水质在线监测仪的多光程装置的设计方法、设备及介质

技术领域

本申请涉及水质在线监测仪表技术领域，尤其涉及一种水质在线监测仪多光程装置的设计方法、设备及介质。

背景技术

目前多光程装置设计领域的大部分指标(氨氮、总磷、总氮、硝酸盐等)均基于分光光度法原理进行测量，该方法原理的核心是采用“朗伯-比尔定律”，该定律指出待测组分的浓度与吸光度的强度呈比例关系，而吸光度的强度又与摩尔吸光系数和光程成正相关，如能够增大摩尔吸光系数和光程，则就能够提升检测的精度和灵敏度。由于摩尔吸光系数是与化学测量原理直接相关，目前多光程装置设计仪表在此方面基本上少有关注。行业内大部分采用通过将样品量增大或者增加发射次数等方式进而提升光程，此类方法虽然在光程方面能够有一定提升(能增大1～2倍左右)，但效果极其有限，同时会带来废液量增加、测量时间增长、仪表尺寸过大等问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种水质在线监测仪的多光程装置的设计方法、计算机设备及存储介质，能够解决现有技术中水质在线仪表在基于分光光度法原理的应用过程中检出限无法满足要求、精度不够、样品及废液量大等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水质在线监测仪的多光程装置的设计方法，所述多光程装置设计方法包括：计算待测组分所需要的吸光跨度值；根据所述吸光跨度值、所述待测组分的体系信息以及测量相对偏差计算有效光程；根据所述有效光程以及积分球装置的参数信息计算所述积分球的内径；根据所述积分球的内径得到所述多光程装置的形态。

其中，所述计算待测组分所需要的吸光跨度值，进一步包括：根据所述水质在线监测仪的检出限、测量范围以及硬件吸光度信号分辨率计算所述吸光跨度值，且所述吸光跨度值表达式为公式（1）：

；

其中，ΔA为吸光度跨度；α为经验系数，取1~3；MDL为检出限；C

其中，所述根据所述吸光跨度值、所述体系信息以及测量相对偏差计算有效光程，进一步包括：根据所述吸光跨度值、所述测量因子的摩尔系数、溶液的整体吸光度、散射角度以及所述测量相对偏差基于吸收和散射原理计算所述有效光程，且所述有效光程的表达式为公式（2）：

；

其中，L

其中，所述根据所述有效光程以及积分球装置的参数信息计算所述积分球的内径，进一步包括:根据所述有效光程、所述积分球的镀层反射率、吸收率以及通光孔直径信息，结合漫反射原理计算所述积分球内径，所述内径计算表达式为公式（3）：

；

其中：

；

；

其中，R为所述积分球内径；β为所述积分球镀层反射率；L

其中，所述积分球为规则的球体。

其中，所述积分球内部的测量介质为液体，且所述测量介质的检测波长范围为200nm~900nm。

其中，所述计算待测组分所需要的吸光跨度值之前，进一步包括：分析所述待测组分的体系信息，所述体系信息至少包括测量因子、测量原理以及反应体系。

为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如上述任一项所述水质在线监测仪多光程装置的设计方法的步骤。

为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，采用了如下所述的技术方案：所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现上述所述的水质在线监测仪多光程装置的设计方法的步骤。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

本申请提供一种水质在线监测仪多光程装置的设计方法、计算机设备及存储介质，基于漫反射原理做成积分球装置，通过对的摩尔吸光系数、有效光程、密度、涂层反射率、透光率等参数进行积分球内径算法研究，基于算法进行水质在线仪表光程池的模型设计，解决了水质在线仪表在基于分光光度法原理的应用过程中检出限无法满足要求、精度不够、样品及废液量大等影响，在提高水质在线监测仪表精度的同时，还进一步的降低了二次污染，大大提升了水质在线仪表的稳定性及适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请水质在线监测仪的多光程装置的设计方法一实施方式的流程示意图；

图2是本申请算法模型的积分球装置示意图；

图3是根据积分球装置的漫反射原理得到的仿真示意图；

图4是根据本申请的计算机设备一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请结合图1，图1为本申请水质在线监测仪的多光程装置的设计方法一实施方式的流程示意图，如图1本申请提供的本申请水质在线监测仪的多光程装置的设计方法包括如下步骤：

S100，计算待测组分所需要的吸光跨度值。

可以理解的是，在本申请具体实施方式中在计算待测组分所需要的吸光跨度值之前，即进行建模之前，需要进一步对待测组分的体系信息进行分析，首先根据待测组分的方法原理进行相关测量体系的分析，且体系信息至少包括测量因子、测量原理和反应体系。当然在其他实施方式中，还可以有其他信息，此处不做具体限定。

进一步，在体系信息确认完后，根据吸光跨度值、待测组分的体系信息以及测量相对偏差计算有效光程。具体有，根据所述水质在线监测仪表所需要的达到的检出限、测量范围以及硬件信号分辨率信息计算出所需要的吸光度跨度值，且吸光度跨度值的表达式公式（1）如下：

；

其中，ΔA为吸光度跨度值，无量纲；α为经验系数，取1~3，无量纲；MDL为检出限，mg/L；C

S200，根据吸光跨度值、待测组分的体系信息以及测量相对偏差计算有效光程。

具体地，根据溶液吸收和散射，通过吸光跨度值、测量因子的摩尔系数、浊度、散射角度、测量相对偏差计算所述有效光程，且有效光程的表达式为公式（2）：

；

其中，Lv为有效光程，cm；ΔA为吸光度跨度值，无量纲；MDL为所述检出限，mg/L；k

S300，根据有效光程以及积分球装置的参数信息计算积分球的内径。

进一步，根据所述有效光程、所述积分球的镀层反射率、吸收率以及通光孔直径信息，结合漫反射原理计算所述积分球内径，所述内径计算表达式为公式（3）：

；

其中：

；

；

其中，R为所述积分球内径；β为所述积分球镀层反射率；L

S400，根据积分球的内径得到多光程装置的形态。

进一步，根据上述的公式（1）（2）（3）即可计算出积分球的内径信息，如此便可结合积分球的内径信息进行多光程装置的详细设计。

此外，本申请提供的水质在线监测仪的多光程装置的设计方法中的积分球为规则的球体设计，当积分球为不规则的球体时，则不适合。

且本申请实施方式可应用于积分球内部为液体的测量介质，且该测量介质的检测波长的范围为200nm~900nm，具体可以是200nm、550nm、900nm，此处不做具体限定。

上述实施方式中，通过采用漫反射原理，结合不同样品的摩尔吸光系数、有效光程、密度、涂层反射率、透光率等参数进行积分球内径算法研究，利用该算法模型并结合积分球的特性进行多光程装置的设计，具体如下优势：a、可满足不同监测因子的波长检测需求；b、检出限低；c、样品用量少，废液量少，进而单次测量时间也减少；d、基于算法模型可实现结构快速设计，且能够解决水质在线仪表在基于分光光度法原理的应用过程中检出限无法满足要求、精度不够、样品及废液量大等问题，在提高水质在线监测仪表精度的同时，还进一步的降低了二次污染，大大提升了水质在线仪表的稳定性及适应性。

在本申请一具体实施方式中，以总磷水质在线监测仪为例，拟采用紫外分光度法进行测量，其检出限为0.05mg/L，经验系数α取中间值为2，测量最大值为7mg/L；硬件吸光度信号分辨率为0.002，按照公式（1）可求得吸光度跨度如下：

根据紫外分光光度法测量水质总氮的原理，其摩尔吸光系数为220L·mg

测量总氮时其体系的成分主要为水，因此其透光率接近1；通光孔径为2mm，积分球涂层采用PTFE，其反射率按照0.98计；利用公式（3）并结合有效光程，可求得积分球直径如下：

请参阅图2和图3，图2为本申请算法模型的积分球装置示意图，图3为根据积分球装置的漫反射原理得到的仿真示意图。根据具体应用场景，进一步说明通过本申请中的算法模型，可指导水质在线监测仪多光程的装置的，解决了在利用分光光度法原理中检出限无法满足要求、精度差、样品用量大、二次污染等问题，大大的提高了水质在线仪表的准确度和可靠性。

为解决上述技术问题，本申请实施例还提供计算机设备。具体请参阅图4，图4为本实施例计算机设备基本结构框图。

所述计算机设备300包括通过系统总线相互通信连接存储器301、处理器302、网络接口303。需要指出的是，图4中仅示出了具有组件301-303的计算机设备300，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。其中，本技术领域技术人员可以理解，这里的计算机设备是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、数字处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、嵌入式设备等。

所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可以与用户通过键盘、鼠标、遥控器、触摸板或声控设备等方式进行人机交互。

所述存储器301至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、随机访问存储器（RAM）、静态随机访问存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可编程只读存储器（PROM）、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器301可以是所述计算机设备300的内部存储单元，例如该计算机设备300的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器301也可以是所述计算机设备300的外部存储设备，例如该计算机设备300上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。当然，所述存储器301还可以既包括所述计算机设备300的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器301通常用于存储安装于所述计算机设备300的操作系统和各类应用软件，例如接口调用方法的计算机可读指令等。此外，所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。

所述处理器302在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器302通常用于控制所述计算机设备300的总体操作。本实施例中，所述处理器302用于运行所述存储器301中存储的计算机可读指令或者处理数据，例如运行多光程装置设计方法的计算机可读指令。

所述网络接口303可包括无线网络接口或有线网络接口，该网络接口303通常用于在所述计算机设备300与其他电子设备之间建立通信连接。

上述实施方式中，基于漫反射原理做成积分球装置，通过对的摩尔吸光系数、有效光程、密度、涂层反射率、透光率等参数进行积分球内径算法研究，基于算法进行水质在线仪表光程池的模型设计，解决了水质在线仪表在基于分光光度法原理的应用过程中检出限无法满足要求、精度不够、样品及废液量大等影响，在提高水质在线监测仪表精度的同时，还进一步的降低了二次污染，大大提升了水质在线仪表的稳定性及适应性。

本申请还提供了另一种实施方式，即提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可读指令，计算机可读指令可被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行如上述的多光程装置设计方法的步骤。

上述实施方式中，基于漫反射原理做成积分球装置，通过对的摩尔吸光系数、有效光程、密度、涂层反射率、透光率等参数进行积分球内径算法研究，基于算法进行水质在线仪表光程池的模型设计，解决了水质在线仪表在基于分光光度法原理的应用过程中检出限无法满足要求、精度不够、样品及废液量大等影响，在提高水质在线监测仪表精度的同时，还进一步的降低了二次污染，大大提升了水质在线仪表的稳定性及适应性。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例的方法。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。