化學需氧量監測儀的設計

孔祥飛 孫曉峰 王松亭 紀永剛 陳秀華 劉承文

【摘 ?要】本文闡述一種雙光束水質COD在線檢測傳感器，利用本體上設有UVLED陣列、測量光室、參考光室和檢測光路;利用光束A采集COD值，建立神經網絡模型，利用光束B來修正和補償關干擾量。并最終綜合由所述神經網絡模型計算COD值。本設計能提高光譜在線檢測的測試精度和對水質變化的抗干擾性。

一、引言

在水質檢測中，化學需氧量（COD）是一項重要的水質指標，它反映了水體受還原性有機物的污染程度，由于水體中的還原物質主要為有機物，因此COD也反應了水體受有機物的污染程度。COD的值越小，說明水質受有機物污染程度越輕。在《地表水環境質量標準》、《生活飲用水水源水質標準》、《生活飲用水衛生標準》等國家標準中都對COD濃度限制做出了明確的規定，因此對COD的準確、方便、快速檢測非常重要。

目前，COD的檢測方法有化學方法和物理方法，其中化學方法主要是重鉻酸鹽法（GB11914-89）和高錳酸鹽法（GB11892-89），這些方法存在著測量時間長、需要消耗試劑、存在二次污染、使用成本高等缺點。物理方法主要采用紫外-可見（UV-VIS）吸收光譜法，具有實時、快速、在線、免試劑、低成本、高可靠、無二次污染等優點，易于長期安全穩定運行。

二、整體設計方案

我們利用UVC吸收光譜法進行COD的物理方法檢測，但因為水中不同組分對吸收光譜的影響波段往往存在交叉敏感區域，使得檢測過程相互干擾，造成測量偏差。如水體中的濁度會影響COD的預測，因為實際水樣中存在的懸浮顆粒會對光的散射、吸收產生水體濁度，盡管COD的吸收峰在紫外波段，但濁度會影響UVC全波段的吸收特性并且在紫外區對光有較強衰減作用，因此濁度補償尤為重要。

因此針對濁度作為COD測量的重要影響，我們通過模擬建模對比的方法修正吸收光譜、以此來消除濁度對COD檢測的誤差值。在檢測過程中采用雙頻多段陣列UVLED光源進行大量的測試數據及數學實驗模型支持，并考慮水物質組成的相互影響機制，故而得到多種相對于濁度溶液的吸收光譜曲線修正偏差，故此選用這種更優的濁度補償方法提高COD的檢測精度。

本傳感器設計采用了測量光和參考光的比對實現了雙頻陣列光束探測，將傳感器浸入到測量溶液中去，實現了對水質的浸入式、在線檢測，參考光室配置標準溶液，采用測量光室和參考光室的比對以提高測量結果的精度，系統整體結構如圖1所示。

在設計中我們把電源DC12V直流電壓轉化成為UVLED陣列所需要的恒流源，驅動UVLED陣列發光，UVLED陣列經過聚光鏡把光源耦合到入射透鏡，入射透鏡經過陣列重新排布后傳輸到測量光室時經過準直鏡耦合到其中，光通過測量光室被池中溶液吸收后，被聚光透鏡耦合后傳輸到接收器進行測量分析。

UVLED需要采用恒流源驅動（如圖2），采用12V直流電源供電，通過LM7806進行電壓調節。恒流輸出通過MHL7136來實現。MHL7136是一款LED線性降壓恒流集成電路，它的輸入電壓在2.7～18V，可以提供10mA～1A之間可調的輸出電流恒流驅動UVLED。

UVLED陣列選取所需光譜的LED燈通過并聯排列成為LED陣列，以提供所需紫外光譜段的光源。LED這種光源具有體積小、功耗低、壽命長、工作穩定，以UVLED陣列作為光源使得傳感器結構大大簡化，并且大大減小了光源的體積和重量。

三、模型計算

基于光譜法COD檢測的濁度補償方法，我們采用將濁度標液和COD標準溶液混合，得到COD濃度為50mg/L，濁度值分別為0、5NTU、10NTU、20NTU、30NTU、40NTU和50NTU的混合溶液作為待測液體，通過測得當前濁度作用時的吸收光譜，分別獲取濁度分別為5NTU、10NTU、20NTU、30NTU、40NTU和50NTU的濁度標準液的吸收光譜，將每條吸收光譜進行歸一化處理，得到經過歸一化后的濁度吸收光譜圖。

不同濁度的曲線形狀大致相同，隨著濁度的增大曲線呈整體的放大，表示處理后光譜曲線特性經過式（1）處理后的歸一化曲線，發現不同濁度的歸一化光譜曲線基本重合，可以用其平均光譜作為歸一化線型函數來表征濁度標準液的歸一化吸收光譜。

我們通過建模及補償，COD在特征頻率處的吸收峰逐漸被淹沒以致無法識別，并且濁度的加入帶來的漂移和峰降值都較為明顯好轉;補償后混合液的吸收光譜與COD標準液的吸收光譜幾乎重合，補償效果較好。

四、結論

本傳感器設計采用了測量光和參考光的比對實現了雙頻陣列光束探測，將傳感器浸入到測量溶液中去，實現了對水質的浸入式、在線檢測，多頻段光譜比測量以提高測量結果的精度。根據基于絕大部分有機物在紫外波段的吸收光譜上皆有所反映，但不同有機物在紫外波段同一波長處，以及相同有機物在紫外波段不同波長處的吸光度是不同的原理，采用多個LED陣列光源形成連續波長，實現對水質COD的連續波長檢測，可大大提高測量精度，使測量更加便捷。

參考文獻：

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