一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法及设备与流程

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种用于水体溢油污染预警的监测方法及设备。

背景技术：

随着人类工业活动的增加，在海洋、河道和湖泊等水面发生溢油、废酸排放、重金属排放等污染事故的可能性极高。一旦发生污染会严重危害水生生物的生存环境，对海洋和淡水生态以及人类生产生活带来恶劣影响。因此，对违法排放污水和事故性污染进行在线监测并及时预警，是水环境保护领域非常重要的环节。

目前可用于水面浮油监测的传感器主要有可见光传感器、红外传感器、紫外荧光传感器、能量吸收传感器、激光荧光传感器、激光反射传感器等，如英国污染过程监控有限公司(pollution&processmonitoringltd.)开发的ofd系列水面油膜监测仪就是采用了激光反射传感原理，美国通用公司与以色列inbar.jacob合作开发的id-223等水面油膜监测系统采用了电磁能量吸收传感器。基于可见光、红外、紫外荧光、能量吸收、激光荧光传感器设计的非接触式水面溢油监测系统受水面波动、雨雪气候、淡水有机质和水面漂浮植物、塑料垃圾的影响，易发生误报。用于水面溢油监测的非接触式激光发射传感器受水面至传感器高度变化影响，同时为保证传感器的激光束始终垂直于水面，激光反射传感系列监测终端只能被安装于支架、桥梁等固定不动的基础上，限制了其应用范围。现有设备很难克服恶劣气候、水面漂浮物、水面剧烈波动对监测结果的干扰，不能很好的适应复杂的监测环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法及设备，用以解决现有非接触式检测方法及设备因恶劣气候、水面漂浮物、水面剧烈波动而对监测结果产生干扰的问题。能够利用化学探针提高监测结果的灵敏度，同时利用加长的卷带可大大提高所述监测设备的有效工作时长和监测次数。

为实现上述目的，本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述方法包括：

提供卷带，卷带包括承载膜、荧光物质涂层和疏水膜层，所述荧光物质涂层在照射光照射下自身聚集时或接触水时无荧光或发射弱荧光，而接触浮油时发出强荧光信号，荧光物质涂层分布于承载膜之上，所述疏水膜层覆盖于荧光物质涂层的表面，荧光物质涂层被封闭于承载膜和疏水膜层之间，承载膜和疏水膜层通过热压方式被粘合成封闭的封袋，使得荧光物质涂层被置于封袋中；

将一条连续卷带的一端缠绕于位于水面上方的第一卷带轮的型轮槽上，另一端缠绕于位于水面上方的第二卷带轮的型轮槽上，在第一卷带轮和第二卷带轮之间的卷带再绕过导向轮型沟槽传动，其中包括至少一个位于水面下方的导向轮；

转动卷带轮将卷带拉直后同时转动第一卷带轮和第二卷带轮，使卷带向同一方向传动，将一定长度的卷带绕过水面下方的导向轮穿过水面与水面浮油接触；

检测与水面接触过的卷带的发光信号，并通过比较接触水面浮油的卷带的发光信号和未接触水面浮油的卷带的发光信号来监测水面浮油。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述方法还包括至少一种检测器，用于测量接触水面浮油的卷带的分析物发光信号和未接触水面浮油卷带的参比发光信号。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述承载膜由选自金属纤维、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氨酯、芳香聚酰胺、聚乙烯醇和聚氟乙烯中的一种或多种制成的单一材料薄膜或单一材料纤维带或复合材料薄膜或符合材料纤维带或薄膜与纤维带的复合带。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述荧光物质涂层所含的荧光物质为荧光分子或包含荧光分子的混合物或含有荧光分子和荧光团的聚合物，该荧光物质在特定波长范围照射光激发下自身或分散于水中无荧光或存在弱荧光但与水面浮油接触时发射强荧光，强荧光强度和弱荧光强度比值至少大于5，所述荧光分子包括n-己基喹啉-6-胺或其类似物。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述疏水膜由亲油疏水材料制成，表面存在直径1～50微米的小孔，允许油透过而不允许水通过，所述亲油疏水材料包括聚偏四氟乙烯或聚四氟乙烯等。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测方法，所述方法还包括：将卷带式监测设备垂直安装于三足浮筒上，调整设备壳体吃水位置，使得设备最下端绕有卷带的导向轮被水面覆盖；通过动力装置控制模块控制减速马达正反转和转速，每隔一定时间两个减速马达带动卷带向同一方向传动，带动卷带与水接触部分通过光电检测器照射区域，使得至少有1厘米与水面接触的卷带宽面经过光电检测器照射区域；若水面无浮油，因荧光涂层自身或分散于水中无荧光或有弱荧光，光电检测器测量未吸收浮油卷带的发光信号经光电转换电路输出为电压信号，电压信号经模数转换后由信号接收与处理模块计算设为参比信号不报警，减速马达反转带动卷带反方向转回原来位置；若水面存在浮油，与水面接触的卷带可以吸附水面浮油，荧光涂层遇到透过疏水膜层的浮油显强荧光，增强荧光信号被光电检测器光接收组件接收，经光电转换电路输出为电压信号，电压信号经模数转换后由信号接收与处理模块计算并与参比信号比较判断，再通过对外接口将预警信息发送到上位机，由上位机进行处理。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述卷带式监测设备包括：电池组、动力装置控制模块、减速马达、卷带轮、卷带、至少一个导向轮、光电检测器、信号接收与处理模块和壳体；所述电池组为太阳能充电电池组或风力充电电池组或人工更换电池组；所述减速马达有第一减速马达和第二减速马达，其各自的转速和正反转方向由动力装置控制模块控制调节；所述卷带轮包括第一卷带轮和第二卷带轮，第一卷带轮和第二卷带轮的转动由减速马达通过带传动、齿轮传动等传动装置驱动；所述卷带第一端缠绕在第一卷带轮上、卷带第二端经导向轮导向，缠绕在第二卷带轮上；所述光电检测器至少有一组光源发射组件和光信号接收组件，其光源发射组件的发射光照射于水面上方的卷带宽面上、光信号接收组件面向光源发射组件发射光所照射区域；所述光电检测器接收到的光信号将光信号转变为电压信号输出至信号接收与处理模块、再将电压信号或转变为数字信号后通过无线传输技术上传至上位机；所述壳体为不完全封闭设备，允许水流通。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述导向轮包含固定导向轮和滑动导向轮，所述固定导向轮中心转轴被固定于壳体上，使得固定导向轮之中心轴与壳体的相对位置不变，所述滑动导向轮中心轴两端嵌入固定在壳体上的两根滑槽内，滑槽内或滑槽间装有弹簧，弹簧的一端被固定在滑槽底部或顶部，另一端与滑动导向轮的中心转轴连接，滑动导向轮受到绕过滑动导向轮上卷带的松紧度变化产生的拉力作用而上下滑动。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述导向轮包括至少一个滑动导向轮，固定导向轮分布于滑动导向轮的一侧或分布于滑动导向轮的两侧，卷带绕过固定导向轮和滑动导线轮导向，卷带位于壳体内，在卷带轮转动下绕过导向轮传动，且卷带绕过壳体上端卷带轮下缘到壳体最下端导向轮上缘的上下垂直距离不小于10厘米。

本发明公开了一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述卷带轮为机械带轮，机械带轮包括：制有型轮槽的轮缘、带联接传动轴的轮毂和将轮缘与轮毂联接为一个整体的轮辐，所述导向轮为机械滑轮，由中心转轴和绕中心转轴旋转的轮盘组成，所述轮盘有型沟槽，型沟槽宽度等于或大于卷带宽度。

本发明方法具有如下优点：

本发明提供一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，在卷带中加入特异性监测某溢油污染物的荧光物质，采用光电检测器通过照射吸附了水面污染物的含荧光物质的卷带监测溢油污染。不仅能够防止水面漂浮垃圾和雨雪气候的干扰，而且能够利用化学探针提高监测结果的灵敏度，同时利用加长的卷带可大大提高所述监测终端的有效工作时长和监测次数。

附图说明

图1为本发明公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备的另一个实施例的结构示意图。

图3为卷带的结构示意图。

图4为浸润不同物质的卷带的检测结果。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参考图1，本实施例中公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备包括：电池组01、动力装置控制模块02、减速马达、卷带轮、卷带05、滑动导向轮06、光电检测器07、信号接收与处理模块08和壳体09，所述电池组01、动力装置控制模块02、减速马达、卷带轮、卷带05、滑动导向轮06、光电检测器07和信号接收与处理模块08安装在壳体09内部，所述电池组01位于壳体09的最上端，所述动力装置控制模块02位于电池组01的下方，所述减速马达有第一减速马达03和第二减速马达15分别位于动力装置控制模块02的两端，所述卷带轮有第一卷带轮04和第二卷带轮10并通过传送带14分别与第一减速马达03、第二减速马达15相连，所述卷带05缠绕在第一卷带轮04上，经滑动导向轮06导向，最后缠绕在第二卷带轮10上，所述光电检测器07位于动力装置控制模块02和滑动导向轮06之间，所述信号接收与处理模块08与光电检测器07的上方相连。

参考图1，壳体09为有机玻璃材质，滑槽11位于壳体09上，所述壳体09下部前后面上均有多个允许水通过的孔洞12。

电池组若是太阳能充电电池组则为锂电池，与太阳能光伏组件和稳压充电电路连接；太阳能充电电池工作电压为12v，为设备终端各组件提供电能。

上述动力装置控制模块02包括多路无线遥控开关、内置直流电机过载保护电路和无线指令收发器，采用上位机发送指令遥控减速马达正反转和转速。减速马达为ga12-n20型马达，包含微型直流低速减速电机和微型齿轮变速装置，使用电压范围1.5～12v；经变速装置变速后，使用电压为12v时输出转速为12rpm，6v时输出转速为6rpm。

光电检测器07为基恩士cz-h52，基恩士cz-h52型荧光检测器，最大激发波长375纳米，接收波长为425-550纳米。

信号接收与处理08模块包括模数转换电路、监测算法和对外接口。模数转换器采用max1270芯片，将模拟信号转换成数字信号。dspic30f6014a型单片机作为微控制器对数据做相关处理，并存储在eerom内，结果通过对外接口传至上位机。

参考图3，卷带23上面涂布的荧光物质涂层22所含的荧光物质为荧光分子、包含荧光分子的混合物或含有荧光团的聚合物，该荧光物质在特定波长范围光激发下自身无荧光或存在弱荧光，与特定污染物作用时发射强荧光，强荧光强度和弱荧光强度比值至少大于5，荧光物质涂层15以点状形式间隔涂布于承载膜中间，涂层厚度为2～5微米、每个点状涂层面积为0.2平方厘米左右、点状涂层间隔距离3厘米；将疏水膜对齐承载膜并完全覆盖于已涂布荧光涂层的承载膜上，采用线型热压方式粘合疏水膜和承载膜边沿，然后垂直于边沿间隔热压将疏水膜和承载膜粘合，两者热压宽度为2.0毫米左右，使得点状荧光涂层被置于承载膜和疏水膜封闭的长方形封袋中。

本实施例公开的一种用于水面污染物预警的卷带式监测设备，所述滑动导向轮06的中心转轴外端安装在壳体09上的滑槽11内，滑槽内部装有一根弹簧13，弹簧13的一端固定在滑槽11顶部，另一端与滑动导向轮06的中心转轴相连，滑动导向轮06受到滑动导向轮06上卷带05由于松紧度变化产生的拉力变化而上下滑动，对卷带起到缓冲作用，使得卷带不会因拉力过大而扯断。

本实施例所述方法包括：将卷带式监测设备垂直安装于三足浮筒上，调整设备壳体吃水位置，使得设备最下端绕有卷带的导向轮被水面覆盖；通过动力装置控制模块控制减速马达正反转和转速，每隔一定时间两个减速马达带动卷带向同一方向传动，带动卷带与水接触部分通过光电检测器照射区域，使得至少有1厘米与水面接触的卷带宽面经过光电检测器照射区域；若水面无浮油，因荧光涂层自身或分散于水中无荧光，光电检测器、信号接收与处理模块不报警，减速马达反转带动卷带反方向转回原来位置；若水面存在浮油，与水面接触的卷带可以吸附水面浮油，荧光涂层遇到透过疏水膜的浮油显强荧光，光电检测器监测到增强荧光信号，该增强荧光信号被荧光接收组件接收，经光电转换电路输出为电压信号，该电压信号被放大后或经模数转换后由信号接收与处理模块计算后再通过对外接口将预警信息发送到上位机，由上位机进行处理。

本实施例公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述导向轮只有一个，包括滑动导向轮或固定导向轮，该导向轮为固定导向轮时，能达到本发明的目的，但无法起到滑动导向轮具有的缓冲作用。

本实施例公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备，所述导向轮还包括一个滑动导向轮和多个固定导向轮，多个固定导向轮可分布在滑动导向轮的一侧或对称分布在滑动导向轮的两侧，多个固定导向轮只安装在滑动导向轮一侧时，也能达到本发明的目的，但会使卷带受力不均匀；多个固定导向轮对称分布在滑动导向轮两侧时，能达到本发明的目的且卷带受力均匀，是本发明的优选方案。

实施例2

参考图2，本实施例中公开的一种用于水面溢油污染预警的卷带式监测设备包括：电池组01、动力装置控制模块02、减速马达、卷带轮、卷带05、导向轮、光电检测器07、信号接收与处理模块08和壳体09，所述电池组01、动力装置控制模块02、减速马达、卷带轮、卷带05、导向轮、光电检测器07和信号接收与处理模块08安装在壳体09内部，所述电池组01位于壳体09的最上端，所述动力装置控制模块02位于电池组01的下方，所述减速马达有第一减速马达03和第二减速马达06分别位于动力装置控制模块02的两端，所述卷带轮有第一带卷带轮04和第二卷带轮21并通过传送带14分别与第一减速马达03、第二减速马达06相连，所述导向轮包括滑动导向轮10和多个固定导向轮，所述卷带05缠绕在第一卷带轮04上，经第一固定导向轮17、第二固定导向轮18、第三固定导向轮15、滑动导向轮10、第四固定导向轮16、第五固定导向轮19和第六固定导向轮20的导向，缠绕在第二卷带轮21上，所述光电检测器07位于动力装置控制模块02和滑动导向轮06之间，所述信号接收与处理模块08与光电检测器07的上方相连。

参考图2，壳体09为有机玻璃材质，滑槽11被固定在壳体09上，所述壳体09下部前后面上均有多个允许水通过的孔洞12。

若电池组是太阳能充电电池则为锂电池，与太阳能光伏组件和稳压充电电路连接；太阳能充电电池工作电压为12v，为设备终端各组件提供电能。

上述动力装置控制模块02包括多路无线遥控开关、内置直流电机过载保护电路和无线指令收发器，采用上位机发送指令遥控减速马达正反转和转速。减速马达为ga12-n20型马达，包含微型直流低速减速电机和微型齿轮变速装置，使用电压范围1.5～12v；经变速装置变速后，使用电压为12v时输出转速为12rpm，6v时输出转速为6rpm。

光电检测器07为基恩士cz-h52，基恩士cz-h52型荧光检测器，光源发射组件led灯激发波长为375纳米，光信号接收组件接收发光信号波长为425-550纳米。

信号接收与处理模块08包括模数转换电路、监测算法和对外接口。模数转换器采用max1270芯片，将模拟信号转换成数字信号。dspic30f6014a型单片机作为微控制器对数据做相关处理，并存储在eerom内，结果通过对外接口传至上位机。

参考图3，卷带23上面涂布的荧光物质涂层22所含的荧光物质为荧光分子、包含荧光分子的混合物或含有荧光团的聚合物，该荧光物质在特定波长范围光激发下自身和散布于水中无荧光或存在弱荧光，与特定溢油污染物作用时发射强荧光，强荧光强度和弱荧光强度比值至少大于5，荧光物质涂层22以点状形式间隔涂布于承载膜中间，涂层厚度为2～5微米、每个点状涂层面积为0.2平方厘米左右、点状涂层间隔距离3厘米；将疏水膜对齐承载膜并完全覆盖于已涂布荧光涂层的承载膜上，采用线型热压方式粘合疏水膜和承载膜边沿，然后垂直于边沿间隔热压将疏水膜和承载膜粘合，两者热压宽度为2.0毫米左右，使得点状荧光涂层被置于承载膜和疏水膜封闭的长方形封袋中。

本实施例采用六个固定导向轮分别对称位于一个滑动导向轮两侧，能够准确对卷带导向且使卷带受力均匀，滑动导向轮与弹簧相连接，滑动导向轮受到滑动导向轮上卷带由于松紧度变化产生的拉力变化而上下滑动，对卷带起到缓冲作用，使得卷带不会因拉力过大而扯断，水位处于滑动导向轮10与第三导向轮15和第四导向轮16之间，能够保证卷带有足够长度吸收水中溢油污染。吸附了溢油污染的卷带转动至光电检测器处时因紫外激发而发射强荧光，光电检测器接收到荧光信号后经信号调制电路调解为电压信号输出至信号接收与处理模块，经运算和处理将信息传递至上位机报警。

本实施例的检测方法包括：将卷带式监测设备垂直安装于三足浮筒上，调整设备壳体吃水位置，使水位处于滑动导向轮10与第三导向轮15和第四导向轮16之间，通过动力装置控制模块控制减速马达正反转和转速，每隔一定时间两个减速马达带动卷带向同一方向传动，带动卷带向光电检测器方向转动，带动卷带与水接触部分通过光电检测器照射区域；使得至少有1厘米与水面接触的卷带宽面经过光电检测器照射区域；若水面无浮油，因荧光涂层自身或分散于水中无荧光，光电检测器、信号接收与处理模块不报警，减速马达反转带动卷带反方向转回原来位置；若水面存在浮油，与水面接触的卷带可以吸附水面浮油，荧光涂层遇到透过疏水膜的浮油显强荧光，光电检测器监测到增强荧光信号，该增强荧光信号被荧光接收组件接收，经光电转换电路输出为电压信号，该电压信号被放大后或经模数转换后由信号接收与处理模块计算后再通过对外接口将预警信息发送到上位机，由上位机进行处理。

优选的荧光物质为n-己基喹啉-6-胺，采用热压粘合疏水膜和承载膜的方式将微量n-己基喹啉-6-胺封装于承载膜和疏水膜之间制成连续卷带，在375纳米波长紫外激发下n-己基喹啉-6-胺自身聚集或遇水呈现微弱荧光，吸附了水面浮油部分卷带因浮油透过疏水膜溶解n-己基喹啉-6-胺而呈现强荧光。将n-己基喹啉-6-胺封装于一面为聚偏四氟乙烯疏水膜而另一面为聚乙烯承载膜的卷带中，以热压粘合方式在每2平方厘米的长方形区域中封装约0.5毫克n-己基喹啉-6-胺，采用光纤光谱仪和r600-7型光纤反射探头在相同测试条件下分别测量浸水卷带、浸生物柴油卷带、浸柴油卷带、浸花生油卷带和浸汽油卷带的表面荧光光谱，结果参考图4，在425纳米至550纳米荧光接收窗口内，浸水卷带在375纳米紫外光照射下存在微弱荧光，而浸生物柴油卷带、浸柴油卷带、浸花生油卷带和浸汽油卷带在375纳米紫外光照射下存在强荧光，最大波长强荧光强度和弱荧光强度比值均大于80。

采用基恩士cz-h52型荧光光电检测器于卷带被监测位置2厘米处，对准含n-己基喹啉-6-胺的卷带疏水膜面，以375纳米紫外led灯照射被监测区域，联用基恩士cz-v21a传感器放大器测量荧光光电检测器所接收的荧光强度，对每个样品检测3次取三次读数平均值，浸水卷带荧光强度读数为85，设为参比值，浸生物柴油卷带、浸柴油卷带、浸花生油卷带和浸汽油卷带的表面荧光强度最小读数为2555，为参比值的30倍，待测卷带的表面荧光强度读数大于参比值，可认定待测卷带吸收了水面浮油，待测卷带的表面荧光强度读数与参比值的比值越大，水面溢油预警的可信度越高。

另外需要说明的是，本发明要保护的技术方案中所述电池组、导向轮、孔洞、各模块相对位置和马达输出动力的方式只是列举其中一项，所述荧光分子包括n-己基喹啉-6-胺等类似物，所述亲油疏水材料包括聚偏四氟乙烯或聚四氟乙烯或其类似物。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。