一种在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置

1.本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置。


背景技术：

2.超纯水是为了研制高纯度产品(例如：半导体材料、纳米精细陶瓷材料等)，经过蒸馏、超滤、去离子化、反渗透技术等精细技术所制备的水。超纯水中除了水分子外，不存在任何颗粒和微生物等。超纯水的应用范围广，在科研及工业制造领域被广泛使用，主要涉及半导体材料、微电子、光电子、集成电路、生物医药、疫苗、超纯材料、超纯化学品等方面。目前，我国不少超纯水生产厂家已经掌握了超纯水的工业处理工艺，但是对于在线检测超纯水中污染物(微小颗粒、微生物)仍然缺乏有效的手段。目前，通过定量检测水中微生物的含量来评价水质状况，具有重要的意义。
3.常用的水中微生物检测方法主要包括以下步骤：1)取样；2)在适量的培养基中培养分离微生物；3)通过显微镜检查或染色鉴定微生物；4)通过显微镜检测或染色鉴定微生物；5)量化探测微生物含量。这些操作需要熟练的技术人员在实验室里执行，检测流程繁琐，检测时间长、成本高，鉴定结果易受主观因素影响，很难建立检测标准。此外，目前的水样取样技术在识别持续水系统性能变化方面的能力有限，限制了实际趋势分析。现有的一些技术中，在进行水中微生物检测时，需要将待检测水体进行首选取样，取样后保存并送达实验室，提前在培养皿中培育待检微生物，耗时较长，水样保存要求较高，缺乏实时监测能力。另一些技术中，需要将待检微生物样本与荧光素酶的试剂溶液添加至试剂瓶内充分接触，依靠试剂瓶内发光强弱检测微生物的浓度。其它一些技术中，虽然能够对待测水样进行实时检测，但检测精度较低，无法对水样中的颗粒物及细菌进行精细检测。
4.因此，本领域的技术人员致力于提供一种在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置，能够充分检测水质中的颗粒物及微生物，且结构一体化，检测效率高。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能充分检测水质中的颗粒物及微生物的光学检测装置。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置，包括进样系统、光学检测系统、数据分析系统、电路控制系统、电源系统，所述进样系统被配置为导入待测水样，所述光学检测系统被配置为采集所述待测水样中的颗粒物、微生物的光信号并转换为电信号，所述数据分析系统被配置为处理所述电信号，所述电源系统被配置为为所述进样系统、所述数据分析系统、所述电路控制系统供电，所述电路控制系统被配置为控制所述光学检测装置。
7.进一步地，所述进样系统包括齿轮泵、阻尼器、流量计、流通池、两位四通阀，所述两位四通阀的第一端连接所述待测水源，所述两位四通阀的第二端、所述流通池、所述阻尼
器、所述齿轮泵、所述流量计依次连接。
8.优选地，所述流通池的尺寸为20
×
3.2
×
7mm，所述流通池的中心检测通道横截面为圆形，所述中心检测通道的直径为0.2mm，所述中心检测通道的两端为锥形接口。
9.进一步地，所述进样系统还包括废液单元、离线样本容器，所述离线样本容器与所述两位四通阀的第三端连接，所述废液单元分别与所述两位四通阀的第四端、所述流量计连接。
10.进一步地，所述光学检测系统包括依次设置的激光器、第一滤光片、中心开孔的凹透镜、光阑、光挡、二向色镜，以及位于所述二向色镜与所述激光器相同侧的第一透镜组、第二滤光片、光电倍增管，位于所述二向色镜与所述激光器不同侧的第二透镜组、第三滤光片、硅光二极管，所述流通池设置于所述光阑与所述光挡之间。
11.优选地，所述激光器的中心波长为405nm；所述第一滤光片的中心波长为405nm，带宽为20nm；所述第二滤光片、所述第三滤光片的带通波长为425-700nm；所述凹透镜的焦距为100mm；所述光挡的直径为4mm；所述二向色镜的截止波长为425nm，带宽为300-1000nm；所述第一透镜组、所述第二透镜组的焦距为5mm。
12.进一步地，还包括温度控制系统，所述温度控制系统被配置为调控工作环境的温度，所述温度控制系统包括温度传感器、温控装置。
13.进一步地，还包括湿度控制系统，所述湿度控制系统被配置为调控工作环境的湿度，所述湿度控制系统包括电加热丝、湿度传感器。
14.进一步地，所述电源系统被配置为将交流电转变为直流电。
15.进一步地，所述数据分析系统被配置为将所述电信号放大、整形、滤波，将模拟信号转换为数字信号，对颗粒物、微生物的存在情况进行判断，对颗粒物、微生物计数。
16.本发明至少具有如下有益技术效果：
17.本发明提供的在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置，依据米氏散射和激光诱导荧光原理，能够同时并且直接从待测水样中检测颗粒物和微生物，并能够获取微生物的浓度，消除了传统平板技术方法的不一致性，实现全自动实时获得结果以实现最佳控制，保证了水质，检测效率高、检测成本低，且检测极限低至1个微生物，大大提高了检测的质量。
18.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
19.图1是本发明实施例提供的在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的光学检测系统结构示意图；
21.图3为本发明实施例提供的进样系统结构示意图。
22.图中，
23.1-激光器，2-第一滤光片，3-凹透镜，4-光阑，5-流通池，6-光挡，7-二向色镜，8-第二透镜组，9-第三滤光片，10-硅光二极管，11-第一透镜组，12-第二滤光片，13-光电倍增管；
24.21-待测水源，22-两位四通阀，24-光学检测系统，25-阻尼器，26-齿轮泵，27-流量计，28-废液单元，29-离线样本容器。
具体实施方式
25.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
26.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
27.本发明提供了一种在线水中颗粒物及微生物实时光学检测装置，如图1所示，本实施例的光学检测装置包括进样系统、光学检测系统、数据分析系统、电路控制系统、电源系统。进样系统导入待测水样，以对待测水样进行测试；光学检测系统对进样系统中的待测水样进行检测，采集颗粒物和微生物的光信号，并将光信号转换为电信号；数据分析系统接收光学检测系统的电信号，对电信号进行处理后，判断是否存在颗粒物及微生物，对颗粒物及微生物进行计数，并根据待测水样的流速，计算颗粒物及微生物的浓度；电源系统为光学检测装置的用电部分提供电源；电路控制系统为光学检测装置提供控制。
28.如图1所示，本实施例的光学检测装置还包括温度控制系统和湿度控制系统，温度控制系统和湿度控制系统实时调控工作环境的温度和湿度，将装置的工作环境维持在20-25℃，将湿度维持在50％-60％。
29.如图3所示，本实施例的进样系统包括齿轮泵26、阻尼器25、流量计27、流通池5、两位四通阀22、废液单元28、离线样本容器29。两位四通阀22具有四个端口，可通过电控实现流路切换，通过流路切换实现在线水中颗粒物及微生物实时光学检测、离线检测和在线清洗。本实施例中，两位四通阀22的第一端连接待测水源21，两位四通阀22的第二端连接流通池5，两位四通阀22的第三端连接离线样本容器29，两位四通阀22的第四端连接废液单元28，流通池5、阻尼器25、齿轮泵26、流量计27、废液单元28依次连接，流通池5置于光学检测系统24中。图3中，各部件之间均通过管道连接。
30.本实施例中，流通池5的尺寸为20
×
3.2
×
7mm，流通池5的中心检测通道的横截面为圆形，直径为0.2mm，通道两端为锥形接口。在检测时，待测水样从流通池5的中心检测通道中流过。为减少对光线传播的影响，流通池5采用无色透明材质。
31.离线样本容器29包括两个腔室，分别用于储存离线样本和清洗剂，离线样本用于离线检测模式检测，清洗剂用于对管路系统进行清洗。离线样本和清洗剂由电路控制系统控制两位四通阀22进行切换。
32.废液单元28用于收集废液，其可以为箱体或罐体。
33.本实施例的光学检测装置处于在线检测模式时，通过电路控制系统控制两位四通阀22将待测水源21和流通池5连通，待测水样依次经过阻尼器25、齿轮泵26、流量计27后排至废液单元28。光学检测装置处于离线检测模式时，通过电路控制系统控制两位四通阀22将离线样本容器29的离线样本与流通池5连通，离线样本依次经过阻尼器25、齿轮泵26、流量计27后排至废液单元28。光学检测装置处于清洗模式时，电路控制系统控制两位四通阀
22将离线样本容器29的清洗剂与流通池5连通，清洗剂依次经过阻尼器25、齿轮泵26、流量计27后排至废液单元28。
34.本实施例中，可以在齿轮泵26上设置流速控制器，通过电路控制系统控制流速控制器，进而控制流通池5中的流速，并通过流量计27实时监测水流速度。
35.如图2所示，光学检测系统包括依次设置的激光器1、第一滤光片2、凹透镜3、光阑4、光挡6、二向色镜7，以及位于二向色镜7与激光器1相同侧的第一透镜组11、第二滤光片12、光电倍增管13，位于二向色镜7与激光器1不同侧的第二透镜组8、第三滤光片9、硅光二极管10，流通池5位于光阑4与光挡6之间。凹透镜3带有中心通孔，第一透镜组11和第二透镜组8为凸透镜组。激光器1作为光源，光束经过第一滤光片2、光阑4后，聚焦在流通池5的中心检测通道上，再通过二向色镜7使由颗粒物或微生物形成的散射光及由微生物发出的荧光分成两路，分别经过第二滤光片12、第三滤光片9对杂光进行滤除，在光学检测系统的探测部分，使用硅光二极管10的硅光电池探测散射光，使用光电倍增管13探测荧光，分别将散射光及荧光转换成电信号。
36.本实施例中，激光器1的中心波长为405nm；第一滤光片2的中心波长为405nm，带宽为20nm；第二滤光片12、第三滤光片9的带通波长为425-700nm；凹透镜3的焦距为100mm；光挡6的直径为4mm；二向色镜7为长通型二向色镜，尺寸为25
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36mm，截止波长为425nm，带宽为300-1000nm；第一透镜组11、第二透镜组8的焦距为5mm。
37.数据分析系统对采集到的来自于光学分析系统的电信号先进行预处理，包括信号放大、整形、滤波等，在模拟信号转换成数字信号后，判断是否存在颗粒物及微生物，并对颗粒物及微生物进行计数。同时，根据颗粒物及微生物的个数及水样流速，计算出水样中颗粒物及微生物的浓度值。
38.数据分析系统对电信号的处理过程具体如下：步骤一、采用增益电路对电信号进行放大；步骤二、通过数据采集卡，将硅光电池探测到的散射光信号和光电倍增管13探测到的荧光信号转成数字信号；步骤三、分别为散射光信号和荧光信号设定一个指定电压幅值作为阈值；步骤四、当探测到的信号超出阈值且该信号在阈值上方形成一个上升沿和一个下降沿时，检测装置判定为一个事件；步骤五，散射光路上每检测到一个事件，计为一个颗粒，两个光路同时检测到事件，计为一个微生物颗粒。
39.电源系统将交流电转为电压强度不同的直流电，为光学检测装置中的各个系统进行供电。
40.温度控制系统包括温度传感器、温控装置，通过温度传感器检测工作环境的温度，再通过温控装置，进行加热或降温，调控环境温度。
41.湿度控制系统包括电加热丝、湿度传感器，通过湿度传感器检测工作环境的湿度，再通过电加热丝加热，调控环境湿度。
42.电路控制系统具体可以控制齿轮泵26、激光源1、硅光二极管10的开关以及温度控制系统、湿度控制系统，使各个系统有序工作。
43.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。