一種實時原位水質監測儀及其監測方法與流程

本發明涉及一種水質監測儀及其監測方法，特別涉及一種實時原位水質監測儀及其監測方法。

背景技術：

水質監測是監視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，評價水質狀況的過程。監測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水及各種各樣的工業排水等。主要監測項目可分為兩大類：一類是反映水質狀況的綜合指標，如溫度、色度、濁度、pH值、電導率、懸浮物、溶解氧、化學需氧量和生化需氧量等；另一類是一些有毒物質，如酚、氰、砷、鉛、鉻、鎘、汞和有機農藥等。在水質監測的過程中，經常以水樣的光譜吸收作為特征，利用監測探頭對水樣進行特定物質的濃度檢測。在實際使用過程中，水樣的復雜性、設備的密封性、監測窗口的清潔度都會影響并干擾監測結果。

技術實現要素：

本發明的一個目的在于解決上述問題而提供一種結構可靠，設計合理，密封性好，監測結果穩定可靠，監測數據范圍較廣的一種水質監測儀。

本發明的另外一個目的是提供一種采用上述監測儀進行的監測方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種實時原位水質監測儀，包括電源和與電源相連的監測探頭、光纖光譜儀、工控機和氣泵，氣泵設有與監測探頭相連的氣體管路，光纖光譜儀設有分別與工控機和監測探頭相連的數據傳輸管路；所述的監測探頭包括殼體、開放式樣品監測室、光譜傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、傳輸線纜和窗口清洗裝置；所述的殼體外部封閉，殼體一端設有與數據傳輸管路相連的探頭接口，殼體內部設有空腔，開放式樣品監測室為設置在殼體一側的凹型口，開放式樣品監測室的頂部和底部分別設置一個透光窗口，兩個透光窗口的中心同軸；所述的溫度傳感器的探測端設置在開放式樣品監測室的表面，其另一端伸入到殼體的空腔內；所述的濕度傳感器和傳輸線纜設置在殼體的空腔內，傳輸線纜將光譜傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器分別與探頭接口相連；所述的窗口清洗裝置設置在殼體中部，窗口清洗裝置與氣體管路相連，窗口清洗裝置的清洗開口朝向開放式樣品監測室頂部和底部的透光窗口。光譜傳感器與溫度傳感器一起校正溫度對水質的影響，濕度傳感器感知監測探頭是否漏水的情況以及時報警處理。本發明的實時原位水質監測儀采用光譜吸收原理，可實時監測SAC、TOC、COD、BOD、NO₃^-、NO₂^-、苯系物、濁度和溶氧等指標。

作為優選，所述的光譜傳感器包括光源、兩個分別設置在開放式樣品監測室兩側的透鏡和透鏡支撐部件，光源設置在殼體的空腔內遠離探頭接口的一端，透鏡通過透鏡支撐部件固定在殼體內，透鏡支撐部件與透光窗口相接，光源、透鏡、透鏡支撐部件和透光窗口的中心位于同一中軸線上。

作為優選，所述的殼體包括依次連接的上管、探芯和下管，上管為圓筒體，上管的一端設有探頭接口，上管的另一端開口；下管為圓筒體，下管的一端封閉，下管的另一端開口；探芯為中部設有凹形口的圓柱體，探芯兩端設有臺階和螺紋，上管和下管通過螺紋與探芯的兩端連接。

作為優選，所述的窗口清洗裝置包括設置在探芯表面的氣腔和設置在探芯內部的兩個氣體通道，氣腔的一端與氣體管路連接，氣腔的另一端與兩個氣體通道呈夾角連接。

作為優選，所述的透鏡支撐部件與透光窗口相接的部位設有密封圈。通過采用以上技術方案，可以更好的保證探頭的密封性。

作為優選，所述的空腔包括上部空腔和遠離探頭接口的下部空腔，光源和濕度傳感器設置在下部空腔內。通過采用以上技術方案，將最需要與水隔離的光源設置在單獨的空腔，并設置濕度傳感器監測預警空腔密封性，有利于延長探頭的使用維護時間間隔。

作為優選，所述的光纖光譜儀選用光譜范圍在200nm-1200nm的光纖光譜儀。通過采用以上技術方案，該實時原位水質監測儀不僅可以測量水體中的NO₃^-、SAC、TOC、COD、TSS懸浮物、Phenol苯酚、Glycol乙二醇、吸收和非吸收物質等，還可以測量氨氮、硝酸根、氯離子等。

作為優選，該窗口清洗裝置包括清潔管路和防逆流部件，所述的清潔管路包括氣腔和氣體通道，氣腔的一端設有與外部供氣設備連接的凹口，氣腔的另一端與氣體通道連接，氣體通道為橫臥的“Y”型結構，氣體通道的單頭段端部與氣腔連接，所述的防逆流部件設置在氣體通道的分岔位置。

作為優選，所述的防逆流部件包括阻塞塊、彈簧和固定座，阻塞塊與氣體通道的單頭段接觸，固定座的一端通過彈簧連接阻塞塊，固定座的另一端伸入殼體靠近氣體通道雙頭段的部位。

作為優選，所述的阻塞塊為球體，球體表面設有環繞的第二密封圈，第二密封圈與氣體通道單頭段的側壁接觸。通過以上技術方案，可以更好的防止清潔裝置外的水進入清潔裝置內部。

作為優選，所述的固定座與彈簧連接的一端設有可以保持彈簧位置的彈簧管，固定座的另一端設有可以與探芯進行螺紋連接的螺紋。

作為優選，所述的氣腔和氣體通道均為圓柱形腔體。圓柱形腔體具有容易加工的優點。

作為優選，所述的氣體通道的單頭段外徑小于氣腔的外徑，噴嘴的外徑小于氣體通道的雙頭段的任一端部的外徑。通過以上技術方案，氣腔、氣體管道、噴嘴逐漸縮小的外徑可以輔助增加對清潔裝置內流動的氣體的壓力。

作為優選，所述的氣體通道的雙頭段端部設有通向探芯外部的噴嘴。

一種實時原位水質監測方法，該方法采用所述的實時原位水質監測儀進行，包括以下的步驟：

1)首次測量時，啟動監測儀，將監測探頭浸入純水，使純水的液面沒過整個監測探頭，將光纖光譜儀的檢測系統調零；

2)將監測探頭浸入被測水體，使水體的液面沒過整個監測探頭；

3)啟動氣泵，對監測探頭的透光窗口進行清洗；

4)啟動光源，監測探頭進行信號采集；

5)根據監測探頭反饋的信號，光纖光譜儀顯示檢測結果；

6)結束流程，進行下次監測，重復步驟2)～步驟5)。

本發明的有益效果是：

本發明的水質監測過程是在水體原位進行，不需要進行前處理，測定過程也不需要消耗任何試劑，可測量的水體參數多，具有溫度傳感器校正溫度對水質測試結果的影響，測試數據的準確性好，具有濕度傳感器監測預警探頭內部的密封情況，采用壓縮空氣對透光窗口的玻璃窗片進行沖洗，監測探頭的維護時間間隔比傳統水質監測設備要長很多，從而降低運維成本。

附圖說明

圖1是本發明的主視結構示意圖；

圖2是本發明的監測探頭結構示意圖；

圖3是圖2中A部的局部放大圖；

圖4是本發明窗口清洗裝置的主視結構示意圖；

圖5是本發明窗口清洗裝置工作狀態的示意圖；

圖6是圖4中B部的局部放大圖；

圖7是本發明窗口清洗裝置的阻塞塊的結構示意圖；

圖中：1、電源，2、監測探頭，3、光纖光譜儀，4、工控機，5、氣泵，6、氣體管路，7、數據傳輸管路，8、上管，9、探芯，10、下管，11、開放式樣品監測室，12、光源，13、透鏡，14、透鏡支撐部件，15、溫度傳感器，16、濕度傳感器，17、傳輸線纜，18、氣腔，19、氣體通道，20、密封圈，21、探頭接口。22、凹口，23、彈簧管，24、第二密封圈，25、噴嘴，26、阻塞塊，27、彈簧，28、固定座,。

具體實施方式

下面通過具體實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的具體說明。應當理解，本發明的實施并不局限于下面的實施例，對本發明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發明保護范圍。

實施例1：

如圖1所示的一種實時原位水質監測儀，包括電源1和與電源相連的監測探頭2、光纖光譜儀3、工控機4和氣泵5，氣泵設有與監測探頭相連的氣體管路6，光纖光譜儀設有分別與工控機和監測探頭相連的數據傳輸管路7，光纖光譜儀選用光譜范圍在200nm-1200nm的光纖光譜儀，這樣不僅可以測量水體中的NO₃^-、SAC、TOC、COD、TSS懸浮物、Phenol苯酚、Glycol乙二醇、吸收和非吸收物質等，還可以測量氨氮、硝酸根、氯離子等。

如圖2和圖3所示，監測探頭包括殼體、開放式樣品監測室11、光譜傳感器、溫度傳感器15、濕度傳感器16、傳輸線纜17和窗口清洗裝置，殼體外部封閉，殼體內部設有空腔，空腔包括上部空腔和遠離探頭接口的下部空腔，殼體包括依次連接的上管8、探芯9和下管10，上管為圓筒體，上管的一端設有探頭接口21，探頭接口與數據傳輸管路相連，上管的另一端開口；下管為圓筒體，下管的一端封閉，下管的另一端開口；探芯為中部設有凹形口的圓柱體，探芯兩端設有臺階和螺紋，上管和下管通過螺紋與探芯的兩端連接。開放式樣品監測室為設置在殼體的探芯一側的凹型口，開放式樣品監測室的頂部和底部分別設置一個透光窗口22，兩個透光窗口的中心同軸。光譜傳感器包括光源12、兩個分別設置在開放式樣品監測室兩側的透鏡13和透鏡支撐部件14，光源設置在殼體的下部空腔內，透鏡通過透鏡支撐部件固定在殼體內，透鏡支撐部件與透光窗口相接，透鏡支撐部件與透光窗口相接的部位設有密封圈20，光源、透鏡、透鏡支撐部件和透光窗口的中心位于同一中軸線上。溫度傳感器的探測端設置在開放式樣品監測室的表面，其另一端伸入到殼體的空腔內。濕度傳感器設置在下部空腔內。傳輸線纜設置在殼體的空腔內，傳輸線纜將光譜傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器分別與探頭接口相連。

窗口清洗裝置設置在殼體中部，窗口清洗裝置的清洗開口朝向開放式樣品監測室頂部和底部的透光窗口，窗口清洗裝置包括設置在探芯表面的氣腔18和設置在探芯內部的兩個氣體通道20，氣腔的一端與氣體管路連接，氣腔的另一端與兩個氣體通道呈夾角連接。

本發明的監測方法包括以下的步驟：

1)首次測量時，啟動監測儀，將監測探頭浸入純水，使純水的液面沒過整個監測探頭，將光纖光譜儀的檢測系統調零；

2)將監測探頭浸入被測水體，使水體的液面沒過整個監測探頭；

3)啟動氣泵，對監測探頭的透光窗口進行清洗；

4)啟動光源，監測探頭進行信號采集；

5)根據監測探頭反饋的信號，光纖光譜儀顯示檢測結果；

6)結束流程，進行下次監測，重復步驟2)～步驟5)。

該實時原位水質監測儀使用時，監測探頭放入待測水體中，監測探頭進行信號采集，將光譜傳感器得到的信號反饋給光纖光譜儀，然后由光纖光譜儀傳輸信號至工控機進行處理和計算；監測探頭將溫度傳感器得到的信號反饋給工控機，以校正溫度對水質測試結果的影響；監測探頭將濕度傳感器得到的信號反饋給工控機，以判斷監測探頭是否漏水的情況以及時報警處理。

實施例2

一種實時原位水質監測儀，具體結構同實施例1，不同之處為所述窗口清洗裝置的結構：

如圖4和圖6所示，窗口清洗裝置包括設置在探芯9內部的清潔管路和防逆流部件，清潔管路包括氣腔18和氣體通道19，氣腔和氣體通道均為圓柱形腔體，氣腔設置在探芯9端部，氣腔的一端設有可以與外部供氣設備連接的凹口22，氣腔的另一端與氣體通道連接，氣體通道為橫臥的“Y”型結構，氣體通道的單頭段端部與氣腔連接，氣體通道的雙頭段端部設有通向探芯外部的噴嘴25；所述的防逆流部件設置在氣體通道的分岔位置，防逆流部件包括阻塞塊26、彈簧27和固定座28，阻塞塊與氣體通道的單頭段接觸，固定座的一端通過彈簧連接阻塞塊，固定座的另一端伸入探芯靠近氣體通道雙頭段的部位，固定座與彈簧連接的一端設有可以保持彈簧位置的彈簧管23，固定座的另一端設有可以與探芯進行螺紋連接的螺紋。與氣腔凹口相連的外部供氣設備為高壓氣泵，防逆流部件的作用是將清潔裝置外部的水阻擋在清潔裝置的氣腔外部，防止氣腔內殘留水。氣體通道的單頭段外徑小于氣腔的外徑，噴嘴的外徑小于氣體通道的雙頭段的任一端部的外徑。這樣設計的目的是，氣腔、氣體管道、噴嘴逐漸縮小的外徑可以輔助增加對清潔裝置內流動的氣體的壓力。

如圖7所示，阻塞塊為球體，球體表面設有環繞的第二密封圈24，第二密封圈與氣體通道單頭段的側壁接觸，這樣設計的目的是可以更好的防止清潔裝置外的水進入清潔裝置內部。

如圖5所示，窗口清洗裝置在使用時，氣體通過氣腔流入氣體通道的單頭段，在氣體通道的分岔位置將原本阻擋在分岔口的球體阻塞塊推開，氣體繼續進入分岔的氣體通道雙頭段，并分別通過噴嘴噴出，清潔噴嘴對應位置的水下探頭窗片。

本發明實時原位水質監測儀的優勢和特性

1.出數據快，瞬時可以讀出數據(測量一個數據約15秒)，傳統試劑法測量數據需要30-60分鐘：

2.多達99種測量參數，使用不同的校準公式，同時計算。

3無耗材：探頭是免維護設計(特殊安裝地點的清潔工作除外)。內部閃光燈的使用壽命>10年。

4.無需試劑消耗，無二次污染，幾乎沒有維護危險性。傳統濕化學法設備都需要用到試劑，而且用到的試劑都會對環境有嚴重污染，需要特定回收。

5.安裝方便，沒有地域性、現場環境等硬性要求；無需儀器房、無需電源，可節省基礎建設費用，占地面積小。

6.數據直接傳輸，無需數據采集儀。

7.整體擁有成本低，可以遠程標定、調試和維護。

8.工業生產過程監控，實時了解生產過程的突發情況。

實時原位水質監測儀的測量原理：

實時原位水質監測儀是UV-VIS(紫外到可見光)的光譜全程掃描，針對每一種待測物質分析光譜吸收特征，軟件自動計算標定曲線。以下實驗數據是采用200-708nm光譜全程掃描的光纖光譜儀的水質監測儀。

質控樣比對測試數據見表1。

表1

根據《水污染源在線監測系統驗收技術規范(試行)》(HJ/T354 2007)中水污染源在線監測儀器質控樣比對試驗驗收指標的要求：質控樣的相對誤差在10％以內。

測試結果為：相對誤差均在5％以內。

環科院農村生活污水治理項目水質監測實樣對比試驗

2015年7月與2016年3月，某環境保護科學研究設計院分別將2臺本發明的實時原位水質監測儀安裝在某村的生活污水人工濕地治理示范點(50t/d和20t/d)的出水口位置，均為原位實時測量。

某環境保護科學設計研究院于2016年4月6日-2016年4月11日對兩套設備進行實樣比對，比對結果見表2。

表2 50t/d COD數據

表2(續) 50t/d NH₃-N數據

表2(續) 50t/d TN數據

表2(續) 50t/d TP數據

表2(續) 20t/d COD數據

表2(續) 20t/d NH₃-N數據

表2(續) 20t/d TN數據

表2(續) 20t/d TP數據

數據分析結論：

根據以上數據顯示：(把每個參數的誤差絕對值進行疊加并求平均值)

COD平均誤差率：

NH₃-N平均誤差率：

TN平均誤差率：

TP平均誤差率：

根據《水污染源在線監測系統驗收技術規范(試行)》(HJ/T354 2007)中水污染源在線監測儀器實際水樣比對試驗驗收指標的要求：

COD相對誤差：≤30％；

NH₃-N相對誤差：≤15％；

TN相對誤差：≤15％；

TP相對誤差：≤15％。

本發明的實時原位水質監測儀測量出數據，完全達到該標準要求，且更為準確，真正實現了水質在線監測及時、準確、高效。

以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，并非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。