基于光纤回归反射能量衰减技术的生物量浓度在线测量方法

基于光纤回归反射能量衰减技术的生物量浓度在线测量方法

0基于在线测量生物量的方法生物膜滴滤塔是生物废物处理实验系统的核心装置。影响塔化学反应速率的主要因素是生物滤器的填充和养分、ph值、塔的温度和压降、生物量浓度等。其中,生物量浓度是重要的影响因素,它的在线测量对于控制生物膜滴滤塔内生化反应速率有着十分重要的意义。传统的生物量浓度在线测量的方法主要有:比重法、声学检测法、传统光学检测法、阻抗(或导纳)测量法、软测量技术估计法、电容率频谱法、锁相放大器检测法等[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但生物量浓度在线测量方法还处于理论研究和实验阶段,从技术应用到推广普及还有一定的距离。文献介绍了一种利用光反射能量衰减量变化原理设计的一种光纤反射式液体生物量浓度测量传感器。根据光在介质传输过程中,反射光能量的大小与生物菌悬液浓度有关这一原理,通过实验研究了光在不同浓度菌悬液中的传输。实验结果表明随着菌悬液浓度的不断增加,出射光强不断减弱。经过光电转换模块,通过测量输出电压的变化达到在线测量生物量浓度的目的。实验证明,这种方法用于测量微生物菌悬液浓度,具有很好的对应函数关系。但是,在生物膜滴滤塔内的反应是十分复杂的,微生物降解等生化反应会引起塔内温度变化。而环境和待测生物菌悬液温度的变化对生物量浓度影响较大,从而文献中描述的方法很难真正的实现生物量浓度的在线准确测量。为了消除温度变化对生物量浓度测量的影响,本文在传感器探头中引入温度补偿臂,设计出了一种具有温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器。实验表明:该传感器用于测量微生物菌悬液浓度具有很好的对应函数关系,有效地消除了温度变化对生物量浓度测量的影响,实现了生物量浓度的准确在线测量。1传感器系统结构原理1.1传感器系统的结构原理如图1所示,具有温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器系统由光源、光纤探头、光探测器、信号处理和数码显示几部分构成。1.2检测部分组成本文在传感器光纤探头部分采用了双通道参比方式的传感器探头结构,以达到温度补偿的目的。其结构原理图如图2所示。主要由光纤测试探头和光纤参比探头两部分组成。每部分都由入射光纤、接收光纤和反射面组成。把传感器探头放入生物菌悬液中,光纤测试探头与反射镜面的间隙内充满了被测生物菌悬液,光经过入射光纤1进入被测液,再到达反射面,经反射后再次通过被测液,进入到接收光纤2,完成光在被测液中的传播。而在光纤参比探头中,光首先经过入射光纤3,进入参比液,再到达反射面,经过反射面反射后再次经过参比液,进入到接收光纤4,完成光在参比液(一般选用蒸馏水)中的传播。2传感器原理的理论分析2.1热光效应的概念理论研究表明:物质的原子组成一定时,折射率随物质的密度变化而变化。而温度的变化对物质的密度,特别是对液体的密度变化有较明显的影响,其原因是温度的改变引起液体分子间势能和分子距离发生改变,因而密度发生了变化,所以,液体的折射率也会发生相应的变化。一般把折射率随温度改变而改变的现象叫做热致光学效应,简称热光效应。根据热光效应,折射率为n的液体,当温度改变时有如下关系:ξ=1ndndt(1)ξ=1ndndt(1)式中,ξ为液体的热光系数,t为温度。由于在一定的温度范围内,热光系数ξ是一个常数,因此,确定了温度分布也就确定折射率变化的分布。2.2各因素的关系由文献可知,根据比尔(Beer)定律,光在弱吸收介质W1和W2点两点之间的强度关系有如下关系:Ιout=Ιinexp(-∫W2W1α(r)dl)(2)Iout=Iinexp(−∫W2W1α(r)dl)(2)式中,Iin和Iout分别为入射光强和出射光强,α是与折射率n有关的函数,α=nK0K,K0、K为特定常数。2.3密度对参比液热膨胀系数的影响假定光在生物菌液中有效传播的距离为l,则l可以表示为l≈2d1(3)l≈2d1(3)由此,可得生物菌液在浓度和温度t同时变化情况下,输出的光强I0为Ιout=Ιin⋅exp(2bd1ξΜ⋅ρ20⋅ζ⋅ΚΚ0)(4)Iout=Iin⋅exp(2bd1ξM⋅ρ20⋅ζ⋅KK0)(4)其中,M为被测溶液的相对分子量,b为被测溶液的特定常数。设温度为20℃时参比液的密度为ρ′20,参比液的热膨胀系数为ζ′,ξ为参比液的热光系数,M′为参比液的相对分子量,b′为参比液的特定常数。同理,可得用于温度补偿的参考光纤传感器的接收光在经参比液后的光强为:Ι′out=Ιinexp(2b′dξΜ′⋅ρ′20⋅ζ′⋅ΚΚ0)(5)2.4传感器的工作原理具有温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器原理框图如图3所示。将传感器探头浸入生物菌悬液中,可以测得生物菌液浓度和参考液随温度变化的2路信号。其输出电压U1和U2分别表示光纤测试探头1和光纤参比液探头2经过光电转换后的输出电压,可将式(4)和(5)改写为如下两式:U1=U01+Κ1Ιin⋅exp(2bdξΜ⋅ρ20⋅ζ⋅ΚΚ0)(6)U2=U02+Κ2Ιin⋅exp(2b′dξΜ⋅ρ20⋅ζ⋅ΚΚ0)(7)式中,U01、U02分别表示生物菌液和参考液2路测量信号光电转换后的输出电压的初始值,一般为常数,可以通过调节信号调理电路的放大倍数来改变初始值,也可以通过调零电路,将U01、U02调为0。经相比运算处理后可得到传感器单一的输出信号U:U=ln(U1-U01)-ln(Κ1Ιin)ln(U2-U02)-ln(Κ2Ιin)=bΜ′ρ20ζb′Μρ′20ζ′(8)C20表示相当于生物菌液温度恒定在20℃时生物菌液的浓度,由密度与摩尔质量关系式C=ρ/M,可将输出信号U改写为U=U0+C20Κ(9)式中,U0表示光电转换后的输出电压的初始值,可以通过调节信号调理电路的放大倍数改变初始值,也可以通过调零电路,将U0调为0;K表示光探测器光电转换系数;传感器最后经过信号处理后的输出信号电压U只与生物菌液在20℃时的浓度变化有关,而与温度无关,通过传感器的结构设计和信号处理方法,可以从理论和实际实施应用中证明能够提供一种将不可测的生物菌液的浓度信号转换为可测的电信号,同时消除温度变化生物菌液浓度测量的影响。这样即可将输出信号电压U与具有实际意义的生物菌液的浓度建立起对应的函数关系。3实验与分析3.1降解有机废气本实验中,所选的被测生物菌液中细菌为恶臭假单胞菌,常用于生化降解有机废气(苯、甲苯、二甲苯等)。菌属特性为:单细胞,直或弯杆短杆菌(假单胞菌属Pseudomonassp.)。最适生长温度25～30℃,35℃以上不生长。3.2生物菌悬液的光学检测为验证光吸收法测量生物量浓度的可行性,实验中,使用荷兰Avantes公司生产的光纤光谱仪对生物菌悬液进行测试。选取20mL浓度分别为1.0mol/L、0.8mol/L、0.4mol/L、0.2mol/L和0.1mol/L的生物菌悬液,使用光纤光谱仪进行重复的实验,测试出了随菌悬液生物量浓度变化下的光的吸收度,其变化曲线如图4所示(温度t=20℃)。通过实验,测得此菌悬液的最大吸收峰在380nm左右。表明,在此波长段附近,实验生物菌悬液对光的灵敏度最高,吸收和反应最强烈。于是,在传感器光源波长选择上,我们选择380nm左右的紫外光进行实验,采用380nm的通用紫外发光二极管作为光源。实验曲线表明,生物菌悬液对光的吸收度随生物量浓度变化而变化,其趋势是:随生物量浓度的增加,菌悬液的光吸收度也增加,说明生物菌体对光的吸收度也随之增大。该实验表明,生物菌悬液浓度对于菌体的光的吸收度有着显著的影响,可以通过测量接收光的能量来较准确的反映生物菌液浓度的测量,从而实现生物量浓度的在线测量。3.3用光纤传感器法测定生物量浓度(1)温度对检测结果的影响选取了浓度分别为0.40mol/L、0.30mol/L和0.20mol/L的生物菌悬液各20mL,分别在0～40℃温度区间范围内,逐渐升温,以5℃为单位取样点,进行重复测量实验。得到传感器输出电压,如图5所示。图5的实验曲线表明:在不同的温度下,同体积相同浓度的生物菌悬液测得的传感器输出电压大致相同,偶有偏差,也是由于实验中环境光强变化对传感器造成的影响。此实验表明,本传感器测量过程中受环境和溶液温度影响较小,传感器的温度补偿功能,有效地消除由于温度对生物量浓度测量带来的影响。(2)原菌实验数据曲线实验选取了4mL的原菌液,以5mL为单位,依次加入10～80mL的蒸馏水,在20℃室温下,进行重复测量,得到的如图6所示曲线。实验选取了3mL的原菌液,以5mL为计量单位,依次加入10～80mL的蒸馏水,在20℃室温下,进行重复测量,得到的如下实验数据曲线。由图6和图7可以看出,随着生物量浓度的变化,其与传感器系统测得输出电压之间有一个很好的函数对应关系,用该方法进行生物量浓度在线测量切实可行。4基于温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器系统设计本文根据在生物膜滴滤塔处理有机废气的过程中,为了实现对生物量浓度的在线测量,利用光能量的吸收和散射与被测介质浓度之间的关系,建立一种基于光纤回归反射能量衰减技术的生物量浓度在线测量方法。光的吸收和散射与溶液浓度、通过溶液的光程、环境和被测溶液的温度等因素有关。其中,环境和被测溶液的温度变化会引起较大的测量误差。为消除温度变化对生物量浓度测量的影响,引入双通道参比方式的传感器探头结构,设计出了一种具有温度补偿的光纤生物量浓度在线测量传感器系统。并对传感器的光纤探头部分、组成原理、光路、理论分析进行了说明。然后通过实验深入地研究了传感器的特性,实验中选用了波长为3