一种新型光学水质监测传感器装置及设计方法与流程

本发明是关于一种新型光学水质监测传感器装置及设计方法，涉及水环境监测与污水处理技术领域。

背景技术：

水质在线监测对于水环境保护和治理，特别是分布式污水处理具有重要意义。我国的水污染以有机物污染为主。因此与有机物污染相关的多种参数(例如cod，bod，toc等)的监测十分重要。传统监测方法大都使用试剂滴定法，试剂滴定法需要采样后离线测量，无法满足在线实时监测的需求。近年来利用紫外光吸收监测水体有机物污染的方法逐渐成熟，国外也出现了某些基于紫外和可见光吸收法的水质监测装置。然而实际使用中这种光学水质监测装置的准确度很容易收到镜面污染的影响。这些污染可能来自于水中的生物结垢，悬浮物的附着，偶然露出水面后液膜蒸干留下的水渍以及反复气吹清洁留下的水渍等。镜面污染对紫外光会产生吸收、反射或散射，使得到达探测器的光强产生额外附加的衰减，进而使水质监测装置的测量结果发生较大偏移。镜面污染带来的偏差是基于紫外光吸收法的水质监测装置在实际水体使用中的主要偏差来源之一。

为了减小镜面污染带来的偏差，目前已有的解决方法主要有两大类，一类是定期执行的自动清洁手段，例如压缩空气吹扫，超声波清洗，移动刷清洗等；另一类是定期人工清洗镜面。自动清洁手段虽然可以去除大部分附着的污垢，但是难以做到彻底清洁，特别是对水渍等附着力较强的污染效果较差。因此镜面污染仍会对水质监测传感器的测量造成难以估计的偏差影响，而且在不同性质的水体中情况差异很大。而且，随着污染程度的累积，最终仍需要人工清洗镜面，严重限制了水质监测传感器的免维护周期和长期测量的稳定性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够消除镜面污染的影响，实现长期抗污染免维护的新型光学水质监测传感器装置及设计方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种新型光学水质监测传感器装置的设计方法，其特征在于，通过在线变化测量光程，即调节测量光穿过待测水体的距离，测量光程变化前待测水体间隙为l1，测量光程变化后待测水体间隙为l2，计算表征镜面污染程度的数值，得到消除镜面污染影响的待测水体测量值，具体过程为：

获取通过待测水体测量光的总衰减量δi，包括在待测水体中的衰减量δi0和由镜面污染引起的额外衰减量δiw；

待测水体间隙由l1变为l2，镜面污染程度将保持不变，为：

δiw1＝δiw2＝δiw(1)

式中，δiw1为待测水体间隙为l1时由镜面污染引起的额外衰减量，δiw2为待测水体间隙为l2时由镜面污染引起的额外衰减量；

测量光总衰减量的变化仅由其在待测水体中的衰减量变化引起：

δi1-δi2＝δi01-δi02(2)

式中，δi1为待测水体间隙为l1时测量光总衰减量，δi2为待测水体间隙为l2时测量光总衰减量，δi01为待测水体间隙为l1时在待测水体中的衰减量，δi02为待测水体间隙为l2时在待测水体中的衰减量；

根据比尔-兰贝特定律，测量光在待测水体中的衰减量的变化与测量光程的变化成正比：

δi01/δi02＝l1/l2(3)

通过标定确定：

δi01/δi02＝α≈l1/l2(4)

将式(4)代入式(2)，求解得到在待测水体中的衰减量δi02：

δi02＝(δi1-δi2)/(α-1)(5)

进而得到，

δi01＝(δi1-δi2)α/(α-1)(6)

δiw＝δi2-δi1/(α-1)(7)

其中，δi01为消除镜面污染影响后待测水体间隙为l1时的测量值，δiw为表征了镜面污染引起的额外衰减量，即镜面污染程度。

第二方面，本发明还一种新型光学水质监测传感器装置，该装置包括信号控制系统、光源、视窗、透射光接收装置和测量光程调节装置，所述测量光程调节装置用于控制所述视窗位置进而改变测量光程；所述信号控制系统控制所述光源发出测量光信号，所述测量光信号穿过所述视窗和待测水体进入所述透射光接收装置，所述透射光接收装置将接收到的信号发送到所述信号控制系统，所述信号控制系统通过计算得到待测水体抵消镜面污染后的水质参数。

进一步地，所述测量光程调节装置包括固定部件、移动部件和电机驱动装置；所述移动部件包括视窗固定装置、导杆装置、前置永磁铁和后置永磁铁，所述固定部件包括轴承和电磁铁；所述视窗通过所述视窗固定装置与所述导杆装置的一端固定连接，所述前置永磁铁和后置永磁铁间隔固定在所述导杆装置上，所述电磁铁固定设置在所述前置永磁铁和后置永磁铁之间，所述导杆装置活动插设在所述轴承内，所述电机驱动装置的输出端连接所述导杆装置的另一端，所述信号控制系统控制所述电机驱动装置驱动所述导杆装置在所述轴承上移动，所述信号控制系统控制所述电磁铁电信号的通断，所述电磁铁在不同方向电流驱动下产生不同方向的磁性，吸引或排斥所述前置永磁铁和/或所述后置永磁铁，使得所述前置永磁铁和/或后置永磁铁带动所述导杆装置进而带动所述视窗前后移动。

进一步地，该装置还包括发射腔体和接收腔体，所述发射腔体内设置有所述信号控制系统和光源，所述接受腔体内设置有所述视窗、透射光接收装置和测量光程调节装置，其中，所述测量光程调节装置的固定部件与所述接收腔体固定连接。

进一步地，所述视窗固定装置通过波纹管与所述接收腔体密封焊接。

进一步地，所述视窗固定装置上设置有触点传感器，所述触点传感器连接所述信号控制系统用于监测所述视窗是否移动到位。

进一步地，该装置还包括一用于减小主动变化测量间隙时对所述光学水质监测传感器装置缓冲的缓冲装置，所述缓冲装置为弹性机械元件或气空间。

进一步地，该装置还包括一分光器件，所述分光器件用于对所述光源发出的光信号进行分光，经所述分光器件出射的一部分光束作为测量光穿过所述视窗进入所述待测水体，经所述分光器件出射的另一部分束光作为参考光用于监测所述光源的强度变化。

进一步地，所述光源采用led、氙灯或氘灯。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过主动调节测量光穿过待测水体的距离，实时在线地测算出镜面污染对水质参数测量的影响并予以消除，相比于已有的水质监测传感器在线清洁方法，从根本上消除了镜面污染的干扰，显著提高了水质监测传感器长期连续服役以及适应恶劣水体的能力。2、本发明由于可实时获得镜面污染的程度，因此可以指导镜面除污策略以及提示人工维护周期，使得水质监测传感器的运行和维护更加智能。综上，本发明可以广泛应用于监测水体中化学需氧量(chemicaloxygendemand，cod)、生化需氧量(biochemicaloxygendemand，bod)、总有机碳(totalorganiccarbon，toc)、硝氮(nitrate)及浊度(turbidity)等参数。

附图说明

图1是本发明的变光原理示意图；

图2是本发明的水质在线监测传感器装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，本发明提供的新型光学水质监测传感器装置的设计方法：通过在线变化有效测量光程，即主动调节测量光穿过待测水体的距离，实现镜面污染程度的实时评估计算，并将其从水质监测传感器装置的测量结果中消除，以达到自动抵消镜面污染影响的目的，具体过程为：

获取测量光的总衰减量δi包括在待测水体中的衰减量δi0和由镜面污染引起的额外衰减量δiw。

假设测量光程变化前待测水体间隙为l1，测量光总衰减量为δi1，在待测水体中的衰减量为δi01，由镜面污染引起的额外衰减量为δiw1，测量光程变化后待测水体间隙为l2，测量光总衰减量为δi2，在待测水体中的衰减量为δi02，由镜面污染引起的额外衰减量为δiw2。待测水体间隙变化前后，水质的变化和镜面污染程度的变化均可忽略，因为这两者变化的速度相比于调节待测水体间隙的动作都要慢很多。镜面污染程度是不变量，即

δiw1＝δiw2＝δiw(1)

测量光总衰减量的变化仅由其在待测水体中的衰减量变化引起，即

δi1-δi2＝δi01-δi02(2)

根据比尔-兰贝特定律，测量光在待测水体中的衰减量的变化与有效测量光程的变化成正比，即

δi01/δi02＝l1/l2(3)

实际应用中，由于测量光非严格平行光，式(3)所述正比关系非严格成立，但是比例δi01/δi02仍是一个仅与待测水体间隙宽度有关的量，且可以通过标定确定，即

δi01/δi02＝α≈l1/l2(4)

将式(4)代入式(2)，即可求解得到

δi02＝(δi1-δi2)/(α-1)(5)

进而得到

δi01＝(δi1-δi2)α/(α-1)(6)

δiw＝δi2-δi1/(α-1)(7)

这样就得到了消除镜面污染影响的测量值δi01，以及表征镜面污染程度的数值δiw。

通过以上设计原理，可以实时求解出镜面污染所带来的额外衰减量，获得测量光在待测水体中的真实衰减量，并计算得到待测水体的水质参数。

实施例2：

如图2所示，基于上述设计原理，本发明提供的新型光学水质监测传感器装置，包括发射腔体1和接收腔体2，发射腔体1内设置有信号控制系统11和光源12，接收腔体2内设置有视窗21、透射光接收装置22和测量光程调节装置23。

位于发射腔体1内的信号控制系统11控制光源12发出光信号，光信号可以通过分光器件进行分光，经分光器件出射的一部分光束作为测量光穿过视窗21和待测水体进入透射光接收装置22，透射光接收装置22将接收到的信号发送到信号控制系统11，测量光的衰减与待测水体的水质参数有关，通过测量模型的计算实时得到相关的水质参数，参考光用于监视光源的强度变化，并在计算时进行修正。其中，本发明可以通过测量光程调节装置控制视窗21位置改变测量光程，实现镜面污染程度的实时评估计算，以达到自动抵消镜面污染影响的目的。

优选地，测量光程调节装置23包括固定部件、移动部件和电机驱动装置，其中，移动部件主要包括视窗固定装置231、导杆装置232、前置永磁铁233和后置永磁铁234，固定部件主要包括轴承235和电磁铁236。视窗2通过视窗固定装置231与导杆装置232采用螺钉紧固连接，前置永磁铁233和后置永磁铁234限位紧固在导杆装置232上。电磁铁236在信号控制系统1发出的不同方向电流的驱动下产生不同方向的磁性，吸引(或排斥)前置永磁铁233和排斥(或吸引)后置永磁铁234，使得前置永磁铁233、后置永磁铁234带动导杆装置232进而带动视窗21进行前后移动，达到改变光程的目的。电磁铁236设置前置永磁铁233和后置永磁铁234之间，且与接收腔体2固定连接，导杆装置232的移动过程通过轴承235控制方向，视窗固定装置231通过波纹管237与接收腔体2进行密封焊接，由波纹管237控制视窗21移动速度，防止猛烈撞击发生。电机驱动装置的输出端连接导杆装置232的另一端，驱动导杆装置232在轴承235上移动，信号控制系统电连接电机驱动装置和电磁铁233，通过控制电机驱动装置驱动导杆装置232运动，并能够发送信号控制电磁铁236电信号的通断。

下面通过具体实施例详细说明本发明的新型光学水质监测传感器装置的使用过程：

本发明采用主动变化测量光穿过待测水体距离的方法在线确定镜面污染给测量光带来的额外衰减量。主动变化测量光穿过待测水体距离的实现方法可以有多种，本实施例以移动视窗21为例进行说明。

将本发明的水质监测传感器装置视窗设计成可轴向移动的形式。当视窗21发生移动时，测量光穿过待测水体的距离随之发生变化，测量光在待测水体中的衰减量也随之发生同步的变化，而测量光由于镜面污染带来的额外衰减量基本不变化。比较视窗21移动前后测量光的总衰减量，可以求解出由于镜面污染带来的额外衰减量，进而获得测量光在待测水体中的真实衰减量，并计算得到待测水体所需监测的水质参数。主动变化测量光穿过待测水体距离的频度可视具体水质情况和监测需求而定。对于镜面污染程度变化较快的情况，可以较为频繁地通过主动变化测量间隙的方式获得实时的镜面污染数据。对于镜面污染程度变化较为缓慢的情况，可以降低主动变化测量间隙的频度。主动变化测量间隙的动作是可以进行远程控制。

优选地，光源12可以采用led、氙灯或氘灯等发光器件。

优选地，本发明提出的轴向移动视窗21以改变测量光穿过待测水体距离的具有轴向定位能力，以尽量减小视窗横向的位移或角度的偏转。视窗固定装置231上可以设置有触点传感器，触点传感器连接信号控制系统1用于监测是否移动到位。

优选地，本发明还可以通过缓冲装置减小主动变化测量间隙时对光学水质监测传感器装置的缓冲，缓冲装置可以是弹簧或碟簧等弹性机械元件，也可以是一个用于缓冲的气空间。

优选地，本发明还可以增加压缩气体吹扫、超声波清洗或刷子清洗等主动清洁手段，以最大程度提高水质监测传感器长期抵抗镜面污染的能力。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。