申请/专利权人：华南理工大学

申请日：2021-09-30

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN114323267B

主分类号：G01J1/42

分类号：G01J1/42;G06F30/28;G06F113/08;C02F1/32

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2022.04.29#实质审查的生效;2022.04.12#公开

摘要：本发明公开了紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法。该方法通过仿真得出微生物随水流作用在紫外杀菌净水器内的流动轨迹；对轨迹采样获取系列坐标点、两采样点之间的时间间隔；通过辐照度分析得出空间各点紫外的辐照强度，与间隔时间相乘得到微生物两采样点间运动过程中获得的紫外辐照剂量；根据空间分布，选择轨迹线上采样点的数量及采样点的间隔，获得定量的整体有效剂量。本发明借助仿真手段，模拟微生物随水流运动轨迹、停留时间及其受紫外辐射强度的动态数值。

主权项：1.紫外杀菌净水器的微生物紫外剂量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过仿真得出微生物随水流作用在紫外杀菌净水器内的流动轨迹；S2、对轨迹采样获取系列坐标点、两采样点之间的时间间隔；S3、通过辐照度分析得出空间各点紫外的辐照强度，与间隔时间相乘得到微生物两采样点间运动过程中获得的紫外辐照剂量；S4、根据空间分布，选择轨迹线上采样点的数量及采样点的间隔，获得定量的整体有效剂量；步骤S1中，通过建模软件建立紫外杀菌净水器的几何模型，抽取内部流道作为计算域；使用计算流体动力学的软件，划分离散化该计算域，根据环境以及水流状态，设置紫外杀菌净水器工作的初始条件，使用离散相模型投入粒子，模拟微生物的运动轨迹，导出其运动数据；步骤S2中，紫外辐照强度乘以微生物微团流经紫外杀菌净水器过程中的紫外曝光时间得到紫外辐射剂量：D＝I×t；1其中，D表示紫外辐射剂量，单位为mJcm2；I表示紫外辐照强度，单位为mWcm2；t表示紫外曝光时间，单位为s；直接使用公式1的条件比较苛刻，需要保证紫外辐照强度I的均匀分布；对于存在空间变化的强度分布模型来说，紫外辐射剂量的公式转变为： 则： 公式3为微生物微团随水流运动获得紫外剂量的基本计算形式，其中就是微团运动的瞬时速率，ds代表粒子运动轨迹；而微团是根据水力状态运动的，结合流体动力学控制方程，用Ix,y,z表示在x,y,z的紫外辐照强度，则紫外剂量方程表示为： 上式中，u代表的含义为：流体速度矢量在x方向的分量；v代表的含义为：流体速度矢量在y方向的分量；w代表的含义为：流体速度矢量在z方向的分量；λ代表的含义为：紫外光波长；公式4为辐流耦合的紫外剂量计算方程，进行离散化计算，具体如下：分别进行流体力学模型和光学辐射场模型的计算，由流体力学模型获得结合能量场的微生物的运动轨迹及相应时间节点，再将此数据代入光学辐射场模型中进行计算，设微生物微团运动了一小段距离ds所用的时间为dt；距离ds内的紫外辐照强度可视为定值，于是对于整条轨迹，其紫外辐射剂量为：D＝∫I[xt,yt,zt]dt；5其中紫外辐射剂量I会随着微团位置的变化而改变，而位置坐标又是随着时间变化的；相邻两个采样点的辐照强度也是相接近的，两个采样点之间的曲线距离为Δs；假设微生物微团从入口运动到位置l1所用时间为t1，运动到l2位置所用时间为t2，则从l1运动到l2所用到的时间为Δt＝t2-t1；步骤S3中，l1、l2位置的紫外辐照强度分别为I1、I2，因为l1与l2足够接近，取两者的平均辐照强度作为微生物微团从l1运动到l2所受到的平均辐照强度，具体如下： 因此，微生物微团在Δs内接收的紫外辐射剂量为： 以此类推，微生物微团在整条微生物流动轨迹线上获得的紫外辐射剂量为： 所述紫外杀菌净水器包括多个紫外LED1、可拆换灯柱2和金属外壳4；其中，紫外LED1设置在可拆换灯柱2上，可拆换灯柱2设置在金属外壳4内；金属外壳4上设置有入水口5和出水口6；水流从入水口5进入金属外壳4内，由紫外LED1完成杀菌，最后通过出水口6流出；金属外壳4的材质为不锈钢；金属外壳4内表面为设置有聚四氟乙烯涂层3；多个紫外LED1在可拆换灯柱2上呈直列式均匀间距排布，构成紫外LED阵列；支持单个紫外LED1的替换；入水口5和出水口6处均设置有限流阀和流量计，限流阀用于限制进出水流的流速和流量，控制水流接收的紫外剂量；入水口5和出水口6分别置于金属外壳4中轴线两侧；还包括验证过程，验证过程包括以下步骤：A1、微生物选用及培养；筛选出响应线性良好的菌种，具体过程如下：a、选择一个微生物培养箱，预设适宜温度值T，培养箱内蓄存L体积的无菌水，调节器内储存一定量的浓度为c的某微生物溶液；b、每隔时间Δt1开启一次，注入l体积的微生物溶液，记第一次注入的时间节点为t11，对应的溶解氧浓度为D11，经过时间Δt1之后第二次投放对应的数值为t12、D12；c.从单片机记录的一系列数据，挑选出各时间节点的数据，组成数据组，记为DATA1nT,Δt1,t1n,D1n,n＝1,2，3，......，n；d.改变注入时间间隔为Δt2，其余条件不变，将前次测试的水样泄放清洗干净后，重复步骤；获得第二组数据DATA2nT,Δt2,t2n,D2n，以此类推，获得第三组、第四组、……、第m组数据DATAmnT,Δtm,tmn,Dmn；当每次的注入量l远远小于箱内原有的液体体积L时，也即lL，可视为微生物溶液的注入不会影响水样总体积，则每个时间点的微生物浓度可以表示为： 令ΔDmn＝Dmn-Dmn+1，根据选菌期望，溶解氧浓度下降率—微生物浓度呈现近线性的响应关系；假设ΔDmn－Nn关系式为： 上式中，jmn代表的含义为：线性关系中的常数；当微生物浓度Nn为0时，溶解氧消耗率也会为0，所以jmn＝0，将DATA1n数据代入，若满足浓度线性，也就是单位浓度的微生物在Δt1时间段内，消耗的溶解氧含量是相等的，就会有依次代入多组数据验证，又因为且m一定时，Δtm是一个定值，所以当Nn变为x倍时，也变为x倍，所以无论n取何值，总有km1＝km2＝km3＝……＝kmn；所以可以进一步将关系式10改写为： 上式中，km代表的含义为：数据组号为m时线性系数；将DATA2n、DATA3n、DATA3n……代入验证，若满足时间线性，无论数据组号m和微生物浓度N的值为多少，则总会有k1＝k2＝k3＝......＝kn；因此对于线性响应的菌种，kmn为常数，溶解氧浓度变化率与微生物浓度的连续性关系式为： 公式12中，DOV代表的含义为：溶解氧浓度变化率，k代表的含义为：线性系数；公式13中，DOV0是测量开始时，初始溶解氧浓度变化率；在实际有效剂量的验证试验中，应当多测定几组ΔD，Δt数据，以保证DOV的精确性；此外，公式12只需在一定的时间间隔和微生物浓度范围内满足线性条件即可，因此，需要通过观测获取的数据来确定关系式的线性范围；A2、分别采用平行光测试和溶解氧荧光法测试绘出微生物灭活率—有效紫外剂量响应曲线和溶解氧浓度变化率—微生物灭活率响应曲线；A3、推导得到溶解氧浓度变化率—有效紫外剂量响应曲线；A4、调整紫外杀菌净水器的结构和水力条件，进行净水测试；A5、进行溶解氧浓度变化率测定；A6、通过溶解氧浓度变化率—有效紫外剂量响应曲线获取有效紫外剂量或通过溶解氧浓度变化率—微生物灭活率响应曲线获取微生物灭活率，微生物灭活率与有效紫外剂量的响应方程如下： 其中，DR表示有效紫外剂量；N0为未经过紫外线照射时水样中的微生物浓度，N为经过紫外线照射后水样中的微生物浓度；令称为微生物灭活率；a、b为微生物对紫外线的敏感系数，是通过准平行光实验测得的数值；则DOV-DR关系式为： 从DOV-DR的关系式得到：灭活率的倒数与有效紫外剂量呈现对数关系；A7、判断是否达到期望的有效紫外剂量，若是则确定紫外杀菌净水器的结构和水力条件；否则返回步骤A4。

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