光譜水質(zhì)檢測多參數(shù)測量系統(tǒng)的關鍵技術探討

丁艷霞

摘 要：水是我國城鄉(xiāng)居民正常生活不可缺少的重要資源。然而，在我國城鎮(zhèn)化建設不斷發(fā)展的過程中，城市化進程與經(jīng)濟社會的發(fā)展速度進一步加快，同時也產(chǎn)生了比較嚴重的環(huán)境污染問題，水體或水質(zhì)污染方面的不良事件近年來頻繁出現(xiàn)，給接下來的水質(zhì)處理工作造成了比較大的困難。這就需要有關部門綜合運用各種先進的手段與技術提高水質(zhì)檢測結果的準確性，并對光譜水質(zhì)檢測多參數(shù)測量系統(tǒng)應用方法與應用效果進行了詳細的闡述與分析，希望可以起到參考作用。

關鍵詞：關鍵技術；參數(shù)測量；光譜水質(zhì)檢測

本文所指的光譜水質(zhì)檢測指的是紫外、可見光譜法的水質(zhì)檢測技術，該技術的應用離不開專業(yè)儀器與系統(tǒng)的支持。另外，在對該技術工作原理進行分析的過程中，需要對光譜吸收方面的基本理論有一個初步的認識。本文對該技術的檢測儀器進行了介紹，并開展了相關的試驗研究。

一、光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的工作原理

光是一種具有粒子性與波動性特點的電磁波。在對不同波長的可見光進行觀察的過程中，可以得到不同的顏色體現(xiàn)。人眼可以感知到的光均為可見光，不可見光包含微波、紅外線以入紫外線等。若將這些電磁波有序排列起來，就可以得到一個電磁波譜圖。

不同波段電磁波在具體應用與產(chǎn)生原理兩個方面有著比較大的壓力。其中轉(zhuǎn)運光譜、轉(zhuǎn)動-振動光譜與電子光譜為分子吸收光譜，這種光譜是一定范圍內(nèi)的、連續(xù)的光，在對某種分子進行照射時，光在分子選擇性吸收的情況下而形成光譜。一般情況下，分子基太是相對穩(wěn)定的，在受到一定能量、一定波長光的激發(fā)后，會在一瞬間轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)。分子在對光進行吸收的過程中，對于波長有著一定的選擇性，對分子能夠吸收的光進行篩選，通過所體現(xiàn)出來的光譜特點，能夠?qū)ξ镔|(zhì)的種類進行判斷。

二、光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的儀器系統(tǒng)

（一）儀器系統(tǒng)設計要求

為了能夠?qū)Τ鞘形鬯约暗乇硭兴械腘O3-N、TURB、TOC以及COD等物質(zhì)進行嚴格的在線檢測，所使用的儀器需要具備以下幾方面的要求。

（1）紫外-可見光譜檢測單元的設計要求

作為在整個系統(tǒng)中處于核心地位的重要硬件，紫外-可見光譜檢測單元能夠穩(wěn)定、在線、實時地對紫外、可見吸收光譜進行采集。該單元需要包含光電、光路以及光源的轉(zhuǎn)換部分，光路自身則需要與抗紫外吸收的有關要求相一致。另外，光電轉(zhuǎn)換部分的分辨精度與分辨率也需要盡量調(diào)高，重復性與穩(wěn)定性優(yōu)良。光譜探測單元整體需要具有結構簡單、系統(tǒng)噪聲低以及耦合率高等方面的特點。設計人員還需要充分考慮到該系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，使該系統(tǒng)與相關技術能夠盡快推廣至整個市場。

（2）光譜信息處理單元的設計要求

成功采集紫外可見光譜數(shù)據(jù)后，在處理數(shù)據(jù)的過程中，所需要處理的數(shù)據(jù)通常比較大，這就需要對數(shù)據(jù)處理工作的實時性進行深入的研究，使在線測量成為可能。經(jīng)大量的經(jīng)驗研究發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)光譜存在散射影響嚴重、相互重疊多、噪聲干擾大等方面的局限性，在水環(huán)境不同的情況下，光譜檢測結果之間有著比較大的差異，光譜信息處理單元需要綜合運用各種技術手段對光譜分析結果進行分類識、降維以及去噪等方面的處理，以適應不同檢測目標與不同復雜性的檢測場景。

（3）系統(tǒng)流路的設計要求

在設計系統(tǒng)流路的過程中，一方面要參數(shù)測量定標進行確定，另一方面也需要在較短時間內(nèi)完成光譜測量工作，防止出現(xiàn)流路氣泡對測量結果造成影響的問題。

（4）清洗、存儲、顯示以及打印等功能的設計要求

光譜水質(zhì)檢測所使用的儀器需要集成存儲、顯示以及打印等方面的功能，在長期使用過程中，操作人員需要對儀器進行定期的人工清洗。

（5）系統(tǒng)電源的設計要求

在設計系統(tǒng)電源的過程中，設計人員需要滿足儀控、流路泵、清潔裝置、顯示器、系統(tǒng)打印機、系統(tǒng)處理模塊、光電轉(zhuǎn)換部分以及光源的供電。外接電源電壓為220V，儀器內(nèi)部的不同元件在供電需求上有著比較大的差異，需要在儀器結構中設置DC-DC開關電源等需要元件供電需求相一致的子電源。

（二）紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的儀器系統(tǒng)結構設計

根據(jù)設計方案以及實際情況的有關要求，光譜水質(zhì)檢測系統(tǒng)在技術培訓上，要實現(xiàn)城市生活污水、城市工業(yè)廢水兩個場景的NO3-N、TURB、TOC、COD四個指標的檢測。因此，系統(tǒng)需要包含供電、清洗、處理、分析、存儲、傳輸以及采水等模塊。

流路系統(tǒng)能夠?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)信息進行傳輸，將光源傳送至檢測裝置，在水質(zhì)樣品對光源完成吸收后，余下的光源會被投射至光譜儀上，此時的光譜信息為模擬信息，需要對現(xiàn)有的模擬信息進行數(shù)字化處理，再將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信息上傳至上位機。上位機中所內(nèi)置的專門軟件能夠?qū)庾V信息進入深層次的演算，得到相關水質(zhì)參數(shù)。再通過存儲裝置對檢測參數(shù)數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)進行收集。在計算機設備的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)顯示與實時操作兩方面的功能，針對不同應用場景下的操作需要對操作模式進行靈活的切換。在控制單元的幫助下，可以實現(xiàn)自動與手動兩方面的清潔功能。具體的系統(tǒng)校正工作則需要在內(nèi)部各項元件的協(xié)同下進行。在系統(tǒng)電源的支持下，可以滿足各項電壓穩(wěn)定、有效的借給。

（三）打印、存儲、顯示、處理、清洗以及流路系統(tǒng)的研究

（1）流路系統(tǒng)

流路系統(tǒng)負責外部取水工作，能夠?qū)庾V的采集起到良好的輔助作用，這就需要設計人員重點加強流路系統(tǒng)的設計。在不同取水環(huán)境下，管路的安裝也需要依照實際需求來進行。在流路系統(tǒng)的支持下，水質(zhì)檢測儀能夠與水樣本進行充分的接觸，在水壓與水量兩個方面都需要與儀器的要求相一致，流路系統(tǒng)需要包含流路安裝配件、清潔裝置、管路以及水泵等。

（2）清洗單元

清洗單元能夠使系統(tǒng)在長期使用的過程中保持內(nèi)部元件的運行穩(wěn)定性，在長時間運轉(zhuǎn)的過程中，會有部分藻類與泥沙流入至管路中，對測量結果造成一定的不利影響。為了對以上幾方面的問題進行有效的處理，可以在儀器上設置一個專門的清潔模塊，對流路進行清洗。

（3）主控、打印、存儲、顯示以及處理系統(tǒng)

這幾種系統(tǒng)主要由控制電路、嵌入式工控主板、微型針式打印機、存儲裝置以及顯示器等部件所組成，均是系統(tǒng)的外置設備。在專業(yè)軟件的支持下，能夠在較短時間內(nèi)處理光譜數(shù)據(jù)，交處理結果顯示于顯示器上。另外，通過打印機設備也能夠?qū)@示器內(nèi)的圖像輸出打印出來，對不同單元的工作起到協(xié)調(diào)作用。

由于光譜水質(zhì)檢測系統(tǒng)所需要處理的數(shù)據(jù)信息量比較大，同時在數(shù)據(jù)處理時間上也有著比較嚴格的要求，這就需要對計算機內(nèi)部的各種元件進行科學合理的選擇。同時，出現(xiàn)空間與系統(tǒng)體積的限制，需要選擇性價比高、拓展性好、穩(wěn)定性好、體積相對較小的主板，所使用的中央處理器也需要達到I7與E5以上水平。

結束語：

隨著我國現(xiàn)代化建設的不斷發(fā)展，水質(zhì)檢領域的各項技術也取得了比較大的進步，做好水質(zhì)檢測工作也是相關部門職責的重要體現(xiàn)。這就需要有關人員對光譜水質(zhì)檢測技術進行深入的研究與分析，對以往的工作經(jīng)驗進行認真的總結與分析，最大程度上提高水質(zhì)檢測工作的技術含量。同時，系統(tǒng)設計人員也需要對當前世界范圍內(nèi)最新的光譜檢測技術進行不斷的學習，對系統(tǒng)功能進一步優(yōu)化，提高光譜系統(tǒng)在測量結果方面的準確性。

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