專利名稱：紫外多光譜在線水質(zhì)cod快速測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種紫外多光譜在線水質(zhì)COD快速測量儀，尤其涉及全紫外光波段多光譜吸光度和自適應(yīng)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)水質(zhì)COD在線快速測量儀的技術(shù)改進。
背景技術(shù)：
化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，簡稱COD)是水質(zhì)有機物污染的代表性指標(biāo)，在水環(huán)境保護和治理中，國內(nèi)外都以該參數(shù)作為表征水質(zhì)污染程度的必測項目。目前國內(nèi)外對COD參數(shù)的測量方法主要有對于廢水采用重鉻酸鉀法(CODcr法)，對于地表水采用高錳酸鉀法(CODMn)，紫外吸光度法(UV法)同時可以測量廢水和地表水。由于UV法有著無二次污染和測量速度快的優(yōu)點，當(dāng)前在現(xiàn)場測量中已呈現(xiàn)出有取代CODcr法的趨勢。UV法在國外已有較成熟的產(chǎn)品，在歐洲和日本已得到了普遍的應(yīng)用，國內(nèi)也有引進，但尚無自己研制開發(fā)的紫外全波段UV法COD測量儀器。
國外的UV法COD測量儀大都采用紫外光254(253.7)nm單波長的吸光度值，通過建立254nm吸光度值A(chǔ)254與不同水樣COD之間的線性相關(guān)關(guān)系，來換算得到COD的數(shù)值。之所以選擇254nm，這是因為它剛好是低壓汞燈主要的輻射波長。用單紫外光波長的吸光度值來換算得到COD值，從理論上是可行的，針對某些組分單一且穩(wěn)定的水樣在實用中也能得到一定的效果。但實際上不同工廠的廢水與不同的地表水其最大的吸收波長并非固定在254nm，并且隨水樣所含的有機污染物的不同變化，受水體中懸浮物及其顆粒大小等許多因素的影響。用單個吸光度值與COD建立線性相關(guān)關(guān)系不符合也不能反映水體有不同波長的紫外吸收峰及其與COD值之間存在著非線性關(guān)系的實際情況，使用現(xiàn)有的UV法測量儀在對不同水體的適用性及其準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)化等方面均受到了很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種紫外多光譜在線水質(zhì)COD快速測量儀。
嵌入式微機系統(tǒng)分別與網(wǎng)絡(luò)通信接口、LCD液晶顯示與觸摸屏相接，嵌入式微機系統(tǒng)的控制信號依次連接到光譜掃描步進電機、測量閥、清洗閥，流通測量槽分別與自動清洗裝置、水樣出口、清洗閥、測量閥相接，清洗閥與清洗水進口相接，測量閥與被測水樣進口相接，氘燈光源發(fā)出的紫外光會聚后通過測量槽，被水樣吸收后的紫外光經(jīng)過會聚入射到平面光柵分光系統(tǒng)，分光后入射到硅光電二極管，硅光電二極管與嵌入式微機系統(tǒng)相接。
本實用新型由于采用紫外多光譜自動掃描系統(tǒng)、嵌入式微機系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的UV法在線COD測量技術(shù)，提高了該COD測量儀的適用性和測量準(zhǔn)確性；基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的監(jiān)控軟件實現(xiàn)了水樣提取、測量槽清洗以及整個測量過程的全自動化；紫外多光譜在線水質(zhì)COD測量儀的測量周期只要3分鐘，大大提高了COD測量速度；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的紫外多光譜吸光度值與水樣COD之間的數(shù)學(xué)模型更符合水樣具有多種污染物且吸光度與COD值之間具有非線性關(guān)系的實際情況。因此擴大了儀器的適用范圍，能夠適合于環(huán)境水和各類廢水COD的在線、快速、準(zhǔn)確的分析測試。


圖1是紫外多光譜在線水質(zhì)COD快速測量儀方框示意圖；圖2是紫外分光光譜掃描系統(tǒng)示意圖；圖3是紫外多光譜在線水質(zhì)COD快速測量儀軟件流程圖；圖4是建立紫外多光譜吸光度與水質(zhì)COD之間數(shù)學(xué)模型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示本實用新型的紫外多光譜自動掃描式在線水質(zhì)COD測量儀是由流通測量槽、電磁閥與管路、自動清洗裝置、紫外分光光譜掃描系統(tǒng)、IntelStrong ARM嵌入式微機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信接口、LCD液晶顯示器和觸摸屏等幾部分聯(lián)接組成。嵌入式微機系統(tǒng)完成紫外光全波段內(nèi)各個波長吸光度信號的采集，并根據(jù)空白標(biāo)定的光譜數(shù)值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到被測水樣的8個較大的吸光度和400nm的吸光度以及各吸光度之和，再輸入已經(jīng)過同類水質(zhì)樣本訓(xùn)練完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，來推算得到本次測量的COD數(shù)據(jù)；測量數(shù)據(jù)可以長久保存，在LCD上顯示和本地、遠程傳輸。所述嵌入式微機系統(tǒng)的監(jiān)控軟機實現(xiàn)對被測水樣進水泵閥，清洗泵閥，平面光柵分光系統(tǒng)步進電機與自動清洗步進電機的準(zhǔn)確控制和測量儀全部功能的實現(xiàn)。
如圖2所示紫外多光譜掃描系統(tǒng)，是由氘燈光源1、第一會聚透鏡2、第二會聚透鏡4、平面光柵分光系統(tǒng)、硅光電二極管11構(gòu)成，其中平面光柵分光系統(tǒng)依次與入射狹縫5、準(zhǔn)直物鏡6、平面光柵8、聚光物鏡7、平面光柵8、步進電機9、出射狹縫10相接。氘燈1所發(fā)出的光通過會聚透鏡2后成為平行光，經(jīng)石英玻璃窗口進入流通測量槽3中，被水樣吸收后的光經(jīng)會聚透鏡4進入入射狹縫5，經(jīng)準(zhǔn)直物鏡6反射后成為平行光投入到平面光柵8表面，光柵作為色散元件將接收到的復(fù)合光衍射分解成光譜，經(jīng)聚焦物鏡7會聚后到出射狹縫10，形成一系列按波長排列的單色狹縫像。通過嵌入式系統(tǒng)12控制步進電機9運動，可以掃描得到200nm到400nm整個波段內(nèi)分辨率為1nm的每個波長的吸收光強，進入硅光電二極管11。光電二極管將所接收到的光強信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，因此可得到全波段紫外光經(jīng)被測水樣吸收后的光強信號，再根據(jù)空白標(biāo)定時得到的純凈水的光譜數(shù)值，計算出每個波長的吸光度值。
平面光柵分光系統(tǒng)的光路采用Czerney-Turne模式，進出口狹縫縫寬選擇0.5mm，分光器件采用1200g/mm的平面閃耀光柵。準(zhǔn)直物鏡與聚焦物鏡的焦距為200nm，相對孔徑D/F＝1/4.5，波長分辨能力小于0.5nm?？刂撇竭M馬達進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和變速實現(xiàn)紫外波段的掃描，掃描波長的分辨率為1nm。
圖3為紫外多光譜自動掃描式在線水質(zhì)COD測量儀監(jiān)控軟件的主流程圖。儀器上電后先進行初始化，然后打開泵和進水閥，使被測水樣進入流通式測量槽；待水流穩(wěn)定后，控制光學(xué)系統(tǒng)進行紫外波段掃描得到水樣的紫外吸收光譜，根據(jù)空白標(biāo)定的光譜數(shù)值，計算出各波長的吸光度；從中求出8個較大的吸光度值、400nm的吸光度和吸光度之和；再運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的BP-LM快速算法推算出水樣的COD值；最后對測量數(shù)據(jù)進行顯示、報警判斷和保存等處理。除該主流程外，程序能響應(yīng)按鍵的操作實現(xiàn)空白標(biāo)定、數(shù)據(jù)查詢、工作參數(shù)的設(shè)定等功能；并能定時進行自動清洗。
如圖4所示根據(jù)紫外全波段的多個吸光度數(shù)據(jù)，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立光譜數(shù)據(jù)與有機污染物濃度(COD)的數(shù)學(xué)模型，并由該模型的外推能力，由被測水樣的多個紫外吸光度數(shù)據(jù)推算出該水樣的COD數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所建立的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)為10-20-1。輸入層為10個節(jié)點，分別輸入紫外光波段中所得到的8個較大吸光度數(shù)據(jù)，第9個是可見光400nm波長的吸光度數(shù)據(jù)(作為光源、顆粒物等影響因素的參比信號)，第10個是吸光度之和。隱含層采用20個節(jié)點，輸出層為1個節(jié)點，即是經(jīng)該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推算得到的COD數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.一種紫外多光譜自動掃描式在線水質(zhì)COD測量儀，其特征在于，嵌入式微機系統(tǒng)分別與網(wǎng)絡(luò)通信接口、LCD液晶顯示與觸摸屏相接，嵌入式微機系統(tǒng)的控制信號依次連接到光譜掃描步進電機、測量閥、清洗閥，流通測量槽分別與自動清洗裝置、水樣出口、清洗閥、測量閥相接，清洗閥與清洗水進口相接，測量閥與被測水樣進口相接，氘燈光源發(fā)出的紫外光會聚后通過測量槽，被水樣吸收后的紫外光經(jīng)過會聚入射到平面光柵分光系統(tǒng)，分光后入射到硅光電二極管，硅光電二極管與嵌入式微機系統(tǒng)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紫外多光譜自動掃描式在線水質(zhì)COD測量儀，其特征在于，所述的紫外多光譜掃描系統(tǒng)由氘燈光源1、第一會聚透鏡2、第二會聚透鏡4、平面光柵分光系統(tǒng)、硅光電二極管11構(gòu)成，其中平面光柵分光系統(tǒng)依次與入射狹縫5、準(zhǔn)直物鏡6、平面光柵8、聚光物鏡7、平面光柵8、步進電機9、出射狹縫10相接。
專利摘要本實用新型公開了一種紫外多光譜在線水質(zhì)COD快速測量儀。嵌入式微機系統(tǒng)分別與網(wǎng)絡(luò)通信接口、LCD液晶顯示與觸摸屏相接，嵌入式微機系統(tǒng)的控制信號依次連接到光譜掃描步進電機、測量閥、清洗閥，流通測量槽分別與自動清洗裝置、水樣出口、清洗閥、測量閥相接，清洗閥與清洗水進口相接，測量閥與被測水樣進口相接，氘燈光源發(fā)出的紫外光會聚后通過測量槽，被水樣吸收后的紫外光經(jīng)過會聚入射到平面光柵分光系統(tǒng)，分光后入射到硅光電二極管，硅光電二極管與嵌入式微機系統(tǒng)相接。本實用新型提高了基于紫外吸收的COD測量儀的適用性和測量準(zhǔn)確性；實現(xiàn)了水樣提取、測量槽清洗以及測量的全自動化，提高了在線測量的速度，能夠適合于環(huán)境水和各類廢水COD的在線、快速、準(zhǔn)確的分析測試。
文檔編號G01N21/33GK2859515SQ20052010259
公開日2007年1月17日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者王曉萍, 林幀 申請人:浙江大學(xué)