[发明专利]一种复合型水质多参数在线自动监测仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境监测领域的在线自动水质监测方法和装置，具体涉及一种采用紫外可见吸收光谱同（物理或电化学）传感器相结合的，可同时测量十余种水质指标的测量方法，以及采用该方法的在线自动监测仪。

背景技术

目前，我国对地表水和污水水质进行在线自动监测的仪器设备大都采用传统的实验室化学分析方法，分析周期长，不能真正实现实时在线监测的目的，且容易产生二次污染，单台仪器一般只能监测一个参数。以采用UV法对水质COD指标实施监测的紫外光度法开启了光学方法直接监测水质指标的先河，近年来多个波长UV法仪器的出现，进一步提高了该类仪器对水质变化的适应性。但是，几个波长的吸光度数据仍然不能很好地使仪器适应多样化水质和水质变化的情况，而且，采用UV法测量单一COD指标也不能满足水质监测经常需要同时监测多个参数的需求。于是，基于分子吸收光谱的光谱法多参数测量技术和设备成为目前世界范围内水质在线自动监测领域的发展方向。

吸收光谱法水质监测方法具有不使用化学试剂，无二次污染，分析速度快，真正实现实时自动监测，一台仪器可以同时监测多种参数等优点。但是，由于水样成分的复杂和多变，水体的颜色、颗粒物等干扰因素较多，使得吸收光谱技术用于水质监测的方法和技术开发难度大，技术和设备尚未成熟，处于发展之中。另外，氨氮、溶解氧、电导率等常规水质监测指标目前尚不能通过分子吸收光谱技术进行监测。

目前，利用单个或几个波长对水质COD指标进行自动监测的方法和技术较为成熟，市场上有不少成熟的仪器产品。

利用物理和电化学传感器监测水质指标的仪器设备较多，方法和技术比较成熟。如电极法氨氮在线自动监测仪、浊度计、水质电导率测定仪、溶氧仪等，该类仪器通常只监测单个参数。

发明内容

本发明提供了一种水质多参数在线自动监测方法和装置，采用分子光谱和传感器相结合的方法，实时自动监测常用水质指标，如化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、浊度、水温、氨氮、溶解氧、电导率等指标，可同时获得的水质指标数量不少于10个，不使用任何化学药剂。监测的参数可以自由选择和定制，可满足对地表水、各类污水等不同水质对多参数同时自动监测的需要。

本发明所述的水质多参数在线自动监测方法，指的是采用紫外可见吸收光谱技术和（物理和电化学）传感器技术相结合的方法，两种方法组合或单独应用可实现不同应用对多种水质指标同时和实时自动监测的目的。

上述紫外可见吸收光谱指200nm至1000nm波长范围水样的紫外可见吸收光谱。它利用微型光纤数字紫外可见光谱技术测量得到水样的紫外可见吸收光谱数据，通过对光谱数据的处理获得化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、溶解性有机碳、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等水质指标。

上述对光谱数据的处理，采用小波降噪、主元分析和支持向量机的机器学习方法以顺序组合的方式对光谱数据进行处理，建立光谱数据同水质指标映射关系的数学模型，并通过建立的数学模型和获得的光谱数据获取待测水样的水质指标。在上述数据处理过程中，首先通过小波方法对获取的光谱数据进行处理，剔除噪声。然后，通过主元分析方法降维，找到同水质指标关联密切的特征光谱数据。最后，通过支持向量机的机器学习方法建立特征光谱数据同水质指标映射关系的数学模型。

上述紫外可见吸收光谱数据来自两个光程不同的测量室（或光学测量探头），其差值作为待测水样紫外可见吸收光谱的原始数据，用于计算水样的水质指标。

上述提及的传感器方法，指分别利用测量水质指标的各类物理和电化学传感器直接测量水质指标的方法。如采用氨气敏电极或铵离子选择性电极等方法测量水质氨氮指标，如采用一种用透气薄膜将水样与电化学电池隔开的电极来测定水中溶解氧的方法，如采用电导率电极直接测量水的电导率指标方法，以及采用铂电极法直接测量水温指标的方法，等等。上述方法和技术成熟，市售产品丰富，可直接选用。

上述水质多参数在线自动监测方法通过如下技术流程和实现技术目的的部件实现：氙灯4提供200nm至1000nm波长范围的紫外可见光源，光源经光路调理装置19进行聚焦、光强调整、屏蔽杂散光后分别透过光学测量室11和11’，平场凹面数字全息光栅16将光学测量室的出射光分光，再由光电传感器15实现光电转换，电信号传至仪控装置21。供样装置20向光学测量室11、11’和集成传感器组12提供待测水样，集成传感器组的电信号也传送至仪控装置21。超声波清洁装置18和18’去除测量室11和11’（或光学测量头）光路上的污垢。