基于光纖回歸反射能量衰減技術(shù)的生物量濃度在線測量方法

基于光纖回歸反射能量衰減技術(shù)的生物量濃度在線測量方法

0基于在線測量生物量的方法生物膜滴濾塔是生物廢物處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心裝置。影響塔化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素是生物濾器的填充和養(yǎng)分、ph值、塔的溫度和壓降、生物量濃度等。其中,生物量濃度是重要的影響因素,它的在線測量對于控制生物膜滴濾塔內(nèi)生化反應(yīng)速率有著十分重要的意義。傳統(tǒng)的生物量濃度在線測量的方法主要有:比重法、聲學(xué)檢測法、傳統(tǒng)光學(xué)檢測法、阻抗(或?qū)Ъ{)測量法、軟測量技術(shù)估計(jì)法、電容率頻譜法、鎖相放大器檢測法等[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但生物量濃度在線測量方法還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段,從技術(shù)應(yīng)用到推廣普及還有一定的距離。文獻(xiàn)介紹了一種利用光反射能量衰減量變化原理設(shè)計(jì)的一種光纖反射式液體生物量濃度測量傳感器。根據(jù)光在介質(zhì)傳輸過程中,反射光能量的大小與生物菌懸液濃度有關(guān)這一原理,通過實(shí)驗(yàn)研究了光在不同濃度菌懸液中的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著菌懸液濃度的不斷增加,出射光強(qiáng)不斷減弱。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊,通過測量輸出電壓的變化達(dá)到在線測量生物量濃度的目的。實(shí)驗(yàn)證明,這種方法用于測量微生物菌懸液濃度,具有很好的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。但是,在生物膜滴濾塔內(nèi)的反應(yīng)是十分復(fù)雜的,微生物降解等生化反應(yīng)會引起塔內(nèi)溫度變化。而環(huán)境和待測生物菌懸液溫度的變化對生物量濃度影響較大,從而文獻(xiàn)中描述的方法很難真正的實(shí)現(xiàn)生物量濃度的在線準(zhǔn)確測量。為了消除溫度變化對生物量濃度測量的影響,本文在傳感器探頭中引入溫度補(bǔ)償臂,設(shè)計(jì)出了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w生物量濃度在線測量傳感器。實(shí)驗(yàn)表明:該傳感器用于測量微生物菌懸液濃度具有很好的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系,有效地消除了溫度變化對生物量濃度測量的影響,實(shí)現(xiàn)了生物量濃度的準(zhǔn)確在線測量。1傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理1.1傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w生物量濃度在線測量傳感器系統(tǒng)由光源、光纖探頭、光探測器、信號處理和數(shù)碼顯示幾部分構(gòu)成。1.2檢測部分組成本文在傳感器光纖探頭部分采用了雙通道參比方式的傳感器探頭結(jié)構(gòu),以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。主要由光纖測試探頭和光纖參比探頭兩部分組成。每部分都由入射光纖、接收光纖和反射面組成。把傳感器探頭放入生物菌懸液中,光纖測試探頭與反射鏡面的間隙內(nèi)充滿了被測生物菌懸液,光經(jīng)過入射光纖1進(jìn)入被測液,再到達(dá)反射面,經(jīng)反射后再次通過被測液,進(jìn)入到接收光纖2,完成光在被測液中的傳播。而在光纖參比探頭中,光首先經(jīng)過入射光纖3,進(jìn)入?yún)⒈纫?再到達(dá)反射面,經(jīng)過反射面反射后再次經(jīng)過參比液,進(jìn)入到接收光纖4,完成光在參比液(一般選用蒸餾水)中的傳播。2傳感器原理的理論分析2.1熱光效應(yīng)的概念理論研究表明:物質(zhì)的原子組成一定時,折射率隨物質(zhì)的密度變化而變化。而溫度的變化對物質(zhì)的密度,特別是對液體的密度變化有較明顯的影響,其原因是溫度的改變引起液體分子間勢能和分子距離發(fā)生改變,因而密度發(fā)生了變化,所以,液體的折射率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。一般把折射率隨溫度改變而改變的現(xiàn)象叫做熱致光學(xué)效應(yīng),簡稱熱光效應(yīng)。根據(jù)熱光效應(yīng),折射率為n的液體,當(dāng)溫度改變時有如下關(guān)系:ξ=1ndndt(1)ξ=1ndndt(1)式中,ξ為液體的熱光系數(shù),t為溫度。由于在一定的溫度范圍內(nèi),熱光系數(shù)ξ是一個常數(shù),因此,確定了溫度分布也就確定折射率變化的分布。2.2各因素的關(guān)系由文獻(xiàn)可知,根據(jù)比爾(Beer)定律,光在弱吸收介質(zhì)W1和W2點(diǎn)兩點(diǎn)之間的強(qiáng)度關(guān)系有如下關(guān)系:Ιout=Ιinexp(-∫W2W1α(r)dl)(2)Iout=Iinexp(?∫W2W1α(r)dl)(2)式中,Iin和Iout分別為入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng),α是與折射率n有關(guān)的函數(shù),α=nK0K,K0、K為特定常數(shù)。2.3密度對參比液熱膨脹系數(shù)的影響假定光在生物菌液中有效傳播的距離為l,則l可以表示為l≈2d1(3)l≈2d1(3)由此,可得生物菌液在濃度和溫度t同時變化情況下,輸出的光強(qiáng)I0為Ιout=Ιin?exp(2bd1ξΜ?ρ20?ζ?ΚΚ0)(4)Iout=Iin?exp(2bd1ξM?ρ20?ζ?KK0)(4)其中,M為被測溶液的相對分子量,b為被測溶液的特定常數(shù)。設(shè)溫度為20℃時參比液的密度為ρ′20,參比液的熱膨脹系數(shù)為ζ′,ξ為參比液的熱光系數(shù),M′為參比液的相對分子量,b′為參比液的特定常數(shù)。同理,可得用于溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖脊饫w傳感器的接收光在經(jīng)參比液后的光強(qiáng)為:Ι′out=Ιinexp(2b′dξΜ′?ρ′20?ζ′?ΚΚ0)(5)2.4傳感器的工作原理具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w生物量濃度在線測量傳感器原理框圖如圖3所示。將傳感器探頭浸入生物菌懸液中,可以測得生物菌液濃度和參考液隨溫度變化的2路信號。其輸出電壓U1和U2分別表示光纖測試探頭1和光纖參比液探頭2經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓,可將式(4)和(5)改寫為如下兩式:U1=U01+Κ1Ιin?exp(2bdξΜ?ρ20?ζ?ΚΚ0)(6)U2=U02+Κ2Ιin?exp(2b′dξΜ?ρ20?ζ?ΚΚ0)(7)式中,U01、U02分別表示生物菌液和參考液2路測量信號光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓的初始值,一般為常數(shù),可以通過調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)來改變初始值,也可以通過調(diào)零電路,將U01、U02調(diào)為0。經(jīng)相比運(yùn)算處理后可得到傳感器單一的輸出信號U:U=ln(U1-U01)-ln(Κ1Ιin)ln(U2-U02)-ln(Κ2Ιin)=bΜ′ρ20ζb′Μρ′20ζ′(8)C20表示相當(dāng)于生物菌液溫度恒定在20℃時生物菌液的濃度,由密度與摩爾質(zhì)量關(guān)系式C=ρ/M,可將輸出信號U改寫為U=U0+C20Κ(9)式中,U0表示光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓的初始值,可以通過調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)改變初始值,也可以通過調(diào)零電路,將U0調(diào)為0;K表示光探測器光電轉(zhuǎn)換系數(shù);傳感器最后經(jīng)過信號處理后的輸出信號電壓U只與生物菌液在20℃時的濃度變化有關(guān),而與溫度無關(guān),通過傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號處理方法,可以從理論和實(shí)際實(shí)施應(yīng)用中證明能夠提供一種將不可測的生物菌液的濃度信號轉(zhuǎn)換為可測的電信號,同時消除溫度變化生物菌液濃度測量的影響。這樣即可將輸出信號電壓U與具有實(shí)際意義的生物菌液的濃度建立起對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。3實(shí)驗(yàn)與分析3.1降解有機(jī)廢氣本實(shí)驗(yàn)中,所選的被測生物菌液中細(xì)菌為惡臭假單胞菌,常用于生化降解有機(jī)廢氣(苯、甲苯、二甲苯等)。菌屬特性為:單細(xì)胞,直或彎桿短桿菌(假單胞菌屬Pseudomonassp.)。最適生長溫度25～30℃,35℃以上不生長。3.2生物菌懸液的光學(xué)檢測為驗(yàn)證光吸收法測量生物量濃度的可行性,實(shí)驗(yàn)中,使用荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的光纖光譜儀對生物菌懸液進(jìn)行測試。選取20mL濃度分別為1.0mol/L、0.8mol/L、0.4mol/L、0.2mol/L和0.1mol/L的生物菌懸液,使用光纖光譜儀進(jìn)行重復(fù)的實(shí)驗(yàn),測試出了隨菌懸液生物量濃度變化下的光的吸收度,其變化曲線如圖4所示(溫度t=20℃)。通過實(shí)驗(yàn),測得此菌懸液的最大吸收峰在380nm左右。表明,在此波長段附近,實(shí)驗(yàn)生物菌懸液對光的靈敏度最高,吸收和反應(yīng)最強(qiáng)烈。于是,在傳感器光源波長選擇上,我們選擇380nm左右的紫外光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用380nm的通用紫外發(fā)光二極管作為光源。實(shí)驗(yàn)曲線表明,生物菌懸液對光的吸收度隨生物量濃度變化而變化,其趨勢是:隨生物量濃度的增加,菌懸液的光吸收度也增加,說明生物菌體對光的吸收度也隨之增大。該實(shí)驗(yàn)表明,生物菌懸液濃度對于菌體的光的吸收度有著顯著的影響,可以通過測量接收光的能量來較準(zhǔn)確的反映生物菌液濃度的測量,從而實(shí)現(xiàn)生物量濃度的在線測量。3.3用光纖傳感器法測定生物量濃度(1)溫度對檢測結(jié)果的影響選取了濃度分別為0.40mol/L、0.30mol/L和0.20mol/L的生物菌懸液各20mL,分別在0～40℃溫度區(qū)間范圍內(nèi),逐漸升溫,以5℃為單位取樣點(diǎn),進(jìn)行重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)。得到傳感器輸出電壓,如圖5所示。圖5的實(shí)驗(yàn)曲線表明:在不同的溫度下,同體積相同濃度的生物菌懸液測得的傳感器輸出電壓大致相同,偶有偏差,也是由于實(shí)驗(yàn)中環(huán)境光強(qiáng)變化對傳感器造成的影響。此實(shí)驗(yàn)表明,本傳感器測量過程中受環(huán)境和溶液溫度影響較小,傳感器的溫度補(bǔ)償功能,有效地消除由于溫度對生物量濃度測量帶來的影響。(2)原菌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線實(shí)驗(yàn)選取了4mL的原菌液,以5mL為單位,依次加入10～80mL的蒸餾水,在20℃室溫下,進(jìn)行重復(fù)測量,得到的如圖6所示曲線。實(shí)驗(yàn)選取了3mL的原菌液,以5mL為計(jì)量單位,依次加入10～80mL的蒸餾水,在20℃室溫下,進(jìn)行重復(fù)測量,得到的如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。由圖6和圖7可以看出,隨著生物量濃度的變化,其與傳感器系統(tǒng)測得輸出電壓之間有一個很好的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系,用該方法進(jìn)行生物量濃度在線測量切實(shí)可行。4基于溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w生物量濃度在線測量傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文根據(jù)在生物膜滴濾塔處理有機(jī)廢氣的過程中,為了實(shí)現(xiàn)對生物量濃度的在線測量,利用光能量的吸收和散射與被測介質(zhì)濃度之間的關(guān)系,建立一種基于光纖回歸反射能量衰減技術(shù)的生物量濃度在線測量方法。光的吸收和散射與溶液濃度、通過溶液的光程、環(huán)境和被測溶液的溫度等因素有關(guān)。其中,環(huán)境和被測溶液的溫度變化會引起較大的測量誤差。為消除溫度變化對生物量濃度測量的影響,引入雙通道參比方式的傳感器探頭結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w生物量濃度在線測量傳感器系統(tǒng)。并對傳感器的光纖探頭部分、組成原理、光路、理論分析進(jìn)行了說明。然后通過實(shí)驗(yàn)深入地研究了傳感器的特性,實(shí)驗(yàn)中選用了波長為3