一种基于LED光源的光谱法水质监测模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，属于净水领域的水质在线监测技术领域。它包括流体室、光电室、光学探测部分、电子电路系统和透光防水密封组件。流体室与光电室之间连接透光防水密封组件实现防水分离，光学探测部分安装在电子电路系统的电路板上，透光防水密封组件包括石英片，光学探测部分包括贴片式LED、带通滤光片和光电二极管，电子电路系统包括单片机、电源模块、运放模块、低通滤波模块、模数转换和通信模块。本实用新型专利技术通过紫外光激发荧光信号来检测水中蛋白类与腐殖质类物质，通过蓝光的散射检测水的浊度，具有体积小、能耗低、成本低、灵敏快速和无需试剂的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LED光源的光谱法水质监测模块
本技术涉及市政水处理或家用净水领域的在线水质监测技术，具体涉及一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，通过紫外光激发荧光信号来检测水中，通过蓝光散射光检测水的浊度。
技术介绍
自然水体中所存在的溶解性有机物(dissolvedorganicmatter,DOM)，主要包括大分子蛋白类、中等分子量的腐殖酸、富里酸以及其他小分子物质。在饮用水处理过程中，DOM可在氯化消毒工艺中生成具有致癌作用的消毒副产物；在末端管网中，DOM可为管道中微生物的生长提供碳源，形成生物膜；此外，DOM可以螯合重金属，增强纳米粒子的分散性。各地饮用水源水中DOM含量存在较大差异；长江水系饮用水源中溶解性有机碳(dissolvedorganiccarbon,DOC)通常小于2mg/L，而江苏北部地区饮用水源水往往在5mg/L左右，甚至个别饮用水源地DOC高达9mg/L。目前饮用水厂所普遍采用的混凝-沉淀-过滤-消毒工艺，主要对其中的大分子量蛋白类物质实现有效去除，而对中等分子量腐殖质类物质去除效果较差。一些水厂采用臭氧-活性炭工艺进行深度处理，但由于成本较高，需要通过监测进出水水质进行优化。随着水质污染事件频发，末端净水技术成为饮用水安全保障的迫切需求。近年来，中国末端净水产业发展十分迅速，形成了一系列净水机品牌。目前的末端净水设备主要采用的净水方式包括：(1)PP棉过滤，目的在于去除浊度和颗粒物；(2)活性炭过滤，目的在于吸附部分有机物和重金属；(3)膜材料过滤，其中超滤膜过滤进一步截留颗粒物、胶体和微生物，对后续纳滤膜或反渗透膜起到保护作用，而纳滤膜或反渗透膜则对大部分溶解性有机物及重金属实现有效去除。末端净水市场领域竞争日趋激烈，增加净水器产品的附加功能，有利于提高品牌价值和产品附加值。其中水质在线监测功能组件成为末端净水设备领先制造商的关注热点。目前的净水机主要采用总溶解性固体(TDS)的指标评价水质监测结果，然而有害的重金属浓度往往是微量的，通常难以被TDS指标所反映。DOM的在线监测可以作为末端净水水质的重要评价方法。一方面，水中的重金属离子大多以与DOM形成的络合态存在，去除DOM的同时可以去除重金属；另一方面，DOM浓度可以反映出自来水中加氯后的消毒副产物生成水平；另一方面，溶解性有机物、医药护理品和消毒副产物等微量有毒污染物在活性炭过滤和膜滤过程中也存在相似的去除行为；此外，水中微生物的滋生会导致蛋白类荧光信号的偏高。因此，通过监测溶解性有机物的去除程度，理论上可以同时反映重金属、医药护理品和消毒副产物等微量污染物的去除水平以及进行微生物污染预警。供水管网中生物膜的脱落、管道腐蚀与破损会导致饮用水具有较高的浊度。尽管浊度比DOM更容易在净水机中实现去除，即净水器对DOM去除效率高意味着其浊度去除效率也高，但净水机厂商希望在不显著增加成本的前提下能够同时监测DOM浓度和浊度两个指标。末端净水产品对水质监测模块的要求是体积小、能耗低、成本低、灵敏快速和无需试剂。紫外法和荧光法探测DOM，无需化学试剂且灵敏快速，是最适合在线应用价值的DOM探测技术。浊度探测同样采用光学方法，可通过探测散射光或吸光度来实现定量。与化学法、电化学法等方法相比，光学法不直接接触水体，避免了潜在污染。发光二极管(LED)具有单色性好、体积小、能耗低和寿命长等优点，且其发光波长已由可见光波段拓展到深紫外波段(波长小于300nm)，近年来深紫外波段LED的发展获得突破，已具备商业化大批量生产能力，可在水质监测领域进行应用。如中国专利申请号CN201410502662.9，公开日为2014.12.10的申请案公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，中国专利申请号CN201510738667.6，公开日为2017.10.17的申请案公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用，上述两个申请案均采用了以紫外LED为光源，采用处于光路相对位置的光电二极管探测紫外吸光度值，并采用与紫外LED光路垂直位置的带通滤光片和光电二极管探测蛋白类和腐殖质类两种荧光信号。上述申请案能够保证水处理过程中的水质监测，然而嵌入到净水机系统中仍存在困难，主要在于：1)LED光源采用TO39金属封装，成本较高，难以集成到电路板上；2)为实现荧光探测，光源和光电二极管采用相互垂直的光路设计，需要两块石英片，难以实现微型化，也增加了耐压防水设计难度。中国专利申请号201810127420.4，公开日为2018.07.20的申请案公开了一种含水质监测功能的末端消毒净水组件及使用方法，其设计以消毒功能为主，采用了贴片式LED作为光源，降低了成本，但为实现杀菌效果，采用多颗贴片式LED，设计仍体积较大，而且不能够检测浊度指标。南京信息工程大学研究生王志丹在2016.06.14公开了一篇名为光学浊度传感器的设计与实现的论文，该论文系统地总结了浊度测量的基础理论和方法，目前浊度的检测方法包括透射法、散射法、比值法和表面散射法，其中散射法包括垂直散射式、前向散射式和后向散射式；浊度探测所采用的光源包括白炽灯、发光二极管LED和激光二极管。在实际应用中，由于溶解性有机物对波长小于500nm的入射光有显著的吸收作用，目前的浊度监测探头均采用>600nm的红光或红外光源进行探测，以最大程度地消除溶液色度对测量结果带来的误差。然而，由于二级瑞利散射的存在，探测荧光所用的最大波长应小于入射光波长的2倍，意味着采用红光或红外光源探测浊度和采用紫外作为激发光源来探测荧光，难以共同使用一个光电二极管及其探测电路。另一方面，采用光源峰值波长在400～550nm左右的蓝绿光可以达到较高的浊度测量灵敏度，而净水机所处理的自来水的特点是低浊度和低溶解性有机物。腐殖质荧光的发射波长范围在400～500nm内。因此，在净水领域采用400～500nm蓝光进行浊度探测不仅可以获得较高的灵敏度，而且还可以与荧光探测共用光电二极管及其放大电路，同时所受溶解性有机物的干扰较小。综上所述，在饮用水厂需要通过在线监测净水单元前后的水质来进行处理工艺的优化调整；净水机或净水系统厂商为了更好地反映净水前后的水质差异，需要在进水和出水管路上安装两个微型化的水质监测模块，同时对浊度和溶解性有机物浓度进行探测，通过差值计算，来反映净水器净水效果。
技术实现思路
1.要解决的问题针对饮用水厂或民用净水系统迫切需要在线监测水中浊度和溶解性有机物浓度的需求，本技术旨在提供一种微型化嵌入式水质监测模块，通过荧光法探测溶解性有机物浓度，通过散射光法探测浊度，具有微型化、成本低、易安装、灵敏快速等优点，可安装在水处理单元或净水机进水和出水管路，实时反映净水效果。2.技术方案为了解决上述问题，本技术所采用的技术方案如下：一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室、光电室和透光防水密封组件，所述的流体室、透光防水密封组件、光电室依次连接，所述的光电室内包括光学探测部分和电子电路系统，所述的光学探测部分安装在电子电路系统的电路板上，其中光学探测部分提供光源及将荧光与散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统对电信号进行处理后输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室(1)、光电室(2)和透光防水密封组件(5)，其特征在于：所述的流体室(1)、透光防水密封组件(5)和光电室(2)依次连接，所述的光电室(2)内包括光学探测部分(3)和电子电路系统(4)，所述的光学探测部分(3)安装在电子电路系统(4)的电路板上，其中光学探测部分(3)提供光源及将荧光或散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统(4)对电信号进行处理后输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室(1)、光电室(2)和透光防水密封组件(5)，其特征在于：所述的流体室(1)、透光防水密封组件(5)和光电室(2)依次连接，所述的光电室(2)内包括光学探测部分(3)和电子电路系统(4)，所述的光学探测部分(3)安装在电子电路系统(4)的电路板上，其中光学探测部分(3)提供光源及将荧光或散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统(4)对电信号进行处理后输出。2.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的光学探测部分(3)包括贴片式LED(301)、带通滤光片(302)和光电二极管(303)，贴片式LED(301)和光电二极管(303)并列设置于电路板一(41)上，且贴片式LED(301)的光可以照到光电二极管(303)的上方，带通滤光片(302)封装在光电二极管(303)的表面。3.根据权利要求2所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的光电二极管(303)设置在电路板二(42)上，带通滤光片(302)封装于光电二极管(303)表面，电路板一(41)上正对于带通滤光片(302)处开孔以使带通滤光片(302)穿过该孔，贴片式LED(301)设置在电路板一(41)上，且贴片式LED(301)的光可以照到光电二极管(303)的上方。4.根据权利要求2或3任意一项所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的贴片式LED(301)的光源为单色紫外LED光源或紫外+蓝光复色组合封装LED光源或紫外LED+蓝光LED双光源。5.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的单色紫外LED光源所选用的波长范围为250～370nm。6.根据权利要求5所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的单色紫外LED光源采用中心波长为280±5nm或310±5nm或330±5nm或365±5nm的紫外LED芯片。7.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的复色组合封装LED光源是将紫外波长250～370nm范围内的LED芯片和蓝光波长40...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文涛，张光延，吴亚萍，李雨轩，季闻翔，李爱民，庄建军，左延婷，余维敏，李燕，吴吉春，张志俭，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32