CN101963575A - 浊度测量装置和用于确定引起浊度的物质的浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浊度测量装置和用于确定引起浊度的物质的浓度的方法。该浊度测量装置包括：第一光源L₁和第二光源L₂；第一接收器R₁和第二接收器R₂；其中直接测量路径从光源L_i延伸通过测量介质到达接收器R_i，且间接测量路径从光源L_i延伸通过测量介质到达第二接收器R_j；其中i≠j；其中浊度作为商A/B的函数能被利用计算电路得到确定；其中A和B至少是在直接或间接测量路径上记录的信号的函数；其中取决于第一光源的强度的至少一个第一监测信号进入两个项A或B中的一个；其中光从第一光源到达监测器，而不与测量介质相互作用；其中监测信号被添加到至少一个在测量路径上记录并进入项A或B的信号中。

Description

浊度测量装置和用于确定引起浊度的物质的浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种浊度测量装置及用于确定介质中引起浊度的物质的浓度的方法，尤其是涉及一种根据四束交变光原理的浊度测量装置及使用四束交变光原理的方法。

背景技术

根据四束交变光原理的浊度测量装置包括至少两个光源和至少两个接收器，其中在两个测量源和两个接收器之间限定了四个测量路径，通过这四个测量路径，由光源发射的光到达接收器；其中在至少两个测量路径中，光通过散射到达接收器。一般地，在与测量介质相互作用之后，接收由光源L_i发射的光的接收器R_j的信号S_ij(T)由方程式1给出。

$S_{\mathrm{ij}}\left(T\right)=I_i\·c_{\mathrm{ij}}\·T\·e^{-\frac{T\·X_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\λ}}}---\left(1\right)$

在该情形，I_i是发射光的强度；C_ij是常数，其取决于浊度测量装置的几何边界条件和引起浊度的物质的散射性能，X_ij是测量介质中光源L_i与接收器R_j之间的测量路径长度，而λ是系数，其描述了引起浊度的物质关于辐射光的散射和吸收特性，其中引起浊度的物质被给定浓度T。

为了消除可变装置参数(如例如辐射光的强度I₁、I₂和窗口的透射特性)的影响，引入了方程式2中定义的测量变量FAL(T)(首字母缩略词FAL来自四束交变光)，其的显式表示在方程式3中给出。

$\mathrm{FAL}\left(T\right)=\frac{S_{11}\left(T\right)\·S_{22}\left(T\right)}{S_{12}\left(T\right)\·S_{21}\left(T\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{FAL}\left(T\right)=\frac{c_{11}\·c_{22}}{c_{12}\·c_{21}}\·e^{T\frac{X_{12}+X_{21}-X_{11}-X_{22}}{\mathrm{\λ}}}---\left(3\right)$

这里应认识到，测量变量FAL(T)与辐射强度无关，且对引起浊度的物质的浓度T的相关关系仅以指数函数给出。

如果人们进一步假定浊度测量装置的结构是对称的，因而这意味着c₁₁＝c₂₂且c₁₂＝c₂₁，以及X₁₁＝X₂₂＝X_直接且X₁₂＝X₂₁＝X_间接，则测量变量FAL(T)能用方程式4的形式表示：

其中，c表示系数的商。

在图4a中，FAL信号的曲线的示例(表示为引起浊度的物质(TCM)的含量T的函数)表示为实线。对于高浓度的引起浊度的物质，FAL信号是评定的好信号，且直接实现信号值和引起浊度的物质的含量之间的关联。在低浓度的情形下，低于单个测量通道S_ij的信号的最大值，但是FAL信号较弱，这使得难以准确地确定引起浊度的物质的浓度，因为(如方程式5给出的)对于低浓度，变量FAL(T)朝常数C收敛，使得对引起浊度的物质的浓度T的相关关系实际上不再被给出。

(在此情形，ΔX：＝X_直接-X_间接)

FAL信号与测量变量的无关性再次在图4b中清楚得到，其中对引起浊度的物质的含量的小值用对数绘出。

发明内容

因而，本发明的目的是提供一种浊度测量装置，该浊度测量装置能克服现有技术中描述的缺能克服现有技术中描述的缺陷，且尤其使得能够在低浓度情形下确定引起浊度的物质的含量。本发明的目的由根据独立权利要求1的浊度测量装置以及根据独立权利要求6的方法实现。

本发明的浊度测量装置具有用于记录测量介质的浊度的四束交变光系统，该浊度测量装置包括第一光源L₁和第二光源L₂、第一接收器R₁和第二接收器R₂；其中第一直接测量路径从第一光源L₁延伸通过测量介质到达第一接收器R₁；其中第二直接测量路径从第二光源L₂延伸到第二接收器R₂；其中第一间接测量路径从第一光源L₁延伸通过测量介质到达第二接收器R₂；其中第二间接测量路径从第二光源L₂延伸通过测量介质到达第一接收器R₁；其中浊度能被确定为商A/B的函数；其中项A或B中的一个至少是通过直接测量路径记录的信号的函数；且其中另一个相应的项至少是通过间接测量路径记录的信号的函数；其特征在于，取决于第一光源的强度的至少第一监测信号进入两个项A或B中的一个；其中第一光源的光到达监测器，而不与测量介质相互作用；且其中监测信号被添加到通过测量路径记录并进入项A或B中的信号中的至少一个。

在本发明的四束交变光系统的进一步开发中，第一监测信号I₁·m和第二监测信号I₂·m进入两个项A或B中的一个，其中第二监测信号取决于第二光源的强度，且其中第二光源的光到达监测接收器，而不与测量介质相互作用，且其中第二监测信号被添加到通过进入项A或B的测量路径中的一个确定的另一信号。

提供第二监测信号的监测接收器能与提供第一监测信号的监测接收器相同，或者其能为另一监测接收器。

在本发明的四束交变光系统的进一步开发中，浊度能被确定为测量变量的函数，该函数定义为FALMN(T)或FALMD(T)，其中：

$\mathrm{FALMN}\left(T\right)=\frac{(S_{11}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{22}\left(T\right)+I_2\·m)}{S_{12}\left(T\right)S_{21}\left(T\right)}---\left(6\right)$ 并且

$\mathrm{FALMD}\left(T\right)=\frac{S_{11}\left(T\right)\·S_{22}\left(T\right)}{(S_{12}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{21}\left(T\right)+I_2\·m)}---\left(7\right)$

在每种情况下，S_ij(T)给出光的测量光强度，在与测量介质相互作用之后，其从光源L_i到达接收器R_j。通过方程式(1)的模型建立给出S_ij(T)。FALMN(T)和FALMD(T)中的N和D分别表示分子和分母。

小浊度的该方程式的结果在下面的FALMN中给出。在分子FALMN(T)中具有监测信号的四束交变光信号能被分解成根据现有技术的一般的四束交变光信号和监测分量。因而：

$\mathrm{FALMN}\left(T\right)=\mathrm{FAL}\left(T\right)+\frac{m}{T}\·\frac{(c_{11}\·e^{\frac{-T\·X_{11}}{\mathrm{\λ}}}+c_{22}\·e^{\frac{-T\·X_{22}}{\mathrm{\λ}}})}{c_{12}\·c_{21}\·e^{\frac{-T\·(X_{12}+X_{21})}{\mathrm{\λ}}}}+\frac{m^2}{T^2}\·\frac{1}{c_{12}\·c_{21}\·e^{\frac{-T\·(X_{12}+X_{21})}{\mathrm{\λ}}}}---\left(8\right)$

假设对称，c_直接：＝c₁₁＝c₂₂；c_间接：＝c₁₂＝c₂₁；X_直接：＝X₁₁＝X₂₂；且X_间接：＝X₁₂＝X₂₁，由此得出：

对于小的T，下面也是正确的：

因而，在极限值中，对于小的T的信号与(1/T)²成比例；其不再是常数，且因此，测量信号与引起浊度的物质的浓度的关联成为可能。

对于FALMD(T)的考虑能得出相应的结果。

图3a和3b中给出所得到的FALMN(T)和FALMD(T)的数据。

对称假设严格上来说不是本发明的实质；其仅用于简化表示。原则上，上述考虑对于偏离对称的布置也是有效的。

当考虑监测信号时必须要面对的折衷在于以下事实，即测量信号FALMN(T)或FALMD(T)不实现与引起浊度的物质的浓度的独特关联，这从图3a和3b中的曲线很明显。尽管如此，为了实现根据本发明的进一步开发的与测量值的独特关联，该布置的特征是确定了引起浊度的物质的浓度T(FAL)的计算模型和确定了引起浊度的物质的浓度T(FALMN)和/或T(FALMD)的第二计算模型；其中尤其是当T(FAL)降低到极限值以下时，例如T＜λ/X_间接，要考虑第二计算模型。

关于测量装置的设计的另一自由度通过与FALMD或FALMN中的S_ij成比例的监测器表达I_i·m的加权清楚地提供。在一个实施方式中，例如提供了0.1＜m/c_ii＜10，优选为0.2＜m/c_ii＜5，且更优选为0.4＜m/c_ii＜2.5。

就本发明的说明而言，信号的数学运算(因而，例如信号的乘法、加法和除法)在这里进行了论述，其中包括例如应用了对信号的任何表示的相应的数学运算，因而特别是对于相应的信号值的数字表示或者相应的信号值的模拟表示。根据本发明，信号的加法还包括信号的加权求和，在此情形在求和之前信号乘以加权因子。对于加权的考虑例如在前面的段落中进行了说明。

附图说明

现将基于附图所示的实施方式的示例来说明本发明，附图中的图被示出如下：

图1a是本发明的浊度测量装置的探头的端部的平面图；

图1b是沿图1a的线b-b取得的探头的纵剖面；

图2a到2d表示了用于确定不同的单个通道的信号强度的束路径；

图3是单个通道的信号强度的测量数据和拟合；

图4a是根据现有技术的四束交变光信号作为引起浊度的物质的含量的函数与根据本发明的监测辅助的四束交变光信号的相应函数的比较；并且

图4b是对于低的引起浊度的物质的含量，根据现有技术的四束交变光信号与根据本发明的监测辅助的四束交变光信号的比较的对数表示。

具体实施方式

图1a显示的浊度测量装置的探头包括由不锈钢制成的基本上柱状的金属外壳，在其端部设置了四个窗口(其角部限定矩形)，其将第一光源L₁和第二光源L₂、第一接收器R₁和第二接收器R₂与包围探头的环境密封开；其中第一光源L₁和第二光源L₂的辐射能通过窗口进入和出来。

如图1b所示，光源L₁和L₂包括第一闪光灯3和第二闪光灯4，其中在闪光灯之间设置了监测二极管5，其分布记录第一闪光灯和第二闪光灯的光强度。

第一闪光灯3、第二闪光灯4和监测二极管5以及第一接收器R₁和第二接收器R₂的光电二极管(这里没给出)都连接到电子电路6，该电子电路6控制闪光灯并选择性地记录监测二极管5的信号以及第一接收器和第二接收器的光电二极管的信号。

图2a-2d示出了通过测量的介质的束路径，如用于记录四束交变光测量的单个通道的信号强度。图2a示出第一直接测量路径，在此情形，第一光源L₁和第一接收器R₁是有效的；这意味着电路6点燃第一闪光灯3以便其发射光并记录第一接收器R₁的光电二极管的信号强度。图2b示出第二直接测量路径，在此情形，来自第二光源L₂的光通过介质中的散射而到达第二接收器R₂。因此，第二闪光灯L₂被电路6触发以发射光，其中电路6记录第二接收器R₂的光电二极管的信号。

图2c和2d示出两个间接测量路径，在此情形，来自第一光源的光到达第二接收器，或来自第二光源的光到达第一接收器。在图3中，给出了所得到的单个通道的信号的示例，对于低的引起浊度的物质的含量，该信号与引起浊度的物质的含量成比例，而对于引起浊度的物质的含量的较大值，信号能用指数函数描述。所得到的四束交变光信号(由直接测量路径的强度的乘积除间接测量路径的强度的乘积形成)在图4a和4b中用实线FAL表示。如开始说明的，对于足够高的引起浊度的物质的含量(例如，在大于每升3克的含量的情形)，FAL信号提供FAL信号与引起浊度的物质的含量之间的有用关系，由此使得能够充分精确地确定引起浊度的物质的含量。如开始说明的，对于低的引起浊度的物质的含量(就是说，例如小于3每升克)，FAL信号的估计不再有用，因为在该范围，FAL信号几何不变。这里是本发明的监测辅助的、四束交变光开始起作用的地方；作为FALMN，其中，在此情形，相关的监测信号的强度在分子中加到单个通道的信号强度；或者作为FALMD，其中相关的监测信号的强度在分母中加到单个通道的信号强度；其中相关的监测信号直接(即，没有与测量介质的任何相互作用)记录由第一或第二闪光灯发射的光的强度，且在该点及时这样做，其中也记录单个通道的信号强度，监测二极管的信号被添加到单个通道的信号强度。

从而，在确定四束交变光信号的实施方式的示例的情形，直接测量通道的信号的乘积在分子中，而间接测量通道的信号的乘积在分母中；为了确定监测辅助的四束交变光信号FALMN，监测二极管5的信号将在确定两个直接测量路径的信号强度的情形(对比图2a和图2b)根据此被记录，并且根据方程式6使用以便估计。

就监测辅助的四束交变光被用于分母(FALMN)中的监测分量来说，监测二极管5的信号在确定间接测量路径的信号强度的情形(对比图2c和图2d)被记录，并根据方程式7使用。

如图4a和4b给出的，对于低的引起浊度的物质的含量，FALMD以及FALMN传递信号和引起浊度的物质的含量之间的充分动态的且单调的关系。因此，对于大的引起浊度的物质的含量，首先用常规的FAL信号工作来确定引起浊度的物质的含量将是有利的，且在低的引起浊度的物质的含量的情形，使用一个监测辅助的四束交变光信号或两个监测辅助的四束交变光信号，因而FALMD和/或FALMN将是有利的。

Claims (10)

1.浊度测量装置，具有用于记录测量介质的浊度的四束交变光系统，所述浊度测量装置包括：

第一光源L₁和第二光源L₂；

第一接收器R₁和第二接收器R₂；

其中第一直接测量路径从所述第一光源L₁延伸通过测量介质到达所述第一接收器R₁；

其中第二直接测量路径从所述第二光源L₂延伸到所述第二接收器R₂；

其中第一间接测量路径从所述光源L₁延伸通过所述测量介质到达所述第二接收器R₂；

其中第二间接测量路径从所述第二光源L₂延伸通过所述测量介质到达所述第一接收器R₁；

其中所述浊度测量装置具有计算电路，利用所述计算电路，浊度能被确定为商A/B的函数；

其中项A或B之一至少是在所述直接测量路径上记录的信号的函数；且

其中相应的另一项至少是在所述间接测量路径上记录的信号的函数；

其特征在于，取决于所述第一光源的强度的至少一个第一监测信号进入到所述两个项A或B之一；其中来自所述第一光源的光到达监测器，而不与所述测量介质相互作用；并且其中所述监测信号被添加到至少一个在所述测量路径上记录并进入所述项A或B中的信号中。

2.如权利要求1所述的浊度测量装置，其中所述第一监测信号I₁·m和第二监测信号I₂·m进入所述两个项A或B之一，其中所述第二监测信号取决于所述第二光源的强度；且其中所述第二光源的光到达监测接收器，而不与所述测量介质相互作用；其中所述第二监测信号被添加到另一个在所述测量路径之一上确定并进入所述项A或B的信号。

3.如权利要求1或2所述的浊度测量装置，其中浊度能够被确定为测量变量的函数，所述函数定义为FALMN(T)或FALMD(T)，其中：

$\mathrm{FALMN}\left(T\right)=\frac{(S_{11}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{22}\left(T\right)+I_2\·m)}{S_{12}\left(T\right)S_{21}\left(T\right)}$

并且

$\mathrm{FALMD}\left(T\right)=\frac{S_{11}\left(T\right)\·S_{22}\left(T\right)}{(S_{12}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{21}\left(T\right)+I_2\·m)},$

其中每个S_ij(T)的值描述了与所述测量介质相互作用之后从光源L_i到达所述接收器R_j的光的测量光强度。

4.如前述权利要求中任一项所述的浊度测量装置，其中所述计算电路包括：计算模型，在所述计算模型中，能通过四束交变光方法来确定引起浊度的物质的浓度T(FAL)，而无需利用监测信号的贡献；和第二计算模型，在所述第二计算模型中，能利用所述监测信号的贡献来确定引起浊度的物质的浓度T(FALMN)和/或T(FALMD)，其中当T(FAL)降低到极限值以下时，所述第二计算模型是适用的。

5.如权利要求3所述的浊度测量装置，其中0.1＜m/c_ii＜10，优选为0.2＜m/c_ii＜5，且更优选为0.4＜m/c_ii＜2.5；其中c_ii为系数，在以下方程式中，需要该系数来描述所述测量信号强度S_ii(T)与引起浊度的物质的浓度T之间的关系，

$S_{\mathrm{ii}}\left(T\right)=I_i\·c_{\mathrm{ii}}\·T\·e^{-\frac{T\·X_{\mathrm{ii}}}{\mathrm{\λ}}},$

其中X_ii为通过所述测量介质的光的路径长度，T为引起浊度的物质的浓度，且λ为在参考浓度的情形下光的平均自由路径长度。

6.用于浊度测量的方法，所述浊度测量以四束交变光系统来记录测量介质的浊度，所述方法包括：

记录从第一光源L₁通过测量介质到达第一接收器R₁的第一直接测量路径的第一直接信号S₁₁(T)；

记录从第二光源L₂到第二接收器R₂的第二直接测量路径的第二直接信号S₂₂(T)；

记录从所述第一光源L₁通过所述测量介质到达所述第二接收器R₂的第一间接测量路径的第一间接信号S₁₂(T)；

记录从所述第二光源L₂通过所述测量介质到达所述第一接收器R₁的第二间接测量路径的第二间接信号S₂₁(T)；

确定作为商A/B的函数的浊度；

其中项A或B之一至少是在所述直接测量路径上记录的信号的函数，且

其中相应的另一项至少是在所述间接测量路径上记录的信号S_ij(T)的函数；

其特征在于，取决于所述第一光源的强度的至少一个第一监测信号进入到所述两个项A或B之一；其中来自所述第一光源的光到达监测器，而不与所述测量介质相互作用；且其中所述监测信号被添加到至少一个在所述测量路径上记录并进入所述项A或B中的信号中。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一监测信号I₁·m和第二监测信号I₂·m进入所述两个项A或B之一；其中所述第二监测信号取决于所述第二光源的强度；且其中所述第二光源的光到达监测接收器，而不与所述测量介质相互作用；其中所述第二监测信号被添加到另一个在所述测量路径之一上确定并进入所述项A或B的信号。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，浊度能够被确定为测量变量的函数，所述函数定义为FALMN(T)或FALMD(T)，其中：

$\mathrm{FALMN}\left(T\right)=\frac{(S_{11}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{22}\left(T\right)+I_2\·m)}{S_{12}\left(T\right)S_{21}\left(T\right)}$

并且

$\mathrm{FALMD}\left(T\right)=\frac{S_{11}\left(T\right)\·S_{22}\left(T\right)}{(S_{12}\left(T\right)+I_1\·m)\·(S_{21}\left(T\right)+I_2\·m)},$

其中每个S_ij(T)的值描述了与所述测量介质相互作用之后从光源L_i到达所述接收器R_j的光的测量光强度。

9.如权利要求6到8之一所述的方法，其中在第一模型中，以四束交变光方法确定引起浊度的物质的浓度T(FAL)，而无需监测信号的贡献，并且在第二模型中，利用所述监测信号的贡献来确定引起浊度的物质的浓度T(FALMN)和/或T(FALMD)；其中根据所述第一模型，当T(FAL)降低到极限值以下时，使用所述第二计算模型。

10.如权利要求5到7之一所述的方法，其中0.1＜m/c_ii＜10，优选为0.2＜m/c_ii＜5，且更优选为0.4＜m/c_ii＜2.5；其中c_ii为系数，在以下方程式中，需要该系数来描述所述测量信号强度S_ii(T)和引起浊度的物质的浓度T之间的关系，

$S_{\mathrm{ii}}\left(T\right)=I_i\·c_{\mathrm{ii}}\·T\·e^{-\frac{T\·X_{\mathrm{ii}}}{\mathrm{\λ}}},$

其中X_ii为通过所述测量介质的光的路径长度，T为引起浊度的物质的浓度，且λ为在参考浓度的情形下光的平均自由路径长度。

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