用于膜组件完整性检测的便携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，是涉及一种用于膜组件完整性检测的便携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。然而，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渗透液侧，系统出水水质安全问题将面临风险，对用水健康造成影响。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.直接检测法直接作用于膜组件或者膜本体来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。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。媒介示踪技术是一种灵敏度较高的间接检测技术，但是示踪剂的造价都比较高，而且示踪剂安全性能还有待进一步验证，目前并没有工程化应用。
4.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，但是膜对于类腐殖酸截留性能较差，无论膜丝是否破损，类腐殖酸荧光峰值变化不明显。因此类色氨酸物质可以作为检测膜破损的核心指标，类腐殖酸物质可以作为指示因子，当便携式水质分析仪系统元件出现故障时，类色氨酸物质的检测值与真实值可能出现偏差，因此引入类腐殖酸物质的检测值可以作为指示因子确定检测系统是否正常运行。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。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪及其检测方法，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。
6.本发明的目的可通过以下技术方案实现。
7.本发明用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，由光元件仓和电气仓构成，
8.所述光元件仓内设置有比色皿、led1激发光源、led2激发光源、信号增益端、滤光片切换器、探测器，所述led1激发光源和led2激发光源分别对称设置于比色皿左右两侧，所述led1激发光源和led2激发光源分别通过各自的光源开关进行开闭控制，通过各自的可变电位器进行光强度控制；所述信号增益端和滤光片切换器分别设置于比色皿的前端和后
端，所述探测器设置于滤光片切换器之后，且探测器光敏面朝向滤光片切换器一侧；所述光元件仓顶部设置有测样室，且测样室位于比色皿的正上方；
9.所述电气仓内设置有主控电路板，所述主控电路板分别连接液晶显示屏、置零键、总开关、供电接口、数据串口、外置电池、探测器；所述主控电路板包括mcu控制器、前置放大与信号调理电路、275nm恒流源驱动电路、340nm恒流源驱动电路；所述前置放大与信号调理电路的输入端与探测器连接，输出端与mcu控制器输入端连接；所述275nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与led1激发光源连接；所述340nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与led2激发光源连接；所述外置电池依次经供电接口、总开关后分别为mcu控制器、led1激发光源、led2激发光源供电；所述置零键连接mcu控制器的清零检测引脚，所述液晶显示屏连接mcu控制器的输出端，所述数据串口经232通信芯片连接mcu控制器的输出端。
10.所述光元件仓和电气仓为一体化结构，均由顶板、底板和四枚侧壁板组成，所述光元件仓和电气仓进行了物理隔离，结构拼合处均进行了台阶遮光处理，壳体内部的表面进行喷砂和黑色氧化。
11.所述比色皿通过安装座固定于光元件仓底板上，用于收纳待测物质并保证密封。
12.所述led1激发光源和led2激发光源均包括光源安装座和设置其上的外壳，所述外壳内依次设置有深紫外灯珠、准直镜、凸透镜，深紫外灯珠发射的紫外光经过准直镜进行整形，压缩发散角后，再通过头部的凸透镜聚焦后照射至比色皿，激发其内部待测物质产生荧光；采用高稳定性恒流源驱动技术，分别驱动led1激发光源和led2激发光源，并使两个光源工作为互斥状态，即两个光源间隔工作；所述led1激发光源和led2激发光源分别发射275nm波段和340nm波段的紫外光。
13.所述信号增益端包括由上至下依次设置的反射镜、反射镜安装座、底座，反射镜将部分荧光反射至探测器一侧，增强荧光散射光通量。
14.所述滤光片切换器采用纯机械式结构，包括前后盖，所述前后盖底部左右两侧分别设置有支架，两个支架之间设置有异型转盘，所述异型转盘顶部设置有推动扳把，中部设置有轴承，下部镶嵌有用于滤除紫外激发光的340nm与430nm波段的带通滤光片，所述异型转盘上部分嵌入前后盖内，通过销轴与轴承的配合将异型转盘与前后盖连接，所述推动扳把外露于前后盖顶部，通过拨动推动扳把实现两个带通滤光片的切换。
15.所述探测器采用紫外增强型硅探测器，本质为一枚末端设置光电传感探头的准直器，紫外增强型硅探测器型号为rad219，所述探测器与激发光源呈90度角排布，将比色皿内待测物质被激发后产生的荧光信号通过头部的凸透镜聚焦后收集并转换为可读取的电信号。
16.本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
17.本发明基于用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪的中空纤维膜组件完整性检测方法，包括以下步骤：
18.步骤一，膜系统过滤前进水测试
19.打开总开关，打开275nm的led1激发光源，调节对应的可变电位器，取膜系统过滤前水50ml，取约3ml加入比色皿，紫外光源照射到比色皿后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器接收，记录值tmax后，关闭led1激发光源，此tmax为过滤之前的原水测试的荧
光峰值最大值；
20.步骤二，检测基准设定
21.使用一个完整的膜组件的过滤进水，取约3ml膜组件过滤出水加入比色皿，打开275nm的led1激发光源，紫外光源照射到比色皿后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值，关闭led1激发光源；打开340nm的led2激发光源，紫外光源照射到比色皿后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片被探测器接收，记录值c0，此c0值为指示系统正常运行的基准值；
22.步骤三，判断膜组件完整性
23.膜系统运行时，取约3ml膜组件出水加入比色皿，打开340nm的led2激发光源，紫外光源照射到比色皿后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片滤光后被探测器接收，记录值c1，此c1值为指示系统正常运行的动态变化值；
24.当0.9＜c1/c0＜1.2，即c1/c0≈1时，仪器自检通过，认为便携式水质分析仪运行正常，进行下一步测试，即打开275nm的led1激发光源，紫外光源照射到比色皿后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片滤光后被探测器接收，记录值t1，此t1为出水水质的动态变化值；当tmax≥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；
25.否则仪器自检未通过，未通过自检原因1：水样超出仪器的测试范围，需要调整水样稀释倍数，或通过可变电位器调整led激发光源功率；未通过自检原因2：仪器器件出现问题，需排查各器件状态。
26.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
27.(1)在结构设计方面，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。结构拼合处均进行了台阶遮光处理，壳体内部的表面喷砂和黑色氧化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。光元件仓内的各路信号发射端与接收端均采用了销钉定位、螺钉紧固的安装方式。滤光片切换器在本套测量系统中作为仅次于光电探头的重要子系统，采用了比较稳定的纯机械式结构，一是避免了电磁衔铁切换结构产生的振动影响测量精度，二是简化了电路设计使之更加简洁且可靠，其使用异型转盘在满足了有效切换的同时保证了空间上的节约，收敛了结构壳体所需要的最小高度。
28.(2)在电气设计方面，主控板采用stm32f103芯片以及ad外放的方式保证了信号处理的高效，为防止待测物浓度过低时信号微弱主控板上设置了有效放大电路。各电气接口在保证使用需求的前提下均采用了市面流行的成熟产品，在可维护方面进行了充分的考量。2004a型液晶显示屏可显示四行、每行20位的有效信息，底层编辑语言为c，代码模板的可编辑性较强且不易产生程序错误。
29.(3)本发明体积和重量远远小于传统台式荧光光谱仪，便于携带，便于在野外现场使用，体积小巧，自带电池，可以脱离外接电源的情况下，大大增加了其便携性。
30.滤光片切换器采用了比较稳定的纯机械式结构，使用异型转盘在满足了有效切换的同时保证了空间上的节约，收敛了结构壳体所需要的最小高度。
31.本发明便携式水质分析仪，相比膜破损检测常用的颗粒计数器，其具有低成本、灵敏、使用灵活、操作简便的优势。颗粒计数检测技术需要安装分流管来控制以满足对流量和压力的要求，同时相对固定的安装限制了对多单元多组件漏损的检测能力，并且易受气泡干扰。而便携式水质分析仪无需考虑流量压力的影响，无需固定安装，使用灵活。便携式水
质分析仪解决了常规荧光分光光度计仪器较大且十分笨重，需要电源，无法在户外使用的问题，且需要专人操作，很难适用于工程化的膜过滤系统，成本相对较高等问题。
附图说明
32.图1是本发明便携式水质分析仪的外部结构示意图；
33.图2是本发明便携式水质分析仪的内部结构示意图；
34.图3是本发明便携式水质分析仪的左视图；
35.图4是本发明便携式水质分析仪的右视图；
36.图5是本发明便携式水质分析仪中激发光源的爆炸图；
37.图6是本发明便携式水质分析仪中滤光片切换器的爆炸图；
38.图7是本发明便携式水质分析仪中滤光片切换器的主视图；
39.图8是本发明便携式水质分析仪中滤光片切换器的俯视图；
40.图9是本发明便携式水质分析仪中滤光片切换器的切换图；
41.图10是本发明便携式水质分析仪中主控电路板的原理图；
42.图11是本发明便携式水质分析仪与颗粒计数器检测对比图。
43.附图标记：1-光元件仓，2-电气仓，3-测样室，4-外置电池，5-led1激发光源，6-信号增益端，7-探测器，8-比色皿，9-滤光片切换器，901-前后盖，902-支架，903-异型转盘，904-推动扳把，905-轴承，906-带通滤光片，10-光源开关，11-led2激发光源，12-可变电位器，13-总开关，14-置零键，15-供电接口，16-数据串口，17-液晶显示屏，18-主控电路板，19-光源安装座，20-外壳，21-深紫外灯珠，22-准直镜，23-凸透镜，24-支座，u1-一号运算放大器，u2-二号运算放大器，u3-三号运算放大器，r1-一号电阻，r2-二号电阻，r3-三号电阻，r4-四号电阻，q1-一号三极管，q2-二号三极管，q3-三号三极管，gnd-地，c-电容。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明作进一步的描述。
45.如图1至图4所示，本发明用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，主要由光元件仓1和电气仓2两部分构成，所述光元件仓1和电气仓2为一体化结构，均由顶板、底板和四枚侧壁板组成，为了便于调试设计为了全可拆卸的结构。所述光元件仓1和电气仓2进行了物理隔离，结构拼合处均进行了台阶遮光处理，避光性能良好，壳体内部的表面进行喷砂和黑色氧化，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。
46.所述光元件仓1设置有比色皿8、测样室3、led1激发光源5、led2激发光源11、信号增益端6、滤光片切换器9、探测器7、光源开关10、可变电位器12。
47.所述比色皿8设置于光元件仓1内部，通过安装座固定于光元件仓1的底板上，用于收纳待测物质并保证密封。所述测样室3通过两枚磁吸固定于光元件仓1顶板上表面，且测样室3位于比色皿8的正上方。其中，所述光元件仓1的顶板开设通孔，且比色皿8上部分穿过该通孔，被测样室3遮盖住。
48.所述led1激发光源5和led2激发光源11设置于光元件仓1内部，分别对称设置于比色皿8左右两侧。如图5所示，所述led1激发光源5和led2激发光源11均包括光源安装座19和设置其上的外壳20，所述外壳20内依次设置有深紫外灯珠21、准直镜22、凸透镜23，其中，所
述led1激发光源5和led2激发光源11的光源安装座19末端分别为一枚275nm波段和340nm波段的深紫外灯珠21，分别发射275nm波段和340nm波段的紫外光。所述led1激发光源5和led2激发光源11分别通过各自的光源开关10进行开闭控制，通过各自的可变电位器12旋转调节进行光强度控制，其中，所述光源开关10和可变电位器12的上部分均外露于光元件仓1顶部。采用高稳定性恒流源驱动技术，分别驱动led1激发光源5和led2激发光源11，并使两个光源工作为互斥状态，即两个光源间隔工作。led1激发光源5和led2激发光源11发射的紫外光经过准直镜22进行整形，压缩发散角后，再通过头部的凸透镜23聚焦后照射至比色皿8，激发其内部具有荧光特性的待测物质产生荧光。
49.所述信号增益端6设置于光元件仓1内部，且位于比色皿8的前端，所述信号增益端6包括由上至下依次设置的反射镜、反射镜安装座、底座，反射镜将部分荧光汇聚后反射至探测器7一侧，增强荧光散射光通量。
50.如图6至图9所示，所述滤光片切换器9安装于光元件仓1内部，且位于比色皿8的后端，所述滤光片切换器9采用纯机械式结构，包括前后盖901，所述前后盖901底部左右两侧分别设置有支架902，用于将滤光片切换器9抬高至一个固定设计高度，两个支架之间设置有异型转盘903，所述异型转盘903顶部设置有推动扳把904，中部设置有轴承905，下部镶嵌有340nm与430nm波段的带通滤光片906，所述异型转盘903上部分嵌入前后盖901内，通过销轴与轴承905的配合将异型转盘903与前后盖901连接，所述推动扳把904外露于前后盖901顶部，通过拨动推动扳904把实现两个带通滤光片906的切换，从而满足在两种不同波长光源交替工作的工况下探测器7均能够对信号完成采集工作。其中，带通滤光片906的作用是滤除紫外激发光，避免紫外激发光对荧光信号造成干扰。
51.所述探测器7通过支座24安装于光元件仓1内部，且位于滤光片切换器9之后，且探测器7光敏面朝向滤光片切换器9一侧，与带通滤光片906高度一致，与激发光源呈90度角排布，起到减小紫外激发光对荧光信号干扰的作用。所述探测器7采用紫外增强型硅探测器，本质为一枚末端设置光电传感探头的准直器，紫外增强型硅探测器型号为rad219(感光面积：100mm2；波长使用范围：190-1100nm；峰值波长：960nm；峰值波长响应度：0.5a/w；200nm的响应度：0.1-0.12a/w；响应时间：3μs；工作温度范围：-20～+60℃；储存温度范围：-20～+80℃；分流电阻：200mω；暗电流：2
×
10-10
a)，所述探测器7将比色皿8内待测物质被激发后产生的荧光信号通过头部的凸透镜23聚焦后收集并转换为可读取的电信号，实现对荧光的检测。
52.所述电气仓2内设置有主控电路板18，所述主控电路板18分别连接液晶显示屏17(lcm液晶显示屏)、置零键14、总开关13、供电接口15、数据串口16、外置电池4、探测器7，所述置零键13、总开关14、供电接口15、数据串口16设置于电气仓2侧面。
53.如图10所示，所述主控电路板18包括mcu控制器(单片机)、前置放大与信号调理电路、275nm恒流源驱动电路、340nm恒流源驱动电路。所述前置放大与信号调理电路的输入端与探测器7连接，输出端与mcu控制器输入端连接。所述275nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与发射275nm波段紫外光的led1激发光源5连接。所述340nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与发射340nm波段紫外光的led2激发光源11连接。本发明中，采用高稳定性恒流源驱动技术，分别驱动led1激发光源5、led2激发光源11，并使光源以互斥状态工作，即两个光源间隔工作。所述外置电池4依次经供电
接口15、总开关13后分别为mcu控制器、led1激发光源5、led2激发光源11供电。其中，供电接口15的外接电源可以使用外置电池4便于户外便携使用，也可以使用220v电源，此时只能将220v电源经过电源适配器降压为直流5v才能接进电路中。
54.所述总开关13用于控制整套电气系统供电的开闭。所述置零键14连接mcu控制器的清零检测引脚，所述置零键14是用于将比色皿8放入标准纯净水后，探测器7读数清零(归零)，并显示在液晶显示屏17上。供电接口15为航空插座，连接电路的电源正极和地。所述液晶显示屏17连接mcu控制器的输出端，主控电路板18基于mcu控制器对探测器7的输出信号进行采集，通过液晶显示屏17输出测量结果，所述液晶显示屏17展示的信息包括工作中光源波长、工作中光源强度以及接收端信号强度读数等信息。所述数据串口16连接232通信芯片信号输出引脚，232通信芯片信号输入引脚连接mcu控制器的输出端，所述数据串口16为一枚db-9接口，将采集信号上传至pc或其他类型的上位机。另外，mcu控制器还需要接地。
55.具体地，所述前置放大与信号调理电路包括三号运算放大器u3，所述三号运算放大器u3的同相输入端接地gnd，所述三号运算放大器u3的反相输入端经四号电阻r4接地gnd，所述探测器7并联于四号电阻r4两端；所述三号运算放大器u3的反相输入端和输出端之间还连接有三号电阻r3，三号电阻r3两端并联有一个0.1μf的电容c，起到调频滤波，降低电路板噪声的作用。探测器7的前置放大与信号调理电路用于将探测器7的输出电流进行i-v变换、增益调整和低通滤波，以获得增益倍数可调节的低纹波噪声的直流电压信号。前置放大与信号调理电路将信号放大了500万倍，通过调节三号电阻r3、四号电阻r4阻值可以调整放大倍数。
56.具体地，所述275nm恒流源驱动电路包括一号运算放大器u1和一号三极管q1，所述一号运算放大器u1的同相输入端与mcu控制器输出端连接，所述一号运算放大器u1的输出端与一号三极管q1的基极连接，所述一号运算放大器u1的反相输入端与一号三极管q1的发射极均经一号电阻r1接地，所述一号三极管q1的集电极依次经led1激发光源5、总开关13、供电接口15与外置电池4连接。
57.具体地，所述340nm恒流源驱动电路包括二号运算放大器u2和二号三极管q2，所述二号运算放大器u2的同相输入端与mcu控制器输出端连接，所述二号运算放大器u2的输出端与二号三极管q2的基极连接，所述二号运算放大器u2的反相输入端与二号三极管q2的发射极均经二号电阻r2接地，所述二号三极管q2的集电极依次经led2激发光源11、总开关13、供电接口15与外置电池4连接。
58.由于类色氨酸荧光与类腐不同殖酸荧光中心波长存在差异，紫外增强型硅探测器光敏面前所布置的相应的两种的带通滤光片通过推动扳把实现切换功能，从而满足在两种不同波长光源交替工作的工况下探测器均能够对信号完成采集工作。
59.色氨酸荧光中心：275nm(激发波长)/300-380nm(荧光发射光谱范围)/335nm(荧光辐射中心波长)；腐殖酸荧光中心：340nm(激发波长)/400-450nm(荧光发射光谱范围)/430nm(荧光辐射中心波长)。
60.本发明便携式水质分析仪的探测荧光峰值是两个：类色氨酸t峰(ex/em＝275nm/335nm)和类腐殖酸c峰(ex/em＝340nm/430nm)。
61.本发明便携式水质分析仪整机遮光设计，屏蔽背景光包含可见光(环境背景光)、近红外光(内部发热元件可能导致的红外辐射)。采用铝合金喷砂黑色阳极氧化内腔，不使
用具有荧光吸收性的材料。
62.本发明利用便携式水质分析仪对中空纤维膜组件完整性进行检测，实现对膜组件及膜过滤出水水质进行准确、快速的诊断与检测。在响应时间上，传统台式荧光分光光度计使用三维荧光光谱在激发波长(ex)范围为200～450nm，发射波长(em)范围为250～500nm，扫描速度为2400nm
·
min-1
，激发与发射狭缝均为5nm的操作条件下进行检测需耗时约8min，而本方法的操作步骤检测时间约为1min，在保证检测精度的情况下有效降低了检测检测时间。
63.本发明利用便携式水质分析仪的中空纤维膜组件完整性检测方法，包括以下步骤：
64.步骤一，膜系统过滤前进水测试
65.先打开总开关13，打开275nm的led1激发光源5，调节对应的可变电位器12，取膜系统过滤前水50ml(若有悬浮颗粒物可静置取上清液)，取约3ml加入比色皿8，紫外光源照射到比色皿8后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片滤光后被探测器7接收，记录值tmax后，关闭275nm的led1激发光源5，此tmax为过滤之前的原水测试的荧光峰值最大值。
66.步骤二，检测基准设定
67.使用一个完整的膜组件的过滤进水，取约3ml膜组件过滤出水加入比色皿8，打开275nm的led1激发光源5，紫外光源照射到比色皿8后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器7接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值，关闭275nm的led1激发光源5。打开340nm的led2激发光源11，紫外光源照射到比色皿8后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片被探测器7接收，记录值c0，此c0值为指示系统正常运行的基准值。
68.步骤三，判断膜组件完整性
69.膜系统运行时，取约3ml膜组件出水加入比色皿8，打开340nm的led2激发光源11，紫外光源照射到比色皿8后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片滤光后被探测器7接收，记录值c1，此c1值为指示系统正常运行的动态变化值。当便携式水质分析仪系统元件出现故障时，测试值与真实值会出现偏差，因此引入c1与c0的比值可以作为指示因子确定检测系统是否正常，达到仪器自检的目的。
70.当0.9＜c1/c0＜1.2，即c1/c0≈1时，仪器自检通过，认为便携式水质分析仪运行正常，进行下一步测试，即打开275nm的led1激发光源5，紫外光源照射到比色皿8后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片滤光后被探测器7接收，记录值t1，此t1为出水水质的动态变化值。当tmax≥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。
71.否则仪器自检未通过，未通过自检原因1：水样超出仪器的测试范围，需要调整水样稀释倍数，或通过可变电位器12调整led激发光源功率；未通过自检原因2：仪器器件出现问题，需排查各器件状态。
72.实施例1
73.将商用pcx2000颗粒计数器(美国，哈希)安装于膜过滤系统出水侧，对相同的水样分别进行颗粒计数与便携式水质分析仪检测。分析结果如图11所示，随着破损率的提高，0.95≤c1/c0≤1.1，c1/c0≈1，仪器自检通过，系统元件正常，且tmax≥t1＞t0，证明膜组件出现破损，需要维修或者更换膜组件。本发明实施例提供的检测方法与当前颗粒计数器检测
结果趋势基本一致，在响应时间、反馈精度上均具有良好的实用性，但颗粒计数器的“局部分流”设计会导致一定的检测误差，并且颗粒技术器易受气泡的干扰导致误差。便携式水质分析仪更能直接反映膜过滤出水侧的水质内部变化信息，检测误差较小。
74.尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，由光元件仓(1)和电气仓(2)构成，所述光元件仓(1)内设置有比色皿(8)、led1激发光源(5)、led2激发光源(11)、信号增益端(6)、滤光片切换器(9)、探测器(7)，所述led1激发光源(5)和led2激发光源(11)分别对称设置于比色皿(8)左右两侧，所述led1激发光源(5)和led2激发光源(11)分别通过各自的光源开关(10)进行开闭控制，通过各自的可变电位器(12)进行光强度控制；所述信号增益端(6)和滤光片切换器(9)分别设置于比色皿(8)的前端和后端，所述探测器(7)设置于滤光片切换器(9)之后，且探测器(7)光敏面朝向滤光片切换器(9)一侧；所述光元件仓(1)顶部设置有测样室(3)，且测样室(3)位于比色皿(8)的正上方；所述电气仓(2)内设置有主控电路板(18)，所述主控电路板(18)分别连接液晶显示屏(17)、置零键(14)、总开关(13)、供电接口(15)、数据串口(16)、外置电池(4)、探测器(7)；所述主控电路板(18)包括mcu控制器、前置放大与信号调理电路、275nm恒流源驱动电路、340nm恒流源驱动电路；所述前置放大与信号调理电路的输入端与探测器(7)连接，输出端与mcu控制器输入端连接；所述275nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与led1激发光源(5)连接；所述340nm恒流源驱动电路的输入端与mcu控制器输出端连接，输出端与led2激发光源(11)连接；所述外置电池(4)依次经供电接口(15)、总开关(13)后分别为mcu控制器、led1激发光源(5)、led2激发光源(11)供电；所述置零键(14)连接mcu控制器的清零检测引脚，所述液晶显示屏(17)连接mcu控制器的输出端，所述数据串口(16)经232通信芯片连接mcu控制器的输出端。2.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述光元件仓(1)和电气仓(2)为一体化结构，均由顶板、底板和四枚侧壁板组成，所述光元件仓(1)和电气仓(2)进行了物理隔离，结构拼合处均进行了台阶遮光处理，壳体内部的表面进行喷砂和黑色氧化。3.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述比色皿(8)通过安装座固定于光元件仓底板上，用于收纳待测物质并保证密封。4.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述led1激发光源(5)和led2激发光源(11)均包括光源安装座(19)和设置其上的外壳(20)，所述外壳(20)内依次设置有深紫外灯珠(21)、准直镜(22)、凸透镜(23)，深紫外灯珠(21)发射的紫外光经过准直镜(22)进行整形，压缩发散角后，再通过头部的凸透镜(23)聚焦后照射至比色皿(8)，激发其内部待测物质产生荧光；采用高稳定性恒流源驱动技术，分别驱动led1激发光源(5)和led2激发光源(11)，并使两个光源工作为互斥状态，即两个光源间隔工作；所述led1激发光源(5)和led2激发光源(11)分别发射275nm波段和340nm波段的紫外光。5.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述信号增益端(6)包括由上至下依次设置的反射镜、反射镜安装座、底座，反射镜将部分荧光反射至探测器(7)一侧，增强荧光散射光通量。6.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述滤光片切换器(9)采用纯机械式结构，包括前后盖(901)，所述前后盖(901)底部左右两侧分别设置有支架(902)，两个支架(902)之间设置有异型转盘(903)，所述异型转盘(903)顶部设置有推动扳把(904)，中部设置有轴承(905)，下部镶嵌有用于滤除紫外激发光的340nm
与430nm波段的带通滤光片(906)，所述异型转盘(903)上部分嵌入前后盖(901)内，通过销轴与轴承(905)的配合将异型转盘(903)与前后盖(901)连接，所述推动扳把(904)外露于前后盖(901)顶部，通过拨动推动扳把(904)实现两个带通滤光片(906)的切换。7.根据权利要求1所述的用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪，其特征在于，所述探测器(7)采用紫外增强型硅探测器，本质为一枚末端设置光电传感探头的准直器，紫外增强型硅探测器型号为rad219；所述探测器(7)与激发光源呈90度角排布，将比色皿(8)内待测物质被激发后产生的荧光信号通过头部的凸透镜(23)聚焦后收集并转换为可读取的电信号。8.一种基于权利要求1至7中任一项所述用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪的中空纤维膜组件完整性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，膜系统过滤前进水测试打开总开关(13)，打开275nm的led1激发光源(5)，调节对应的可变电位器，取膜系统过滤前水50ml，取约3ml加入比色皿(8)，紫外光源照射到比色皿(8)后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器(7)接收，记录值tmax后，关闭led1激发光源(5)，此tmax为过滤之前的原水测试的荧光峰值最大值；步骤二，检测基准设定使用一个完整的膜组件的过滤进水，取约3ml膜组件过滤出水加入比色皿(8)，打开275nm的led1激发光源(5)，紫外光源照射到比色皿(8)后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片被探测器(7)接收，记录值t0，此t0值为出水水质的基准值，关闭led1激发光源(5)；打开340nm的led2激发光源(11)，紫外光源照射到比色皿(8)后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片被探测器(7)接收，记录值c0，此c0值为指示系统正常运行的基准值；步骤三，判断膜组件完整性膜系统运行时，取约3ml膜组件出水加入比色皿(8)，打开340nm的led2激发光源(11)，紫外光源照射到比色皿(8)后荧光物质激发，激发后的荧光通过430nm带通滤光片滤光后被探测器(7)接收，记录值c1，此c1值为指示系统正常运行的动态变化值；当0.9＜c1/c0＜1.2，即c1/c0≈1时，仪器自检通过，认为便携式水质分析仪运行正常，进行下一步测试，即打开275nm的led1激发光源(5)，紫外光源照射到比色皿(8)后，激发后的荧光经过340nm带通滤光片滤光后被探测器(7)接收，记录值t1，此t1为出水水质的动态变化值；当tmax≥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；否则仪器自检未通过，未通过自检原因1：水样超出仪器的测试范围，需要调整水样稀释倍数，或通过可变电位器(12)调整led激发光源功率；未通过自检原因2：仪器器件出现问题，需排查各器件状态。

技术总结
本发明公开了一种应用于膜组件完整性检测的便携式水质分析仪及其检测方法：分析仪由光元件仓和电气仓构成，光元件仓内设置比色皿、LED1激发光源、LED2激发光源、信号增益端、滤光片切换器、探测器；电气仓内设置主控电路板，主控电路板分别连接液晶显示屏、置零键、总开关、供电接口、数据串口、外置电池、探测器；主控电路板包括MCU控制器、前置放大与信号调理电路、275nm恒流源驱动电路、340nm恒流源驱动电路；检测方法包括膜系统过滤前进水测试，检测基准设定，判断膜组件完整性。本发明适应不同膜组件系统的安装，可以进行单波长快速扫描，降低检测成本。降低检测成本。降低检测成本。


技术研发人员：王捷 贾辉 刘宇翔
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8