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基于PLS的水质多参数监测仪的研究与实现

杨恒仁  
【摘要】: 目前,我国水质自动在线监测仪的设计原理大部分是基于国家的标准方法,即将传统化学法的分析过程在线化。分析NO_3-、COD、TOC的含量通常方法是加入化学试剂使其反应再测量生成物来间接计算浓度,或者加热、燃烧等办法来测生成的CO_2的含量来间接测量COD或是TOC的浓度。这些方法不仅浪费化学试剂、浪费能源、费时等,还会给水质带来二次污染等。并且测量参数种类比较单一,如果要测量多个参数,就必需购买多台监测仪才能满足要求。这不仅使购置成本、维护成本提高,而且测量程序多、重复性操作等带来诸多不便。因此,研发简便、快速、可靠、无二次污染,并且可同时测量多个参数的水质自动在线监测仪具有十分重要的意义。 现有研究表明,废水中决定NO_3-、COD、TOC、ABS254值大小的污染物在紫外光谱区有较强的吸收。在一定的条件下,这些污染物的吸光度与NO_3-、COD、TOC、ABS254有很好的相关性,利用这种相关性,可以用紫外吸光度来直接测定NO3-、COD、TOC、ABS254。无须化学试剂、测定快速、操作简便。 本文从有机物的紫外吸收光谱入手,选择某些有一定代表性的实验化学试剂,探索紫外吸光度与这些试剂浓度的关系,采用偏最小二乘法回归模型,建立紫外吸收光谱直接测定废水NO_3-、COD、TOC的方法,并利用此模型对模拟废水水样进行预测。 本文利用SIMCA-P(11.5 Demo)偏最小二乘法通用平台完成建模和预测。采用30个样本建立偏最小二乘回归模型,预测自配模拟废水效果,当提取主成分个数在10个以上时,所有参数的相对误差均2.1000%;当提取主成分个数为21时五个参数的平均相对误差均0.0050%。 本文设计了研制水质多参数监测仪所需的硬件,给出了整个硬件平台的原理图并介绍硬件抗干扰措施等;软件上,主要在Matlab平台上实现了偏最小二乘法的主要运算功能,同时给出PLS的软件实现流程图并做了详细介绍。 本文结果为深入研究偏最小二乘紫外吸收光谱法直接测定多参数提供了颇有价值的参考,并为进一步完善此方法打下了基础。


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