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使用紫外-可見光纖光譜儀檢測水質

使用紫外-可見光纖光譜儀檢測水質

本文關鍵詞: 環保吸光度
摘要

1.引言

水質在線監測是實現水環境保護、飲用水安全保障與報警、污水處理和污染物排放控制、水資源管理等方面的重要基礎和有效手段。近年來,隨著對水質監測實時性和監測頻率要求的逐步提高,傳統實驗室手動分析已很難滿足監測需求,使得光譜在線監測系統得到了快速發展。基于光纖光譜儀的紫外-可見(UV-Vis)光譜技術檢測水質參數具有檢測速度快、成本低、無二次污染、可實現在線原位測量等優點,在水質快速檢測、多參數分析、水質分類和水質報警等領域都具有傳統方法不可替代的優勢。近年來越來越多的儀器儀表廠家加入進來。

紫外可見光譜法檢測水質的基本原理有兩類,一類是比爾-郎伯定律,不同的化合物有不同的吸收光譜,含有苯環或耦合雙鍵的有機物以及特定無機物在紫外-可見波段有較強的吸收峰。結合主成分分析、偏最小二乘和神經網絡等算法,來分析水樣的特征吸收,進而可以對水樣所含組分進行定性與定量分析。另一類是基于顆粒物光散射理論。

目前基于紫外-可見光纖光譜儀的水質檢測系統主要用于監測水體硝酸鹽、化學需氧量COD、生化需氧量BOD、總懸浮物TSS、總有機碳TOC和濁度等參數,該系統經常作為一種標準測量方法的替代方案。需要注意的是,基于紫外-可見光纖光譜儀的光譜測量模塊不能滿足所有水質參數測量需求,一般被用作一個子模塊,和其他水質測量模塊協同工作。

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2.系統組成介紹

在水質光譜在線檢測領域,一個功能齊全的光譜模塊通常包含四部分:光源、光路、光譜儀及上位機分析軟件。

光源一般采用脈沖式氙燈,這是出于設備成本、穩定性以及自動化程度等方面的考慮,相比于氘燈、紫LED等其他光源,脈沖式氙燈的壽命、穩定性和成本都具有優勢,并且紫外波段光譜連續。海洋光學為用戶提供了兩種脈沖式氙燈光源,一種是標準的PX-2型脈沖氙燈,它是一個紫外(波長220~750nm)的高閃光速度、短弧的氙燈,適用于需要測試光的吸收與反射,或觀察熒光和磷光的場合,特別用于對光或熱不穩定的樣品的測試。 PX-2型脈沖氙燈的操作速度可達220Hz,并可直接由軟件控制實現。PX-2型脈沖氙燈配有15針的接頭,可以將其與光譜儀連接起來。PX-2型脈沖氙光源還配有一個SMA905連接器,可以連接海洋光學公司的微型光纖光譜儀及其它光纖組件,如光纖、試管支架、探測器和其它取樣組件。用戶還可以另外購買配合PX-2型脈沖氙燈使用的CUV-FL-DA,它是一個直連的試管配件,可用于吸光率和熒光的測試,下圖1是PX-2型脈沖氙燈照片,它的光譜輸出特性如圖2所示。另一種氙燈是迷你型脈沖式氙燈。

PX-2脈沖式氙燈

圖1 PX-2脈沖式氙燈

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PX-2 氙燈輸出光譜圖

圖2 PX-2 氙燈輸出光譜圖

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光譜儀是整個光譜檢測模塊的核心,海洋光學有多種系列的光譜儀,可以全方位的滿足客戶需求,這里特別介紹一款工業用光譜儀-PC3000。PC3000光譜儀具有與USB系列光譜儀相當的光學性能,兼具USB系列光譜儀的成熟性和Flame系列光譜儀的穩定性。該光譜儀采用非對稱交叉Czerny-Turner光路,搭載2048像素的Sony ILX511B線陣型CCD傳感器和高性能處理器,可測波長范圍為200nm-1100nm。該光譜儀的最小積分時間可達到1毫秒,滿量程信噪比達250:1。下表是PC3000、USB2000+以及Flame光譜儀的性能對比。

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表1-1 PC3000、USB2000+、Flame對比表

項目

PC3000

USB2000+

Flame

光路設計

Czerny-Turner

Czerny-Turner

Czerny-Turner

波長范圍

350-1000nm

350-1000nm

350-1000nm

信噪比

250:1

250:1

250:1

動態范圍

1300:1

1300:1

1300:1

溫度穩定性(pixel/℃)

0.02

0.2

0.03

LCH計算速度

~0.5ms

~5ms

~2ms

接口

以太網

USB2.0

USB3.0

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為滿足工業應用對通信穩定性的要求,海洋光學將傳統的USB接口改進為以太網接口,具備更高的傳輸速率和更好的可靠性,光譜儀通過屏蔽雙絞線和以太網交換機與系統服務器連接,可直接將測試數據提交給系統服務器;對外觀、散熱和安裝方式進行改進,以便于安裝在機柜內。

上位機軟件用于光譜儀控制、數據采集與處理。為適應工業惡劣環境,上位機軟件在通訊、調度、數據計算與界面方面都必須特別考慮,海洋光學在此有豐富的經驗。下面是一個工業軟件設計構造,它有5個模塊組成:

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工業軟件設計示例

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圖3 工業軟件設計示例

  • 調度模塊:為主程序核心,主要負責承擔各模塊之間的管理及任務調度;
  • 通訊模塊:主要負責與工業現場總線的通訊,解析通訊命令,并通過調度模塊完成相關任務,如啟動測量過程,讀取測量數據等;
  • 計算模塊:計算光譜數據;;
  • 底層驅動:主要控制光譜儀、光源、電子快門、傳動模塊等硬件設備;
  • 測量模塊:根據測量時序、流程完成一個完整的測量流程;
  • 數據庫:主要用于保留系統參數、測量歷史數據等信息;
  • 用戶界面:完成用戶交互功能,主要包括系統參數配置,測量數據顯示,歷史數據瀏覽,系統功能測試等。

在故障維修與運行維護方面,光源和光譜儀都采用模塊化方式安裝布置,且均對通道號進行標識,方便找到故障的光源。并且配套的通過交換機及光譜儀上的狀態指示燈可了解是否存在網絡線纜故障。軟件也能夠識別光源故障。

下圖是一個集成模塊的示例,該模塊集成了實驗室吸光度測量的光源、光譜儀和光路部件,并帶有標準的USB和串口控制輸出端,可以由上位機軟件直接控制。整個模塊體積小巧,結構齊全。可以直接用于吸光度測量,其中光路部分也可以方便的改造成在線流通管道形式,以將整個模塊嵌入整套水質測量系統中。

模塊測量系統

3. 結語

工業光譜水質檢測迥異于實驗室環境,工業環境下,在線光譜分析系統必須充分考慮應用環境的特殊性,各種影響因素都必須仔細評估。除了光譜儀,整個模塊及其測量附件的選擇在相當大程度上取決于光譜儀廠家的行業應用經驗和水平,這一點在專用的在線分析系統開發方面體現的更為明顯。海洋光學在該領域豐富的開發經驗將為客戶提供高價值的解決方案。

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