CN112304875A - 一种基于光谱法的水质监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水质监测系统及方法，为解决现有基于光谱法的水质监测方法，存在实现工业应用具有一定困难、无法全面覆盖各种监测环境，以及缺少光谱仪数据采集时双光路切换的技术问题，提供一种基于光谱法的水质监测系统及方法，系统包括双路光开关、光谱仪、闪烁光源、上位机、第一流通池和第二流通池，第一流通池用于标准液体流过，第二流通池用于待测液体流过，闪烁光源发出的光分为两路，分别穿过第一流通池和第二流通池，经双路光开关中对应的一路开关后，导入光谱仪，通过光谱仪进行采集和光谱分析，监测方法是基于上述系统，通过两路切换采集两个流通池内的液体的光谱信息，实现光电转换测量和测量结果输出。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测系统及方法，具体涉及一种基于光谱法的水质监测系统及方法。
背景技术
水质监测的监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水等)、各种工业排水以及生活用水等。水质监测的主要方法有化学分析法、色谱分析法、电化学分析法、生物传感法和光谱法等。在基于光谱法的水质参数测量应用研究中，应用环境的变化，以及监测设备随监测时间状态将发生变化，会导致测量的准确性下降，同时，针对光谱法的水质监测设备在工业排水和生活用水管网监测中的应用，还需要将监测设备安装到相应管网中。
申请号为201621477557.5的中国专利，公开了一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，采用双光路的实现方式，利用在光谱获取单元中，同时获取待测水样和标准水样的吸收光谱，完成多参数水质实时在线监测，但光谱探测单元结构过于复杂，实现工业应用具有一定困难。申请号为202010482258.5的中国专利申请，公开了一种水质生态参数检测装置及检测方法，检测装置包括壳体、光源、光谱探测件和控制器，光谱探测件分时获取待检测水样和参比物质的光谱数据，控制器通过对待检测水样和参比物质的光谱数据进行分析获取水质生态参数，该检测装置及检测方法仅适用于江河湖海等开放监测环境，不适用于管路管网。申请号为201910267334.8的中国专利申请，公开了一种闪烁光源控制电路、闪烁光源和线阵探测器同步控制电路及方法，是一种闪烁光源与微型光谱仪数据采集、同步和优化的方法，可应用在水质监测设备中，但缺少光谱仪数据采集时双光路切换的同步和数据锁存。
发明内容
本发明为解决现有基于光谱法的水质监测方法，存在实现工业应用具有一定困难、无法全面覆盖各种监测环境，以及缺少光谱仪数据采集时双光路切换的技术问题，提供一种基于光谱法的水质监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于光谱法的水质监测系统，其特殊之处在于，包括双路光开关、光谱仪、闪烁光源、上位机、第一流通池和第二流通池；
所述第一流通池用于标准液体流过；所述第二流通池用于待测液体流过；
所述双路光开关的两路开关分别与通过第一流通池和第二流通池的光路连接；
所述闪烁光源发出的光分为两路，分别穿过第一流通池和第二流通池，经双路光开关中对应的一路开关后，导入光谱仪，通过光谱仪进行采集和光谱分析；
所述双路光开关和闪烁光源均与光谱仪内的控制器电连接，光谱仪内的控制器用于控制双路光开关和闪烁光源工作；
所述上位机与光谱仪电连接，用于采集光谱仪的光谱分析数据，对标准液体和待测液体的光谱分析数据进行分析和存储，并与光谱仪内的控制器进行交互。
进一步地，所述第一流通池呈中空柱状，其两端均为透明设置，用于使闪烁光源发出的光穿过；第一流通池的两端侧壁上分别开设有第一入水口和第一出水口，在第一入水口、第一流通池内腔和第一出水口之间形成Z字型通道；
所述第二流通池呈中空柱状，其两端均为透明设置，用于使闪烁光源发出的光通过；第二流通池的两端侧壁上分别开设有第二入水口和第二出水口，在第二入水口、第二流通池内腔和第二出水口之间形成Z字型通道。
进一步地，所述闪烁光源为电控闪烁氙灯光源，其输出波长为200-1100nm。
进一步地，所述双路光开关的透过波长为200-2500nm。
另外，本发明还提供了一种采用上所述基于光谱法的水质监测系统的监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，使第一流通池内流过标准液体，第二流通池内流过待测液体；
S2，通过上位机向光谱仪内的控制器发出指令，经光谱仪内的控制器控制闪烁光源发出脉冲闪烁光；
S3，将脉冲闪烁光分为两路，分别透过第一流通池和第二流通池；
S4，通过光谱仪内的控制器控制双路光开关中与通过第一流通池的一路光连通，经光谱仪采集标准液体的光谱信息，并发送至上位机；
S5，通过光谱仪内的控制器控制双路光开关中与通过第一流通池的一路光断开，并控制双路光开关中与通过第二流通池连接的一路光连通，经光谱仪实时采集待测液体的光谱信息，并发送至上位机；
S6，上位机对经步骤S4获得的标准液体的光谱信息与经步骤S5获得的待测液体的实时光谱信息进行实时对比分析，实现实时监测。
进一步地，步骤S2中，所述上位机经485串口向光谱仪内的控制器发出指令；
步骤S4中，所述光谱仪采集标准液体的光谱信息，经数据锁存后，发送至上位机；
步骤S5中，所述光谱仪实时采集待测液体的光谱信息，经数据锁存后，发送至上位机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明基于光谱法的水质在线监测系统，第一流通池和第二流通池分别供标准液体和待测液体流过，通过双路光开关决定光谱仪采集标准液体或待测液体的光谱信息，光路可随时切换，互相参比，提高了监测的稳定性和准确性；本发明的系统设置简单，且监测准确性高，能够实现在线监测，同时，能够随时在标准液体或待测液体的检测间进行切换，随时进行标准修正；另外，还可以根据监测需求设定取样频率，实现定时数据采集；本发明能够应用于各种水质监测环境，安装设置便捷，适用于工业化推广应用。
2.本发明中的第一流通池和第二流通池，入水口与出水口的设置方式，使液体由流通池入水口至出水口沿Z字型流动，流动轨迹长，且能够使闪烁光源发出的光顺利穿过，设置更加合理。
3.本发明中闪烁光源的输出波长和双路光开关透过波长相互匹配，使本发明适用性更广泛。
4.本发明基于光谱法的水质在线监测方法，基于上述监测系统，通过两路切换采集两个流通池内的液体的光谱信息，实现光电转换测量和测量结果输出，使监测更加便捷。
5.本发明中采用数据锁存配合485串口，保证了数据传输过程中，不会有新的采集帧数据被锁存，因此，有效地增强了采集稳定性，提高了水质监测的监测精度。
附图说明
图1为本发明基于光谱法的水质在线监测系统实施例的示意图；
图2为本发明图1中第一流通池的示意图；
图3为本发明图1中第二流通池的示意图。
其中，1-第一流通池、101-第一入水口、102-第一出水口、2-上位机、3-双路光开关、4-闪烁光源、5-光谱仪、6-第二流通池、601-第二入水口、602-第二出水口。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于光谱法水质在线监测系统，包括双路光开关3、光谱仪5、闪烁光源4、上位机2、第一流通池1和第二流通池6。其中，第一流通池1和第二流通池6分别用于标准液体和待测液体流过，作为一种优选方案，均可采用Z型流通池，均呈柱状中空结构，左右两端采用透明玻璃材质，并镶嵌有SMA905接头，透过波长范围可设计为200-2500nm，流通池平放时，两个流通池的入水口和出水口均开设在流通池两端侧壁上，且入水口和出水口分别位于相应流通池的上半部和下半部，在入水口、流通池内部和出水口之间形成Z字型的流通通道。为了便于后续对本发明的实施例进行说明，第一流通池1设定为用于标准液体流通，第二流通池6设定为用于待测液体流通，实际使用时，第一流通池1和第二流通池6的设定，以及放置位置均可根据需要进行调整。双路光开关3采用电控双路光开关，两路分别与第一流通池1和第二流通池6对应连接，可采用TTL电平控制，实现双光路的单路输出，采用SMA905接头，透过波长范围可对应设定为200-2500nm。闪烁光源4优选采用一款直流供电高集成度的氙灯触发控制光源，具有稳定输出、长寿命和高发光效率等特点，输出波长范围可设定为200-1100nm，光谱仪5为基于C-T光路的紫外-可见-近红微型光谱仪，光谱仪5内控制器上的电路部分实现光谱仪5线阵探测器驱动、双路光开关3控制和闪烁光源4触发控制。上位机2与光谱仪5电连接，用于采集光谱仪5的光谱分析数据，对标准液体和待测液体的光谱分析数据进行分析和存储，并与光谱仪5内的控制器进行交互，向光谱仪5内的控制器发送相应指令，控制整个系统工作。
各部件的链接关系为：闪烁光源4通过一分二的光纤分别与第一流通池1和第二流通池6链接，第一流通池1与双路光开关3通过光纤链接，第二流通池6与双路光开关3通过光纤链接，双路光开关3与光谱仪5通过二合一光纤链接，光谱仪5控制双路光开关3和闪烁光源4。利用光纤和特殊的流通池结构，能够方便的将水质监测系统接入管网中，使Z字型流通池串联在管网中。
本发明实施例中水质监测系统的工作过程为：
第一流通池1和第二流通池6分别流过标准液体和待测液体，光谱仪5内控制器的控制电路控制闪烁光源4，发出脉冲闪烁光，经过一分二光纤分光，第一流通池1和第二流通池6，再将从流通池透射的光用光纤传输到双路光开关3，双路光开关3也是由光谱仪5的控制电路控制，透过流通池从双路光开关3出射的光利用一根二合一光纤将其导入到光谱仪5，需要采集标准液体的光谱信息或待测液体的光谱信息，只需通过光谱仪5控制双路光开关3中的一路连通，实现光电转换测量和测量结果请求输出。
采用了双光路主备切换的形式，从结构上解决了在线监测的问题，能够有效地降低系统误差，提高水质在线监测的稳定性和精度。
监测的具体方法为：
(1)使第一流通池1内流过标准液体，第二流通池6内流过待测液体；
(2)通过上位机2向光谱仪5内的控制器发出指令，经光谱仪5内的控制器控制闪烁光源4发出脉冲闪烁光；
(3)将脉冲闪烁光分为两路，分别使其透过第一流通池1和第二流通池6；
(4)通过光谱仪5内的控制器控制双路光开关3中与通过第一流通池1的一路光连通，经光谱仪5采集标准液体的光谱信息，并发送至上位机2；
(5)通过光谱仪5内的控制器控制双路光开关3中与通过第二流通池6的一路光连通，经光谱仪5采集待测液体的光谱信息，并发送至上位机2；
(6)上位机2对经步骤S4获得的标准液体的光谱信息与经步骤S5获得的待测液体的光谱信息进行实时对比分析，实现监测。
可以通过控制上位机2发送指令的频率，使待测液体保持一定频率下持续采集信息。另外，对标准液体的采集，也可以根据需要一次采集或多次采集。
上述系统的传输驱动控制过程具体为：
数据请求是由上位机2经485串口发起，数据请求具有随机性，当数据请求发生时光谱仪5内控制电路部分作为下位机，根据请求的类型A/B，A代表第二流通池6中待测液体光路，B代表第一流通池1中标准液体参考光路，实现A/B光路切换指令发出。然后，下位机控制程序等待1秒，在这1秒钟内机械电控光路开关完成切换，切换电路达到稳定，等待结束一个帧周期到来，完成一帧数据采集，并根据请求的类型将数据锁存，然后根据数据请求的类型将锁存的数据传输到上位机2。其中，采用485串口，在数据传输的过程中整个控制电路的功耗增加，且电流波动性很大，而数据锁存和以上的数据请求传输流程，保证了在数据传输的过程中，不会有新的采集帧数据被锁存，因此，有效地增强了采集系统的稳定性，提高了水质在线监测的监测精度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于光谱法的水质监测系统，其特征在于：包括双路光开关(3)、光谱仪(5)、闪烁光源(4)、上位机(2)、第一流通池(1)和第二流通池(6)；
所述第一流通池(1)用于标准液体流过；所述第二流通池(6)用于待测液体流过；
所述双路光开关(3)的两路开关分别与通过第一流通池(1)和第二流通池(6)的光路连接；
所述闪烁光源(4)发出的光分为两路，分别穿过第一流通池(1)和第二流通池(6)，经双路光开关(3)中对应的一路开关后，导入光谱仪(5)，通过光谱仪(5)进行采集和光谱分析；
所述双路光开关(3)和闪烁光源(4)均与光谱仪(5)内的控制器电连接，光谱仪(5)内的控制器用于控制双路光开关(3)和闪烁光源(4)工作；
所述上位机(2)与光谱仪(5)电连接，用于采集光谱仪(5)的光谱分析数据，对标准液体和待测液体的光谱分析数据进行分析和存储，并与光谱仪(5)内的控制器进行交互。
2.根据权利要求1所述一种基于光谱法的水质监测系统，其特征在于：
所述第一流通池(1)呈中空柱状，其两端均为透明设置，用于使闪烁光源(4)发出的光穿过；第一流通池(1)的两端侧壁上分别开设有第一入水口(101)和第一出水口(102)，在第一入水口(101)、第一流通池(1)内腔和第一出水口(102)之间形成Z字型通道；
所述第二流通池(6)呈中空柱状，其两端均为透明设置，用于使闪烁光源(4)发出的光通过；第二流通池(6)的两端侧壁上分别开设有第二入水口(601)和第二出水口(602)，在第二入水口(601)、第二流通池(6)内腔和第二出水口(602)之间形成Z字型通道。
3.根据权利要求1所述一种基于光谱法的水质监测系统，其特征在于：所述闪烁光源(4)为电控闪烁氙灯光源，其输出波长为200-1100nm。
4.根据权利要求3所述一种基于光谱法的水质监测系统，其特征在于：所述双路光开关(3)的透过波长为200-2500nm。
5.一种采用权利要求1至4任一所述基于光谱法的水质监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，使第一流通池(1)内流过标准液体，第二流通池(6)内流过待测液体；
S2，通过上位机(2)向光谱仪(5)内的控制器发出指令，经光谱仪(5)内的控制器控制闪烁光源(4)发出脉冲闪烁光；
S3，将脉冲闪烁光分为两路，分别透过第一流通池(1)和第二流通池(6)；
S4，通过光谱仪(5)内的控制器控制双路光开关(3)中与通过第一流通池(1)的一路光连通，经光谱仪(5)采集标准液体的光谱信息，并发送至上位机(2)；
S5，通过光谱仪(5)内的控制器控制双路光开关(3)中与通过第一流通池(1)的一路光断开，并控制双路光开关(3)中与通过第二流通池(6)的一路光连通，经光谱仪(5)实时采集待测液体的光谱信息，并发送至上位机(2)；
S6，上位机(2)对经步骤S4获得的标准液体的光谱信息与经步骤S5获得的待测液体的实时光谱信息进行实时对比分析，实现实时监测。
6.根据权利要求5所述一种基于光谱法的水质监测方法，其特征在于：
步骤S2中，所述上位机(2)经485串口向光谱仪(5)内的控制器发出指令；
步骤S4中，所述光谱仪(5)采集标准液体的光谱信息，经数据锁存后，发送至上位机(2)；
步骤S5中，所述光谱仪(5)实时采集待测液体的光谱信息，经数据锁存后，发送至上位机(2)。
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