一种基于光谱吸收的水质色度检测方法技术

本发明专利技术提出一种水的色度测量的新方法。该方法以光学纯水作为基本的参照物，将装样水的吸收池和装纯水的吸收池分别置于测试光路中，测出相应的透过率，两者之比作为待测样水的光谱透过率。按色度学方法计算三刺激值，再计算试样水与光学纯水的色差，此色差值就作为试样水与光学纯水颜色差异的量化值。通过对系列铂钴标准溶液的实际测量，建立色差值与标准法中的色度值之间的关系。由于色差值是相对光学纯水的，与铂钴标准溶液的色调无关，所以这种方法可应用于任意实际水体的色度测量。本方法不仅能得到与现行标准方法一致的结果，而且可以避免人的主观判断对测量结果的影响，适应性更广，也更加科学合理。

Water quality chromaticity detection method based on spectral absorption

The invention provides a new method for measuring the chromaticity of water. In this method, the optical pure water as the basic reference, absorption pool will be installed like water absorption and water respectively in the test tank installed in the light path to measure the transmittance of the sample, as the ratio of water spectral transmittance. The three stimulus value is calculated by colorimetry, and the color difference between sample water and optical pure water is calculated. This color difference is used as the quantized value of color difference between sample water and optical pure water. Through the actual measurement of a series of platinum cobalt standard solutions, the relationship between the color difference value and the chromaticity value in the standard method is established. Since the color difference value is relative to the optical pure water, it is independent of the hue of the platinum cobalt standard solution, so this method can be applied to the measurement of the chromaticity of any actual water body. The method not only can obtain the result consistent with the current standard method, but also can avoid the influence of subjective judgment of the human to the measurement result, has wider adaptability and is more scientific and reasonable.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱分析技术和色度测量技术，主要应用于饮用水、工业废水以及各种水溶液的色度检测。
技术介绍
按现行水质色度检测的国家标准(GB/T 11903-1989)，色度测定的方法主要有两种一是钼钴比色法，适用于与钼钴溶液色调(即黄色调)相近的水，如比较清洁的地面水、地下水和饮用水等；二是稀释倍数法，适用于各种色调，如污染较严重的地面水和工业废水。前者用氯钼酸钾和氯化钴配制色度标准储备液(原液)，再用不同比例的光学纯水稀释作为不同等级的颜色标准溶液，与被测样品进行目视比较以测定样品的颜色强度即色度，单位为度。后者是将样品用光学纯水稀释，至用目视比较与光学纯水相比刚好看不见颜色时的稀释倍数作为表达颜色的强度，单位为倍。虽然稀释倍数法适用各种色调的水体测量，但由于“刚好看不见颜色”很难把握，所以一般是在不能用钼钴比色法测量时才用稀释倍数法。上述两种方法都是基于人眼的主观判断，有很大的局限性。钼钴比色法中，钼钴标准溶液为浅黄色调，如果样品色调与之不同就无法测量，而且色度5 25度区别不明显，不易判别，人为误差大。稀释倍数法中，因水样色调差异大，不同颜色色调对视神经刺激反应不同，判别时难免带有个人的主观随意性，结果有很大的不确定性。即使同一个人在不同的照明条件(标准中没有明确规定照明光源和照明方式)或身体状况(是否疲劳)等也会得出不同的结果。为避免人的主观判断对测量结果的影响，人们开展了用分光光度计对水的色度测量的研究。目前文献报道的用分光光度计测量色度的办法，都是通过实验建立特定波长 (一般是最大吸收波长)下的吸光度与色度的拟合关系，由吸光度决定色度的。这实际上是以这样的假设为前提，即废水的颜色色系基本不变而只是深浅有差异，因而对于同一色系的水样其最大吸收波长基本不变。但是，实际废水的污染成分是复杂的，不同的物质有不同的吸收谱，在特定波长建立的吸光度与色度的关系，当污染成分稍有变化时就不能使用，所以单一波长的吸收特性决定色度的方法在污染控制中难有实用价值。新的水的色度测量方法要能实际应用，必须满足以下要求首先是一致性要求，即测试结果要与现行标准方法得到的结果一致。即使测量物体色的其他方法能测出水的颜色，甚至可以得到完整表示颜色的三个参数，如(R，G，B)，或(X，Y，Z)，或(x，y，Y)，或(L*， a*，b*)等，但若这些参数不能转换成标准方法中的色度值，则这种方法就不能取代标准的色度测量方法。其次是客观性要求，即测量结果受人为因素的影响要小。第三是普适性要求，即测量的方法能适应各种水体的测量。要与现行标准方法的结果一致，须仔细研究现行标准中的两种方法。在钼钴比色法中，用纯水稀释色度标准储备液，形成颜色深浅不同的标准溶液，以备样品与之比对；在稀释倍数法中，用纯水稀释待测样品，使之颜色越来越“淡”。两种方法都隐含着纯水是无色透明的，可作为基本的参照物。纯水无色透明不等于说测量时就没有光的损失，实际上液体都是放在吸收池里进行透光测量的，光通过吸收池依次经历4个界面空气/玻璃，玻璃/液体，液体/玻璃，玻璃/空气，即使玻璃对可见光完全透明，但每个界面都有光的反射，设各界面的透射率依次为、、t2、t3、t4，液体的透过率为ta，则整个吸收池的透过率为T = tit2tat3t4。界面透射率tpt2、t3、t4取决于界面两侧材料的折射率，所以、和t4只与空气及玻璃的折射率有关， 与吸收池装什么液体无关。实际上，试样水和纯水的折射率一般相差很小，所以两种情况的 t2、t3相差不大。于是，若吸收池分别装试样水和纯水时测出透过率为T#、！^，则！^/!^ ^ 而纯水对可见光几乎不吸收，即t@ 1，所以1#与1^的比值就反映了试样水在消除界面反射影响后的实际光吸收。在标准中将色度解释为颜色的强度，但在色度学中却找不到相应的解释。从污染的角度看，水体的成分偏离纯水越多，则污染可能越严重，“色度”就是从颜色的角度描写水体与纯水的差异，所以用试样水与纯水的色差来描写水的色度是十分合理的。实际上我们发现，如果将待测的试样水与纯水的颜色差异进行适当的量化，则此“量化值”与标准方法的“色度值”之间是高度相关的。所以，本方法不仅能得到与现行水质色度测试标准方法相一致的结果，而且适应性更广，也更加科学合理。一旦测量系统标定后，就不需要标准物质， 适合于现场检测或在线检测，这对于水污染的监控具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种适用饮用水、工业废水以及各种水溶液的色度检测方法。主要内容是1、试样水的光谱透过率测试方法和颜色差异的量化方法。取两个结构、尺寸完全相同的玻璃(或石英)吸收池，一个装试样水，一个装光学纯水，分别置于光路中测出可见光光谱区各波长的透过率T#(t)和T@(t)，其比值l(t) =T#(t)/T^(t)就作为试样水的光谱透过率。由色度学公式计算三刺激值(X，Y，Z)，再计算试样水与光学纯水的色差ΔΕ， 此色差值就作为试样水与光学纯水颜色差异的量化值。2、建立色差值与标准法中的色度值之间的关系。取系列参考水样品(如钼钴比色法中的标准液)，按第1条的方法确定各种样品的色差AEiG = 1,2,3,…，N)，再按标准法测色度值Ci，按回归法建立回归关系Ci = f (AEi)3、对任意实际水样，按第1条确定色差值ΔΕ，再按第2条建立的关系计算色度值 C04、选择不同的吸收池长度可扩大色度的测量范围、提高测量准确度。实验发现，色差值△ E取决于吸收池长度D与色度C的乘积。于是，水样色度大时选择较短的吸收池，水样色度小时选择较长的吸收池，使光谱透过率处于测试仪器的敏感范围。附图说明图1为光谱透过率测量的基本结构示意图。图中，1为可见光光源，2为单色器，3 和4都为吸收池，5为检测器，6为数据采集与处理设备。图2为钼钴标准储备液(相当于500度)通过Icm长的吸收池时吸光度随波长变化的曲线，光谱透过率l(t)与吸光度A(t)的关系为l(t) = 10_Αω。不同色度的钼钴标准溶液都是500度的标准储备液按比例稀释而成的。具体实施例方式以下对本专利技术的技术方案作进一步描述。图1所示的装置可用分光光度计实现， 或者由光纤光谱仪配可见光光源、吸收池或光纤吸收头组成，也可由适当的光学与电子组件搭建，只要光谱数据正确，得到的结果是相同的。光谱数据正确性可以通过测试钼钴标准储备液并与图2的曲线对比来判断。虽然图2中的曲线是针对特定参数的，但实验表明，钼钴标准溶液的吸光度服从朗伯-比耳定律，所以由图2的曲线可推测其他参数的情况。由图2看出，短波侧有很强的吸收，随着波长增加迅速下降。波长大于550nm时，吸光度值已很小。而人眼对550nm附近的光谱最敏感，因此，要提高钼钴标准溶液色度测量的准确性， 需要有适当的光吸收长度，特别是色度较低时采用5厘米或10厘米长的吸收池较合适。颜色测量与观察条件、照明条件密切相关，但现行水质色度测试标准并没有对观察和照明条件作出严格的规定。CIE1931标准色度观察者数据适用于2°视场的中央视觉观察条件，对于大于4°视场的观察范围采用CIE1964补充标准色度观察者数据较合适。 而照明所用白光光源可有多种选择，常用标准C光源和D65光源。至于色差公式则更多， CIE1976(L本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于光谱吸收的水质色度检测方法，其特征在于：将装样水的吸收池和装纯水的吸收池分别置于测试光路中，测出相应的透过率，两者之比作为待测样水的光谱透过率；按色度学方法计算三刺激值，再计算试样水与光学纯水的色差，此色差值就作为试样水与光学纯水颜色差异的量化值；通过对系列铂钴标准溶液的实际测量，建立色差值与标准法中的色度值之间的关系；将这种关系推广到任意待测水样，由待测水样与纯水的色差值计算其色度值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈为民，余潘，黄杰，赵晓伟，徐贲，余庆，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：86