一種以單個(gè)uv-led為光源的紫外熒光三信號(hào)水質(zhì)傳感器及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)和水處理領(lǐng)域，具體涉及一種以單個(gè)UV-LED為光源的紫外 熒光三信號(hào)水質(zhì)傳感器及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 溶解性有機(jī)物的組成和性質(zhì)，對(duì)強(qiáng)化混凝、膜過(guò)濾、高級(jí)氧化、吸附與離子交換等 工藝的處理效果均具有重要影響。溶解性有機(jī)物，特別是蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)，是氯化消 毒工藝中消毒副產(chǎn)物的重要前驅(qū)體，因此在水處理過(guò)程中，溶解性有機(jī)物是重要的監(jiān)測(cè)對(duì) 象。
[0003] 現(xiàn)有的水處理工藝，通常以設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行程序化地運(yùn)行。由于水質(zhì)存在波動(dòng)，各 種水處理工藝的運(yùn)行參數(shù)難以根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)做出調(diào)整，存在藥劑、能源和材料的過(guò)度 消耗或不足的問(wèn)題。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和工業(yè)4. 0等概念正在改變著人們的生活和生 產(chǎn)方式，而傳感器是實(shí)現(xiàn)這些概念的重要前端環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)有的水處理工藝迫切需要一種 靈敏、快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易的在線有機(jī)物監(jiān)測(cè)裝置，為現(xiàn)有水處理工藝和裝備地自動(dòng)化控 制通過(guò)傳感器提供負(fù)反饋信號(hào)。
[0004] 目前對(duì)水體中溶解性有機(jī)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的常用方法與指標(biāo)主要包括：化學(xué)需氧 量（chemical oxygen demand，C0D)、總有機(jī)碳（total organic carbon，T0C)、紫外光譜、焚 光光譜。與COD和TOC方法相比，光譜法無(wú)需化學(xué)試劑，且快速、靈敏、方便，更適合為水處 理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提供在線負(fù)反饋信號(hào)。
[0005] 目前一些特定波長(zhǎng)的紫外吸收值，如254nm(簡(jiǎn)稱UV254)，已列入美國(guó)環(huán)境保護(hù)局 水與廢水檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法（EPA SM 5910B)，作為反映水體中有機(jī)物相對(duì)濃度和芳香性的替代 性指標(biāo)而被廣泛運(yùn)用。之所以選用254nm波長(zhǎng)，是因?yàn)樵缙谧贤夤庾V儀采用低壓汞燈為光 源，其中一條主射線在254nm附近。目前采用紫外光譜法的溶解性有機(jī)物在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和 專利主要采用UV254吸光度指標(biāo)（比如專利文獻(xiàn)一一一種投入式紫外吸收在線分析儀，申 請(qǐng)?zhí)枺?01110106617. 8)，其光源普遍采用壽命較長(zhǎng)的脈沖氙燈，但仍存在體積大、能耗高、 需要分光和散熱構(gòu)造等問(wèn)題。
[0006] 相對(duì)于氙燈，深紫外LED具有單色性好、體積小、能耗低和發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)。目 前商業(yè)化比較成熟的深紫外LED有265±5nm，280±5nm和310±5nm等系列波段?；诂F(xiàn) 有理論與技術(shù)，隨著LED波長(zhǎng)越低，其芯片需要摻雜更多的鋁元素，成品率、發(fā)光效率和使 用壽命也隨之降低，同時(shí)產(chǎn)熱量急劇升高。選用254nm附近的LED作為光源同樣會(huì)存在效 率、壽命、散熱和價(jià)格問(wèn)題。
[0007] 由于水體中蛋白類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)所固有的熒光特性，近年來(lái)三維熒光光譜 (excitation emission matrix，EEM)在對(duì)各類水體中溶解性有機(jī)物的表征方面得到廣泛 運(yùn)用。根據(jù)三維熒光光譜，合理選擇熒光光譜指標(biāo)，即激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)熒 光法在線應(yīng)用的關(guān)鍵。關(guān)于三維熒光光譜中熒光峰的解釋，傳統(tǒng)觀點(diǎn)錯(cuò)誤地認(rèn)為不同激發(fā) /發(fā)射波長(zhǎng)的熒光峰來(lái)自于不同的物質(zhì)。我們前期的研究表明激發(fā)波長(zhǎng)不同而發(fā)射波長(zhǎng)相 同的熒光峰反映相同的物質(zhì)，因此對(duì)于發(fā)射波長(zhǎng)相同的熒光峰只需要選擇一個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)即 可。通常情況下，根據(jù)發(fā)射波長(zhǎng)的位置，可以區(qū)分蛋白類物質(zhì)和腐殖質(zhì)類物質(zhì)。我們前期的 發(fā)明中，提出了一種以LED發(fā)光二極管為光源的紫外熒光雙信號(hào)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置及其應(yīng)用方 法（申請(qǐng)?zhí)?01410502662. 9)，但為實(shí)現(xiàn)探測(cè)蛋白類和腐殖質(zhì)類熒光，需要采用兩個(gè)不同的 LED作為光源，而光源的不統(tǒng)一，往往會(huì)造成檢測(cè)的不必要的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 1.要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的針對(duì)水質(zhì)檢測(cè)中紫外吸收分析設(shè)備往往體積較大而不方 便攜帶、成本高和多光源存在不必要誤差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種以單個(gè)UV-LED為光源 的紫外熒光三信號(hào)水質(zhì)傳感器。它綜合利用紫外的普適性和熒光法的選擇性和靈敏性，可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中溶解性有機(jī)物總體濃度變化的監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以反映蛋白類或腐殖質(zhì)類等熒 光組分濃度的變化，為水處理提供一種靈敏、快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易但信息豐富的在線監(jiān)測(cè) 裝置。
[0010] 2.技術(shù)方案
[0011] 本申請(qǐng)發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)UV280與UV254均反映相同的溶解性有機(jī)物，只 是UV280的吸光度值相對(duì)較弱，并對(duì)江蘇省16個(gè)縣級(jí)以上地區(qū)飲用水源地以及德國(guó)卡爾斯 魯厄地區(qū)萊茵河的調(diào)研結(jié)果表明，地表水中UV280/UV254二者比值約為0. 75,因此可以通 過(guò)增加光程和后續(xù)信號(hào)處理電路兩種方式提高UV280靈敏度。結(jié)合LED和光電二極管的性 能，選用UV280替代UV254指標(biāo)具有可行性和經(jīng)濟(jì)性。此外，UV 280還可作為蛋白類熒光 的激發(fā)光源。本申請(qǐng)發(fā)明人在近期實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，280±15nm的紫外光可以同時(shí)激發(fā)蛋白 類和腐殖質(zhì)類物質(zhì)產(chǎn)生熒光。雖然280nm波長(zhǎng)附近的紫外光不是腐殖質(zhì)熒光的最佳激發(fā)波 長(zhǎng)，但是由于帶通濾光片的透過(guò)率和光電二極管的響應(yīng)在410~480nm可見(jiàn)光波段均較高， 仍可以足夠靈敏地探測(cè)腐殖質(zhì)類熒光信號(hào)。
[0012] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0013] -種以單個(gè)UV-LED為光源的紫外熒光三信號(hào)水質(zhì)傳感器，包括光路部分和信號(hào) 控制處理部分，光路部分包括UV-LED、樣品池、紫外探測(cè)器、熒光探測(cè)器A和熒光探測(cè)器B ; 信號(hào)控制處理部分包括電源模塊、信號(hào)放大器A、信號(hào)放大器B、信號(hào)放大器C、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和微處理器；UV-LED為1個(gè)，其中：打開(kāi)電源后，微處理器輸出開(kāi)關(guān)指令給UV-LED驅(qū)動(dòng)電 路，控制UV-LED按設(shè)定周期點(diǎn)亮或熄滅，所發(fā)出的紫外光經(jīng)過(guò)樣品池內(nèi)水樣吸收后，產(chǎn)生 的熒光和未被吸收的紫外光分成三路進(jìn)行探測(cè)：一路經(jīng)熒光探測(cè)器A檢測(cè)、二路經(jīng)熒光探 測(cè)器B檢測(cè)、三路經(jīng)紫外探測(cè)器產(chǎn)生電信號(hào)，再分別經(jīng)信號(hào)放大器A、信號(hào)放大器B、信號(hào)放 大器C進(jìn)行放大處理，全部經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，輸送入微處理器處 理。
[0014] 優(yōu)選地，信號(hào)控制處理部分還包括介于電源模塊和UV-LED之間的LED驅(qū)動(dòng)電路以 及和微處理器通過(guò)導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線連接的顯示屏、存儲(chǔ)器、控制鍵盤(pán)、無(wú)線通訊裝置；微處理 器將數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器，或者經(jīng)數(shù)據(jù)線/無(wú)線通訊裝置傳輸通過(guò)上位機(jī)接口輸出到上 位機(jī)中，顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)控制鍵盤(pán)或上位機(jī)對(duì)整個(gè)傳感器進(jìn)行控制和參 數(shù)輸入。
[0015] 優(yōu)選地，所屬的電源模塊由鋰電池作為內(nèi)置電源，經(jīng)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換模塊為信號(hào) 控制處理部分供電，并通過(guò)恒流源電路對(duì)光路部分中的UV-LED進(jìn)行供電。
[0016] 優(yōu)選地，熒光探測(cè)器A包括光電二極管和帶通濾光片A，熒光探測(cè)器B包括光電二 極管和帶通濾光片B ;帶通濾光片A波長(zhǎng)為330~360nm，用于蛋白類熒光的監(jiān)測(cè)；帶通濾光 片B波長(zhǎng)為410~480nm，用于腐殖質(zhì)類熒光的監(jiān)測(cè)；檢測(cè)時(shí)，水樣中熒光團(tuán)受激所發(fā)出的 熒光分別經(jīng)過(guò)帶通濾光片A和帶通濾光片B照射到光電二極管上產(chǎn)生電信號(hào)。
[0017] 優(yōu)選地，恒流源電路以連續(xù)或間斷方式工作，實(shí)現(xiàn)以設(shè)置的采集頻率對(duì)水質(zhì)進(jìn)行 監(jiān)測(cè)。
[0018] 優(yōu)選地，UV-LED燈光源為中心波長(zhǎng)為280± 15nm范圍的深紫外LED燈。
[0019] 優(yōu)選地，紫外探測(cè)器采用紫外強(qiáng)化響應(yīng)的光電二極管，熒光探測(cè)器采用藍(lán)光強(qiáng)化 響應(yīng)的光電二極管。
[0020] 優(yōu)選地，樣品池的水樣以虹吸、蠕動(dòng)栗以及水樣自身的流速或壓力實(shí)現(xiàn)樣品采集， 進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)或選用比色皿取樣進(jìn)行便攜式人工取樣測(cè)定。
[0021] 優(yōu)選地，UV-LED發(fā)光角小于30度，以避免斜射，樣品池或比色皿為石英透光材質(zhì)。
[0022] -種以單個(gè)UV-LED為光源的紫外熒光三信號(hào)水質(zhì)傳感器的應(yīng)用，至少能夠應(yīng)用 于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、飲用水中消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的預(yù)測(cè)、臭氧高級(jí)氧化工藝中微污染物的降 解程度預(yù)測(cè)。
[0023] 3.有益效果
[0024] 相比于最接近的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益之處在于：
[0025] (1)本發(fā)明的