CN118914111A - 一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，包括PLC控制模块、单色光提纯模块、光强度控制模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块；根据不同物种监测需求，在PLC控制模块的控制下，单色光提纯模块发出单色光，光强度控制模块调节单色光的光强，灵敏度调节模块调节单色光的衰减，多物种感知模块将单色光的测量信号反馈给PLC控制模块。本发明按照中心谱线带宽最窄、吸收光强度最高、透射光灵敏度最大的原则，利用PLC控制模块和多物种感知模块的闭环反馈，智能搜索精准匹配不同物种所需的高纯入射光波长，自动调节与不同浓度物种匹配的最佳入射光能量和多光程组合，实现不同物种高浓度液体价态形态相态浓度的秒级同步直测。

Description

一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件

技术领域

本发明涉及流程工业高浓度复杂液体多物种原价态原形态原相态的检测分析领域，尤其是涉及一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件。

背景技术

流程工业的多元化学反应过程，普遍存在反应速度快、反应物种类多、气固液共存的现象，溶液中不同物种多价态多形态多相态共存且浓度跨度大(有的相差高达上万倍)。其中，工业生产过程液相体系中决定产品质量、生产成本、污染物数量和毒性的不仅是物种的浓度，尤其是物种的价态形态和相态。这是因为，微观化学过程物种的价态形态相态与化学反应热力学和动力学密切相关，直接影响到单元反应能否发生或反应程度。因此，测量物种的价态形态和相态，对提高工业生产过程的产品质量、降低生产成本、污染物数量和毒性非常重要。

目前，国内外分析方法均只能测定溶液中的元素总量或单一价态，无法分析物种的真实价态和形态。企业广泛采用的电感耦合等离子体发射光谱/质谱法、原子荧光光谱法、国标分光光度法等方法，无论离线还是在线，都可以胜任对外环境低浓度污染物的监测，但是在对工业过程高浓度液相体系的监测中无一例外需对样品进行预处理，改变了化学物种的价态形态和相态，导致药剂的投加量出现偏差甚至错投药剂的现象时有发生，耗时长且二次污染风险明显，检测上限仅在毫克升级范围，检测结果在时间上严重滞后，难以实现对工业过程实时反馈调控，无法满足企业生产、安全和环保需要。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，包括PLC控制模块，单色光提纯模块、光强度调节模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块，针对不同物种特征光谱对应不同波长的高纯光、不同浓度吸收光谱对应不同入射光的需求，利用不同光程组合条件下多波长接收模块透射光强度信号，先按照吸收光强度最大、中心谱线带宽最窄的原则，智能搜索精准匹配不同物种所需的高纯入射光波长，再按照高吸收、高透射、高灵敏的原则，自动调节与不同浓度物种匹配的最佳入射光能量，通过耦合高纯光提取、光能量调节、多光程组合和多波长接受光学组件，实现不同物种价态形态相态浓度的秒级同步直测。

本发明的技术方案如下：

一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，包括PLC控制模块、单色光提纯模块、光强度控制模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块；

所述单色光提纯模块包括电源开关、电源适配器、多波长多光强光源和多波长多级滤光盘；电源开关和电源适配器将220V交流电转换为5V/2A直流电，给多波长多光强光源供电；多波长多光强光源发出复合光；

所述多波长多级滤光盘包括滤光片盘1、滤光片2和伺服电机3；所述滤光片盘1设置了圆孔，圆孔的数量不少于2；圆孔上安装了滤光片2，不同圆孔的滤光片2的中心波长和谱线带宽各不相同；滤光片盘1一共有2个，2个滤光片盘1的圆孔是一一对应并重合的，并且重合的2个圆孔上安装的滤光片2的中心波长和谱线带宽是不同的；

多波长多光强光源发出的复合光依次透过多波长多级滤光盘的圆孔上的2个滤光片2，变成单色光；

2个滤光片盘1与伺服电机3固定连接成一个整体；在伺服电机3的驱动下，2个滤光片盘1绕自身中心轴做圆周运动，使得不同的圆孔和滤光片2移动到复合光前面，过滤得到中心波长不同的单色光；

将单色光的入射光强度定义为I₀，被目标物种吸收的吸光强度定义为I_a，从目标物种透射到多物种感知模块的透射强度定义为I_t，即I₀＝I_a+I_t；

所述光强度控制模块包括功率/电流无级调节器；PLC控制模块通过调节功率/电流无级调节器的旋钮，使得单色光的I₀发生变化，并且满足以下条件：

当目标物种的浓度在最小值和最大值之间变化时，单色光经过目标物种吸收衰减后，多物种感知模块仍然能接收到单色光的信号，即I_t＞0；

所述灵敏度调节模块由不同光程的流通池组合而成，并根据目标物种的不同浓度调节不同的光程；当目标物种的浓度比较大时，将光程调小，使得被单色光透射的目标物种的总量比较少；当目标物种的浓度比较小时，将光程调大，使得被单色光透射的目标物种的总量比较多；最终使得多物种感知模块接收的单色光满足以下条件：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光的有衰减，即I₀＞I_t＞0；

所述多物种感知模块包括光电接收器和信号放大器，接收不同目标物种对应的不同中心波长的单色光、不同浓度对应不同入射光强度不同光程条件下的透射光强度I_t，并将接收到的光信号转变为电信号并经过放大后，实时反馈给PLC控制模块。

进一步的，复合光的波长范围是180-900nm；

滤光片2的谱线带宽是±0.03nm；

灵敏度调节模块的光程范围是0.5mm～100mm。

进一步的，工作流程如下：

S1、PLC控制模块根据上位机的目标物种价态形态相态浓度需求，向单色光提纯模块发出测定目标物种的指令1；

S2、单色光提纯模块根据指令1开启多波长多光强光源，并转动多波长多级滤光盘，输出高纯度的单色光；将此时输出的高纯度单色光称为输出1；此时，光强度调节模块和灵敏度调节模块没有投入工作，输出1直接到达多物种感知模块；

S3、多物种感知模块测量输出1，得到测量结果，即反馈1，并将反馈1发送到PLC控制模块；

S4、PLC控制模块根据反馈1来选择多波长多级滤光盘的滤光片2，直至获得满足指令1要求的最佳中心波长和谱线带宽的单色光；将此时的单色光称为最佳入射光；

S5、PLC控制模块向光强度控制模块发出包含目标物种最小最大浓度变化范围的指令2；

S6、光强度控制模块根据指令2，由小到大动态调整功率/电流无级调节器的旋钮，使得单色光提纯模块发出不同光强I₀的单色光；将此时输出的单色光称为输出2；此时，灵敏度调节模块没有投入工作，输出2直接到达多物种感知模块；

S7、多物种感知模块测量输出2，得到测量结果，即反馈2，并将反馈2发送到PLC控制模块；

S8、PLC控制模块根据反馈2来调节功率/电流无级调节器的旋钮，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳入射光的光强I₀：

当目标物种的浓度在最小浓度和最大浓度之间变化时，多物种感知模块均能接收到最佳入射光的透射信号，即I_t＞0；

S9、PLC控制模块向灵敏度调节模块发出包含目标物种高频浓度变化范围的指令3；

S10、灵敏度调节模块根据指令3，从小到大自动调节流通池的组合，使得单色光经过灵敏度调节模块的光程发生变化；将灵敏度调节模块发出的单色光称为输出3；

S11、多物种感知模块测量输出3，得到测量结果，即反馈3，并将反馈3发送到PLC控制模块；

S12、PLC控制模块根据反馈3调整灵敏度调节模块的光程，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳光程：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光的有衰减，即I₀＞I_t＞0。

本发明有益的技术效果在于：

按照中心谱线带宽最窄、吸收光强度最高、透射光灵敏度最大的原则，利用PLC控制模块和多物种感知模块的闭环反馈，智能搜索精准匹配不同物种所需的高纯入射光波长，自动调节与不同浓度物种匹配的最佳入射光能量和多光程组合，实现不同物种价态形态相态浓度的秒级同步直测。

附图说明

图1是实施例的系统原理图；

图2是多波长多级滤光盘的结构简图。

图中，部件名称与附图编号的对应关系为：1、滤光片盘；2、滤光片；3、伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例包括PLC控制模块、单色光提纯模块、光强度控制模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块。

PLC控制模块的硬件为西门子PLC S7-1200，可根据目标物种价态形态相态浓度需要，分别向单色光提纯模块、光强度控制模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块发出指令，并接收多物种感知模块的反馈信号。

单色光提纯模块包括电源开关、电源适配器、多波长多光强光源和多波长多级滤光盘。电源开关和电源适配器将220V交流电转换为5V/2A直流电，给多波长多光强光源供电；多波长多光强光源可发出波长范围为180-900nm的复合光；多波长多级滤光盘可提供多种中心波长的滤光片，谱线带宽为±0.03nm，可以将多波长多光强光源发出的复合光提纯为高纯度的单色光(下文称为单色光)，满足目标物种的要求。

多波长多级滤光盘的结构如图2所示，包括滤光片盘1、滤光片2和伺服电机3。滤光片盘1上设置了6个圆孔，圆孔上安装了滤光片2，不同圆孔的滤光片2的中心波长和谱线带宽各不相同。滤光片盘1一共有2个，2个滤光片盘1的圆孔是一一对应并重合的，并且重合的2个圆孔上安装的滤光片2的中心波长和谱线带宽是不同的。这样设计的目的是实现双层滤光，从而获得纯度更高的单色光。

多波长多光强光源发出的复合光依次透过多波长多级滤光盘的圆孔上的2个滤光片2，变成单色光。

2个滤光片盘1与伺服电机3固定连接成一个整体。在伺服电机3的驱动下，2个滤光片盘1绕自身中心轴做圆周运动，使得不同的圆孔和滤光片2移动到复合光前面，从而过滤得到中心波长和谱线带宽不同的单色光。

单色光的入射光强度为I₀，被目标物种吸收的吸光强度为I_a，从目标物种透射到多物种感知模块的透射强度为I_t，即I₀＝I_a+I_t。为了确保单色光在被样品吸收衰减后，多物种感知模块仍然能接收到单色光的信号，需要保证入射光强度I₀满足以下条件：

I₀-I_a＝I_t＞0，即：I₀＞I_a

光强度调节模块包括功率/电流无级调节器，可以动态调节单色光的光强，满足目标物种吸光强度I_a和透射强度I_t的要求。PLC控制模块通过调节功率/电流无级调节器的旋钮，使得多波长多光强光源的电流由小到大变化，当目标物种浓度在最小值和最大值之间变化时，均能提供适配的入射光强度I₀，确保单色光经过目标物种吸收衰减后，多物种感知模块仍然能接收到单色光的信号。

灵敏度调节模块由不同光程的流通池组合而成，可根据目标物种的不同浓度重组不同的光程，调节范围是0.5mm～100mm。当目标物种的浓度比较大时，将光程调小，使得被单色光透射的目标物种的总量比较少；当目标物种的浓度比较小时，将光程调大，使得被单色光透射的目标物种的总量比较多。通过这种方法来调节目标物种的吸光强度，使得多物种感知模块接收的单色光满足以下条件：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光的有衰减，即I₀＞I_t＞0。

多物种感知模块包括光电接收器和信号放大器，可接收不同目标物种对应的不同中心波长的单色光、不同浓度对应不同入射光强度不同光程条件下的透射光强度I_t，并将接收到的光信号转变为电信号并经过放大后，实时反馈给PLC控制模块。

实施例的工作流程如下：

S1、PLC控制模块根据上位机的目标物种价态形态相态浓度需求，向单色光提纯模块发出测定目标物种的指令1；

S2、单色光提纯模块根据指令1开启多波长多光强光源，并转动多波长多级滤光盘，输出高纯度的单色光；将此时输出的高纯度单色光称为输出1；此时，光强度调节模块和灵敏度调节模块没有投入工作，输出1直接到达多物种感知模块；

S3、多物种感知模块测量输出1，得到测量结果，即反馈1，并将反馈1发送到PLC控制模块；

S4、PLC控制模块根据反馈1来选择多波长多级滤光盘的滤光片，直至获得满足指令1要求的最佳中心波长和谱线带宽的单色光；将此时的单色光称为最佳入射光；

S5、PLC控制模块向光强度控制模块发出包含目标物种最小最大浓度变化范围的指令2；

S6、光强度控制模块根据指令2，由小到大动态调整功率/电流无级调节器的旋钮，使得单色光提纯模块发出不同光强I₀的单色光；将此时输出的单色光称为输出2；此时，灵敏度调节模块没有投入工作，输出2直接到达多物种感知模块；

S7、多物种感知模块测量输出2，得到测量结果，即反馈2，并将反馈2发送到PLC控制模块；

S8、PLC控制模块根据反馈2来调节功率/电流无级调节器的旋钮，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳入射光的光强I₀：

当目标物种的浓度在最小浓度和最大浓度之间变化时，多物种感知模块均能接收到最佳入射光的透射信号，即I_t＞0；

S9、PLC控制模块向灵敏度调节模块发出包含目标物种高频浓度变化范围的指令3；

S10、灵敏度调节模块根据指令3，从小到大自动调节流通池的组合，使得单色光经过灵敏度调节模块的光程发生变化；将灵敏度调节模块发出的单色光称为输出3；

S11、多物种感知模块测量输出3，得到测量结果，即反馈3，并将反馈3发送到PLC控制模块；

S12、PLC控制模块根据反馈3调整灵敏度调节模块的光程，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳光程：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光的有衰减，即I₀＞I_t＞0。

具体测量案例如下：

从上位机下达测定Cu²⁺浓度的指令后，PLC控制模块向单色光提纯模块发出要求测定Cu²⁺的指令1，单色光提纯模块的多波长多光强光源发出180-900nm的复合光，多波长多级滤光盘旋转至中心波长为810nm、谱线带宽为0.03nm的滤光片，输出波长为λ_i＝810nm±0.03nm的单色光；

PLC控制模块向光强度控制模块发出测定Cu²⁺浓度为100-40000mg/L的指令，光强度控制模块动态调节功率/电流无级调节器的P-I参数，直至Cu²⁺浓度在100-40000mg/L范围变化时单色光的光强I₀＞I_a；此时的P-I参数为：P＝5mW、I＝42mA；

PLC控制模块向灵敏度调节模块发出测定Cu²⁺浓度为20000-40000mg/L的指令3，灵敏度调节模块自动调节流通池的光程，透过流通池的单色光的信号由多物种感知模块反馈给PLC控制模块，直至确定最佳光程条件下不同浓度目标物种的透射光均有适宜的信号。当光程为5mm时，Cu²⁺浓度最大时I_t＞0，Cu²⁺浓度最小时I₀＞I_t。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (3)

1.一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，其特征在于：

包括PLC控制模块、单色光提纯模块、光强度控制模块、灵敏度调节模块和多物种感知模块；

所述单色光提纯模块包括电源开关、电源适配器、多波长多光强光源和多波长多级滤光盘；电源开关和电源适配器将220V交流电转换为5V/2A直流电，给多波长多光强光源供电；多波长多光强光源发出复合光；

所述多波长多级滤光盘包括滤光片盘(1)、滤光片(2)和伺服电机(3)；所述滤光片盘(1)设置了圆孔，圆孔的数量不少于2；圆孔上安装了滤光片(2)，不同圆孔的滤光片(2)的中心波长和谱线带宽各不相同；滤光片盘(1)一共有2个，2个滤光片盘(1)的圆孔是一一对应并重合的，并且重合的2个圆孔上安装的滤光片(2)的中心波长和谱线带宽是不同的；

多波长多光强光源发出的复合光依次透过多波长多级滤光盘的圆孔上的2个滤光片(2)，变成单色光；

2个滤光片盘(1)与伺服电机(3)固定连接成一个整体；在伺服电机(3)的驱动下，2个滤光片盘(1)绕自身中心轴做圆周运动，使得不同的圆孔和滤光片(2)移动到复合光前面，过滤得到中心波长不同的单色光；

将单色光的入射光强度定义为I₀，被目标物种吸收的吸光强度定义为I_a，从目标物种透射到多物种感知模块的透射强度定义为I_t，即I₀＝I_a+I_t；

所述光强度控制模块包括功率/电流无级调节器；PLC控制模块通过调节功率/电流无级调节器的旋钮，使得单色光的I₀发生变化，并且满足以下条件：

当目标物种的浓度在最小值和最大值之间变化时，单色光经过目标物种吸收衰减后，多物种感知模块仍然能接收到单色光的信号，即I_t＞0；

所述灵敏度调节模块由不同光程的流通池组合而成，并根据目标物种的不同浓度调节不同的光程；当目标物种的浓度比较大时，将光程调小，使得被单色光透射的目标物种的总量比较少；当目标物种的浓度比较小时，将光程调大，使得被单色光透射的目标物种的总量比较多；最终使得多物种感知模块接收的单色光满足以下条件：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光有衰减，即I₀＞I_t＞0；

所述多物种感知模块包括光电接收器和信号放大器，接收不同目标物种对应的不同中心波长的单色光、不同浓度对应不同入射光强度不同光程条件下的透射光强度I_t，并将接收到的光信号转变为电信号并经过放大后，实时反馈给PLC控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，其特征在于：

复合光的波长范围是180-900nm；

滤光片(2)的谱线带宽是±0.03nm；

灵敏度调节模块的光程范围是0.5mm～100mm。

3.根据权利要求1所述的一种实时直测高浓度液体原价态原形态原相态的光学组件，其特征在于，工作流程如下：

S1、PLC控制模块根据上位机的目标物种价态形态相态浓度需求，向单色光提纯模块发出测定目标物种的指令1；

S2、单色光提纯模块根据指令1开启多波长多光强光源，并转动多波长多级滤光盘，输出高纯度的单色光；将此时输出的高纯度单色光称为输出1；此时，光强度调节模块和灵敏度调节模块没有投入工作，输出1直接到达多物种感知模块；

S3、多物种感知模块测量输出1，得到测量结果，即反馈1，并将反馈1发送到PLC控制模块；

S4、PLC控制模块根据反馈1来选择多波长多级滤光盘的滤光片(2)，直至获得满足指令1要求的最佳中心波长和谱线带宽的单色光；将此时的单色光称为最佳入射光；

S5、PLC控制模块向光强度控制模块发出包含目标物种最小最大浓度变化范围的指令2；

S6、光强度控制模块根据指令2，由小到大动态调整功率/电流无级调节器的旋钮，使得单色光提纯模块发出不同光强I₀的单色光；将此时输出的单色光称为输出2；此时，灵敏度调节模块没有投入工作，输出2直接到达多物种感知模块；

S7、多物种感知模块测量输出2，得到测量结果，即反馈2，并将反馈2发送到PLC控制模块；

S8、PLC控制模块根据反馈2来调节功率/电流无级调节器的旋钮，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳入射光的光强I₀：

当目标物种的浓度在最小浓度和最大浓度之间变化时，多物种感知模块均能接收到最佳入射光的透射信号，即I_t＞0；

S9、PLC控制模块向灵敏度调节模块发出包含目标物种高频浓度变化范围的指令3；

S10、灵敏度调节模块根据指令3，从小到大自动调节流通池的组合，使得单色光经过灵敏度调节模块的光程发生变化；将灵敏度调节模块发出的单色光称为输出3；

S11、多物种感知模块测量输出3，得到测量结果，即反馈3，并将反馈3发送到PLC控制模块；

S12、PLC控制模块根据反馈3调整灵敏度调节模块的光程，形成闭环控制，直至获得满足以下条件的最佳光程：

(1)不同浓度条件下，目标物种的吸光灵敏度ΔIa均为最大；

(2)目标物种为最大浓度时，多物种感知模块接收的单色光有信号，即I_t＞0；

(3)目标物种为最小浓度时，多物种感知模块接收的单色光的有衰减，即I₀＞I_t＞0。