透镜5聚焦并投射到光纤6入射端的浸没式透镜上。氙灯可选用Hamamatsu公司生产的 L2441 型频闪氙灯、以及E2442触发包，它产生190～1100nm 范围内的波长，自带聚光透镜。灯座上还带有紫外光和可见光传感器，可用于监控光强的变化。

电源3的输出电流可以调节，光路衰减器7用于对光纤中的光强进行衰减。通过调节氙灯的输入电流和光路衰减器6实现对光纤中传输的光光强的调节。光路衰减器可选用复享科技的FVA-UV光纤可调衰减器。

光纤切换器8将光源发出的光选通，通过光纤（或光纤束）交替传送至光学测量探头11和11’。光学测量探头的光信号经光纤分支器9传送至凹面平场光栅16，光栅分光，投射到光电传感器15，产生电信号，送至电子学系统14。平场凹面光栅可选择法国JY公司的52301030光栅，光电传感器可选择Hamamatsu 公司的 NMOS 线性图像检测器S3922-512Q，光纤切换器可选择复享科技的FIB-STD光纤切换器。

集成传感器组12由测量不同水质参数的物理或电化学传感器构成，可以根据需要减少或增加其种类和数量。

集成传感器组12中的传感器由多个独立的传感器构成，如测量水质氨氮指标可选择氨气敏电极或离子选择性电极，测量水质的电导率参数可选择感应式电导率探头，测量水质溶解氧参数可选择电流法或荧光淬灭法的传感器，测量水质的PH值可选择内部差分盐桥的PH探头，等等。上述物理和电化学传感器皆有多种类不同商家的成熟产品供选择。

测量室10正对光学测量探头11和11’正面水样光路传输部分设置有超声波换能器，用于对光学测量探头光路上的污物进行清洁。

电子学系统14承担将光电传感器15，以及传感器组12的电信号放大、模数转换、数据采集等任务，并传送至嵌入式工业计算机13。

嵌入式工业计算机13接受来自电子学系统14的数字信号，在软件的支持下，通过建立的数学模型反演出水质化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、总有机碳等水质指标，对来自物理或电化学传感器的信号进行温度和PH值等校正，并给出相应的水质氨氮、电导率、溶解氧、浊度、温度和PH值等指标。同时，控制整个仪器的其他部件，使仪器自动进行测量。

为防止外部杂散光和内部光路的互相干扰，光源模块含电源3、氙灯4、透镜5、光路衰减器7、光纤切换器8及部分传输光纤（束）放置在一密封避光的匣子中，光电转换模块的光栅16和光电传感器15放置在另一密封避光的匣子2中。

监测仪从结构上由A、B和C共3个舱组成。B舱放置光源模块1、光电转换模块2、测量室10，以及传感器11、11’和12，并固定在B舱和C舱之间的隔板上；C舱放置相关的泵、阀、管路、电源、超声波换能器件等配套器件；A舱置于B、C舱之上，放置嵌入式工业计算机、电子学模块和打印机17等功能模块。

上述布置只是实现本发明的一种结构布置，实现本发明的布置形式可以有多种。

尽管本发明的内容已经通过上述优选的实施方案作了详细介绍，但应当认识到上述介绍不应被认为是对本发明的限制。当具有专业知识和技能的人员在阅读了上述内容后，对本发明的多种修改、代替和规避都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种水质多参数在线自动监测方法，其特征在于：采用紫外可见吸收光谱和（物理、电化学）传感器测量相结合的方法，一次性地实现十余种水质指标的在线自动监测；通过水样的紫外可见光谱数据获得化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等指标，通过各类传感器分别获取氨氮、溶解氧、电导率、水温、浊度、PH值等指标，两种方法组合可同时实现对十种以上水质指标的在线自动监测。

2.如权利要求1所述，通过水样的紫外可见吸收光谱数据获取化学需氧量等水质指标，其特征在于：采用小波降噪、主元分析和支持向量机方法的顺序组合方式对光谱数据进行处理，建立水质指标同光谱数据映射关系的数学模型，通过建立的数学模型和水样的光谱数据获得待测水样的水质指标。

3.权利要求1和2中提及的水样紫外可见吸收光谱，其特征在于：采用两个光程不同的测量池（或光学测量探头）对待测水样进行测量，获取同一水样在两种光程下的吸光度值，其差值构成待测水样的紫外可见吸收光谱。

4.实现权利要求1的一种水质多参数在线自动监测装置，其特征在于：采用的技术流程为氙灯（4）提供200nm至1000nm紫外可见波段的光源，光源经光路调理装置（19）进行聚焦、光强调整、屏蔽杂散光后分别透过光学测量室（11）和（11’），平场凹面数字全息光栅（16）将测量室的出射光分光并投射至光电传感器（15）上转换为电信号，电信号被传送至仪控装置（21）；集成传感器组测量信号也传送至仪控装置（21）；供样装置（20）向光学测量室（11）、（11’）和集成传感器组（12）提供待测水样，超声波清洁装置（18）和（18’）去除光学测量室（11）和（11’）（或光学测量探头）光路上的污垢。

5.权利要求4提及的水质多参数在线自动测量装置，其特征还在于：实现技术目的的所有硬件和软件皆放置在一个柜体中；供样装置（20）抽取待测水样并将待测水样分别送至光学测量室（11）和传感器组（12），然后排出柜体；在仪控装置（21）的控制下，所有功能单元自动工作并最终获取待测水样的多个水质指标数据。

6.权利要求4提及的光路调理装置，其特征在于：使用光强调节装置，如光阑、狭缝、光纤衰减器等调节光路中的光强；使用光路自动切换装置将氙灯（4）发出的光交替选通，并序时传送至光学测量室（11）和（11’）。

7.一种通过调节入射光强模拟光程调节的方法，其特征在于：当待测水样的污染物浓度发生较大幅度改变时，通过权利要求6中的光强调节装置或（和）调节氙灯（4）的光强使水样吸光度的值保持在一个合适的动态范围之内。

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