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(shè)不斷發(fā)展的過程中，城市化進(jìn)程與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展速度進(jìn)一步加快，同時(shí)也產(chǎn)生了比較嚴(yán)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(guān)部門綜合運(yùn)用各種先進(jìn)的手段與技術(shù)提高水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)光譜水質(zhì)檢測(cè)多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用方法與應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析，希望可以起到參考作用。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù)；參數(shù)測(cè)量；光譜水質(zhì)檢測(cè)

本文所指的光譜水質(zhì)檢測(cè)指的是紫外、可見光譜法的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用離不開專業(yè)儀器與系統(tǒng)的支持。另外，在對(duì)該技術(shù)工作原理進(jìn)行分析的過程中，需要對(duì)光譜吸收方面的基本理論有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。本文對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)儀器進(jìn)行了介紹，并開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

一、光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的工作原理

光是一種具有粒子性與波動(dòng)性特點(diǎn)的電磁波。在對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光進(jìn)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(gè)電磁波譜圖。

不同波段電磁波在具體應(yīng)用與產(chǎn)生原理兩個(gè)方面有著比較大的壓力。其中轉(zhuǎn)運(yùn)光譜、轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)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(duì)某種分子進(jìn)行照射時(shí)，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(duì)穩(wěn)定的，在受到一定能量、一定波長(zhǎng)光的激發(fā)后，會(huì)在一瞬間轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)。分子在對(duì)光進(jìn)行吸收的過程中，對(duì)于波長(zhǎng)有著一定的選擇性，對(duì)分子能夠吸收的光進(jìn)行篩選，通過所體現(xiàn)出來的光譜特點(diǎn)，能夠?qū)ξ镔|(zhì)的種類進(jìn)行判斷。

二、光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的儀器系統(tǒng)

（一）儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行嚴(yán)格的在線檢測(cè)，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(cè)單元的設(shè)計(jì)要求

作為在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位的重要硬件，紫外-可見光譜檢測(cè)單元能夠穩(wěn)定、在線、實(shí)時(shí)地對(duì)紫外、可見吸收光譜進(jìn)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(guān)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(fù)性與穩(wěn)定性優(yōu)良。光譜探測(cè)單元整體需要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)噪聲低以及耦合率高等方面的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(guān)技術(shù)能夠盡快推廣至整個(gè)市場(chǎng)。

（2）光譜信息處理單元的設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)處理工作的實(shí)時(shí)性進(jìn)行深入的研究，使在線測(cè)量成為可能。經(jīng)大量的經(jīng)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)光譜存在散射影響嚴(yán)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(cè)結(jié)果之間有著比較大的差異，光譜信息處理單元需要綜合運(yùn)用各種技術(shù)手段對(duì)光譜分析結(jié)果進(jìn)行分類識(shí)、降維以及去噪等方面的處理，以適應(yīng)不同檢測(cè)目標(biāo)與不同復(fù)雜性的檢測(cè)場(chǎng)景。

（3）系統(tǒng)流路的設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)流路的過程中，一方面要參數(shù)測(cè)量定標(biāo)進(jìn)行確定，另一方面也需要在較短時(shí)間內(nèi)完成光譜測(cè)量工作，防止出現(xiàn)流路氣泡對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響的問題。

（4）清洗、存儲(chǔ)、顯示以及打印等功能的設(shè)計(jì)要求

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

（5）系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源的過程中，設(shè)計(jì)人員需要滿足儀控、流路泵、清潔裝置、顯示器、系統(tǒng)打印機(jī)、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(jié)構(gòu)中設(shè)置DC-DC開關(guān)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(cè)的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案以及實(shí)際情況的有關(guān)要求，光譜水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)培訓(xùn)上，要實(shí)現(xiàn)城市生活污水、城市工業(yè)廢水兩個(gè)場(chǎng)景的NO3-N、TURB、TOC、COD四個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)。因此，系統(tǒng)需要包含供電、清洗、處理、分析、存儲(chǔ)、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(jìn)行傳輸，將光源傳送至檢測(cè)裝置，在水質(zhì)樣品對(duì)光源完成吸收后，余下的光源會(huì)被投射至光譜儀上，此時(shí)的光譜信息為模擬信息，需要對(duì)現(xiàn)有的模擬信息進(jìn)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(jī)。上位機(jī)中所內(nèi)置的專門軟件能夠?qū)庾V信息進(jìn)入深層次的演算，得到相關(guān)水質(zhì)參數(shù)。再通過存儲(chǔ)裝置對(duì)檢測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。在計(jì)算機(jī)設(shè)備的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)顯示與實(shí)時(shí)操作兩方面的功能，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的操作需要對(duì)操作模式進(jìn)行靈活的切換。在控制單元的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)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(xiàng)元件的協(xié)同下進(jìn)行。在系統(tǒng)電源的支持下，可以滿足各項(xiàng)電壓穩(wěn)定、有效的借給。

（三）打印、存儲(chǔ)、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(fù)責(zé)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(shè)計(jì)人員重點(diǎn)加強(qiáng)流路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在不同取水環(huán)境下，管路的安裝也需要依照實(shí)際需求來進(jìn)行。在流路系統(tǒng)的支持下，水質(zhì)檢測(cè)儀能夠與水樣本進(jìn)行充分的接觸，在水壓與水量?jī)蓚€(gè)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(zhǎng)期使用的過程中保持內(nèi)部元件的運(yùn)行穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會(huì)有部分藻類與泥沙流入至管路中，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的不利影響。為了對(duì)以上幾方面的問題進(jìn)行有效的處理，可以在儀器上設(shè)置一個(gè)專門的清潔模塊，對(duì)流路進(jìn)行清洗。

（3）主控、打印、存儲(chǔ)、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(jī)、存儲(chǔ)裝置以及顯示器等部件所組成，均是系統(tǒng)的外置設(shè)備。在專業(yè)軟件的支持下，能夠在較短時(shí)間內(nèi)處理光譜數(shù)據(jù)，交處理結(jié)果顯示于顯示器上。另外，通過打印機(jī)設(shè)備也能夠?qū)@示器內(nèi)的圖像輸出打印出來，對(duì)不同單元的工作起到協(xié)調(diào)作用。

由于光譜水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)所需要處理的數(shù)據(jù)信息量比較大，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理時(shí)間上也有著比較嚴(yán)格的要求，這就需要對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種元件進(jìn)行科學(xué)合理的選擇。同時(shí)，出現(xiàn)空間與系統(tǒng)體積的限制，需要選擇性價(jià)比高、拓展性好、穩(wěn)定性好、體積相對(duì)較小的主板，所使用的中央處理器也需要達(dá)到I7與E5以上水平。

結(jié)束語：

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，水質(zhì)檢領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)也取得了比較大的進(jìn)步，做好水質(zhì)檢測(cè)工作也是相關(guān)部門職責(zé)的重要體現(xiàn)。這就需要有關(guān)人員對(duì)光譜水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入的研究與分析，對(duì)以往的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真的總結(jié)與分析，最大程度上提高水質(zhì)檢測(cè)工作的技術(shù)含量。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也需要對(duì)當(dāng)前世界范圍內(nèi)最新的光譜檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)一步優(yōu)化，提高光譜系統(tǒng)在測(cè)量結(jié)果方面的準(zhǔn)確性。

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