基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置。它包括发光系统、光纤、监测系统、光电效应系统、补偿电路系统、电路、显示器；两个发光系统与监测系统连接，监测系统与光电效应系统连接，光电效应系统与补偿电路系统连接，补偿电路系统再与电脑显示器连接；发光系统包括发光管和光耦合器，监测系统的发射接收合一探头、发射探头、接收探头，皆由固定装置固定在管壁上，光电效应系统包括两组顺次相连的光耦合器、CCD图像传感器、放大器，补偿电路系统包括两个A/D转换器分别与减法器连接。本发明适用于城市供水管道生物膜生长状况的连续在线监测，响应速度快，干扰少，环境因素造成的影响可补偿，稳定性好，准确率高。
【专利说明】基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展及生活水平的提高，人们对水质安全的要求也日益提高。作为水质安全的一个重要方面，城市供水管网中生物稳定性及安全性问题越来越受到人们的关注和重视。
[0003]给水管网是联系水厂和用户之间的纽带。在饮用水经给水管网运输过程中，给水管网相当于一个巨大而复杂的反应器，微生物在管道内、管壁上生长、繁殖，会造成加速管道腐蚀和产生恶臭等问题，在一定条件下，附着在管壁的生物膜还会脱落进入水体，造成管网饮用水细菌指标超标，严重的，还会引起大范围传染性疾病的爆发。因此研究给水管网生物膜及其中的微生物生长对防止管网二次污染，保障饮用水安全具有重要意义。
[0004]目前，监测研究供水管道生物膜生长脱落状况常用的方法是培养一段时间后对生物膜进行采样研究。这种方法一方面无法对生物膜的整个生长过程进行连续、系统的研究，另一方面，由于是破坏性试验，也难以得到真实原位研究数据，而且采样过程中也容易带入人为干扰因素，影响研究结果。为解决以上问题，提出在供水管道上埋设光纤发射探头和接收探头来连续在线观测供水管道生物膜生长，是一种新型手段。
[0005]然而，在以上基于光电效应的生物膜在线监测装置应用过程中，由于负责观测的光纤探头需要埋设在供水管道内部，在观测供水管道生物膜生长的过程中，光纤探头表面也生长了生物膜，对光信号强度产生影响。为此，提出了基于光电效应补偿的生物膜在线监测方法和装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置及方法。
[0007]基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置包括发光系统、光纤、监测系统、光电效应系统、补偿电路系统、电路、显示器；两个发光系统通过光纤与监测系统连接，监测系统通过光纤与光电效应系统连接，光电效应系统通过电路与补偿电路系统连接，补偿电路系统再通过电路与电脑显示器连接；发光系统包括发光管和光耦合器，监测系统有三种光纤探头，分别是发射接收合一探头、发射探头、接收探头，皆由固定装置固定在管壁上，光电效应系统包括两组通过电路顺次相连的光耦合器、CCD图像传感器、放大器，补偿电路系统包括两个A/D转换器分别与减法器连接；一发光系统的光稱合器与发射接收合一探头以及光电效应系统的一光耦合器连接，另一光系统的光耦合器与发射探头连接，接收探头与光电效应系统的另一光耦合器连接，光电效应系统一放大器与补偿电路系统一 A/D转换器连接，光电效应系统另一放大器与补偿电路系统另一 A/D转换器连接。
[0008]所述的发光管发射的是625nm红光。所述的光纤为(XD图像传感器配套的海洋反射光纤。所述的发射接收合一探头既能发射625nm的红光又能接收其反射光。所述的发射探头只能发射625nm的红光而不能接收反射光。所述的接收探头只能接收透射光。所述的发射接收合一探头、发射探头、接收探头具有相同材质、相同直径及相同埋设时间。
[0009]基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测方法:装置开启后，两个发光管同时平行发出625nm的红光，一束是监测光，另一束是补偿光，监测光用于监测生物膜的生长、脱落状况，补偿光用于补偿环境因素变化造成的影响，监测光经光纤从发射接收合一探头照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途经该探头、光纤传送到光电效应系统，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器放大后再由A/D转换器转换成数字信号，同时，补偿光经光纤从发射探头直接照射到接收探头上，接收探头将接收的光信号通过光纤传送到光电效应系统，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器放大后再由A/D转换器转换成数字信号，两种数字信号再经过减法器处理后统一成一种数字信号由显示器输出，得到真实的生物膜在线监测数据信号。
[0010]本发明的优点有:1)对生物膜进行原位在线监测，响应快、干扰少；2)能够直观地、连续地监测生物膜的生长脱落过程；3)环境因素造成的影响可补偿，稳定性好、准确度闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置结构示意图；
图中:发光系统1、光纤2、监测系统3、光电效应系统4、补偿电路系统5、电路6、显示器
7、发光管8、光耦合器9、固定装置10、发射接收合一探头11、发射探头12、接收探头13、(XD图像传感器14、放大器15、A/D转换器16、减法器17。
【具体实施方式】
[0012]如图1所示，基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置包括发光系统1、光纤2、监测系统3、光电效应系统4、补偿电路系统5、电路6、显不器7 ;两个发光系统1通过光纤2与监测系统3连接，监测系统3通过光纤2与光电效应系统4连接，光电效应系统4通过电路6与补偿电路系统5连接，补偿电路系统5再通过电路6与电脑显示器7连接；发光系统1包括发光管8和光耦合器9，监测系统3有三种光纤探头，分别是发射接收合一探头11、发射探头12、接收探头13，皆由固定装置10固定在管壁上，光电效应系统4包括两组通过电路6顺次相连的光耦合器9、(XD图像传感器14、放大器15，补偿电路系统5包括两个A/D转换器16分别与减法器17连接；一发光系统1的光稱合器9与发射接收合一探头11以及光电效应系统4的一光耦合器9连接，另一光系统1的光耦合器9与发射探头12连接，接收探头13与光电效应系统4的另一光耦合器9连接，光电效应系统4 一放大器15与补偿电路系统5 — A/D转换器16连接，光电效应系统4另一放大器15与补偿电路系统5另一 A/D转换器16连接。
[0013]所述的发光管8发射的是625nm红光。所述的光纤2为(XD图像传感器14配套的海洋反射光纤。所述的发射接收合一探头11既能发射625nm的红光又能接收其反射光。所述的发射探头12只能发射625nm的红光而不能接收反射光。所述的接收探头13只能接收透射光。所述的发射接收合一探头11、发射探头12、接收探头13具有相同材质、相同直径及相同埋设时间。
[0014]基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测方法:装置开启后，两个发光管8同时平行发出625nm的红光，一束是监测光，另一束是补偿光，监测光用于监测生物膜的生长、脱落状况，补偿光用于补偿环境因素变化造成的影响，监测光经光纤2从发射接收合一探头11照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途经该探头、光纤2传送到光电效应系统4，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器15放大后再由A/D转换器16转换成数字信号，同时，补偿光经光纤2从发射探头12直接照射到接收探头13上，接收探头13将接收的光信号通过光纤2传送到光电效应系统4，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器15放大后再由A/D转换器16转换成数字信号，两种数字信号再经过减法器17处理后统一成一种数字信号由显示器输出，得到真实的生物膜在线监测数据信号。
[0015]其中，在线监测装置的监测原理是光信号照射到管道生物膜表面会产生光信号强度损失，生物膜生长越厚，光信号损失越大，反之，越小。补偿原理是发射探头12、接收探头13上生长生物膜和环境变化引起的光信号损失与发射接收合一探头11上生长生物膜和环境变化引起的光信号损失相同，这里通过监测发射探头12、接收探头13上生长生物膜和环境变化引起的光信号损失来确定发射接收合一探头11上生长生物膜和环境变化引起的光信号损失量，并把这些光信号损失量加回光电效应系统4。
【权利要求】
1.一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于包括发光系统(I)、光纤(2)、监测系统(3)、光电效应系统(4)、补偿电路系统(5)、电路(6)、显不器(7);两个发光系统(I)通过光纤(2)与监测系统(3)连接，监测系统(3)通过光纤(2)与光电效应系统(4)连接，光电效应系统(4)通过电路(6)与补偿电路系统(5)连接，补偿电路系统(5)再通过电路(6)与电脑显示器(7)连接；发光系统(I)包括发光管(8)和光耦合器(9)，监测系统(3)有三种光纤探头，分别是发射接收合一探头(11)、发射探头(12)、接收探头(13)，皆由固定装置(10)固定在管壁上，光电效应系统(4)包括两组通过电路(6)顺次相连的光耦合器(9)、CXD图像传感器(14)、放大器(15)，补偿电路系统(5)包括两个A/D转换器(16)分别与减法器(17)连接；一发光系统(I)的光耦合器(9)与发射接收合一探头(11)以及光电效应系统(4)的一光耦合器(9)连接，另一发光系统(I)的光耦合器(9)与发射探头(12 )连接，接收探头(13 )与光电效应系统(4)的另一光耦合器(9 )连接，光电效应系统(4)一放大器(15)与补偿电路系统(5) — A/D转换器(16)连接，光电效应系统(4)另一放大器(15)与补偿电路系统(5)另一 A/D转换器(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的发光管(8)发射的是625nm红光。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的光纤(2)为CXD图像传感器(14)配套的海洋反射光纤。
4.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的发射接收合一探头(11)既能发射625nm的红光又能接收其反射光。
5.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的发射探头(12)只能发射625nm的红光而不能接收反射光。
6.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的接收探头(13)只能接收透射光。
7.根据权利要求1所述的一种基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测装置，其特征在于:所述的发射接收合一探头(11)、发射探头(12)、接收探头(13)具有相同材质、相同直径及相同埋设时间。
8.一种使用如权利要求1所述装置的基于光电效应的可补偿的供水管道生物膜在线监测方法，其特征在于:装置开启后，两个发光管(8)同时平行发出625nm的红光，一束是监测光，另一束是补偿光，监测光用于监测生物膜的生长、脱落状况，补偿光用于补偿环境因素变化造成的影响，监测光经光纤(2)从发射接收合一探头(11)照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途经该探头、光纤(2)传送到光电效应系统(4)，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器(15 )放大后再由A/D转换器(16 )转换成数字信号，同时，补偿光经光纤(2)从发射探头(12)直接照射到接收探头(13)上，接收探头(13)将接收的光信号通过光纤(2)传送到光电效应系统(4)，光信号转变成模拟电信号，模拟电信号经放大器(15)放大后再由A/D转换器(16)转换成数字信号，两种数字信号再经过减法器(17)处理后统一成一种数字信号由显示器输出，得到真实的生物膜在线监测数据信号。
【文档编号】G01N21/84GK104280395SQ201410447673
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】柳景青, 罗志逢, 裘尚德, 周晓燕, 何晓芳, 胡宝兰, 邬建敏, 楼莉萍 申请人:浙江大学, 绍兴市水环境科学研究院有限公司