CN101655443B - 利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置及方法，装置包括电路盒、显示设备、电缆、发射换能器和接收换能器，电路盒通过电缆分别与发射换能器和接收换能器连接；还包括椭球形腔体、设置于椭球形腔体内的T形通道；发射换能器和接收换能器分别位于椭球形腔体的两个焦点处；电缆内置于T形通道内部；T形通道的横向两端安装有密封件，发射换能器和接收换能器分别安装在T形通道的横向两端，T形通道的竖向端连接于椭球形腔体底端，并设有一个用于引出电缆的出线孔。本发明提高了浑浊度测量的精度；并采用椭球形腔体，发射、接收换能器分别放置在椭球两个焦点，使得水声传输路径相同，克服了水声多径时延效应。

Description

利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置及方法

技术领域

本发明属于水浑浊度检测的技术领域，具体涉及一种利用水声衰减频谱测量海水或淡水浑浊度的装置及方法。

背景技术

浑浊度是反映水中非溶性物质微粒的含量，是衡量水质好坏的最重要参数之一。浑浊度可用于衡量水处理或别的工业生产中水的澄清、过滤等过程是否达标的标志物理量。

对浑浊度的测量，在线和离线(实验室用的)多数采用光学方法。但是利用光学方法测量浑浊度，其结果决定于构成浑浊液的粒子的大小、形状、颜色和折射率，很容易受到可溶性色度的影响，且当水或透明液体浊度较大时由于遮挡原因等因素容易造成测量不准确，且深海压力会对设备在耐压和密封等方面提出更高的要求。

于2006年7月12日公开的中国发明专利申请CN1800819A，提出了一种圆柱形的封闭腔体的海洋声学浊度传感器，该装置利用水声脉冲的传播衰减度跟浑浊度成比例关系，通过测量水声在水中的衰减和对比已有的参考频谱来测量水的浑浊度，且该装置不易受耐压、密封等条件的限制。但这种装置存有一些不足：1、测量灵敏度不够高，对于低浑浊度的水来说，传播衰减程度相差不大，难以从衰减中得出浑浊度；2、容易产生多径效应，产生较大的数据接收误差；3、待测水不是被封闭在一个腔体内，容易受外界噪声干扰，突发误差较大，测量稳定性不好；4、得到的数据比较单一片面，只能获得某个频率的水声衰减频谱，不能很全面地反映不同水质对不同频率水声衰减的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷与不足，本发明的目的是提出一种利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置及方法，本发明采用扫频电路，测量声音在水声信道传输过程中产生的衰减频谱，对比已有的水声衰减频谱经验曲线，得到浑浊度，以提高浑浊度测量的精度；采用椭球形腔体，把待测水封闭在椭球形腔体内，发射、接收换能器分别放置在椭球的两个焦点，使得水声传输的路径相同，克服了水声多径时延效应。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，包括电路盒、显示设备、电缆、发射换能器和接收换能器，电路盒通过电缆分别与发射换能器和接收换能器连接，还包括椭球形腔体、设置于椭球形腔体内的T形通道；所述发射换能器和接收换能器分别位于椭球形腔体的两个焦点处；所述电缆内置于T形通道内部；T形通道的横向两端安装有密封件，发射换能器和接收换能器分别安装在T形通道的横向两端，T形通道的竖向端连接于椭球形腔体底端，并设有一个用于引出电缆的出线孔。

所述电路盒包括中央处理器，以及分别与中央处理器连接的基带信号源、扫频电路、频谱分析电路、存储器，其中中央处理器与显示设备连接，基带信号源还与发射换能器连接，扫频电路还与接收换能器连接。

所述椭球形腔体的顶部还有注水开关，开关处还设有温度传感器。

所述椭球形腔体内侧面涂有反射系数为0.6～0.9的物质。

利用水声衰减频谱测量水浑浊度的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开位于椭球形腔体顶端的注水开关，将待测浑浊度的水注满整个腔体，关闭注水开关，同时利用温度传感器测量水的温度；

步骤2、基带信号源在一个频率范围内，将从低频到高频发出的水声基带信号传输到位于椭球焦点处的发射换能器，由发射换能器将水声基带信号发射出去；

步骤3、水声基带信号到达椭球形腔体内表面后被反射，接收换能器采集发射信号，然后由扫频电路将不同频率的反射信号进行扫描，形成在步骤2所述频率范围内的水声反射衰减频谱；

步骤4、中央处理器结合步骤1中已测的温度，将步骤3所得的水声反射衰减频谱与存储在存储器中的浑浊水声经验衰减频谱进行对比和分析，得到腔体中水的浑浊度；

步骤5、中央处理器将与水声反射衰减频谱最接近的浑浊水声经验衰减频谱，以及该浑浊水声经验衰减频谱对应的水质参数，传送到显示设备进行显示。

优选地，步骤2所述的发射换能器在120度的角度范围内将水声基带信号发射出去。

优选地，步骤5所述的水质参数为温度、盐度、浑浊度。

本发明将声学原理应用到浑浊度测量中，既能克服光学浑浊度测量器易受到可溶性色度的影响和水或透明液体浑浊度太大时由于遮挡等因素影响准确测量的不足，提高测量精度；又能克服专利申请CN1800819A中所披露技术方案的不足。其具体优点及有益效果在于：

1、采用椭球型结构，发射、接收换能器分别安置于椭球的两个焦点处，信号从发射点到接收点的时间一致，克服了多径时延效应带来的严重干扰。

2、待测水被封闭在一个腔体内，不受外界噪声干扰。

3、发射换能器在一个频率范围内从低频到高频不断地发射水声信号，接收换能器通过扫频电路得到全面的数据，反映了不同介质对不同频率水声信号的吸收情况，从而更全面地反映出水中杂质的情况。

4、水声扫频的测量，有利于克服固定频率噪声的干扰，使测量更加精确。

附图说明

图1是本发明装置的结构正面示意图；

图2是本发明装置的结构侧面示意图；

图3是本发明装置的电原理结构框图；

图4是本发明装置工作原理图；

图5是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明装置的具体结构如下：包括具有封闭端面的用不锈钢加工而成的椭球形腔体1，分别位于椭球形腔体的两个焦点处的发射换能器4和接收换能器5，设置于腔体1内的T形通道2，设置在腔体1外部的电路盒3，与电路盒3连接的显示设备8，电路盒3通过内置于T形通道2内部的电缆7分别与发射换能器4和接收换能器5连接。其中，T形通道2的横向两端安装有密封件，发射换能器4和接收换能器5分别安装在T形通道2的横向两端，即T形通道2的横向两端分别位于椭球形腔体的两个焦点处；竖向端连接于椭球形腔体底端，并设有一个用于引出电缆7的出线孔。椭球形腔体1为不锈钢材料，测量待测液体浑浊度的过程中，能有效防止深水处压强、涡流、周围噪声等因素的影响；腔体内侧面涂有能将信号反射的反射系数(0.6～0.9)很大的物质。

如图2所示，T形通道2的通道横截面为圆形，发射换能器4和接收换能器5粘贴在T形通道横向两端。发射换能器4和接收换能器5可以互换使用，即发射换能器4可作为接收换能器来接收声波信号，接收换能器5可作为发射换能器来使用，二者可通过电路盒3控制其交换使用。在椭球形腔体1的顶部还有一个注水开关6，用于将待测浑浊度的水注入椭球形腔体1内；开关处还设有温度传感器，所以该装置还可以同时测量水的温度。

如图3所示，电路盒包括中央处理器，以及分别与中央处理器连接的基带信号源、扫频电路、频谱分析电路、存储器，其中中央处理器与显示设备连接，基带信号源还与发射换能器连接，扫频电路还与接收换能器连接。发射换能器在特定范围内从低频到高频连续发出基带信号源所产生的基带信号；接收换能器采集从椭球形腔体内侧反射回来的信号，并将其传输给扫频电路。结合图1来看，电路盒3所输出的基带信号通过内置于T形通道2内部的电缆7传输到发射换能器4发射，而接收换能器5采集到的反射信号也通过电缆7引至电路盒3的扫频电路，然后在中央处理器处理后得到水声衰减频谱，并通过显示设备8显示。

如图4所示，本发明装置的工作原理是：声波在腔体的水中传播时，由于腔体内表面存在反射，声源与接收点之间存在一个以上声传播途径，这就是多径传播。在接收点处收到多径传播到达的信号的叠加，因为沿不同路径传播的声信号到达接收点的时间不同，所以不仅产生信号的振幅和相位起伏，导致信号畸变，破坏信号检测时的复本相关性；还由于路径长度不一样，每条路径上的衰减不一样。而且，若多径的最大延时大于不同频率信号的发送间隔，则会产生明显的不同频率信号间的干扰，严重影响测量的精度。本发明可有效防止由于水声多径时延引起的测量误差，将发射点(即发射换能器)和接收点(即接收换能器)均安置椭球形腔体的焦点上，使得接收点同时收到所经距离相同的多径信号，不会产生不同频率信号间的干扰。如图4所示，发射点以120度的发射角度发射声音信号，根据椭球的性质：椭球上任何一点到两个焦点的距离之和为定值。由此可判断，注水区12注满了被测的海水以后，信号A、信号B及信号C从位于T形通道2左侧的发射换能器4发射出去，在水声通道中传送，到达椭球形腔体内表面11后被反射，最后被接收换能器5采集；这个过程中，三个信号经过的路程距离相同，时间也一致，这样就可以有效防止多径时延效应带来的影响，得到的接收水声信号衰减频谱就可以排除多径时延效应对水声通信带来的严重制约。

如图3和图5所示，本发明的测量流程包括以下步骤：

步骤1、打开位于椭球形腔体顶端的注水开关，将要待测浑浊度的水注满整个腔体，关闭注水开关，同时利用温度传感器测量水的温度。

步骤2、基带信号源在一个频率范围(15kHz～50kHz)内，将从低频到高频发出的水声基带信号通过电缆传输到位于椭球焦点处的发射换能器，由发射换能器在120度的角度范围内将水声基带信号发射出去。

步骤3、水声基带信号到达椭球形腔体内表面后被反射，接收换能器采集发射信号，然后由扫频电路将不同频率的反射信号进行扫描，形成在步骤2所述频率范围内的水声反射衰减频谱。

步骤4、存储器中有一个数据库，里面保存有结合浑浊海水中各衰减因素做定性分析后得到的各种浑浊水声经验衰减频谱。中央处理器结合步骤1中已测的温度，将步骤3所得的水声反射衰减频谱与存储在存储器中的浑浊水声经验衰减频谱进行对比和分析，得到腔体中水的浑浊度。

步骤5、中央处理器将与水声反射衰减频谱最接近的浑浊水声经验衰减频谱，以及该浑浊水声经验衰减频谱对应的温度、盐度、浑浊度这些水质参数，经过数据线传送到显示设备进行显示。

如果不能找到与测量的接收水声信号衰减频谱比较近似的经验频谱，则提示更新数据库，并且把该水声频谱存储作为更新数据库之用。

本发明利用扫频电路对接收水声信号的幅频特性进行刻画。发射换能器在一个特定的带宽内从低频到高频连续发射水声信号，当这些信号到达接收换能器后，通过扫频电路得到接收信号的衰减频谱。得到接收水声信号的衰减频谱后，中央处理器将所得的水声信号衰减频谱进行分析，结合数据库中的悬浮颗粒水质传输的水声信号衰减频谱，进行全方位的比较，从而得到准确的水质悬浮颗粒浓度(即浑浊度)等参数。

如果中央处理器发现所得的反射水声信号的衰减频谱不能和数据库中的任何曲线吻合，就将此新的数据记录进数据库中，对数据库进行补充和更新。当得到新的反射水声信号衰减频谱，怎么样得到对应的水质参数(指浑浊度、盐度、温度)呢？研究表明，对于悬浮颗粒物水质而言，悬浮颗粒物通过热传导、散射以及粘滞作用等明显地导致声波衰减，而在特定的环境下，水中声波波长比悬浮颗粒物尺度大很多，热传导和散射引起的水声吸收均可忽略不计，悬浮颗粒物产生声吸收的主要机制是粘滞性声吸收。研究表明，悬浮颗粒物液体粘滞吸收系数与颗粒物浓度C成正比，并与声波频率、颗粒物粒径、颗粒物密度有关。在所考虑频率范围内，粘滞吸收系数随频率的增加而增加，颗粒物密度的增加将导致粘滞吸收系数的增加。颗粒物半径与粘滞吸收系数的关系最为敏感复杂，随着颗粒物半径的增加吸收系数迅速增大并达到一极大值，粒径继续增加吸收系数将随之下降。在所考虑的物理参数范围内，微米量级的颗粒物将导致最大粘滞声吸收。并且，粘滞吸收系数最大值所对应的颗粒物半径与声波频率及颗粒物密度有关。通过如上分析，明确了影响悬浮颗粒物海水中粘滞声吸收的物理参数包括悬浮颗粒物浓度、颗粒物密度及颗粒物粒径。从这些结论和经验公式出发，可以得到新的水声衰减频对应的水质参数(温度、盐度、浑浊度)，并将其录入存储器，对数据库进行更新。因为这一过程比较复杂，可以把所测的水以及得到的水声衰减频谱通过其他的仪器根据上述描述的相关结论和经验公式离线计算出对应的水质参数，然后再把水声衰减频谱和对应的水质参数加入原有的数据库由此得到更新的数据库。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，包括电路盒、显示设备、电缆、发射换能器和接收换能器，电路盒通过电缆分别与发射换能器和接收换能器连接，其特征在于：还包括椭球形腔体、设置于椭球形腔体内的T形通道；所述发射换能器和接收换能器分别位于椭球形腔体的两个焦点处；所述电缆内置于T形通道内部；T形通道的横向两端安装有密封件，发射换能器和接收换能器分别安装在T形通道的横向两端，T形通道的竖向端连接于椭球形腔体底端，并设有一个用于引出电缆的出线孔；

所述电路盒包括中央处理器，以及分别与中央处理器连接的基带信号源、扫频电路、频谱分析电路、存储器，其中中央处理器与显示设备连接，基带信号源还与发射换能器连接，扫频电路还与接收换能器连接；

所述椭球形腔体内侧面涂有反射系数为0.6～0.9的物质。

2.根据权利要求1所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，其特征在于：所述T形通道的通道横截面为圆形。

3.根据权利要求1所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器粘贴在T形通道横向两端。

4.根据权利要求1所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，其特征在于：所述椭球形腔体的顶部还有注水开关，开关处还设有温度传感器。

5.利用水声衰减频谱测量水浑浊度的方法，该方法采用如权利要求1所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、打开位于椭球形腔体顶端的注水开关，将要待测浑浊度的水注满整个腔体，关闭注水开关，同时利用温度传感器测量水的温度；

步骤2、基带信号源在一个频率范围内，将从低频到高频发出的水声基带信号传输到位于椭球焦点处的发射换能器，由发射换能器将水声基带信号发射出去；

步骤3、水声基带信号到达椭球形腔体内表面后被反射，接收换能器采集发射信号，然后由扫频电路将不同频率的反射信号进行扫描，形成在步骤2所述频率范围内的水声反射衰减频谱；

步骤4、中央处理器结合步骤1中已测的温度，将步骤3所得的水声反射衰减频谱与存储在存储器中的浑浊水声经验衰减频谱进行对比和分析，得到腔体中水的浑浊度；

步骤5、中央处理器将与水声反射衰减频谱最接近的浑浊水声经验衰减频谱，以及该浑浊水声经验衰减频谱对应的水质参数，传送到显示设备进行显示。

6.根据权利要求5所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的方法，其特征在于：步骤2所述的发射换能器在120度的角度范围内将水声基带信号发射出去。

7.根据权利要求6所述的利用水声衰减频谱测量水浑浊度的方法，其特征在于：步骤5所述的水质参数为温度、盐度、浑浊度。

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