一种实时原位水质监测仪及其监测方法与流程

文档序号:11109712阅读:562来源:国知局
一种实时原位水质监测仪及其监测方法与制造工艺

本发明涉及一种水质监测仪及其监测方法,特别涉及一种实时原位水质监测仪及其监测方法。



背景技术:

水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势,评价水质状况的过程。监测范围十分广泛,包括未被污染和已受污染的天然水及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类:一类是反映水质状况的综合指标,如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等;另一类是一些有毒物质,如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。在水质监测的过程中,经常以水样的光谱吸收作为特征,利用监测探头对水样进行特定物质的浓度检测。在实际使用过程中,水样的复杂性、设备的密封性、监测窗口的清洁度都会影响并干扰监测结果。



技术实现要素:

本发明的一个目的在于解决上述问题而提供一种结构可靠,设计合理,密封性好,监测结果稳定可靠,监测数据范围较广的一种水质监测仪。

本发明的另外一个目的是提供一种采用上述监测仪进行的监测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种实时原位水质监测仪,包括电源和与电源相连的监测探头、光纤光谱仪、工控机和气泵,气泵设有与监测探头相连的气体管路,光纤光谱仪设有分别与工控机和监测探头相连的数据传输管路;所述的监测探头包括壳体、开放式样品监测室、光谱传感器、温度传感器、湿度传感器、传输线缆和窗口清洗装置;所述的壳体外部封闭,壳体一端设有与数据传输管路相连的探头接口,壳体内部设有空腔,开放式样品监测室为设置在壳体一侧的凹型口,开放式样品监测室的顶部和底部分别设置一个透光窗口,两个透光窗口的中心同轴;所述的温度传感器的探测端设置在开放式样品监测室的表面,其另一端伸入到壳体的空腔内;所述的湿度传感器和传输线缆设置在壳体的空腔内,传输线缆将光谱传感器、温度传感器和湿度传感器分别与探头接口相连;所述的窗口清洗装置设置在壳体中部,窗口清洗装置与气体管路相连,窗口清洗装置的清洗开口朝向开放式样品监测室顶部和底部的透光窗口。光谱传感器与温度传感器一起校正温度对水质的影响,湿度传感器感知监测探头是否漏水的情况以及时报警处理。本发明的实时原位水质监测仪采用光谱吸收原理,可实时监测SAC、TOC、COD、BOD、NO3-、NO2-、苯系物、浊度和溶氧等指标。

作为优选,所述的光谱传感器包括光源、两个分别设置在开放式样品监测室两侧的透镜和透镜支撑部件,光源设置在壳体的空腔内远离探头接口的一端,透镜通过透镜支撑部件固定在壳体内,透镜支撑部件与透光窗口相接,光源、透镜、透镜支撑部件和透光窗口的中心位于同一中轴线上。

作为优选,所述的壳体包括依次连接的上管、探芯和下管,上管为圆筒体,上管的一端设有探头接口,上管的另一端开口;下管为圆筒体,下管的一端封闭,下管的另一端开口;探芯为中部设有凹形口的圆柱体,探芯两端设有台阶和螺纹,上管和下管通过螺纹与探芯的两端连接。

作为优选,所述的窗口清洗装置包括设置在探芯表面的气腔和设置在探芯内部的两个气体通道,气腔的一端与气体管路连接,气腔的另一端与两个气体通道呈夹角连接。

作为优选,所述的透镜支撑部件与透光窗口相接的部位设有密封圈。通过采用以上技术方案,可以更好的保证探头的密封性。

作为优选,所述的空腔包括上部空腔和远离探头接口的下部空腔,光源和湿度传感器设置在下部空腔内。通过采用以上技术方案,将最需要与水隔离的光源设置在单独的空腔,并设置湿度传感器监测预警空腔密封性,有利于延长探头的使用维护时间间隔。

作为优选,所述的光纤光谱仪选用光谱范围在200nm-1200nm的光纤光谱仪。通过采用以上技术方案,该实时原位水质监测仪不仅可以测量水体中的NO3-、SAC、TOC、COD、TSS悬浮物、Phenol苯酚、Glycol乙二醇、吸收和非吸收物质等,还可以测量氨氮、硝酸根、氯离子等。

作为优选,该窗口清洗装置包括清洁管路和防逆流部件,所述的清洁管路包括气腔和气体通道,气腔的一端设有与外部供气设备连接的凹口,气腔的另一端与气体通道连接,气体通道为横卧的“Y”型结构,气体通道的单头段端部与气腔连接,所述的防逆流部件设置在气体通道的分岔位置。

作为优选,所述的防逆流部件包括阻塞块、弹簧和固定座,阻塞块与气体通道的单头段接触,固定座的一端通过弹簧连接阻塞块,固定座的另一端伸入壳体靠近气体通道双头段的部位。

作为优选,所述的阻塞块为球体,球体表面设有环绕的第二密封圈,第二密封圈与气体通道单头段的侧壁接触。通过以上技术方案,可以更好的防止清洁装置外的水进入清洁装置内部。

作为优选,所述的固定座与弹簧连接的一端设有可以保持弹簧位置的弹簧管,固定座的另一端设有可以与探芯进行螺纹连接的螺纹。

作为优选,所述的气腔和气体通道均为圆柱形腔体。圆柱形腔体具有容易加工的优点。

作为优选,所述的气体通道的单头段外径小于气腔的外径,喷嘴的外径小于气体通道的双头段的任一端部的外径。通过以上技术方案,气腔、气体管道、喷嘴逐渐缩小的外径可以辅助增加对清洁装置内流动的气体的压力。

作为优选,所述的气体通道的双头段端部设有通向探芯外部的喷嘴。

一种实时原位水质监测方法,该方法采用所述的实时原位水质监测仪进行,包括以下的步骤:

1)首次测量时,启动监测仪,将监测探头浸入纯水,使纯水的液面没过整个监测探头,将光纤光谱仪的检测系统调零;

2)将监测探头浸入被测水体,使水体的液面没过整个监测探头;

3)启动气泵,对监测探头的透光窗口进行清洗;

4)启动光源,监测探头进行信号采集;

5)根据监测探头反馈的信号,光纤光谱仪显示检测结果;

6)结束流程,进行下次监测,重复步骤2)~步骤5)。

本发明的有益效果是:

本发明的水质监测过程是在水体原位进行,不需要进行前处理,测定过程也不需要消耗任何试剂,可测量的水体参数多,具有温度传感器校正温度对水质测试结果的影响,测试数据的准确性好,具有湿度传感器监测预警探头内部的密封情况,采用压缩空气对透光窗口的玻璃窗片进行冲洗,监测探头的维护时间间隔比传统水质监测设备要长很多,从而降低运维成本。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图;

图2是本发明的监测探头结构示意图;

图3是图2中A部的局部放大图;

图4是本发明窗口清洗装置的主视结构示意图;

图5是本发明窗口清洗装置工作状态的示意图;

图6是图4中B部的局部放大图;

图7是本发明窗口清洗装置的阻塞块的结构示意图;

图中:1、电源,2、监测探头,3、光纤光谱仪,4、工控机,5、气泵,6、气体管路,7、数据传输管路,8、上管,9、探芯,10、下管,11、开放式样品监测室,12、光源,13、透镜,14、透镜支撑部件,15、温度传感器,16、湿度传感器,17、传输线缆,18、气腔,19、气体通道,20、密封圈,21、探头接口。22、凹口,23、弹簧管,24、第二密封圈,25、喷嘴,26、阻塞块,27、弹簧,28、固定座,。

具体实施方式

下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解,本发明的实施并不局限于下面的实施例,对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

实施例1:

如图1所示的一种实时原位水质监测仪,包括电源1和与电源相连的监测探头2、光纤光谱仪3、工控机4和气泵5,气泵设有与监测探头相连的气体管路6,光纤光谱仪设有分别与工控机和监测探头相连的数据传输管路7,光纤光谱仪选用光谱范围在200nm-1200nm的光纤光谱仪,这样不仅可以测量水体中的NO3-、SAC、TOC、COD、TSS悬浮物、Phenol苯酚、Glycol乙二醇、吸收和非吸收物质等,还可以测量氨氮、硝酸根、氯离子等。

如图2和图3所示,监测探头包括壳体、开放式样品监测室11、光谱传感器、温度传感器15、湿度传感器16、传输线缆17和窗口清洗装置,壳体外部封闭,壳体内部设有空腔,空腔包括上部空腔和远离探头接口的下部空腔,壳体包括依次连接的上管8、探芯9和下管10,上管为圆筒体,上管的一端设有探头接口21,探头接口与数据传输管路相连,上管的另一端开口;下管为圆筒体,下管的一端封闭,下管的另一端开口;探芯为中部设有凹形口的圆柱体,探芯两端设有台阶和螺纹,上管和下管通过螺纹与探芯的两端连接。开放式样品监测室为设置在壳体的探芯一侧的凹型口,开放式样品监测室的顶部和底部分别设置一个透光窗口22,两个透光窗口的中心同轴。光谱传感器包括光源12、两个分别设置在开放式样品监测室两侧的透镜13和透镜支撑部件14,光源设置在壳体的下部空腔内,透镜通过透镜支撑部件固定在壳体内,透镜支撑部件与透光窗口相接,透镜支撑部件与透光窗口相接的部位设有密封圈20,光源、透镜、透镜支撑部件和透光窗口的中心位于同一中轴线上。温度传感器的探测端设置在开放式样品监测室的表面,其另一端伸入到壳体的空腔内。湿度传感器设置在下部空腔内。传输线缆设置在壳体的空腔内,传输线缆将光谱传感器、温度传感器和湿度传感器分别与探头接口相连。

窗口清洗装置设置在壳体中部,窗口清洗装置的清洗开口朝向开放式样品监测室顶部和底部的透光窗口,窗口清洗装置包括设置在探芯表面的气腔18和设置在探芯内部的两个气体通道20,气腔的一端与气体管路连接,气腔的另一端与两个气体通道呈夹角连接。

本发明的监测方法包括以下的步骤:

1)首次测量时,启动监测仪,将监测探头浸入纯水,使纯水的液面没过整个监测探头,将光纤光谱仪的检测系统调零;

2)将监测探头浸入被测水体,使水体的液面没过整个监测探头;

3)启动气泵,对监测探头的透光窗口进行清洗;

4)启动光源,监测探头进行信号采集;

5)根据监测探头反馈的信号,光纤光谱仪显示检测结果;

6)结束流程,进行下次监测,重复步骤2)~步骤5)。

该实时原位水质监测仪使用时,监测探头放入待测水体中,监测探头进行信号采集,将光谱传感器得到的信号反馈给光纤光谱仪,然后由光纤光谱仪传输信号至工控机进行处理和计算;监测探头将温度传感器得到的信号反馈给工控机,以校正温度对水质测试结果的影响;监测探头将湿度传感器得到的信号反馈给工控机,以判断监测探头是否漏水的情况以及时报警处理。

实施例2

一种实时原位水质监测仪,具体结构同实施例1,不同之处为所述窗口清洗装置的结构:

如图4和图6所示,窗口清洗装置包括设置在探芯9内部的清洁管路和防逆流部件,清洁管路包括气腔18和气体通道19,气腔和气体通道均为圆柱形腔体,气腔设置在探芯9端部,气腔的一端设有可以与外部供气设备连接的凹口22,气腔的另一端与气体通道连接,气体通道为横卧的“Y”型结构,气体通道的单头段端部与气腔连接,气体通道的双头段端部设有通向探芯外部的喷嘴25;所述的防逆流部件设置在气体通道的分岔位置,防逆流部件包括阻塞块26、弹簧27和固定座28,阻塞块与气体通道的单头段接触,固定座的一端通过弹簧连接阻塞块,固定座的另一端伸入探芯靠近气体通道双头段的部位,固定座与弹簧连接的一端设有可以保持弹簧位置的弹簧管23,固定座的另一端设有可以与探芯进行螺纹连接的螺纹。与气腔凹口相连的外部供气设备为高压气泵,防逆流部件的作用是将清洁装置外部的水阻挡在清洁装置的气腔外部,防止气腔内残留水。气体通道的单头段外径小于气腔的外径,喷嘴的外径小于气体通道的双头段的任一端部的外径。这样设计的目的是,气腔、气体管道、喷嘴逐渐缩小的外径可以辅助增加对清洁装置内流动的气体的压力。

如图7所示,阻塞块为球体,球体表面设有环绕的第二密封圈24,第二密封圈与气体通道单头段的侧壁接触,这样设计的目的是可以更好的防止清洁装置外的水进入清洁装置内部。

如图5所示,窗口清洗装置在使用时,气体通过气腔流入气体通道的单头段,在气体通道的分岔位置将原本阻挡在分岔口的球体阻塞块推开,气体继续进入分岔的气体通道双头段,并分别通过喷嘴喷出,清洁喷嘴对应位置的水下探头窗片。

本发明实时原位水质监测仪的优势和特性

1.出数据快,瞬时可以读出数据(测量一个数据约15秒),传统试剂法测量数据需要30-60分钟:

2.多达99种测量参数,使用不同的校准公式,同时计算。

3无耗材:探头是免维护设计(特殊安装地点的清洁工作除外)。内部闪光灯的使用寿命>10年。

4.无需试剂消耗,无二次污染,几乎没有维护危险性。传统湿化学法设备都需要用到试剂,而且用到的试剂都会对环境有严重污染,需要特定回收。

5.安装方便,没有地域性、现场环境等硬性要求;无需仪器房、无需电源,可节省基础建设费用,占地面积小。

6.数据直接传输,无需数据采集仪。

7.整体拥有成本低,可以远程标定、调试和维护。

8.工业生产过程监控,实时了解生产过程的突发情况。

实时原位水质监测仪的测量原理:

实时原位水质监测仪是UV-VIS(紫外到可见光)的光谱全程扫描,针对每一种待测物质分析光谱吸收特征,软件自动计算标定曲线。以下实验数据是采用200-708nm光谱全程扫描的光纤光谱仪的水质监测仪。

质控样比对测试数据见表1。

表1

根据《水污染源在线监测系统验收技术规范(试行)》(HJ/T354 2007)中水污染源在线监测仪器质控样比对试验验收指标的要求:质控样的相对误差在10%以内。

测试结果为:相对误差均在5%以内。

环科院农村生活污水治理项目水质监测实样对比试验

2015年7月与2016年3月,某环境保护科学研究设计院分别将2台本发明的实时原位水质监测仪安装在某村的生活污水人工湿地治理示范点(50t/d和20t/d)的出水口位置,均为原位实时测量。

某环境保护科学设计研究院于2016年4月6日-2016年4月11日对两套设备进行实样比对,比对结果见表2。

表2 50t/d COD数据

表2(续) 50t/d NH3-N数据

表2(续) 50t/d TN数据

表2(续) 50t/d TP数据

表2(续) 20t/d COD数据

表2(续) 20t/d NH3-N数据

表2(续) 20t/d TN数据

表2(续) 20t/d TP数据

数据分析结论:

根据以上数据显示:(把每个参数的误差绝对值进行叠加并求平均值)

COD平均误差率:

NH3-N平均误差率:

TN平均误差率:

TP平均误差率:

根据《水污染源在线监测系统验收技术规范(试行)》(HJ/T354 2007)中水污染源在线监测仪器实际水样比对试验验收指标的要求:

COD相对误差:≤30%;

NH3-N相对误差:≤15%;

TN相对误差:≤15%;

TP相对误差:≤15%。

本发明的实时原位水质监测仪测量出数据,完全达到该标准要求,且更为准确,真正实现了水质在线监测及时、准确、高效。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

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