专利名称：紫外多光谱在线水质cod快速测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种紫外多光谱在线水质COD快速测量仪，尤其涉及全紫外光波段多光谱吸光度和自适应、BP神经网络实现水质COD在线快速测量仪的技术改进。
背景技术：
化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，简称COD)是水质有机物污染的代表性指标，在水环境保护和治理中，国内外都以该参数作为表征水质污染程度的必测项目。目前国内外对COD参数的测量方法主要有对于废水采用重铬酸钾法(CODcr法)，对于地表水采用高锰酸钾法(CODMn)，紫外吸光度法(UV法)同时可以测量废水和地表水。由于UV法有着无二次污染和测量速度快的优点，当前在现场测量中已呈现出有取代CODcr法的趋势。UV法在国外已有较成熟的产品，在欧洲和日本已得到了普遍的应用，国内也有引进，但尚无自己研制开发的紫外全波段UV法COD测量仪器。
国外的UV法COD测量仪大都采用紫外光254(253.7)nm单波长的吸光度值，通过建立254nm吸光度值A254与不同水样COD之间的线性相关关系，来换算得到COD的数值。之所以选择254nm，这是因为它刚好是低压汞灯主要的辐射波长。用单紫外光波长的吸光度值来换算得到COD值，从理论上是可行的，针对某些组分单一且稳定的水样在实用中也能得到一定的效果。但实际上不同工厂的废水与不同的地表水其最大的吸收波长并非固定在254nm，并且随水样所含的有机污染物的不同变化，受水体中悬浮物及其颗粒大小等许多因素的影响。用单个吸光度值与COD建立线性相关关系不符合也不能反映水体有不同波长的紫外吸收峰及其与COD值之间存在着非线性关系的实际情况，使用现有的UV法测量仪在对不同水体的适用性及其准确性，数据通信的网络化等方面均受到了很大的限制。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种紫外多光谱在线水质COD快速测量仪。
嵌入式微机系统分别与网络通信接口、LCD液晶显示与触摸屏相接，嵌入式微机系统的控制信号依次连接到光谱扫描步进电机、测量阀、清洗阀，流通测量槽分别与自动清洗装置、水样出口、清洗阀、测量阀相接，清洗阀与清洗水进口相接，测量阀与被测水样进口相接，氘灯光源发出的紫外光会聚后通过测量槽，被水样吸收后的紫外光经过会聚入射到平面光栅分光系统，分光后入射到硅光电二极管，硅光电二极管与嵌入式微机系统相接。
本实用新型由于采用紫外多光谱自动扫描系统、嵌入式微机系统和神经网络组成的UV法在线COD测量技术，提高了该COD测量仪的适用性和测量准确性；基于嵌入式实时操作系统的监控软件实现了水样提取、测量槽清洗以及整个测量过程的全自动化；紫外多光谱在线水质COD测量仪的测量周期只要3分钟，大大提高了COD测量速度；通过BP神经网络建立的紫外多光谱吸光度值与水样COD之间的数学模型更符合水样具有多种污染物且吸光度与COD值之间具有非线性关系的实际情况。因此扩大了仪器的适用范围，能够适合于环境水和各类废水COD的在线、快速、准确的分析测试。
图1是紫外多光谱在线水质COD快速测量仪方框示意图；图2是紫外分光光谱扫描系统示意图；图3是紫外多光谱在线水质COD快速测量仪软件流程图；图4是建立紫外多光谱吸光度与水质COD之间数学模型的BP神经网络示意图。
具体实施方式
如图1所示本实用新型的紫外多光谱自动扫描式在线水质COD测量仪是由流通测量槽、电磁阀与管路、自动清洗装置、紫外分光光谱扫描系统、IntelStrong ARM嵌入式微机系统、网络通信接口、LCD液晶显示器和触摸屏等几部分联接组成。嵌入式微机系统完成紫外光全波段内各个波长吸光度信号的采集，并根据空白标定的光谱数值，经数据处理得到被测水样的8个较大的吸光度和400nm的吸光度以及各吸光度之和，再输入已经过同类水质样本训练完成的BP神经网络模型，来推算得到本次测量的COD数据；测量数据可以长久保存，在LCD上显示和本地、远程传输。所述嵌入式微机系统的监控软机实现对被测水样进水泵阀，清洗泵阀，平面光栅分光系统步进电机与自动清洗步进电机的准确控制和测量仪全部功能的实现。
如图2所示紫外多光谱扫描系统，是由氘灯光源1、第一会聚透镜2、第二会聚透镜4、平面光栅分光系统、硅光电二极管11构成，其中平面光栅分光系统依次与入射狭缝5、准直物镜6、平面光栅8、聚光物镜7、平面光栅8、步进电机9、出射狭缝10相接。氘灯1所发出的光通过会聚透镜2后成为平行光，经石英玻璃窗口进入流通测量槽3中，被水样吸收后的光经会聚透镜4进入入射狭缝5，经准直物镜6反射后成为平行光投入到平面光栅8表面，光栅作为色散元件将接收到的复合光衍射分解成光谱，经聚焦物镜7会聚后到出射狭缝10，形成一系列按波长排列的单色狭缝像。通过嵌入式系统12控制步进电机9运动，可以扫描得到200nm到400nm整个波段内分辨率为1nm的每个波长的吸收光强，进入硅光电二极管11。光电二极管将所接收到的光强信号转换成相应的电信号，因此可得到全波段紫外光经被测水样吸收后的光强信号，再根据空白标定时得到的纯净水的光谱数值，计算出每个波长的吸光度值。
平面光栅分光系统的光路采用Czerney-Turne模式，进出口狭缝缝宽选择0.5mm，分光器件采用1200g/mm的平面闪耀光栅。准直物镜与聚焦物镜的焦距为200nm，相对孔径D/F＝1/4.5，波长分辨能力小于0.5nm。控制步进马达进行正转、反转和变速实现紫外波段的扫描，扫描波长的分辨率为1nm。
图3为紫外多光谱自动扫描式在线水质COD测量仪监控软件的主流程图。仪器上电后先进行初始化，然后打开泵和进水阀，使被测水样进入流通式测量槽；待水流稳定后，控制光学系统进行紫外波段扫描得到水样的紫外吸收光谱，根据空白标定的光谱数值，计算出各波长的吸光度；从中求出8个较大的吸光度值、400nm的吸光度和吸光度之和；再运用神经网络模型的BP-LM快速算法推算出水样的COD值；最后对测量数据进行显示、报警判断和保存等处理。除该主流程外，程序能响应按键的操作实现空白标定、数据查询、工作参数的设定等功能；并能定时进行自动清洗。
如图4所示根据紫外全波段的多个吸光度数据，采用BP人工神经网络建立光谱数据与有机污染物浓度(COD)的数学模型，并由该模型的外推能力，由被测水样的多个紫外吸光度数据推算出该水样的COD数据。本系统所建立的BP人工神经网络层结构为10-20-1。输入层为10个节点，分别输入紫外光波段中所得到的8个较大吸光度数据，第9个是可见光400nm波长的吸光度数据(作为光源、颗粒物等影响因素的参比信号)，第10个是吸光度之和。隐含层采用20个节点，输出层为1个节点，即是经该人工神经网络推算得到的COD数据。
权利要求1.一种紫外多光谱自动扫描式在线水质COD测量仪，其特征在于，嵌入式微机系统分别与网络通信接口、LCD液晶显示与触摸屏相接，嵌入式微机系统的控制信号依次连接到光谱扫描步进电机、测量阀、清洗阀，流通测量槽分别与自动清洗装置、水样出口、清洗阀、测量阀相接，清洗阀与清洗水进口相接，测量阀与被测水样进口相接，氘灯光源发出的紫外光会聚后通过测量槽，被水样吸收后的紫外光经过会聚入射到平面光栅分光系统，分光后入射到硅光电二极管，硅光电二极管与嵌入式微机系统相接。
2.根据权利要求1所述的一种紫外多光谱自动扫描式在线水质COD测量仪，其特征在于，所述的紫外多光谱扫描系统由氘灯光源1、第一会聚透镜2、第二会聚透镜4、平面光栅分光系统、硅光电二极管11构成，其中平面光栅分光系统依次与入射狭缝5、准直物镜6、平面光栅8、聚光物镜7、平面光栅8、步进电机9、出射狭缝10相接。
专利摘要本实用新型公开了一种紫外多光谱在线水质COD快速测量仪。嵌入式微机系统分别与网络通信接口、LCD液晶显示与触摸屏相接，嵌入式微机系统的控制信号依次连接到光谱扫描步进电机、测量阀、清洗阀，流通测量槽分别与自动清洗装置、水样出口、清洗阀、测量阀相接，清洗阀与清洗水进口相接，测量阀与被测水样进口相接，氘灯光源发出的紫外光会聚后通过测量槽，被水样吸收后的紫外光经过会聚入射到平面光栅分光系统，分光后入射到硅光电二极管，硅光电二极管与嵌入式微机系统相接。本实用新型提高了基于紫外吸收的COD测量仪的适用性和测量准确性；实现了水样提取、测量槽清洗以及测量的全自动化，提高了在线测量的速度，能够适合于环境水和各类废水COD的在线、快速、准确的分析测试。
文档编号G01N21/33GK2859515SQ20052010259
公开日2007年1月17日 申请日期2005年6月1日 优先权日2005年6月1日
发明者王晓萍, 林帧 申请人:浙江大学