T/CAEPI 97-2024 T/CWEA 31-2024 紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统通用技术要求（试行）

ICS 13.060.01
CCS Z10
团体标准
T/CAEPI 97－2024 T/CWEA 31—2024 紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统通用技术要求（试行）
General technical requirements for online water quality monitoring system usingUltraviolet-Visible-Near infrared spectroscopy
2024-12-23 发布2025-1-23 实施
中国环境保护产业协会 中国水利工程协会发布

目 次
前 言............................................................................................................................................................... II
1 范围..................................................................................................................................................................1
2 规范性引用文件..............................................................................................................................................1
3 术语和定义......................................................................................................................................................1
4 工作条件..........................................................................................................................................................3
5 系统组成与功能..............................................................................................................................................3
6 技术要求..........................................................................................................................................................4
7 检验方法..........................................................................................................................................................5
8 检验规则........................................................................................................................................................10
9 标志、包装运输和贮存................................................................................................................................11
附录A（资料性）水样中主要污染物的光谱响应特征波段范围..................................................................12
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II
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
本文件起草单位：天津中科谱光信息技术有限公司、中国科学院空天信息创新研究院、中国环境科
学研究院、国投融合科技股份有限公司、重庆学正环境污染治理有限公司、天津市生态环境科学研究院、
珠海宇航微科技股份有限公司、航天宏图信息技术股份有限公司、宁德卫星大数据科技有限公司、天津
智易时代科技发展有限公司、中国冶金地质总局矿产资源研究院、三峡大学、浙江数翰科技有限公司、
安徽新宇环保科技股份有限公司、杭州绿洁科技股份有限公司。
本文件主要起草人员：张立福、孙雪剑、刘永欣、裘思谦、王诗涵、周羽化、贺旭、栾学聪、周滨、
颜军、廖通逵、冯垚、陈涛、黄照强、纪道斌、韩中旭、张友德、袁菲菲。
本文件主要审议人员：田一平、左航、王雪蕾、汪六三、李京华、李晨曦、姚芝茂。
本文件由中国环境保护产业协会负责管理，由起草单位负责具体技术内容的解释。在应用过程中如
有需要修改与补充的建议，请将相关资料寄送至中国环境保护产业协会标准管理部门（北京市西城区二
七剧场路6 号2 层，邮编100045）。
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1
紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统通用技术要求
1 范围
本文件规定了紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统的工作条件、系统组成与功能、技术要求、
检验方法、检验规则，以及标志、包装运输和贮存等要求。
本文件适用于紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统的设计、生产和检验。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文
件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适
用于本文件。
GB/T 191 包装储运图示标志
GB/T 9969 工业产品使用说明书总则
GB/T 11606 分析仪器环境试验方法
GB/T 13306 标牌
GB/T 14436 工业产品保证文件总则
HJ/T 212 污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
紫外-可见-近红外光谱ultraviolet-visible-near infrared spectrum
指涵盖了紫外（200-400 nm）、可见（400-760 nm）、近红外（760-1000 nm）区间的电磁波，紫
外-可见波段与分子电子跃迁能量吸收有关，近红外波段与分子振动的倍频和合频吸收有关。
3.2
光谱分辨率spectral resolution
光谱测量设备能够区分或分辨的最小波段范围或波长间隔。
[来源：GB/T 14950—2009，4.106，有修改]
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2
3.3
标准反射板standard reflecting plate
用来传递反射比量值的光学性能稳定的标准计量器具。
3.4
反射光谱reflection spectrum
指入射光经被测样品后反射光与波长之间的关系，用于分析样品的组成、含量等。
3.5
透射光谱transmission spectrum
指入射光穿过被测样品后透射光与波长之间的关系，用于分析样品的组成、含量等。
3.6
重复性repeatability
指在同一实验室，使用同一方法由同一操作者对同一被测对象使用相同的仪器和设备，在相同的测
试条件下，相互独立的测试结果之间的一致程度。
[来源：HJ 168—2020，3.6]
3.7
最短测量周期minimum acquisition period
系统完成单次数据采集、分析、结果显示所需的最短时间。
3.8
数据获取率data acquisition rate
在某个检测周期内，系统实际获取数据量占该周期内应获取数据量的比率。
3.9
准确度accuracy
被测量的测得的量值与其真值间的一致程度。
注：测量结果的准确度由正确度和精密度两个指标进行表征。
[来源：HJ 168—2020，3.11]
3.10
正确度trueness
多次重复测量所测得的量值的平均值与一个参考量值间的一致程度。
[来源：HJ 168—2020，3.10]
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3
3.11
精密度precision
在规定条件下，独立测试结果间的一致程度。
[来源：HJ 168—2020，3.5]
3.12
相关度correlation coefficient
多组测量所测得的量值与参考量值的一致程度。
4 工作条件
紫外-可见-近红外光谱水质在线监测系统（以下简称系统）的工作条件应满足以下要求：
a) 水样温度介于0℃～40℃（不含0℃）；
b) 周围空气中无腐蚀性气体存在；
c) 远离强电强磁及振动区域；
d) 采用太阳能供电时，应保证光照充足，避免遮挡；采用市政供电时，电压应为180V ~ 240V。
5 系统组成与功能
5.1 工作原理
基于水中不同物质的紫外到近红外的反射/透射光谱特征，对水质参数建模反演，得到被测水样中
的污染物浓度。
5.2 系统组成
系统包括光源和光谱采集模块、预处理模块、电源模块、控制模块、定位模块、通讯模块、光谱分
析模块和结果显示模块8 部分，系统组成见图1。
图1 系统组成
5.3 光源和光谱采集模块
光源一般采用主动光源（卤素灯或氙灯等）。光谱采集模块的光谱范围应覆盖200 nm ～ 1000 nm
或满足系统所测定的水样中主要污染物光谱响应的特征波段范围，特征波段范围参见附录A。光谱采集
方法一般分为反射法和透射法。
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4
5.4 预处理模块
预处理模块应具备光谱数据的重采样、聚类、平滑、去噪、反射率/透射率计算等功能。
5.5 电源模块
根据现场情况，电源模块的供电方式可采用市政供电或太阳能系统供电等方式。
a) 采用市政供电时，应具备输出24V 以下安全电压的转压功能，以及电源过压、过载、浪涌和漏
电保护能力；
b) 采用太阳能系统供电时，太阳能电池板转换效能应不低于15%，电池容量应大于12mAh；应满
足连续无太阳天气条件下，至少3d 以上的续航能力。
5.6 控制模块
控制模块应实现对光源和光谱采集模块、预处理模块、电源模块、定位模块和通讯模块的控制。
5.7 定位模块
定位模块宜采用北斗卫星定位系统进行定位，定位精度宜优于5 m。
5.8 通讯模块
通讯模块应实现数据采集和分析模块间的数据传输和指令交互，通讯方式可采用网线、Wi-Fi、
NB-IoT、Lora、4G、5G、北斗卫星等，数据和指令应加密传输；监测数据传输应符合HJ/T 212 及其它
相关标准的要求。
5.9 光谱分析模块
光谱分析模块应具备光谱数据存储、光谱特征分析、光谱数据建模、水质参数反演和统计分析等功
能。水质参数反演功能宜具备数据自动筛选、模型自动校准、水质指标多波段补偿等能力。
5.10 结果显示模块
结果显示模块应具备监测数据的显示和查询功能。
6 技术要求
6.1 基本要求
系统应满足以下要求：
a) 应针对地表水、生活污水和工业废水等不同的使用环境，进行外设结构设计，便于现场安装、
维护、检查、更换；
b) 外壳应采用耐腐蚀、抗生物附着的材料；
c) 外观应清洁，无脱漆、锈蚀、裂纹、变形等现象；各部分连接应牢固，紧固件应无松动、缺损
等现象；
d) 野外自然环境下能24h 正常运行。
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5
6.2 性能要求
系统性能指标应满足表1、表2 的要求。
表1 系统性能指标及技术要求
序号性能指标技术要求
1 光谱重复性≤3%
2 电源电压波动时设备稳定性≤3%
3 工作温度变化时设备稳定性≤5%
4 最短测量周期≤120s
5 数据获取率≥90%
6
准确度
正确度
7 精密度见表2
8 相关度
表2 系统准确度和相关度技术要求
序号检测项目单位标准物质
标准溶液
浓度
准确度
相关度
正确度精密度
1 总氮mg/L 硝酸钾
＜2
绝对误差
（AE）
±0.5 mg/L ±15% ≥0.95
≥2
相对误差
（RE）
±25% ±15% ≥0.95
2 化学需氧量mg/L 邻苯二甲酸氢钾
＜40
绝对误差
（AE）
±8 mg/L ±15% ≥0.95
≥40 相对误差
（RE）
±20% ±15% ≥0.95
3 高锰酸盐
指数
mg/L 草酸钠或间苯二酚
＜16
绝对误差
（AE）
±4 mg/L ±15% ≥0.95
≥16
相对误差
（RE）
±25% ±15% ≥0.95
4 浊度NTU 硫酸肼或六次甲基
四胺—
相对误差
（RE）
±20% ±15% ≥0.95
5 叶绿素a μg/L 罗丹明WT 或罗丹
明B —
相对误差
（RE）
±25% ±15% ≥0.95
7 检验方法
7.1 检验条件
检验环境应满足GB/T 11606 的规定及以下条件：
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a) 环境温度：5℃～45℃，检验期间的温度变化在±5℃以内；
b) 相对湿度：85%以下，检验期间的湿度变化在±5％以内；
c) 环境洁净，无强电磁场干扰，无强气流及腐蚀性气体。
7.2 检验准备
7.2.1 设备准备
按照使用说明书要求对设备进行预热、定标等准备工作。
7.2.2 标准溶液配制
按照设备量程上限的80%和20%分别配制高、低两种浓度的标准溶液，检测项目及所采用的标准
物质见表2。
7.3 光谱重复性检验
反射光谱重复性：暗室或遮光环境下，将设备对准标准反射板，进行连续多次测量（≥30 次），
记录光谱反射率。
透射光谱重复性：暗室或遮光环境下，将设备探头浸入重蒸馏水中进行连续多次测量（≥30 次），
记录光谱透射率。
以多次测定值的相对标准偏差作为系统的重复性评判指标，计算公式如公式（1）、公式（2）所示。
100%
1
1 ( ) 1
2
RSD 


  
n
x x
x
R j
n
i i （ ） (1)
式中：
RRS（D j） —— 第j 个波段的相对标准偏差；
i x —— 第i 次测量的反射率/透射率；
x —— n 次反射率/透射率的平均值；
n —— 测量次数，n ≥ 30。
m
E j
R
m
j   1
RSD
（ ）
(2)
式中：
RSD R —— 系统的相对标准偏差；
m —— 系统的波段数。
7.4 电源电压波动时设备稳定性检验
将设备对准标准反射板或浸入重蒸馏水，分别记录在标准电压和标准电压±10%情况下的反射率/透
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射率。电源电压波动时设备稳定性相对误差ΔF 如公式（3）、公式（4）所示。
100%

 
s
i s
j F
F F
F (3)
式中：
j F —— 第j 个波段的电源电压波动影响，%；
i F —— 高于或低于规定电压10%时的3 次反射率/透射率的平均值；
s F —— 规定电压下的3 次反射率/透射率的平均值。
m
F
F
m
j j   
  1 (4)
式中：
F —— 系统的电源电压波动影响，%；
m —— 设备的波段数。
7.5 工作温度变化时设备稳定性检验
在暗室或遮光环境下，将设备对准标准反射板或浸入重蒸馏水，分别测量5℃ 和45℃ 环境温度
下的反射率/透射率与20℃ 环境温度下的反射率/透射率之间的偏差，系统相对误差ΔE 按照公式（5）、
公式（6）计算。
100%

 
s
i s
j E
E E
E (5)
式中：
j E —— 第j 个波段的环境温度影响下的系统相对误差，%；
i E —— 5℃ 或者45℃ 时3 次反射率/透射率的平均值；
s E —— 20℃ 条件下9 次反射率/透射率的平均值。
m
E
E
m
j j   
  1 (6)
式中：
E —— 环境温度影响下的系统相对误差，%；
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8
m —— 设备的波段数。
7.6 最短测量周期检验
将设备对准水样，开始测试并计时，返回测量结果后结束计时，分别进行多次（≥10 次）测定，
按照公式（7）计算系统最短测量周期min P 。
Min( , , , ) min 1 2 n P  p p  p (7)
式中：
min P —— 最短测量周期，s；
i p —— 各次计时时长，s；
n —— 测量次数，n ≥ 10。
7.7 数据获取率检验
模拟系统实际使用场景，将设备对准实际水样，将控制系统调整为自动采集模式，工作测量周期设
置30min，运行时间T 不少于7d（168h），计算系统理论获取数据量，记录实际获取数据量，按照公
式（8）和公式（9）计算数据获取率A。
30
d  T (8)
式中：
d —— 理论获取数据量；
T —— 运行时间，min。
 100%
d
A w (9)
式中：
A —— 数据获取率，%；
w —— 实际获取数据量。
7.8 正确度检验
按照公式（10）和公式（11）计算多次设备测定值的算术平均值与标准样品标准值的绝对误差（Ea）
或相对误差（Er），测量次数不少于6 次，两种浓度的测试结果均应满足表2 的正确度要求。
E  c C a (10)
式中：
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9
a E —— 绝对误差；
c —— 系统多次标准样品浓度测定值的算术平均值；
C —— 标准样品浓度。
100% r 


C
E c C (11)
式中：
r E —— 相对误差；
c —— 系统多次标准样品浓度测定值的算术平均值；
C —— 标准样品浓度。
7.9 精密度检验
精密度采用相对标准偏差判定，计算公式见公式（12），两种浓度的测试结果均应满足表2 的精密
度要求。
100%
1
1 ( ) 1
2
RSD 


  
n
c c
c
E
n
i i (12)
式中：
RSD E —— 精密度；
i c —— 第i 次测量的标准样品浓度测定值；
c —— n 次测量测定值的算术平均值；
n —— 测量次数，n ≥ 6。
7.10 相关度检验
相关度计算公式见公式（13），测试结果均应满足表2 的相关度要求。
   
   

 

  
  

n
i
n
i
i i
n
i
i i
C C c c
C C c c
r
1 1
2 2
1 (13)
式中：
r —— 相关度；
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10
i C —— 第i 次测量的标准样品浓度参考值；
C —— n 次测量标准样品浓度参考值的算术平均值；
i c —— 第i 次测量的标准样品浓度测定值；
c —— n 次测量标准样品浓度测定值的算术平均值；
n ——
测量次数，随机抽取高浓度和低浓度标准样品进行测量，不少于10 次（n ≥ 10），
且高浓度和低浓度标准样品的分别测量次数不少于3 次。
8 检验规则
8.1 检验分类
检验分为出厂检验和型式检验，具体检验项目见表3。
表3 系统出厂检验项目与要求
序号检验项目
检验分类
要求检验方法
出厂检验型式检验
1 光谱重复性√ √ 6.2 7.3
2 电源电压波动时设备稳定性√ √ 6.2 7.4
3 工作温度变化时设备稳定性√ √ 6.2 7.5
4 最短测量周期— √ 6.2 7.6
5 数据获取率— √ 6.2 7.7
6 正确度√ √ 6.2 7.8
7 精密度√ √ 6.2 7.9
8 相关度√ √ 6.2 7.10
8.2 出厂检验
出厂检验为逐台检验，经检验各项指标均符合标准要求的，则判定为合格。出厂检验项目见表3。
8.3 型式检验
8.3.1 有下列情况之一时，应进行型式检验：
a) 首次生产或试制定型时；
b) 定型产品的结构、关键元器件有较大改变，可能影响到性能时；
c) 成批生产产品每年检验一次；
d）停产两年及以上时。
8.3.2 型式检验项目见表3。
8.3.3 抽样方法：
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11
随机抽取出厂检验合格的3 台设备作为样品进行型式检验，抽样基数一般不少于10 台。
8.3.4 型式检验判定规则：
a) 经检验各项指标均符合标准要求的，则判定为产品合格；
b) 若样品有不合格项，应加倍抽样，对不合格项目进行复检，若复检结果为全部合格，则仍可判
定该批产品合格；
c) 复检产品中，任意一台的任意一项检验结果不合格时，则判定该批产品不合格。
9 标志、包装运输和贮存
9.1 标志
9.1.1 应在设备显著位置设置标牌，标牌应包含设备名称、产品型号、制造厂家、出厂日期、出厂编号、
产品重量等内容。
9.1.2 标牌型式与尺寸应符合GB/T 13306 的规定。
9.2 包装运输
设备包装运输应满足以下要求：
a) 设备的包装应适合陆路和水路运输的要求，零部件在箱内应固定牢固。随机文件应用塑料袋封
装，并固定在包装箱内。随机文件应包括装箱单、合格证、使用说明书。
b) 合格证应符合GB/T 14436 的规定，使用说明书应符合GB/T 9969 的规定。
c) 包装箱外的储运标志应符合GB/T 191 的规定。
9.3 贮存
设备贮存应满足以下要求：
a) 应放置于室内，且环境干燥、清洁、无腐蚀、无污染；
b) 贮存期间应保持包装完好。
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12
附录A
（资料性）
水样中主要污染物的光谱响应特征波段范围
水样中主要污染物的光谱响应特征波段范围见表A.1。
表A.1 水样中主要污染物的光谱响应特征波段范围
序号水质指标名称特征谱段范围/ nm
1 总氮200～300、400～500、600～900
2 化学需氧量220～350、500～700
3 高锰酸盐指数200～300、500～600、700～920
4 浊度200～900
5 叶绿素a 600～800