本發(fā)明涉及一種紫外-可見光光度法測(cè)定水中khp含量的裝置，屬于水中鄰苯二甲酸氫鉀濃度測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前水污染已成為世界各國亟待解決的問題，越來越多的疾病都與水污染有關(guān)。水中各種無機(jī)物和有機(jī)物直接或間接影響人們的健康。

鄰苯類有機(jī)物是水中常見的有機(jī)污染源之一，其中鄰苯二甲酸氫鉀(khp,potassiumphthalatemonobasic)化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，常常作為檢測(cè)化學(xué)需氧量(cod,chemicaloxygendemand)的化學(xué)物質(zhì)。目前常用khp檢測(cè)方法可分為化學(xué)檢測(cè)法和光學(xué)檢測(cè)法兩大類，化學(xué)檢測(cè)法常見的是電化學(xué)分析法，它具有選擇性好、靈敏度高和儀器小等優(yōu)點(diǎn)，但是其檢測(cè)指標(biāo)單一、使用壽命短的缺點(diǎn)。光學(xué)檢測(cè)法由于分析精度高、非接觸檢測(cè)、檢測(cè)速度快和無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為khp檢測(cè)的首選方法。目前有單波長、雙波長、多波長、紫外光譜和紫外-可見光譜法的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，其中紫外-可見光譜法提供可見光吸收譜，可實(shí)現(xiàn)濁度的校正補(bǔ)償，能有效地減小散射干擾，提高了測(cè)量精度。

目前使用光學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)khp的裝置較少，且大多使用單波長分光光度法，此類方法不能有效減小溶液中濁液的影響，其測(cè)量精度會(huì)受到影響。本發(fā)明裝置所使用的光源為紫外光和綠光，屬于紫外-可見光光度法檢測(cè)khp濃度的裝置，相對(duì)于單波長法具有濁度補(bǔ)償功能，提高測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種紫外-可見光光度法測(cè)定水中khp含量的裝置，屬于鄰苯含量檢測(cè)分析技術(shù)領(lǐng)域。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的左右兩個(gè)圓柱形密封探測(cè)室、中央控制設(shè)備，且左圓柱形密封探測(cè)室和右圓柱形密封探測(cè)室之間通過中空的連接桿連接，每個(gè)密封探測(cè)室內(nèi)部均設(shè)置有光源驅(qū)動(dòng)電路板、溫度控制模塊、探測(cè)器處理電路，左圓柱形密封探測(cè)室右端面、右圓柱形密封探測(cè)室左端面上分別設(shè)置有玻璃窗口，左圓柱形密封探測(cè)室的玻璃窗口的內(nèi)表面設(shè)置有紫外光源和綠光光源探測(cè)器，右圓柱形密封探測(cè)室的玻璃窗口的內(nèi)表面設(shè)置有紫外光源探測(cè)器和綠光光源，兩個(gè)圓柱形密封探測(cè)室內(nèi)的光源驅(qū)動(dòng)電路板、溫度控制模塊、探測(cè)器處理電路均通過電纜分別與中央控制設(shè)備連接。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述中空的連接桿有三個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在兩個(gè)圓柱形密封探測(cè)室之間。

2.左圓柱形密封探測(cè)室內(nèi)的紫外光源和綠光光源探測(cè)器與對(duì)應(yīng)的光源驅(qū)動(dòng)電路板、探測(cè)器處理電路連接，光源驅(qū)動(dòng)電路板、探測(cè)器處理電路的電纜依次穿過中空的連接桿、右圓柱形密封探測(cè)器后與中央處理設(shè)備連接；

左圓柱形密封探測(cè)室內(nèi)的紫外光源探測(cè)器和綠光光源與對(duì)應(yīng)的光源驅(qū)動(dòng)電路板、探測(cè)器處理電路連接，光源驅(qū)動(dòng)電路板、探測(cè)器處理電路的電纜穿出右圓柱形密封探測(cè)器并與中央處理設(shè)備連接。

3.中央處理設(shè)備包括核心處理電路板、探測(cè)室線纜接口、lcd顯示屏和按鍵，lcd顯示屏顯示當(dāng)前鄰苯濃度測(cè)量值、當(dāng)前設(shè)備測(cè)量量程和探測(cè)室光源溫度參數(shù)，按鍵包括調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置的校零按鍵、切換測(cè)量范圍的量程切換按鍵、恒定顯示測(cè)量值的單次測(cè)量按鍵。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1、該發(fā)明裝置采用紫外光和綠光雙波長疊加法測(cè)量khp含量，綠光補(bǔ)償濁液影響，使測(cè)量結(jié)果更為精確。2、該發(fā)明裝置采用探測(cè)室和中央處理設(shè)備分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化樣品液多次配置步驟，提高系統(tǒng)便攜性。3、該發(fā)明裝置中雙光源選擇對(duì)立安裝模式，有效減小另一光源對(duì)探測(cè)器的影響。4、該發(fā)明裝置使用不同頻率驅(qū)動(dòng)光源，同時(shí)使用不同頻率的集成濾波器對(duì)各自探測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，提高抗干擾性。5、該發(fā)明裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)小巧，集成度高，操作界面簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的探測(cè)室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的中央處理設(shè)備面板圖；

圖4是本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)示意圖；

圖5是本發(fā)明的khp測(cè)量原理示意圖；

圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)程序流程圖；

圖7是本發(fā)明的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明包括探測(cè)室和中央處理設(shè)備主機(jī)。探測(cè)室包括兩個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的圓柱形密封艙，密封艙內(nèi)包括光源驅(qū)動(dòng)電路板、光源、溫度控制模塊和探測(cè)器處理電路；中央處理設(shè)備包括核心處理電路板、探測(cè)室線纜接口、lcd顯示屏和按鍵。所述核心電路板由ad轉(zhuǎn)換電路、電源電路、微處理器等組成。本發(fā)明裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，包含探測(cè)室1，安裝在探測(cè)室1內(nèi)的處理電路板2，安裝在探測(cè)室1內(nèi)側(cè)的紫外光源4和綠光光源探測(cè)器5，連接探測(cè)室1和探測(cè)室13使用中空?qǐng)A柱桿7，連接桿內(nèi)鋪設(shè)信號(hào)走線，探測(cè)室13內(nèi)部安裝處理電路板12，探測(cè)室13內(nèi)側(cè)安裝紫外光源探測(cè)器9和綠光光源10，探測(cè)室1右端面3安裝圓形玻璃窗口6，探測(cè)室13左端安裝玻璃窗口11，6和11可以允許紫光和綠光透過，電纜14從探測(cè)室13外側(cè)引出，中央控制設(shè)備15通過電纜14和探測(cè)室13進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收測(cè)量數(shù)據(jù)并處理，同時(shí)向探測(cè)室13發(fā)送測(cè)試指令。

本發(fā)明使用探測(cè)室外殼對(duì)溫度控制模塊進(jìn)行散熱，以維持探測(cè)室內(nèi)光源的溫度穩(wěn)定，光源的安裝方式為對(duì)向照射，且兩端面之間間距為5cm。

本發(fā)明裝置使用紫外-可見光光度法結(jié)合比爾-朗伯定律和濁度補(bǔ)償法，得到測(cè)量khp濃度的方程，并分別對(duì)不同濃度區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)，提高測(cè)量量程。比爾-朗伯定律是指當(dāng)一束平行光通過均勻的、無散射的吸光溶液時(shí)，光的吸收程度與溶液的溶度及光走過的路程有關(guān)，且兩者成正比。這也是紫外-可見光譜法對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的理論定量依據(jù)。

下面對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行詳細(xì)說明：

1、左探測(cè)室結(jié)構(gòu)

左探測(cè)室實(shí)現(xiàn)紫外光源調(diào)制和接收綠光光源信號(hào)功能，其裝置包含圓柱形密封探測(cè)室1、探測(cè)室內(nèi)信號(hào)處理電路板2、左探測(cè)室右端面3、左探測(cè)室內(nèi)右側(cè)紫外光源4和綠光光電探測(cè)器5、左探測(cè)室右端面玻璃窗口6，如附圖2所示。艙內(nèi)信號(hào)處理電路板2通過安裝孔安裝在左探測(cè)室內(nèi)中央，紫外光源4安裝在左探測(cè)室內(nèi)右側(cè)，通過圓形玻璃窗6發(fā)出紫外光束，綠光光電探測(cè)器5安裝在左探測(cè)室內(nèi)右側(cè)，同樣通過圓形玻璃窗接收右探測(cè)室的綠光光束。

2、右探測(cè)室結(jié)構(gòu)

右探測(cè)室結(jié)構(gòu)與左探測(cè)室結(jié)構(gòu)相同，由圓柱形密封探測(cè)室13、探測(cè)室內(nèi)信號(hào)處理電路板12、右探測(cè)室內(nèi)左側(cè)紫外光電探測(cè)器9和綠光光源10，如附圖2所示。兩個(gè)探測(cè)室通過3個(gè)中空?qǐng)A柱形連接桿7進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸。探測(cè)室內(nèi)安裝形式與左探測(cè)室相同，節(jié)省設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。

3、中央處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

中央處理設(shè)備的面板上設(shè)有l(wèi)cd顯示屏和系統(tǒng)設(shè)置按鍵。顯示界面可顯示當(dāng)前鄰苯濃度測(cè)量值、當(dāng)前設(shè)備測(cè)量量程和探測(cè)室光源溫度參數(shù)?？赏ㄟ^面板上校零按鍵調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置，通過量程切換按鍵切換測(cè)量范圍，通過單次測(cè)量按鍵恒定顯示此次測(cè)量值。更為具體的說是：中央處理設(shè)備15是系統(tǒng)通信和數(shù)據(jù)處理核心，其面板如附圖3所示。lcd顯示屏1顯示當(dāng)前測(cè)量值、量程值和探測(cè)室溫度參數(shù)，電源開關(guān)3控制整個(gè)系統(tǒng)電源，電源指示燈3指示目前系統(tǒng)電源狀態(tài)，校零按鍵4調(diào)節(jié)系統(tǒng)零點(diǎn)誤差，量程按鍵5設(shè)置系統(tǒng)量程參數(shù)，單次測(cè)量按鍵6設(shè)置進(jìn)行一次測(cè)量，并將結(jié)果恒定顯示在lcd顯示屏上。中央處理設(shè)備界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成高性能微控制器stm32作為核心處理器，提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

本發(fā)明裝置中使用波長漂移小，輸出光功率穩(wěn)定的紫外光源和綠光光源。通過max1978集成溫度控制模塊精確控制光源溫度，提高光源輸出功率的穩(wěn)定性。si光電探測(cè)器采用暗電流為2pa，溫度系數(shù)為1.12times/℃的低噪聲探測(cè)器，減小環(huán)境光的干擾。為進(jìn)一步減小兩個(gè)光束之間的干擾，使用不同頻率的正弦信號(hào)調(diào)制不同的光源，并且在安裝時(shí)采用對(duì)立安裝方式。

在對(duì)接收信號(hào)的處理上，使用集成濾波器對(duì)探測(cè)器的交流信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波，并且使用鎖相放大器對(duì)光源參考信號(hào)和探測(cè)器接收信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)檢測(cè)，進(jìn)一步濾除雜散干擾信號(hào)，獲取更高精度的測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明采用探測(cè)室和中央處理設(shè)備分離的設(shè)計(jì)方案，探測(cè)室采用對(duì)稱雙密封結(jié)構(gòu)，在測(cè)量時(shí)將探測(cè)室放入要測(cè)量的溶液中，避免多次配置溶液和清理試管，簡(jiǎn)化測(cè)量步驟，同時(shí)提高了探測(cè)室的便攜性，測(cè)量系統(tǒng)示意圖如附圖4所示。中央處理設(shè)備采用stm32微控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的處理核心，具有測(cè)量精度高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。其作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)光源的正弦信號(hào)和同頻率的參考信號(hào)，設(shè)置測(cè)量參數(shù)和儀器的標(biāo)定，接收探測(cè)室上傳的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，最終顯示測(cè)量結(jié)果。

人機(jī)交互界面包括顯示部分和設(shè)置輸入部分，通過面板上設(shè)置按鍵可設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。顯示界面顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，界面操作簡(jiǎn)單，顯示直觀。

窄帶濾波和自相關(guān)檢測(cè)方法：

窄帶濾波是對(duì)具有一定穩(wěn)定頻率f1的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，并控制帶通濾波的通帶頻率參數(shù)，使其濾除混合在f1中的干擾信號(hào)。自相關(guān)檢測(cè)原理是利用被檢測(cè)信號(hào)和同源的參考信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，在混合信號(hào)中恢復(fù)出原始信號(hào)的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。本發(fā)明利用自相關(guān)原理檢測(cè)光電探測(cè)器收到的信號(hào)，并對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，獲取水中鄰苯二甲酸氫鉀的濃度值。其實(shí)現(xiàn)方法如下：

使用stm32微控制器單元產(chǎn)生如下兩路信號(hào)：

s1作為紫外光光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)，s2作為對(duì)應(yīng)的同頻不同相的參考信號(hào)，光電探測(cè)器接收到經(jīng)過溶液的光信號(hào)和環(huán)境雜散光信號(hào)，并經(jīng)過頻率為f1的窄帶濾波先濾除截止頻率f1-δf到f1+δf之外的干擾信號(hào)，得到和光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻的再使用鎖相放大器對(duì)s1′和s2進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果如下：

得到鎖相放大器自相關(guān)之后的輸出信號(hào)s0，從式中可以看出輸出信號(hào)s0由直流分量和交流分量組成，其中交流分量信號(hào)頻率變?yōu)樵夹盘?hào)頻率的兩倍，對(duì)此輸出信號(hào)s0進(jìn)行低通濾波處理，濾除其交流分量，得到直流分量在本發(fā)明中，兩路信號(hào)s1′和s2的相位差設(shè)置完成后固定不變，因此低通濾波之后的直流信號(hào)幅值只和信號(hào)s1′、s2的幅值a1′、a2有關(guān)。由于參考信號(hào)s2恒定不變，所以a2是定值，低通濾波輸出信號(hào)大小只取決于信號(hào)s1′的幅值a1′。因此檢測(cè)低通輸出信號(hào)幅值即可檢測(cè)光電探測(cè)器檢測(cè)的光信號(hào)幅值大小，以此計(jì)算鄰苯二甲酸氫鉀溶液的吸光度。

使用窄帶濾波結(jié)合自相關(guān)檢測(cè)方法，能夠?yàn)V除非通頻帶上的隨機(jī)干擾信號(hào)和其他頻率的干擾信號(hào)，在信噪比較小時(shí)也能恢復(fù)出原始信號(hào)，其動(dòng)態(tài)范圍較大，是信號(hào)檢測(cè)的首選方法。

本發(fā)明提供一種使用紫外-可見光光度法測(cè)量khp濃度的裝置，為使專利局審查員和公眾清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，下面將對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明：

一、紫外-可見光光度法khp濃度測(cè)量裝置的實(shí)現(xiàn)

該發(fā)明裝置主要包含探測(cè)室和中央處理設(shè)備兩部分，如附圖1所示。

二、紫外-可見光光度法khp測(cè)量原理的實(shí)現(xiàn)

紫外-可見光光度法測(cè)量khp的測(cè)量原理：使用紫外-可見光雙波長照射khp和濁度溶液，使用小信號(hào)檢測(cè)中的窄帶濾波和自相關(guān)檢測(cè)方法測(cè)量。其檢測(cè)原理如附圖5所示。

三、紫外-可見光光度法khp測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)

紫外-可見光光度法測(cè)量khp濃度使用不同波長、不同調(diào)制頻率的光源分別照射溶液，分別檢測(cè)通過溶液后的出射光強(qiáng)，計(jì)算溶液對(duì)紫外光和綠光的吸光度，通過濁度補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算出khp的濃度。

首先中央控制系統(tǒng)發(fā)送參數(shù)設(shè)置兩路頻率為f1和f2的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路之后驅(qū)動(dòng)紫外光源和綠光光源，同時(shí)分離出各自的參考信號(hào)fref1和fref2。經(jīng)過溶液后的兩束光分別被各自光電探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后分別進(jìn)行放大、帶通濾波和鎖相放大，接著使用低通濾波輸出直流信號(hào)，最后使用16位高精度ad轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給中央處理單元進(jìn)行處理，處理單元根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濁度補(bǔ)償計(jì)算，得到精度較高的鄰苯濃度值，其程序流程如附圖6所示。

四、紫外-可見光光度法khp測(cè)量過程的實(shí)現(xiàn)

首先使用去離子水配置不同khp濃度和不同濁液濃度的樣品室，并將本發(fā)明裝置的探測(cè)室外殼使用配置好的溶液進(jìn)行清理；然后將探測(cè)室放入待測(cè)溶液中直至兩個(gè)探測(cè)室內(nèi)表面被溶液淹沒，使光束完全透過溶液；接著打開中央處理設(shè)備電源，為系統(tǒng)供電并測(cè)量當(dāng)前khp濃度值，使用面板上量程切換按鍵根據(jù)當(dāng)前濃度范圍選擇量程，通過校零按鍵校準(zhǔn)零點(diǎn)誤差和非線性誤差，通過單次測(cè)量按鍵顯示一次測(cè)量值。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果曲線圖如圖7所示。