摘要：六价Cr对人体有着极为严重的危害，需要对其进行实时的监测。本文主要针对光纤光谱仪在六价Cr在线监测仪的设计展开了研究，详细阐述了测量的原理，并对仪器设计和实验两部分作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：光纤光谱仪；六价Cr；在线监测仪；设计
0 引言
六价Cr对人体有着巨大毒性，并会对身体健康造成严重的危害。因此，我国在废水废气废物等排放中对六价Cr有着严格的审查标准。由于六价Cr的危害性，对其进行在线监测尤为重要。而其中，我们需要一种科学的在线监测仪，以实时进行监测。基于此，本文就光纤光谱仪在六价Cr在线监测仪的设计进行了研究，相信对有关方面的需要能起到一定的帮助作用。
1 测量原理
分光光度法是我国与其他国家普遍采用的检测六价Cr含量的标准方法，该方法采用二苯碳酰二肼作为显色剂，可直接测量水样中六价Cr含量。在酸性溶液中，六价Cr与二苯碳酰二肼反应生成紫红色化合物，于波长540nm处进行分光光度测定，吸光度与浓度的关系符合朗伯—比耳（Lambert-Beer）定律，可以进行比色定量。由于该方法灵敏，选择性好，且需要的试剂少、仪器简单，被环境监测领域广泛使用。
Lambert-Beer定律定义为当一束平行的单色光通过某一均匀的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比，数学表达式如下
A=lg（I0−I）=KCb （1）
式中A为吸光度；I0为入射光强度；I为透射光强度；b为液层厚度；C为溶液的浓度；K为比例常数，一般称为吸光系数。
一般情况下b为定值；比例常数K与入射光的波长、温度、溶液的性质有关，当上述测量因素皆不变时，在某一溶液下也可将其视为定值，因此理论上，A与C为呈正比的，可以通过测定一个已知浓度溶液的吸光度A，确定吸光系数K的值，从而建立吸光度A与溶液浓度C之间的线性关系，并建立相关预测模型，以实现对多种水质参数的测量。
2 仪器设计
设计的六价Cr水质在线监测仪主要由顺序注射模块、光学检测分析模块、电气控制模块等构成。顺序注射模块主要由九通阀、电磁阀、蠕动泵等部件组成，顺序注射模块可以按一定的精度抽取特定体积的检测试剂与水样进行显色反应。显色反应后的水样可由光学检测分析模块测定其于540nm波长处的吸收光谱。吸收光谱通过可编辑逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）处理后转换成吸光度，测量结果经由人机交互系统显示。仪器可实现地表水、生活污水和工业废水中六价Cr化合物离子的自动在线监测、信息多层次监视和分析评价预警。仪器测量范围为0～1mg/L，检出下限为0.01mg/L，采用光纤光谱仪作为光学检测与光谱分析部件，可实现全光谱检测，可做多功能扩展进行水质多参数顺序检测分析。
2.1 光学检测分析模块
光学检测分析模块由卤钨灯光源、海洋公司USB4000型光谱仪及石英反应池组成，如图1所示。卤钨灯实验光源波长范围为360～2000nm，USB4000型光谱仪检测范围为200～1100nm，可覆盖多种重金属、COD、氨氮、总磷的特征吸收波长，可满足后续扩展多种水质参数检测的应用需求。显色后的水样进入到流通池中，由光学系统对水样进行吸光度检测。光源发出的光通过光纤入射到流通池中，出射光经过光纤进入USB4000光谱仪中进行光谱分析，系统提取540nm波长处的谱线光强进行计算，以获取对应的吸光度。由光强计算对应吸光度的公式如下式所示
2.2 顺序注射模块
为实现仪器自动进样、自动搅拌及清洗功能，本仪器的顺序注射模块主要由九通阀、蠕动泵、电磁阀、定量环等部件组成，九通阀各孔位分别连接待测水样、显色剂、混合酸、标液、空气及清洗液。电气控制模块通过控制步进电机转动九通阀阀芯选择与公共通道连通的孔位，从而抽取不同的试剂。蠕动泵提供顺序注射模块的动力，在电气控制部件的控制下将水样、显色剂以及混合酸依次进行计量并推入反应池中，水样与检测试剂在反应池中进行反应，显色反应完成后的混合溶液，随后利用光学检测分析模块进行光谱分析与吸光度测量。
顺序注射模块设计了二个定量环:定量环1、定量环2、进样定量环来分别对试剂A、试剂B与待测水样进行精确计量，以保证检测结果的准确性与重复性。
2.3 电气控制模块
六价Cr水质在线监测仪电气控制模块主要实现对顺序注射模块与光学检测模块的控制，以实现六价Cr在线监测的自动化。设计的在线监测仪采用了南瑞自研的IAC2000系列可编程逻辑控制器（PLC）来构建电气控制模块。IAC2000PLC具有开入/开出模块，可利用梯形图编程实现开关量输入/输出信号的控制。通过设计专用的功能块，可以实现对蠕动泵与九通阀步进电机的控制。IAC2000PLC还设计有多个RS—232通信接口，可以实现与光谱仪之间的通信，完成相关数据交换。
3 实验
3.1 试剂准备
为了验证在线监测仪的性能，根据国家环境保护标准HJ609—2011相关要求对设计的六价Cr在线监测仪进行性能测试。配制了六价Cr标准溶液、混合酸与显色剂，通过测量不同浓度六价Cr标准溶液显色反应后的吸光度值与示值来评价在线监测仪的性能。显色剂参照了国标GB7467—87中的推荐试剂配方，其配制过程如下:取苯二甲酸酐4g，溶于80mL乙醇，再加入0.2g二苯碳酰二肼，溶解后移入100mL容量瓶，加乙醇定容，混匀后贮于棕色氟化塑料瓶中。
在性能实验过程中，通过顺序注射系统往反应池中加入10mL六价Cr标准溶液，0.5mL混合酸（试剂B），0.6mL显色剂（试剂A），搅拌3min，静置3min后进行吸光度测量。
3.2 实验结果与分析
3.2.1 线性
利用0～1mg/L中间的各六价Cr标准液对在线检测仪进行性能测试，所得仪器0～1mg/L吸光度数据如图2所示。
3.2.3 零点漂移
采用零点校正液（超纯水），利用在线监测仪对其连续测定10h（1次/h），以获取在线监测仪的零漂特性曲线，实验结果表明:在线监测仪在零点校正液中10h内漂移量小于0.001mg/L，相对于量程值可忽略不计。
4 结语
综上所述，光纤光谱仪检测精度高、速度快等优点，如今在农业、生物、化学等领域有着广泛的应用。本文基于光纤光谱仪，设计了一种六价Cr在线监测仪，并通过实验研究，认为此在线监测仪，能科学准确的完成监测工作，值得进行推广。
参考文献
[1]孙颖奇,罗勇钢,赵舒迪,周霞.光纤光谱仪在六价铬水质在线监测仪中的应用与实验研究[J].现代科学仪器.2016（06）.
[2]陈伟、董晓红.六价铬水质在线自动监测仪研究与设计[J].成都航空职业技术学院学报.2016（03）.
论文作者:李剑雄
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/9
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