【概述】

水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境保護(hù)、飲用水安全保障與報(bào)警、污水處理和污染物排放控制、水資源管理等方面的重要基礎(chǔ)和有效手段。近年來(lái)，隨著對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和監(jiān)測(cè)頻率要求的逐步提高，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)分析已很難滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求，使得光譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展?；诠饫w光譜儀的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)光譜技術(shù)檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)具有檢測(cè)速度快、成本低、無(wú)二次污染、可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)快速檢測(cè)、多參數(shù)分析、水質(zhì)分類(lèi)和水質(zhì)報(bào)警等領(lǐng)域都具有傳統(tǒng)方法不可替代的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)越來(lái)越多的儀器儀表廠(chǎng)家加入進(jìn)來(lái)。

紫外可見(jiàn)光譜法檢測(cè)水質(zhì)的基本原理有兩類(lèi)，一類(lèi)是比爾-郎伯定律，不同的化合物有不同的吸收光譜，含有苯環(huán)或耦合雙鍵的有機(jī)物以及特定無(wú)機(jī)物在紫外-可見(jiàn)波段有較強(qiáng)的吸收峰。結(jié)合主成分分析、偏Z小二乘和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，來(lái)分析水樣的特征吸收，進(jìn)而可以對(duì)水樣所含組分進(jìn)行定性與定量分析。另一類(lèi)是基于顆粒物光散射理論。

目前基于紫外-可見(jiàn)光纖光譜儀的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)水體硝酸鹽、化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD、總懸浮物TSS、總有機(jī)碳TOC和濁度等參數(shù)，該系統(tǒng)經(jīng)常作為一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法的替代方案。需要注意的是，基于紫外-可見(jiàn)光纖光譜儀的光譜測(cè)量模塊不能滿(mǎn)足所有水質(zhì)參數(shù)測(cè)量需求，一般被用作一個(gè)子模塊，和其他水質(zhì)測(cè)量模塊協(xié)同工作。

【實(shí)驗(yàn)/設(shè)備條件】

在水質(zhì)光譜在線(xiàn)檢測(cè)領(lǐng)域，一個(gè)功能齊全的光譜模塊通常包含四部分：光源、光路、光譜儀及上位機(jī)分析軟件。

光源一般采用脈沖式氙燈，這是出于設(shè)備成本、穩(wěn)定性以及自動(dòng)化程度等方面的考慮，相比于氘燈、紫LED等其他光源，脈沖式氙燈的壽命、穩(wěn)定性和成本都具有優(yōu)勢(shì)，并且紫外波段光譜連續(xù)。海洋光學(xué)為用戶(hù)提供了兩種脈沖式氙燈光源，一種是標(biāo)準(zhǔn)的PX-2型脈沖氙燈，它是一個(gè)紫外（波長(zhǎng)220～750nm）的高閃光速度、短弧的氙燈，適用于需要測(cè)試光的吸收與反射，或觀察熒光和磷光的場(chǎng)合，特別用于對(duì)光或熱不穩(wěn)定的樣品的測(cè)試。 PX-2型脈沖氙燈的操作速度可達(dá)220Hz，并可直接由軟件控制實(shí)現(xiàn)。PX-2型脈沖氙燈配有15針的接頭，可以將其與光譜儀連接起來(lái)。PX-2型脈沖氙光源還配有一個(gè)SMA905連接器，可以連接海洋光學(xué)公司的微型光纖光譜儀及其它光纖組件，如光纖、試管支架、探測(cè)器和其它取樣組件。用戶(hù)還可以另外購(gòu)買(mǎi)配合PX-2型脈沖氙燈使用的CUV-FL-DA，它是一個(gè)直連的試管配件，可用于吸光率和熒光的測(cè)試，下圖1是PX-2型脈沖氙燈照片，它的光譜輸出特性如圖2所示。另一種氙燈是迷你型脈沖式氙燈。

光譜儀是整個(gè)光譜檢測(cè)模塊的核心，海洋光學(xué)有多種系列的光譜儀，可以全方位的滿(mǎn)足客戶(hù)需求，這里特別介紹一款工業(yè)用光譜儀-PC3000。PC3000光譜儀具有與USB系列光譜儀相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性能，兼具USB系列光譜儀的成熟性和Flame系列光譜儀的穩(wěn)定性。該光譜儀采用非對(duì)稱(chēng)交叉Czerny-Turner光路，搭載2048像素的Sony ILX511B線(xiàn)陣型CCD傳感器和高性能處理器，可測(cè)波長(zhǎng)范圍為200nm-1100nm。該光譜儀的Z小積分時(shí)間可達(dá)到1毫秒，滿(mǎn)量程信噪比達(dá)250:1。下表是PC3000、USB2000+以及Flame光譜儀的性能對(duì)比。

表1-1 PC3000、USB2000+、Flame對(duì)比表

為滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用對(duì)通信穩(wěn)定性的要求，海洋光學(xué)將傳統(tǒng)的USB接口改進(jìn)為以太網(wǎng)接口，具備更高的傳輸速率和更好的可靠性，光譜儀通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)和以太網(wǎng)交換機(jī)與系統(tǒng)服務(wù)器連接，可直接將測(cè)試數(shù)據(jù)提交給系統(tǒng)服務(wù)器；對(duì)外觀、散熱和安裝方式進(jìn)行改進(jìn)，以便于安裝在機(jī)柜內(nèi)。

上位機(jī)軟件用于光譜儀控制、數(shù)據(jù)采集與處理。為適應(yīng)工業(yè)惡劣環(huán)境，上位機(jī)軟件在通訊、調(diào)度、數(shù)據(jù)計(jì)算與界面方面都必須特別考慮，海洋光學(xué)在此有豐富的經(jīng)驗(yàn)。下面是一個(gè)工業(yè)軟件設(shè)計(jì)構(gòu)造，它有5個(gè)模塊組成：

· 調(diào)度模塊：為主程序核心，主要負(fù)責(zé)承擔(dān)各模塊之間的管理及任務(wù)調(diào)度；

· 通訊模塊：主要負(fù)責(zé)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通訊，解析通訊命令，并通過(guò)調(diào)度模塊完成相關(guān)任務(wù)，如啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)等；

· 計(jì)算模塊：計(jì)算光譜數(shù)據(jù)；；

· 底層驅(qū)動(dòng)：主要控制光譜儀、光源、電子快門(mén)、傳動(dòng)模塊等硬件設(shè)備；

· 測(cè)量模塊：根據(jù)測(cè)量時(shí)序、流程完成一個(gè)完整的測(cè)量流程；

· 數(shù)據(jù)庫(kù)：主要用于保留系統(tǒng)參數(shù)、測(cè)量歷史數(shù)據(jù)等信息；

· 用戶(hù)界面：完成用戶(hù)交互功能，主要包括系統(tǒng)參數(shù)配置，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，歷史數(shù)據(jù)瀏覽，系統(tǒng)功能測(cè)試等。

在故障維修與運(yùn)行維護(hù)方面，光源和光譜儀都采用模塊化方式安裝布置，且均對(duì)通道號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，方便找到故障的光源。并且配套的通過(guò)交換機(jī)及光譜儀上的狀態(tài)指示燈可了解是否存在網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)纜故障。軟件也能夠識(shí)別光源故障。

下圖是一個(gè)集成模塊的示例，該模塊集成了實(shí)驗(yàn)室吸光度測(cè)量的光源、光譜儀和光路部件，并帶有標(biāo)準(zhǔn)的USB和串口控制輸出端，可以由上位機(jī)軟件直接控制。整個(gè)模塊體積小巧，結(jié)構(gòu)齊全?？梢灾苯佑糜谖舛葴y(cè)量，其中光路部分也可以方便的改造成在線(xiàn)流通管道形式，以將整個(gè)模塊嵌入整套水質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)中。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果/結(jié)論】

工業(yè)光譜水質(zhì)檢測(cè)迥異于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，工業(yè)環(huán)境下，在線(xiàn)光譜分析系統(tǒng)必須充分考慮應(yīng)用環(huán)境的特殊性，各種影響因素都必須仔細(xì)評(píng)估。除了光譜儀，整個(gè)模塊及其測(cè)量附件的選擇在相當(dāng)大程度上取決于光譜儀廠(chǎng)家的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和水平，這一點(diǎn)在專(zhuān)用的在線(xiàn)分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面體現(xiàn)的更為明顯。海洋光學(xué)在該領(lǐng)域豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)將為客戶(hù)提供高價(jià)值的解決方案。