吳 俊，吳 平

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

0 引 言

城市管網(wǎng)自來水及管網(wǎng)二次供水系統(tǒng)易受外界環(huán)境的污染侵入，發(fā)生水質(zhì)惡化等事故，當(dāng)前的水質(zhì)污染大都反映在有機物污染（如苯系化合物）方面。現(xiàn)階段監(jiān)管方式多采用人工巡查及人工采樣。這種監(jiān)察方式效率較低[1,2]，且對國內(nèi)較大城市來說，供水的輸配管網(wǎng)普遍具有多水源、多水廠、多節(jié)點、大管網(wǎng)、長距離等特征，點多面散，輸水管材陳舊，造成人工巡檢的被動性和延遲性，得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往嚴重滯后，缺乏科學(xué)性的指導(dǎo)。

物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展給水質(zhì)傳感器的研究指明了方向。本文針對城市中復(fù)雜的自來水管網(wǎng)，積極展開有機污染在線監(jiān)控傳感器的試驗研究。研制了紫外吸收光度傳感器，并在線指示性監(jiān)控管網(wǎng)水質(zhì)痕量有機物總量。在結(jié)構(gòu)上進行了一些創(chuàng)新改造，加長了比色皿的光程長度（10 cm），有效提高了檢測靈敏度，取得了較好的試驗效果。

1 紫外吸收光度法檢測水中有機物

1.1 替換汞燈的紫外光度法

世界各國針對自來水有機物的超標(biāo)問題，提出了指示性的耗氧量指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)，mg/L），并規(guī)定其含量不允許超過5 mg/L。但該指標(biāo)的實驗測量比較麻煩，需要一些化學(xué)試劑及加熱處理。然而紫外吸收光度法是不需要任何試劑的物理檢測法。對于含微量苯系物污染的水樣，檢測靈敏度較高，效果也很好。因此，研究這種紫外吸收傳感器，對自來水的監(jiān)控是很適宜的。

然而，近幾十年來，國際上均采用汞燈進行基礎(chǔ)的紫外檢測。汞燈產(chǎn)生的主要紫外光波長為254 nm，以此作為吸收光度的規(guī)范指標(biāo)值，簡稱UV（254 nm）。然而，汞燈的雜光較多，光源穩(wěn)定性差，線性檢測范圍窄，誤差大，很難采用汞燈檢測方式來研制傳感器。因此，紫外光源的選用成為關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 吸收光度檢測的實驗定律（朗伯-比耳定律）

單色光對溶液特定組分濃度的光吸收現(xiàn)象構(gòu)成了著名的光吸收檢測定律：

式中：A為吸光值，a為吸收系數(shù)，b為光程長度，c為溶液濃度。式中的A值由光吸收實驗測定得到。單色光入射一定光程的待測溶液，入射光強為I0，經(jīng)過溶液組分吸收后的透射光強為I，則A的計算公式為：A=lg（I0/I）。A的量值一般控制在0～1.5范圍內(nèi)。

實驗測定某吸光值A(chǔ)，代入式（1）中，計算得到溶液組分濃度C。在待測溶液濃度很低（達到微量乃至痕量濃度），但又必須確保檢測靈敏精度的情況下，加大光程長度b（mm）成為不二之選。由式（1）可知，實驗的吸收系數(shù)a是固定值，光程b是可變量。本課題的研究中，適當(dāng)加大吸收光程長度也是檢測水中痕量苯系有機物的重要措施。實驗中，選用的光程b越小，測定的A值亦隨之變?。贿x用光程b增大，測定的A值亦會變大。為保證自來水吸光度A的測定精度，達到較高的檢測靈敏度，必須加大光程b。

2 紫外長光程光度傳感器的研究

2.1 流動自來水的在線傳感器

研究制造直徑為15 mm、長度為100 mm的玻璃管，作為流動水樣的光吸收池，玻璃管兩端采用石英圓片光學(xué)玻璃封口。玻璃管的兩端有進水和出水的接口，且玻璃管必須放置在暗箱中，起到避光和加固作用。在玻璃管中，起加長光程作用的吸收池可將自來水水樣以流動方式進行單色紫外光的吸收光度檢測。

單色紫外光源可選用低壓汞燈，也可選用紫外LED固體發(fā)光源。前者價格便宜，但須添加紫外濾光片，實驗效果欠佳；后者價格昂貴，體積微小，光源穩(wěn)定，實驗效果較好。本實驗選用紫外波LED固體作為發(fā)光器件。光電傳感接收單元由進口紫外感光光電池及弱電流放大器組合而成，信號輸出范圍為0～200 mV。自來水紫外長光程光度傳感器原理如圖1所示。

圖1 自來水紫外長光程光度傳感器原理

2.2 管網(wǎng)自來水有機污染在線傳感監(jiān)測

本設(shè)計研制的紫外傳感器可安裝在社區(qū)或高層建筑中，連續(xù)在線監(jiān)控管網(wǎng)二次供水水質(zhì)的有機污染，一旦遭遇突發(fā)災(zāi)難性污染，傳感器立即預(yù)報預(yù)警。紫外光采用汞燈或紫外LED作為基準光源，其產(chǎn)生的單色紫外光波長為254 nm，因此對自來水水樣進行吸收光度測量時，若水樣含有微量芳香烴類有機物（如殘留農(nóng)藥，木質(zhì)素，腐殖酸等），會在此波段出現(xiàn)吸收現(xiàn)象。因此將其部分替代耗氧量參數(shù)指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)），以實現(xiàn)宏觀指示性的有機污染預(yù)報。由于該種無需試劑的紫外吸收傳感檢測手段設(shè)備裝置簡單，操作方便，易開展多點布局，適宜管網(wǎng)水質(zhì)的快速在線監(jiān)控。管網(wǎng)水質(zhì)有機污染在線傳感監(jiān)測示意如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)水質(zhì)有機污染在線傳感監(jiān)測示意圖

雖然自來水水質(zhì)的高錳酸鹽指數(shù)和總有機碳（TOC）含量，也能反映水中有機物的總量狀況，但在采樣直至化學(xué)測試的全部過程中，測量這兩個參數(shù)指標(biāo)操作繁瑣，同時還需要輔以化學(xué)試劑及復(fù)雜的加熱裝備。因此對上述兩個參數(shù)的測定，不適宜在管網(wǎng)中進行在線監(jiān)測。

2.3 傳感器深紫外單色光

紫外吸收光度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是選用穩(wěn)定、可靠的紫外單色光源。長期以來，紫外光的選用往往將汞燈作為第一方案，汞燈的波長雖然以254 nm為主，但它仍有較多雜光產(chǎn)生，必須添加濾片除雜，但即使采用高級濾光片也無法達到檢測要求。近年來，國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展使固體發(fā)光器件LED邁向深紫外領(lǐng)域。但美日等國只能有限生產(chǎn)，價格昂貴，每顆價格高達5 000元。因此該方面應(yīng)用的研發(fā)進展仍較緩慢。目前，我國在深紫外LED的研究方面取得了突破性進展，254 nm波長的LED供應(yīng)價格已降到300元左右，為本課題的傳感研究提供了便利，拓寬了應(yīng)用場景。經(jīng)驗證，其發(fā)光效率較高，功耗較低，工作電流可達20 mA，器件壓降為7.5 V。相比汞燈（熱陰極，冷陰極），該光源更穩(wěn)定，優(yōu)勢明顯。

2.4 長光程紫外吸收傳感器

紫外吸收傳感器采用加長光程的方法，可實現(xiàn)提高檢測紫外吸收靈敏度的目的，經(jīng)反復(fù)試驗，效果較好。試驗采集不同水樣測定微量有機物濃度。長光程紫外傳感器測試瓶裝礦泉水等水樣的吸光值，見表1所列。不同水樣的有機物傳感吸光值如圖3所示。

表1 長光程紫外傳感器測試瓶裝礦泉水等水樣的吸光值表

圖3 不同水樣的有機物傳感吸光值圖

3 自來水有機污染檢測研究

管網(wǎng)自來水二次供水水質(zhì)中含有的有害微量有機物大都是共軛有機物及芳香族有機物，它們來自土壤中的腐殖質(zhì)、木質(zhì)素、富里酸和殘留農(nóng)藥等。這些苯系物對紫外光（254 nm）均存在光吸收現(xiàn)象，吸收系數(shù)高，檢測效果較好。因此，紫外法是自來水指示性監(jiān)控的理想手段。此外，低于30 mg/L的耗氧量指標(biāo)無法進行精確檢測，紫外法可以替代COD法檢測。紫外吸收光度測定水中苯系物濃度見表2所列。紫外（254 nm）吸收光度測定水中苯系物濃度如圖4所示。

表2 紫外吸收光度測定水中苯系物濃度表

4 管網(wǎng)自來水在線傳感數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸

管網(wǎng)自來水二次供水節(jié)點的現(xiàn)場控制計算機將實時監(jiān)測采集到的海量數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)GSM/GPRS的數(shù)據(jù)通信方式，遵循TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的小流量快節(jié)奏數(shù)據(jù)傳輸[3]。中心服務(wù)器開發(fā)的專用接收軟件再由相關(guān)的通信協(xié)議進行接收，并進入中心數(shù)據(jù)庫[4]。在線水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示。

圖4 紫外（254 nm）吸收光度測定水中苯系物濃度圖

圖5 在線水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸圖

采用C#語言編制的控制計算機接受傳感器的主要代碼如下（GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼從略）：

SPort sp1 = new SPort（“COM1”， 9600， Parity.None， 8，

StopBits.One）；

sp1.Open（）；

byte[] t1 = new byte[4] { 0x23， 0x30， 0x31， 0x0D }；

double[，] data = new double[10， 10]；

double[] avgtemp = new double[10]；

double sum = 0.0；

string temp；

progressBar1.Value = 0；

for （int i = 0； i ＜ 10； i++）

{sum = 0.0；

for （int j = 0； j ＜ 10； j++）

{temp = “”；

sp1.Send（t1）；

Thread.Sleep（100）；

temp = sp1.Recieve（50）；

temp = temp.Trim（‘＞’）；

data[i， j] = Convert.ToDouble（temp）；

sum = sum + data[i， j]；

this.progressBar1.Value += 1；}

avgtemp[i] = sum / 10.0；}

sp1.Close（）；

sum = 0.0；

for （int i = 0； i ＜ 10； i++）{sum = sum + avgtemp[i]；}sum /= 10.0；

textBox1.Text = sum.ToString（）；

5 結(jié) 語

管網(wǎng)自來水的二次供水水質(zhì)經(jīng)常會受到惡劣環(huán)境的影響，造成局部區(qū)域有機污染，因此需要進行必要的實時監(jiān)控。本文研究介紹的紫外吸收光度傳感器基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠監(jiān)測水中微量有機物濃度，替代耗氧量指示性指標(biāo) （高錳酸鉀指數(shù)）。袖珍微型傳感器無需化學(xué)試劑，制作成本較低，安裝方便，能夠?qū)ν话l(fā)的重大有機污染及時進行分級網(wǎng)絡(luò)預(yù)警，滿足設(shè)計要求。

[1]吳俊，吳平.遠程監(jiān)控飲用水管網(wǎng)水質(zhì)低濃度氨氮[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：40-43.

[2]吳俊，吳平，雷巖，等.遠程監(jiān)控城鄉(xiāng)管網(wǎng)飲用水的低量色度[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2015，7（3）：11-13.

[3]張標(biāo)標(biāo)，樊錦祥，林學(xué)昕，等.智慧環(huán)境[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4]張軍，邢夢林，王瀟磊，等.河南省地表水自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].干旱環(huán)境監(jiān)測，2013，27（4）：174-178.

[5]顧浩，徐宏飛，陳衛(wèi)兵.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)污染總量控制系統(tǒng)的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（11）：84-86.

[6]曹建峰，崔平，陶婧.基于天然水體的水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（10）：80-82.

[7]吳來杰.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的濱海棉田鹽水分遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].上海：同濟大學(xué)，2010.

[8]吳俊，吳平.水質(zhì)微量重金屬在線復(fù)合傳感器研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：24-25.