阅读说明：本技术 一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法 (Long-term automatic measurement device and method for absorption attenuation of hyperspectral water body ) 是由 李磊 陈世哲 张可可 刘世萱 赵强 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法,该装置包括高光谱水体吸收衰减测量仪、样品室、海水过滤器和纯净水储罐,样品室的水样出口连接三通管一,三通管一分别连接三通管二和三通管三,三通管二连接三通管四和出口一；三通管三连接三通管五和出口二；三通管四连接海水过滤器的出口和测量仪的A管下口,三通管五连接纯净水储罐和测量仪的C管下口；A管上口连接样品室的A口,C管上口连接样品室的C口,A口和C口在样品室内分别连接二入一出单向阀的两个入口；三通管六的另一出口连接样品室的水样进口。本发明所公开的装置及方法可以避免气泡在测量仪内集聚,并且能够自动清洗,保证测量效果。(The invention discloses a device and a method for automatically measuring absorption attenuation of a hyperspectral water body for a long time, wherein the device comprises a hyperspectral water body absorption attenuation measuring instrument, a sample chamber, a seawater filter and a purified water storage tank, a water sample outlet of the sample chamber is connected with a first three-way pipe, the first three-way pipe is respectively connected with a second three-way pipe and a third three-way pipe, and the second three-way pipe is connected with a fourth three-way pipe and a first outlet; the three-way pipe III is connected with the three-way pipe V and the outlet II; the fourth three-way pipe is connected with the outlet of the seawater filter and the lower port of the pipe A of the measuring instrument, and the fifth three-way pipe is connected with the purified water storage tank and the lower port of the pipe C of the measuring instrument; the upper port of the A pipe is connected with the port A of the sample chamber, the upper port of the C pipe is connected with the port C of the sample chamber, and the port A and the port C are respectively connected with two inlets of a two-in one-out one-way valve in the sample chamber; the other outlet of the three-way pipe six is connected with a water sample inlet of the sample chamber. The device and the method disclosed by the invention can avoid the accumulation of bubbles in the measuring instrument, can automatically clean and ensure the measuring effect.)

一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋监测仪器技术领域，特别涉及一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法。

背景技术

高光谱水体吸收衰减测量仪(AC-S)是目前国际上原位测量水体吸收和衰减系数的主要仪器。传统的AC-S仪器使用方法是采用系泊方式，即将仪器整体置于海水中，但是，该方法必须人工操作，无法长期在线使用。近年来，在浮标、岸站、科考船上出现供水样方法，即将AC-S搭载到海洋平台或者船舶上，通过供排水系统，抽取水样并送至仪器，测量完成后再将水样排出。这种方法存在以下问题：

AC-S仪器的主要测量原理是水样进入仪器的吸收管和衰减管，由发射端发出光束穿过水样，接收端接收光信号，经过计算得到吸收衰减系数。因此，水样中如果存在气泡、污垢、杂质将直接影响测量结果。采用供水样的方法长期运行时，由于泵的压力变化以及水样在不同管路中的流通，会存在空气混入、气泡析出等现象，如果气泡最终聚集在吸收管和衰减管中，会影响测量的准确度。因此，需要一种能够提供有效水样，同时实现仪器的长期自动运行、维护的装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法，以达到避免气泡在测量仪内集聚，保证测量效果的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置，包括高光谱水体吸收衰减测量仪、样品室、海水过滤器和纯净水储罐，所述样品室的水样出口通过管路一连接三通管一，所述三通管一分别连接三通管二和三通管三，所述三通管二通过管路二连接三通管四，通过管路三连接出口一；所述三通管三通过管路四连接三通管五，通过管路五连接出口二；

所述三通管四通过管路六连接海水过滤器的出口，通过管路七连接测量仪的A管下口，所述三通管五通过管路八连接纯净水储罐，通过管路九连接测量仪的C管下口，所述管路八上设置潜水泵一；所述测量仪的A管上口通过管路十连接样品室的A口，所述测量仪的C管上口通过管路十一连接样品室的C口，所述A口和C口在样品室内分别连接二入一出单向阀的两个入口，所述二入一出单向阀的出口连接管路十二，所述管路十二的出口位于样品室内；

所述海水过滤器的入口通过三通管六连接潜水泵二，所述三通管六的另一出口通过管路十三连接样品室的水样进口；

所述管路一、管路二、管路三、管路四、管路五、管路六、管路八、管路十二、管路十三上均设置电磁阀。

上述方案中，所述三通管二和三通管三为Y型三通管。

上述方案中，所述样品室内设置倾斜放置的S型的导流板，所述样品室的水样进口穿过导流板上部。

上述方案中，所述管路一、管路二、管路三、管路四、管路五、管路六、管路八、管路十二、管路十三上分别设置电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五、电磁阀六、电磁阀七、电磁阀八、电磁阀九，所述管路十三上还设置过滤网。

进一步的技术方案中，所述样品室上部设置溢水口，所述溢水口高于电磁阀八的出口，所述电磁阀八的出口高于样品室的水样进口，所述电磁阀八的出口位置不低于电磁阀八的入口位置。

上述方案中，所述样品室的A口和C口安装高度相同，与样品室的筒壁在竖直方向成45°角，在样品室内的部分高于样品室外的部分，所述二入一出单向阀倾斜45°安装，出口高于入口，所述管路十与管路十一平行设置。

上述方案中，所述样品室为圆筒形，底部是漏斗状，水样出口在底部的中间位置。

上述方案中，所述三通管二的安装位置低于三通管四的位置，三通管四的安装位置低于测量仪的A管下口位置；所述三通管三的安装位置低于三通管五的位置，三通管五的安装位置低于测量仪的C管下口位置。

上述方案中，所述样品室的A口安装位置高于测量仪的A管上口位置，使管路十与水平面角度大于45°；所述样品室的C口安装位置高于测量仪的C管上口位置，使管路十一与水平面角度大于45°。

一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量方法，采用上述的一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置，包括如下过程：

(1)取样：通过潜水泵二抽取海水水样，进入样品室，进样后水样静置一段时间，释放由于泵送产生的大气泡；

(2)进样：静置后，控制电磁阀，依靠水位压力，海水样品由水样出口分别经过管路二和管路七，以及管路四、管路九进入测量仪的A管与C管，由于压力差的原因，小气泡会聚集到二入一出单向阀处并溢出；

(3)测量：二次静置后，测量仪开始测量；

(4)一次排空：测量完成后，打开对应电磁阀，排出样品，样品室内的水样从水样出口经过三通管一和三通管二、三通管三，由出口一和出口二排出，测量仪A管内的水样从A管下口经过三通管四、三通管二由出口一排出，测量仪C管内的水样从C管下口经过三通管五、三通管三由出口二排出；

(5)清洗：包括过滤海水清洗和纯净水清洗两个过程；

过滤海水清洗：测量完成后，通过潜水泵二抽取海水进入海水过滤器，过滤后的海水经过三通管四进入测量仪的A管，经过管路十进入样品室的A口，经过二入一出单向阀进入样品室的C口，再经过管路十一进入测量仪的C管，最后通过管路九、管路四、三通管三，由出口二排出；

纯净水清洗：过滤海水清洗后，利用潜水泵一抽取纯净水储罐内储存的纯净水，反向进入测量仪内，使用纯净水进行二次清洗，纯净水经过管路八、三通管五、管路九进入测量仪的C管，再经过管路十一进入样品室的C口，经过二入一出单向阀进入样品室的A口，再经过管路十进入测量仪的A管，最后经过管路七、管路二、三通管二，由出水口一排出；

(6)二次排空：打开电磁阀形成对应的水路，将纯净水排出，样品室内的纯净水从水样出口经过三通管一和三通管二、三通管三，由出口一和出口二排出，测量仪A管内的纯净水从A管下口经过三通管四、三通管二由出口一排出，测量仪C管内的纯净水从C管下口经过三通管五、三通管三由出口二排出。

通过上述技术方案，本发明提供的高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置及方法具有如下有益效果：

(1)采用样品室预处理方式，进行一次静置与排空，避免潜水泵直接供水冲击测量仪内部产生大量气泡在测量仪内集聚，影响测量效果，保证被测水样质量达到原位测量的效果。

(2)样品室的导流板可使水样以更分散的形式下落，有利于水体内较大的气泡分离出来。导流板的倾斜S面可以随着水位的提高，将水样上表层的气泡渐渐汇聚到导流板与样品室桶壁之间，并最终释放。

(3)利用水位差与平衡压力，由于A管与C管路径平行，保持压力平衡，使水样缓冲式稳定的进入仪器内，减少二次气泡的产生；利用两路水汇成一路的缩颈汇合效应和电磁阀的开口孔径，产生吸力，使得少量的新产生的微小气泡凝聚，最终释放排出。

(4)平衡进水的两路管路除了用于消除气泡，还用于过滤海水与纯净水的清洗通路，不再增加额外管路装置。

(5)样品室上部设置有溢流口，可避免样品室内水体发生满溢，此外，溢流口的设置也能够保证水样进入仪器以及二次静置时压力的恒定。

(6)本装置与方法可以推广到其他光学方法的水质检测中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置总体结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置前视图；

图3为本发明实施例所公开的高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置后视图；

图4为本发明实施例所公开的样品室剖面正视图；

图5为本发明实施例所公开的样品室剖面俯视图；

图6为高光谱水体吸收衰减测量仪结构示意图；

图7为控制系统的程序流程图。

图中，1、样品室；2、电磁阀一；3、三通管一；4、三通管二；5、电磁阀三；6、电磁阀二；7、三通管四；8、电磁阀六；9、海水过滤器；10、三通管六；11、潜水泵二；12、电磁阀九；13、过滤网；14、三通管三；15、电磁阀五；16、电磁阀四；17、三通管五；18、电磁阀七；19、潜水泵一；20、纯净水储罐；21、测量仪；22、管路一；23、管路二；24、管路三；25、管路四；26、管路五；27、管路六；28、管路七；29、管路八；30、管路九；31、管路十；32、管路十一；33、管路十二；34、管路十三；35、出口一；36、出口二。

101、A口；102、二入一出单向阀；103、电磁阀八；104、溢水口；105、水样进口；106、导流板；107、水样出口；108、C口。

201、A管下口；202、A管；203、A管上口；204、C管上口；205、C管；206、C管下口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置，如图1、图2和图3所示，包括高光谱水体吸收衰减测量仪(AC-S仪器)21、样品室1、海水过滤器9和纯净水储罐20，样品室1的水样出口107通过管路一22连接三通管一3，三通管一3分别连接三通管二4和三通管三14，三通管二4通过管路二23连接三通管四7，通过管路三24连接出口一35；三通管三14通过管路四25连接三通管五17，通过管路五26连接出口二36。

三通管四7通过管路六27连接海水过滤器9的出口，通过管路七28连接如图6所示的测量仪21的A管下口201，三通管五17通过管路八29连接纯净水储罐20，通过管路九30连接测量仪21的C管下口206，管路八29上设置潜水泵一19；测量仪21的A管上口203通过管路十31连接样品室1的A口101，测量仪21的C管上口204通过管路十一32连接样品室1的C口108，A口101和C口108在样品室1内分别连接二入一出单向阀102的两个入口，二入一出单向阀102的出口连接管路十二33，管路十二33的出口位于样品室1内；

海水过滤器9的入口通过三通管六10连接潜水泵二11，三通管六10的另一出口通过管路十三34连接样品室1的水样进口105；

管路一22、管路二23、管路三24、管路四25、管路五26、管路六27、管路八29、管路十二33、管路十三34上分别设置电磁阀一2、电磁阀二6、电磁阀三5、电磁阀四16、电磁阀五15、电磁阀六8、电磁阀七18、电磁阀八103、电磁阀九12，管路十三34上还设置过滤网13。电磁阀八103采用的是可应用于水下的电磁阀。

该装置还包括控制系统，控制系统包括电源和MCU，MCU通过继电器驱动潜水泵一19、潜水泵二11，以及各电磁阀。控制系统有11个开关量输出口，控制各电磁阀开闭、潜水泵一19和潜水泵二11的启停，完成取样、静置、测量、清洗、排空等流程。

潜水泵二11置于海水中，其余部分可安装于浮标、船舶或岸站的平台上。

本实施例中，三通管二4和三通管三14为Y型三通管，便于管路的排空。

如图1和图4所示，样品室1内设置倾斜放置的S型的导流板106，样品室1的水样进口105穿过导流板106上部。样品室1上部设置溢水口104，溢水口104高于电磁阀八103的出口，电磁阀八103的出口高于样品室1的水样进口105，电磁阀八103的出口位置不低于电磁阀八103的入口位置。

如图4和图5所示，样品室1的A口101和C口108安装高度相同，与样品室1的筒壁在竖直方向成45°角，在样品室1内的部分高于样品室1外的部分，二入一出单向阀102倾斜45°安装，出口高于入口，管路十31与管路十一32平行设置。

本实施例的样品室1为圆筒形，底部是漏斗状，水样出口107在底部的中间位置。

为了产生水位差，便于管路的排空，三通管二4的安装位置低于三通管四7的位置，三通管四7的安装位置低于测量仪21的A管下口201位置；三通管三14的安装位置低于三通管五17的位置，三通管五17的安装位置低于测量仪21的C管下口206位置。

样品室1的A口101安装位置高于测量仪的A管上口203位置，使管路十31与水平面角度大于45°；样品室1的C口108安装位置高于测量仪的C管上口204位置，使管路十一32与水平面角度大于45°。

潜水泵一19、潜水泵二11分别提供纯净水和海水，平均流量>5.0L/min。

海水过滤器9采用不锈钢过滤芯，滤芯孔径为50μm。

过滤网13采用不锈钢滤网，滤网孔径为1mm。

连接用管路采用黑色特氟龙管，管径为10mm。

一种高光谱水体吸收衰减自动测量清洗方法，采用上述的一种高光谱水体吸收衰减长期自动测量装置，包括如下过程：

(1)取样：MCU启动潜水泵二11抽取海水水样，进入样品室1，水样沿着导流板流下，待样品达到预设高度后，进行静置。在这个过程中，由于导流板106的作用，消除、释放由于泵压力变化产生的大气泡。

具体过程：潜水泵二11启动，电磁阀九12打开，其余电磁阀处于关闭状态，水样按照“潜水泵二11→三通管六10→过滤网13→水样进口105”进入样品室。当水样到达预设高度后，关闭潜水泵二11和电磁阀九12，静置一段时间(1min)。

(2)进样：静置后，依靠水位自身压力，海水样品缓慢平稳地进入测量仪的A管与C管。

具体过程：控制系统打开电磁阀一2、电磁阀二6、电磁阀四16、电磁阀八103，由于液位差的原因，水样沿着“水样出口107→电磁阀一2→三通管一3”通路缓慢流动，经过三通管一3后分成两路，一路水样沿着“三通管一3→三通管二4→电磁阀二6→三通管四7→测量仪的A管下口201→测量仪的A管上口203→样品室1的A口101→二入一出单向阀102→电磁阀八103”，另一路水样沿着“三通管一3→三通管三14→电磁阀四16→三通管五17→测量仪的C管下口206→测量仪的C管上口204→样品室1的C口108→二入一出单向阀102→电磁阀八103”，由于管路与入口设置的高度相同，由于两路压力完全相同，水样会同步进入并充满A管与C管。由于各流通器件安装的位置和气泡受到浮力的原因，水样中新产生的小气泡会竖直向上运动，最后集聚到二入一出单向阀102处，最终通过电磁阀八103释放到样品室1内。

(3)测量：静置一段时间(5min)后，测量仪开始测量；

(4)一次排空：测量完成后，打开电磁阀一2、电磁阀三5、电磁阀二6、电磁阀五15、电磁阀四16、电磁阀八103，由于重力原因，样品室1的水样与测量仪内的水样从出口一、出口二排出。

具体过程：样品室水样按照“水样出口107→电磁阀一2→三通管一3→三通管二4→电磁阀三5→出口一35”和“水样出口107→电磁阀一2→三通管一3→三通管三14→电磁阀五15→出口二36”排出。

A管202内的样品按照“电磁阀八103→二入一出单向阀102→A管上口203→A管202→A管下口201→三通管四7→电磁阀二6→三通管二4→电磁阀三5→出口一35”排出。

C管205内的样品，按照“电磁阀八103→二入一出单向阀102→C管上口204→C管205→C管下口206→三通管五17→电磁阀四16→三通管三14→电磁阀五15→出口二36”排出。

(5)清洗：包括过滤海水清洗和纯净水清洗两个过程；

过滤海水清洗：测量完成后，通过潜水泵二11抽取海水进入海水过滤器9，过滤后的海水进入测量仪的C管和A管内，对光学器件进行清洗。

具体过程：打开电磁阀六8、电磁阀四16、电磁阀五15，过滤海水按照“潜水泵二11→三通管六10→海水过滤器9→电磁阀六8→三通管四7→测量仪的A管下口201→测量仪的A管上口203→样品室1的A口101→二入一出单向阀102→C管上口204→C管205→C管下口206→三通管五17→电磁阀四16→三通管三14→电磁阀五15→出口二36”，清洗仪器。

纯净水清洗：过滤海水清洗后，利用潜水泵一19抽取纯净水，从测量仪的出水口反向进入测量仪内，使用纯净水对流动腔、光学器件进行二次清洗。

具体过程：打开电磁阀七18、电磁阀二6、电磁阀三5，按照“纯净水储罐20→潜水泵一19→电磁阀七18→三通管五17→测量仪的C管下口206→测量仪的C管上口204→样品室1的C口108→二入一出单向阀102→A管上口203→A管202→A管下口201→三通管四7→电磁阀二6→三通管二4→电磁阀三5→出口一35”，清洗仪器。

(6)二次排空：打开电磁阀形成对应的水路，将纯净水排出，过程同一次排空。

程序的控制流程如图7所示。具体工作步骤如下：

控制系统接收到主控系统命令开启工作过程。

(1)进样静置：控制系统启动潜水泵二11，打开电磁阀九12，从海水入口抽取海水样送至样品室1内，持续时间20s；关闭潜水泵二11，开始静置，时间1min。

(2)进样测量：打开电磁阀一2、电磁阀二6、电磁阀四16、电磁阀八103，水样进入测量仪21，静置时间5min后，控制系统采集测量数据，发送至主控系统。

(3)排空：打开电磁阀一2、电磁阀三5、电磁阀二6、电磁阀五15、电磁阀四16、电磁阀八103，水样从样品室1和测量仪21排出，排空时间1min。

(4)过滤海水清洗：排空后结束后，启动潜水泵二11，打开电磁阀六8、电磁阀四16、电磁阀五15，从海水入口抽取的海水，用过滤海水清洗仪器，持续30s时间。

(6)纯净水清洗过程：过滤海水清洗完成后，控制系统启动潜水泵一19，打开电磁阀七18、电磁阀二6、电磁阀三5，抽取纯净水清洗仪器，持续10s时间后，关闭电磁阀保持30s后，转入排空流程。纯净水清洗流程不需要每个周期都要进行，可24h进行一次。

(7)一个完整的测量与清洗过程完成后，控制系统进入待机状态，定时时间到后进行下一个周期的测量，周期间隔2h。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。