水中油浓度的光纤荧光在线测量系统

　　1　引　　言

　　随着工业的发展,油品的污染问题日益突出。油品若污染水质,对人体健康、动植物生长有一定危害。根据标准,我国地面水中油品含量最高不能超过0.3mg/L。因此,测定水中微量油分的含量对防治水体污染具有重要意义。测定水中微量油分含量的定量方法有重量法、比浊法、非分散红外法、紫外法等[1]。这些取样分析方存在取样困难,定位随机性大、数据少、期长、耗费大量人力财力等缺点,因此,迫切需要一种能在现场实现测量的仪器。90年代夏达英[2]等研制了连续走航测量的仪器系统,它是把荧光计装在水下拖拽体内,通过电缆将信号传输到船上,该方法存在设备复杂笨重、测试误差大、光电不能真正兼容等缺点[3、4]。现代荧光谱分析技术和光纤传感技术的发展,光源与光纤耦合技术的不断完善,为研制光纤荧光油浓度测量仪创造了条件。本文提出一种光纤传输与传感系统代替分立元件的水下荧光计,实现水中油浓度的实时在线测量。

　　2　测量原理

　　根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理,具有吸收光子能力的物质在特定波长光照射下,可在瞬间发射出荧光[5]。荧光物质的分子在吸光过程中可以有几个不同的吸收带,但发射的荧光只有一个峰带。不同的荧光物质由于分子结构和能量分布的差异,各自显示出不同的吸收光谱和荧光光谱特性,这一特性决定了荧光测量法具有选择性和鉴别性。由于水中油分主要指含有不饱合烃及芳烃类的有机物,这些有机物能在紫外光照射下发射荧光,所发射的荧光强度F遵循如下公式:

　　当被测荧光物质和仪器确定后,ε、k、φ、I0皆为常数。因此可采用荧光方法测量水中矿物油含量。

　　3　测量装置

　　如图1,通过分析水中油份(柴油、原油、机油等)的激发光谱特性和荧光光谱特性曲线[6]可知,所有油类的最大吸收峰都在紫外光区,波长240～360nm范围内;所有油类的荧光峰值波长均在330～450nm范围内。因此采用输出峰值在紫外光和可见光短波区(220～500nm)的低功耗、高强度、窄脉冲宽度的脉冲氙灯作为激发光源,闪光频率为8Hz,脉冲宽度在40μs左右。激发光通过准直和聚焦透镜耦合进入光纤,由光纤束传至水下探头,探头是筒式反射器,有防背景光并提高激发荧光的特殊设计。光纤束收集被测体发射的荧光并传到光电探测器进行变换;光纤束的结构是7根φ3mm的光纤并成缆,中间一支为激发光传输光纤束,周围6支光纤束隔1取1分成两组,每组3根,分别收集荧光信号和激发光源反射的杂散光。每3根进二次仪表前成缆,分别做信号光通道和参考光通道。为了有效分离被测油份产生的荧光和激发光的散射光,采用高阻塞系数窄带干涉滤光片作光谱滤光,激发滤光片的中心波长为360nm,带宽10nm;荧光发射滤光片的中心波长为420nm,带宽10nm。为消除脉冲氙灯闪光强度变化引起的荧光强度的变化,采用光纤束反射激发光做参考光的双光路双通道检测方案。