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专利名称：水质监测的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种水质监测的装置及方法，尤其是适合于远程实时自动监测污水与自然水水质色度的传感器技术与方法，属于环境监测技术领域。
背景技术：
水污染防治面临的一个紧迫问题是如何实时自动监测排污企业废水是否达标排放，对超标排放废水的事件、突发水资源被污染的事故进行及时的自动监测和报警，以便环保监察部门能够依法治水、及时控制和消除事故带来的后果。之所以这样认为是因为有些排污企业出于自身经济利益的考虑，或责任心不强，虽然花费巨资安装了废水处理设备，却总是有意或无意不投入正常运行，治污设备成了蒙骗和敷衍环境监察部门的摆设。另外，水资源被污染的突发事故也时有发生。环境监察部门并不缺少水质检测设备和手段，缺的是无人职守、在现场对水质，尤其是流水水质的实时自动监测与报警技术。这种技术要求监测的参数不一定很多，精度不一定很高，但要求能够自动判断水质(例如水的色度、浑浊度、PH值或化学需氧量COD值)是否发生异常变化，设备运行和维护容易、抗流水、天气或其他现场因素干扰能力强、造价低廉。一旦它监测到水质发生异常变化就能自动报警，方便环保监察人员及时到现场进一步取证检测，并依法制止和处罚违法排放行为，或控制事故后果的蔓延。
清洁纯净的自然水是无色透明的，换句话说，有色或混浊的水是受污染或排污不达标的水。在所有水污染中有机物的污染占很大比例，几乎所有有机物在215-316nm一带都有各自的吸收特征，利用紫外吸收光度计法，可以测试总有机物含量。因此色度、浊度和COD(化学需氧量)值是水质监测的重要指标。现有检测水质色度与浊度的方法主要有目视比色法和分光光度法(包括光谱测定法和紫外吸收光度法)。前者简单直观，但误差大，不适合自动测量；后者可作定量和准确的测量，而且测量水质的参数多，可对污染物综合性指标和特殊水质指标进行检测，性能稳定，已广泛应用于水质在线检测中(参见王安，谢宇，梁柱，“水中色度测定的研究”，中国环境监测，第16卷，第2期，2000年，第37页)。但现有的分光光度法不适合用于远程水质的实时自动监测，不适合监测流水水质，容易受天气和现场环境的影响，设备较昂贵。另外，曾经有一种基于有色光学玻璃滤光片与硅光电池组合而成的液体色敏传感器的报道(参见陈家胜、季鑫源，“采用光纤传导的液体色传感器的设计”，传感器技术，2002年第21卷第9期，第21页；陈家胜，“采用光纤传导的液体色测量装置”，实用新型专利，ZL 02220059.2)。它采用脉冲氙灯照明、光纤束传光和光电积分法进行测量。由于脉冲氙灯的发光不稳定，需要对脉冲氙灯的发光强度进行监测。因此，该色敏传感器采用了双光路结构。其一光路为测量光路，另一光路为监测光路(参见陈家胜、季鑫源，“采用光纤传导的液体色传感器的设计”，传感器技术，2002年第21卷第9期，第21页；陈家胜，“采用光纤传导的液体色测量装置”实用新型专利，ZL 02220059.2)。这种传感器能较准确地测量色度，能进行现场自动测量，但所用色敏传感器需要三个覆盖光学滤光片的光电池，测量系统的光路较复杂、光源耗电大，抗液体扰动和其他现场因素的干扰的能力差，若用到无人职守的现场作污水或自然水(尤其是流水)水质的实时自动监测与报警有许多困难。

发明内容
(1)发明目的提供一种监测水质的装置及方法。它能监测水质色度(包括紫外吸光度)、浊度的变化，适合用于远程实时自动监测因重金属、染料及有机物等污染引起的水质异常变化和报警。
(2)技术方案一种监测水质的装置，其特征是它包含具有两个特定峰值波长的光源、带信号输入输出光纤的光学探头及可测量准单色光中心波长的半导体光波长探测器。光源发出的两个特定峰值波长的光经由信号输入光纤进入光学探头，经过所要监测的水后，光信号由光学探头的输出光纤引出，由半导体光波长探测器检测。
两个有特定峰值波长的光源可以是两个半导体发光二极管、两个半导体激光二极管或一个紫外灯加两个窄带光学滤光片。若用发光二极管作光源，可以在发光二极管与光学探头之间加或不加窄带光学滤光片。
所述光学探头如图1或图2所示。它包含腔体，光信号输入、输出光纤，光学透镜，固定光纤、透镜的支架，它还可以包含光学反射镜，水能进入所述探头腔体内，所述腔体能遮蔽外界杂散光。所述光学探头构成光学通路。即入射光经由输入光纤进入探头的腔体内，经过透镜和被监测的水后，透射光(如图1所示)或反射光(如图2所示)被耦合进入光学探头的输出光纤，输出光信号由半导体光波长探测器检测。
所述半导体光波长探测器由两个背靠背的半导体p-n结光电二极管组成，所述两个p-n结沿与被探测光信号入射方向对准排列(参见附图3)。工作时所述两个p-n结光电二极管同时探测光信号。所述半导体光波长探测器可以具有p-n-p结构(参见附图3)，也可以具有n-p-n结构，或由这二种基本结构构成的其它变种结构。制作所述光波长探测器的半导体材料可以是硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟等半导体材料或与它们相关的异质结半导体材料。
监测水质的方法是光学探头放置在被监测的水中或水管中，水进入所述的探头腔体内。具有两个特定峰值波长的光通过光耦合器(例如二合一光纤耦合器)或一根传光束，从光学探头的输入光纤进入探头，经过被监测的水后，透射光(如图1所示)或反射光(如图2所示)被光学探头的信号输出光纤引出，再由所述的半导体波长探测器检测。半导体光波长探测器工作时，所述的两个p-n结光电二极管同时探测光信号，所述两个p-n结光电二极管光电流之比用来监测水质的色度(包括紫外吸光度)，所述两个p-n结光电二极管光电流的大小用来监测水质的浊度。
一旦水质的色度(包括紫外吸光度)发生改变，经过被监测水的光会发生选择吸收，导致从光学探头输出的光信号的中心波长发生改变。或者，一旦水质的浊度发生改变，经过被监测水的光的透射率会发生改变，导致从光学探头输出的光信号的强度发生改变。光波长探测器检测到信号光中心波长或强度发生改变后，可通过控制电路发出报警信号。
(3)有益效果这种水质监测装置及方法适合应用于远程实时自动监测污水或自然水水质的色度、浊度和COD值，抗流水、天气或其他现场因素干扰的能力强、功耗低、运行和维护容易、结构简单、造价低廉。
四

图1透射型光学探头示意图。1-输入、输出光纤，2-光学透镜，3-固定支架，4-腔体。
图2反射型光学探头示意图。1-输入、输出光纤，2-光学透镜，3-固定支架，4-腔体，5-光学反射镜。
图3半导体光波长探测器结构示意图。
五具体实施例方式
本发明在实施时，光学探头放置在被监测的水中或水管中，被监测的水能够进入光学探头内的光学通路里。两个有特定峰值波长的光源发出的光由光学探头输入光纤进入探头，经过被监测的水后，信号光由光学探头的输出光纤引出，再由半导体光波长探测器检测。
所述两个有特定峰值波长的光源可以是两个半导体发光二极管或两个半导体激光二极管或一个紫外灯加两个窄带光学滤光片。若用发光二极管作光源，在发光二极管与光学探头之间可以加也可以不加窄带光学滤光片；两路特定峰值波长的光通过二合一光纤耦合器，从光学探头的信号输入光纤进入探头，经过透镜和被监测的水后，透射光被透镜收集并直接耦合进入光学探头的信号输出光纤(如图1所示)；或者两路特定峰值波长的光通过一根传光束，从光学探头的信号输入光纤进入探头，经过透镜和被监测的水后，被一个反射镜反射，反射光被透镜收集并耦合进入光学探头的信号输出光纤(如图2所示)；所述半导体光波长探测器由两个背靠背的半导体p-n结光电二极管组成，所述两个p-n结沿与被探测光信号入射方向对准排列(参见附图3)。工作时两个p-n结光电二极管同时探测和读取光信号。所述半导体光波长探测器可以具有p-n-p结构(参见附图3)，或者具有n-p-n结构，或由这二种基本结构构成的其他变种结构。制作所述光波长探测器的半导体材料可以是硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟或与之相关的异质结半导体材料。所述两个p-n结光电二极管光电流之比用来监测水质的色度(包括紫外吸光度)，所述两个p-n结光电二极管光电流的大小用来监测水质的浊度。
需要说明的是，上述实施例仪为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种新型水质监测装置，其特征是它包含具有两个特定峰值波长的光源、带信号输入输出光纤的光学探头及可测量准单色光中心波长的半导体光波长探测器。两个特定峰值波长的光源发出的光经由光学探头的输入光纤进入光学探头，经过所要监测的水后，透射光信号由光学探头的输出光纤引出，由半导体光波长探测器检测。
2.根据权力要求1所述两个特定峰值波长的光源，其特征是两个有特定峰值波长的半导体发光二极管、两个有特定峰值波长的半导体激光二极管或一个紫外灯加两个窄带光学滤光片。
3.根据权力要求1所述带信号输入输出光纤的光学探头，其特征是它包含腔体，光信号输入光纤、光信号输出光纤，光学透镜。它还可以包含光学反射镜。水能进入所述探头腔体内，所述腔体能遮蔽外界杂散光。
4.根据权力要求1和3所述带信号输入输出光纤的光学探头，其特征是它构成一个光学通路，信号光经由输入光纤进入探头的腔体内，经过透镜和被监测的水后，透射光被另外的透镜收集并分别直接耦合进入光学探头的输出光纤；或者透射光被反射镜反射，再由透镜收集并耦合进入光学探头的信号输出光纤。
5.根据权力要求1所述半导体光波长探测器，其特征是它由两个背靠背的半导体p-n结光电二极管组成，所述两个p-n结沿与被探测光信号入射方向对准排列，所述两个p-n结之间夹一导电层(称为中间层)，所述两个p-n结的外导电层制有电极、所述导电中间层也制有电极。
6.根据权力要求1和5所述半导体光波长探测器，其特征是具有p-n-p结构，或者n-p-n结构，或由所述p-n-p或n-p-n基本结构组成的其它变种结构，包括含有所述基本结构或变种结构的集成光电子线路。
7.根据权力要求1、5和6所述半导体光波长探测器，其特征是制作所述探测器的半导体材料为硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化钢或与它们相关的异质结半导体材料。
8.一种使用权利要求1所述水质监测装置监测水质的方法，其特征是如权力要求1、3和4所述的光学探头放置在被监测的水中或水管中，水进入所述探头腔体内的光学通路里，由权力要求1和2所述具有两个特定峰值波长的光通过光耦合器从所述光学探头的信号输入光纤进入探头，经过被监测的水后，信号光由所述光学探头的信号输出光纤引出，再由如权力要求1、5、6和7所述的半导体光波长探测器检测。
9.根据权利要求8所述的水质监测方法，其特征是如权力要求1和8所述的半导体波长探测器工作时，如权力要求5所述的两个p-n结光电二极管同时探测光信号，所述两个p-n结光电二极管光电流之比用来监测水质的色度(包括紫外吸光度)，所述两个p-n结光电二极管光电流的大小用来监测水质的浊度。
全文摘要
本发明提供一种新型水质监测的装置及方法。它由具有两个特定峰值波长的光源、带信号输入输出光纤的光学探头以及一个半导体光波长探测器组成。光学探头放置在被监测的水中或水管中。两个特定峰值波长的光通过光耦合器从光学探头的信号输入光纤进入探头，经过被监测的水，透射光被光学探头的信号输出光纤引出，再由所述半导体光波长探测器检测。所述水质监测装置及方法适合应用于远程实时自动监测水质色度(包括紫外吸光度)、浊度的变化，抗流水、天气或其他现场因素干扰的能力强、功耗低、运行和维护容易、结构简单、造价低。
文档编号G01N21/33GK1677087SQ20041003075
公开日2005年10月5日 申请日期2004年4月2日 优先权日2004年4月2日
发明者韩德俊 申请人:北京师范大学