管道式水质分析仪及其检测方法

1.本发明属于水处理领域，涉及一种水质分析仪器及检测方法，更具体地说，涉及一种用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪及其检测方法。


背景技术：

2.近年来，膜法水处理技术因其出水水质高、占地面积小、病原体去除率高等优势，逐步应用于水处理领域。但在实际工程应用中颗粒或尖锐物与膜表面摩擦、水流冲击作用、膜材料老化等都会引起膜组件的破损，膜组件完整性一旦被破坏将造成严重后果，原水中的大分子有机物，胶体，细菌，病毒等微生物将会通过破损位置进入到出水侧，影响出水水质。因此，如何及时有效地检测膜破损，确保膜完整性对于饮用水安全、污水达标排放尤为重要。
3.目前膜完整性监测技术主要分为直接检测与间接检测：
4.(1)直接检测法直接作用于膜组件或者膜本体，以测试膜组件或膜本体是否完整，灵敏度较高，适合于对单个组件的检测，但工作量大，不能进行在线检测；
5.(2)间接检测方法主要是借助膜过滤过程中膜截留与分离性能的变化间接反映膜的完整性，更适合对于系统漏损发生的判定和预警，操作简单，但是灵敏度不高。
6.现有荧光光谱技术可以根据激发波长和发射波长变化的情况得出完整的光谱信息，具有灵敏度高，选择性强，无需引入化学试剂等优点。膜过滤可以显著减少原水中类蛋白质成分，即对类色氨酸物质截留效果较好，一旦膜丝破损，出水水质中类色氨酸峰值显著提高，因此类色氨酸物质可以作为检测膜破损指标。但是传统台式荧光分光光度计仪器较大，需要专人操作，很难适用于工程化的膜过滤系统，成本相对较高。为此考虑结构简单的利用荧光光谱技术的膜组件完整性检测装置及方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出了一种用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪及其检测方法，所述水质分析仪直接外接待检测膜组件的进水处和出水处，通过固定激发波长的荧光发射光谱响应技术对水处理过程中的膜过滤水质进行检测，从而判断膜组件完整性，检测快速、灵敏度高、操作简单。
8.一种用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪，包括光元件仓，电气仓和通道；所述通道为透明或半透明玻璃材质制作，用于流经待检测水；检测时所述通道的两个端部竖直设置，下端为进水口，其通过快速接头与待检测膜组件的出水处设置的旁路连接；上端为出水口；所述通道的侧壁上有两个孔分别用于连通光元件仓和电气仓；所述光元件仓和电气仓沿所述通道轴向垂直设置于通道相邻的侧壁上，且二者的轴心位于同一水平线上；
9.所述光元件仓具有外壳，外壳一端与通道固定连接，另一端与散热风扇固定连接；所述外壳内从通道方向向外依次设置有凸透镜、led激发光源和散热风扇，所述凸透镜的凸面朝向通道，所述led激发光源为275
±
10nm的led激发光源，通过其光源开关进行开闭控
制；所述led激发光源发射的激光射入凸透镜，通过凸透镜聚焦后照射到通道的玻璃壁，激发流经通道的待测液体产生荧光；
10.所述电气仓具有外壳，外壳一端与通道3固定连接，所述外壳内从通道方向向外依次设置有滤光片和探测器，所述探测器光敏面朝向滤光片一侧；所述探测器与led激发光源呈90度角排布，将流经通道的待测水被激发后产生的荧光信号通过滤光片去除杂散光之后，进入探测器，所述探测器收集信号并转换为可读取的电信号，之后通过检测系统对电信号进行处理完成检测。
11.利用所述管道式水质分析仪的检测方法，包括：
12.步骤一：膜系统过滤前进水测试
13.打开总开关，打开275
±
10nm的led激发光源的光源开关，调节待测样品以0.1-0.2l/h流速流过玻璃材质通道，紫外光源照射到玻璃材质通道后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器的光敏探测器接收，读取检测值t
max
；
14.步骤二：检测基准设定
15.将所述水质分析仪的进水口安装在一个完整的膜组件的出水口处，仪器通道内形成水由下向上的运动状态，调节待测样品流速流过玻璃材质过水通道，打开275
±
10nm的led激发光源，紫外光源照射到通道后，激发后的荧光经过340
±
10nm带通滤光片被探测器的光敏探测器接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值；
16.步骤三：判断膜组件完整性
17.将所述水质分析仪的通道的进水口安装在待检测的膜组件的出水口处，形成水由下向上的运动状态，调节待测样品流速流过所述通道，紫外光源照射到所述通道后荧光物质激发，激发后的荧光通过340
±
10nm带通滤光片滤光后被探测器的光敏探测器接收，记录值t1，此t1值为膜系统运行时出水检测值；当t
max
≥t1＞t0，即可认为过滤水质发生变化，膜组件出现破损，需要维修或者更换膜组件。
18.进一步的，所述光元件仓和电气仓均为一体化可拆卸结构。
19.进一步的，所述光元件仓和电气仓与通道的连接处均进行遮光处理；且所述光元件仓和电气仓均采用黑色单面磨砂亚克力板制作的圆筒形外壳使其与其他部分进行物理隔离。
20.进一步的，在所述通道下端的进水口设置流量控制阀控制通道内的水流流速。
21.相较于现有技术，本发明所述的用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪及其检测方法的有益效果是：
22.本发明采用管道式结构设计，测试时直接安装在待检测的膜组件出水口处，通过对出水中的物质检测反应膜的完整性状态，无须大型检测设备；
23.为了保证整套系统的工作稳定可靠，电气仓与光元件仓进行了物理隔离；整个装置采用稳定的纯机械式结构，且体积和重量远远小于传统台式荧光光谱仪，便于直接外接在管路上；
24.测试时本发明能够直接连接待检测的膜组件出水口，可对膜完整性进行实时监测，膜一旦出现破损，蜂鸣器报警，管理员能够及时的发现膜破损的问题；避免现有的水质分析仪器存在着检测时膜已经发生破损，此时出水水质已受污染的情况。
附图说明
25.图1是本发明所述管道式水质分析仪的外部结构示意图；
26.图2是图1所示的水质分析仪的俯视爆炸图；
27.图3是本发明所述管道式水质分析仪的侧视爆炸图；
28.图4是本发明所述检测方法的流程图。
29.其中：
30.1：光原件仓，2：电气仓，3：通道，4：led激发光源，5：凸透镜，6：探测器，7：带通滤光片，8：散热风扇，9：快速接头
具体实施方式
31.下面通过结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理。
32.如图1所示，一种用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪包括光元件仓1，电气仓2和通道3；所述通道3为透明玻璃材质制作，用于流经待检测水，所述通道3的两端连接φ8pu管快速接头，接头处分别连接φ8pu管。在膜组件出水处设置旁路，所述通道3的底端通过所述pu管连接旁路进水，所述通道3的顶端作为出水口，在下端进水处设置流量控制阀控制通道3内的水流流速。所述通道3的侧壁上有两个孔分别用于连通光元件仓1和电气仓2。所述光元件仓1和电气仓2沿所述通道3轴向垂直设置于通道相邻的侧壁上，且二者的轴心位于同一水平线上。
33.所述光元件仓1和电气仓2为了便于调试均设计为一体化可拆卸结构。所述光元件仓1和电气仓2采用黑色单面磨砂亚克力板制作的圆筒形外壳使其与其他部分进行物理隔离，其与通道3的连接处均使用黑色即时贴在通道3外壁所在的连接处包裹进行遮光处理，避光性能良好，有效遏制了荧光信号的逃逸、耗散对系统测量结果的不良影响。
34.如图2至图4所示，所述光元件仓1具有一黑色单面磨砂亚克力板制作的圆筒型外壳，外壳一端与通道3焊接固定且使用黑色即时贴在连接处进行遮光处理，另一端与散热风扇8固定连接。所述外壳内从通道方向向外依次设置有凸透镜5、led激发光源4和散热风扇8，所述凸透镜5的凸面朝向通道3，所述led激发光源4为275
±
10nm的led激发光源，通过其光源开关进行开闭控制；电源由外部插座提供电源。所述led激发光源4发射的激光射入凸透镜5，通过凸透镜5聚焦后照射到通道3的玻璃壁，激发流经通道3的待测液体产生荧光；
35.所述电气仓2具有一黑色单面磨砂亚克力板制作的圆筒型外壳，外壳一端与通道3焊接固定连接，且使用黑色即时贴在连接处进行遮光处理，所述外壳内从通道方向向外依次设置有滤光片7和探测器6，所述探测器6光敏面朝向滤光片7一侧。所述滤光片7为340nm带通滤光片；所述探测器与led激发光源4呈90度角排布，将流经通道3的待测水被激发后产生的荧光信号通过滤光片7去除杂散光之后，进入探测器，所述探测器6收集信号并转换为可读取的电信号，之后通过检测系统对电信号进行处理完成检测。所述探测器采用紫外增强型硅探测器，本质为一枚末端光电二极管，紫外增强型硅探测器型号为lsspd-u4.2；
36.所述探测器6内设置有检测系统，所述检测系统包括mcu、oled显示屏、复位键、供电接口、数据串口、光敏探测器和蜂鸣器。所述mcu为主控电路板，由stm32f103c8t6开发板
主控，其分别连接oled显示屏、复位键、供电接口、数据串口，光敏探测器和蜂鸣器。
37.所述光敏探测器为光敏二极管，用于进行光电检测；采集到的光敏数据传输入所述检测系统进行adc采集，并转化为电压数据，然后通过数据串口输出至oled显示屏；当电压到t
max
≥t1＞t0时，mcu控制蜂鸣器启动；所述复位键连接mcu的清零检测引脚，可供进行数据刷新；供电接口为usb-micro口，为系统提供恒定的5v电压。
38.如果图4所示，所述检测系统的工作过程包括如下步骤：
39.步骤一：膜系统过滤前进水测试
40.打开总开关，打开275
±
10nm的led激发光源的光源开关，调节待测样品以0.1-0.2l/h流速流过玻璃材质通道3，紫外光源照射到玻璃材质通道后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片7被探测器6接收，读取检测值t
max
；
41.步骤二：检测基准设定
42.将所述水质分析仪的进水口安装在一个完整的膜组件的出水口处，由于所述水质分析仪的进水口位于其底部，从而形成水由下向上的运动状态，使用流量控制阀调节待测样品以设定的流速流过玻璃材质过水通道，打开275
±
10nm的led激发光源4，紫外光源照射到通道3后，激发后的荧光经过340
±
10nm带通滤光片7被探测接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值；
43.步骤三：判断膜组件完整性
44.将所述水质分析仪的通道3的进水口安装在待检测的膜组件的出水口处，调节待测样品流速流过所述通道3，紫外光源照射到所述通道后荧光物质激发，激发后的荧光通过340
±
10nm带通滤光片滤光后被探测器6接收，记录值t1，此t1值为膜系统运行时出水检测值；当t
max
≥t1＞t0，即可认为过滤水质发生变化，膜组件出现破损，此时蜂鸣器启动，提醒工作人员需要维修或者更换膜组件；否则，继续进行实时监测。
45.以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

技术特征：
1.一种管道式水质分析仪，包括光元件仓(1)，电气仓(2)和通道(3)；所述通道(3)为透明或半透明玻璃材质制作，用于流经待检测水；检测时所述通道(3)的两个端部竖直设置，下端为进水口，其通过快速接头与待检测膜组件的出水处设置的旁路连接；上端为出水口；所述通道(3)的侧壁上有两个孔分别用于连通光元件仓(1)和电气仓(2)；所述光元件仓(1)和电气仓(2)沿所述通道(3)轴向垂直设置于通道相邻的侧壁上，且二者的轴心位于同一水平线上；所述光元件仓(1)具有外壳，外壳一端与通道(3)固定连接，另一端与散热风扇(8)固定连接；所述外壳内从通道方向向外依次设置有凸透镜(5)、led激发光源(4)和散热风扇(8)，所述凸透镜(5)的凸面朝向通道(3)，所述led激发光源(4)为275
±
10nm的led激发光源，通过其光源开关进行开闭控制；所述led激发光源(4)发射的激光射入凸透镜(5)，通过凸透镜(5)聚焦后照射到通道(3)的玻璃壁，激发流经通道(3)的待测液体产生荧光；所述电气仓(2)具有外壳，外壳一端与通道(3)固定连接，所述外壳内从通道方向向外依次设置有滤光片(7)和探测器(6)，所述探测器(6)光敏面朝向滤光片(7)一侧；所述探测器与led激发光源(4)呈90度角排布，将流经通道(3)的待测水被激发后产生的荧光信号通过滤光片(7)去除杂散光之后，进入探测器(6)，所述探测器(6)收集信号并转换为可读取的电信号，之后对电信号进行处理完成检测。2.利用如权利要求1所述的管道式水质分析仪的检测方法，包括：步骤一：膜系统过滤前进水测试打开总开关，打开275
±
10nm的led激发光源(4)的光源开关，调节待测样品以0.1-0.2l/h流速流过玻璃材质通道(3)，紫外光源照射到玻璃材质通道(3)后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片(7)被探测器(6)的光敏探测器接收，读取检测值t
max
；步骤二：检测基准设定将所述水质分析仪的进水口安装在一个完整的膜组件的出水口处，形成水由下向上的运动状态，调节待测样品流速流过玻璃材质过水通道，打开275
±
10nm的led激发光源4，紫外光源照射到通道(3)后，激发后的荧光经过340
±
10nm带通滤光片(7)被探测器(6)的光敏探测器接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值；步骤三：判断膜组件完整性将所述水质分析仪的通道(3)的进水口安装在待检测的膜组件的出水口处，形成水由下向上的运动状态，调节待测样品流速流过所述通道(3)，紫外光源照射到所述通道后荧光物质激发，激发后的荧光通过340
±
10nm带通滤光片滤光后被探测器(6)的光敏探测器接收，记录值t1，此t1值为膜系统运行时出水检测值；当t
max
≥t1＞t0，即可认为过滤水质发生变化，膜组件出现破损，需要维修或者更换膜组件。3.根据权利要求1所述的管道式水质分析仪，其特征在于，所述光元件仓(1)和电气仓(2)均为一体化可拆卸结构。4.根据权利要求1所述的管道式水质分析仪，其特征在于，所述光元件仓1)和电气仓(2)与通道(3)的连接处均进行遮光处理；且抽述光元件仓1)和电气仓(2)均采用黑色单面磨砂亚克力板制作的圆筒形外壳使其与其他部分进行物理隔离。5.根据权利要求1所述的管道式水质分析仪，其特征在于，在所述通道下端的进水口设置流量控制阀控制通道(3)内的水流流速。

技术总结
本发明公开了一种用于膜组件完整性检测的管道式水质分析仪和检测方法，包括光元件仓，电气仓和通道；所述通道用于流经待检测水；所述通道下端为进水口，其通过快速接头与待检测膜组件的出水处设置的旁路连接；所述通道侧壁连通光元件仓和电气仓；所述光元件仓和电气仓沿所述通道轴向垂直设置于通道相邻的侧壁上，且二者的轴心位于同一水平线上；所述光元件仓依次设置有凸透镜、LED激发光源和散热风扇，所述LED激发光源的激光射入凸透镜，聚焦后照射到通道，激发待测液体产生荧光；所述电气仓依次设置有滤光片和探测器，所述探测器与LED激发光源呈90度角排布，通过滤光片去除杂散光之后，进入探测器对电信号进行处理完成检测。测。测。


技术研发人员：王捷 于洋
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/5