CN104374750B - 一种水浊度的测量装置、测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水浊度的测量装置，包括光源、分光模块、透明测量槽、两个光电探测器；所述光源用于向所述分光模块发射一束单色光，所述分光模块用于将上述单色光分成已知光强比例的两束光，两束光垂直入射透明测量槽的检测区域，且在检测区域内相交，所述两个光电探测器分别位于两束光入射方向的延长线上，且位于透明测量槽的另一侧。本发明水浊度的测量装置、测量系统及方法，提出了一种单光源双光路的浊度测量方案，同时测量散射光与透射光，有效地减小光源不稳导致的测量误差，能够在长时间工作后，保持性能稳定，减小盲区范围，扩大测量量程。

Description

一种水浊度的测量装置、测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光学方法的水浊度的测量装置、测量系统及方法，属于液体浊度测量技术领域。

背景技术

水的浊度是水样中的一种光学效应，是指水样中悬浮的固体颗粒物以及杂质对光的散射及吸收所引起的水样透明度变化的程度。近年来，随着物质生活水平的提高，人们对健康的关注程度日益提高，相应地，对水的质量的要求也随之提高。而浊度作为一种检测水的质量的重要度量尺度，其测量的准确与否对水质的检测起到了至关重要的作用。

根据浊度测量国际标准ISO7027和美国环保标准EPA180.1，浊度的测量是在90°方向上测量散射光，该测量方法在低浊度区域具有良好的线性关系，但由于散射光在高浊度区域产生了二次散射导致了测量误差。因此，目前市面上的浊度仪在测量高浊度时，普遍是通过测量误差较小的透射光来实现浊度检测。另一方面，在实际测量中，单光源单光路类型的浊度仪尽管简单实用，但其显著缺点是随着器件使用时间的增加，光源的稳定性会变差，其发出的光强与理论值会存在差异，导致测量值与实际值的误差。

在已经公开的中国发明(申请号为201310582945.4，申请日为2013.11.19)中，发明人采用了双光源90°散射与后向散射相结合的方式，采用双光源交替发出频率不同的探测光，以避免光源器件快速老化，但依然无法解决因光源老化所带来的测量误差。同时其选择的散射光法测量浊度在高浊度时，由于二次散射的缘故使得误差较大，因而该方案的测量范围受到了限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光的散射法及透射法相结合的水浊度的测量装置、测量系统及方法，解决由于光源不稳导致的浊度测量的误差，减小单一散射法或透射法在各自盲区的范围，扩大量程。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水浊度的测量装置，包括光源、分光模块、透明测量槽、两个光电探测器；所述光源用于向所述分光模块发射一束单色光；所述分光模块用于将上述单色光分成光强不等的入射透明测量槽的检测区域的两束光，所述两束光相互垂直，且在检测区域内相交；所述两个光电探测器分别位于两束光入射方向的延长线上，且位于透明测量槽的另一侧。

优选的，所述透明测量槽包括检测区域下方的入水口、检测区域上方的出水口，所述透明测量槽的内壁检测区域的上部、下部分别设置有至少一对折流板，所述检测区域的上部的折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为45°-75°，所述检测区域的下部的折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为105°-135°。

优选的，所述分光模块包括分光镜、第一～第二平面镜，所述分光镜用于将所述单色光分成两束光，所述第一～第二平面镜用于改变其中一束光的光路，使之与另一束光相交且垂直入射所述透明测量槽。

一种水浊度的测量系统，包括如上所述水浊度的测量装置、信号处理模块、显示模块，所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD转换电路及控制电路，所述放大电路分别与所述两个光电探测器连接，所述显示模块与控制电路连接。

一种水浊度的测量方法，利用如上所述水浊度的测量装置实现，将两个光电探测器测量得到的电压值之比的倒数，代入预先拟合的线性关系式y＝kx+b中得到浊度值，其中，x为电压值之比的倒数，y为浊度值，k和b为通过实验预先得到的线性拟合参数。

优选的，所述线性关系式y＝kx+b的拟合方法如下：将至少15种已知浊度值的福尔马肼溶液依次加入透明测量槽中，利用两个光电探测器分别测得各个福尔马肼溶液相应的电压值，将电压值之比的倒数和已知浊度值分别作为直角坐标系的横纵坐标得到至少15个坐标点，利用最小二乘法对上述坐标点进行线性拟合，得到线性拟合参数k、b的值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明水浊度的测量装置、测量系统及方法，提出了一种单光源双光路的浊度测量方案，同时测量散射光与透射光，能有效地减小光源不稳导致的测量误差，能够在长时间工作后，保持性能稳定。

2、本发明水浊度的测量装置、测量系统及方法，利用透射光与散射光相结合的方式，减小盲区范围，扩大系统测量量程。

3、本发明水浊度的测量装置、测量系统及方法，提高了系统检测灵敏度，简化了整个测量系统，且具有更高的系统集成度，结构更紧凑，实现在复杂环境条件下水体浊度的在线快速检测。

附图说明

图1是本发明水浊度的测量装置的结构示意图。

图2是本发明透明测量槽的结构示意图。

其中：1为光源，2为分光镜，3为第一平面镜，4为第二平面镜，5为透明测量槽，6为第一透镜，7为第二透镜，8为第一光电探测器，9为第二光电探测器，10为折流板，11为入水口，12为出水口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明通过利用同一光源来减少因光源抖动所产生的误差，同时采用散、透射比值法，以减少因浊度太高导致的散射法时的误差以及浊度过低带来透射法的误差。

如图1所示，一种水浊度的测量装置，包括光源1、分光镜2、第一平面镜3、第二平面镜4、透明测量槽5、第一透镜6、第二透镜7、第一光电探测器8、第二光电探测器9；光源用于向分光镜发射一束单色光，分光镜用于将上述单色光分成两束光，第一、第二平面镜用于改变其中一束光的光路，使之与另一束光互成90°角入射透明测量槽，第一透镜与其中一束光的入射方向位于同一直线上，第二透镜与另外一束光的入射方向位于同一直线上，分别用于汇聚上述两束光经透明测量槽中水的透射和散射后向它们射来的透射光和散射光，第一光电探测器用于接收经第一透镜汇聚后的光束，第二光电探测器用于接收经第二透镜汇聚后的光束。

本实施例中通过分光镜和第一、第二透镜来将单色光分成两束光，使它们相互垂直，我们也可以通过其他手段实现，例如光分束器、光纤、棱镜等。

如图2所示，透明测量槽的入水口11在下，出水口12在上，且透明测量槽的内壁入水口的上方、出水口的下方固定有至少一对折流板10，入水口上方折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为45°-75°，出水口下方折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为105°-135°。

光源采用860nm的近红外光，可以最大限度的减小水样的色度对于浊度测量的影响；分光镜采用光栅式分光镜，将光源发出的单色光分成已知光强比例关系的两束同频率的光，光栅式分光镜产生光谱各色区大致相等，红光区分辨率比棱镜式要高；光电探测器为一光电三极管，光电三极管灵敏度较高，体积小，耗电量小，不易于过热，不需要过多的冷却设备；透明测量槽入水口在下，出水口在上以减小水的流速，避免气泡的产生，且槽内壁采用折流板的设计，使水体中的气泡附着，避免气泡对浊度测量的影响。

本发明的光路详细路径如下：光束I由光源1产生，通过分光镜2产生了光束I_a与光束I_b，光束I_a直接入射透明测量槽5。光束I_b入射第一平面镜3，反射至第二平面镜4，通过改变第一平面镜3或第二平面镜4的倾角使得光路发生改变，并且与光束I_a成90°角垂直入射透明测量槽5。由于透明测量槽5中的水样对光束I_a与光束I_b有散射与吸收作用，光束I_a的透射光与光束I_b的散射光经过第一透镜6的汇聚作用，入射第一光电探测器8的检测窗。相类似地，光束I_b的透射光与光束I_a的散射光经过第二透镜7的汇聚作用，入射第二光电探测器9的检测窗。测量时需要保证上述所有器件均在同一平面上。

本发明利用光的散射法和透射法相结合的方式测量待测液体的浊度，其原理如下。

本发明中第一光电探测器8接受的是光束I_a经过待测液体的透射光I_a1以及光束I_b经过待测液体的散射光I_b2叠加的光I_e1，第二光电探测器9接受的是光束I_a经过待测液体的散射光I_a2以及光束I_b经过待测液体的透射光I_b1叠加的光I_e2。I_a与I_b为同一光源I通过分光镜产生的已知光强比例关系(该比例关系不能为1:1，本实施例中为1:2)的两束同频率的光波。两者之商α与当前待测样液的浊度具有一定的函数关系，推导如下：

$\mathrm{\α}=\frac{I_{e1}}{I_{e2}}=\frac{I_{a1}+I_{b2}}{I_{a2}+I_{b1}}=\frac{S_{a1}+S_{b2}}{S_{a2}+S_{b1}}---\left(1\right)$

其中：S_a1、S_a2、S_b1、S_b2为光束I_a和I_b经过第一、第二光电探测器进行光电转换过后的电压值。

根据比尔朗伯定律以及瑞利(Rayleigh)定律，可以得到：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{AI}}_a+K_s{\mathrm{TI}}_b}{{\mathrm{AI}}_b+K_s{\mathrm{TI}}_a}---\left(2\right)$

其中：K_s为常数，与待测液体的成分、性质有关，A＝I_a1/I_a为比例系数，T为待测液体的浊度值。

由于I_a与I_b的比例关系已知，为I_a＝mI_b，(3)

将(3)代入(2)可得 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Am}{I}_b+K_s{\mathrm{TI}}_b}{{\mathrm{AI}}_b+K_s{\mathrm{TmI}}_b}=\frac{\mathrm{Am}+K_{s}T}{A+K_s\mathrm{Tm}},---\left(4\right)$

令t＝A+K_sTm，将(4)化简可得 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Am}-A/m}{t}+\frac{1}{m},---\left(5\right)$

由(5)可知α与1/t成正比，而t与T成正比，则1/α与T成正比，可以通过I_e1与I_e2之比α求得待测液体的浊度值T。但由于实际测量中，常数K_s与待测液体的成分、性质有关，K_s的值很难得到，因此我们通常利用已知浊度的几种不同标准的福尔马肼溶液拟合出α的倒数与浊度值之间的线性关系式，因此，只需要将两个光电探测器测量得到的电压值之比的倒数代入上述线性关系式中，就能得到待测液体的浊度值。

在高浊度区域，散射光由于二次散射会进入测量盲区，但透射光在高浊度区域依然有良好的表现，可以减小散射光对比值的权重，从而使得测量上限增大，从而增大其测量范围。在低浊度区域，透射光进入非线性区后，散射光依然有良好的表现，可以减小透射光对比值的权重，从而使得测量下限减小，从来增大其测量范围。

本发明水浊度测量装置、测量系统及方法的实施步骤如下：

1、打开入水口与出水口，在透明测量槽中缓慢充进待测液体。

2、控制电路通过向第一、第二光电探测器发送指令，使得第一、第二光电探测器在测量前先进行预热，在第一、第二光电探测器的温度稳定后，进行测量。

3、根据待测液体和测量要求确定透明测量槽的底部边长L，透明测量槽的底部为正方形，L的确定方法如下：两束光中只开放一路光路，通过光电探测器测量其散射光的光强，L的大小使得光电探测器的电压值在其最佳测量范围内即可；并且通过光电探测器测量透射光的光强，L的大小使得光电探测器的电压值在其最佳测量范围内即可。

4、光源输出相应频率光束，经过分光镜后产生了两束光，其中一束光改变光路，且与另一束光成90°角射入待测液体中，第一、第二透镜将各自接收到的透射光和散射光进行汇聚并传送给对应的光电探测器，第一、第二光电探测器将各自接收到的光信号转换为电信号并传送给信号处理模块。

5、信号处理模块中的放大电路、滤波电路及AD转换电路依次对电信号进行放大、滤波、AD转换，生成数字信号并传送给控制电路进行处理，由控制电路得到解调后的电压值，并由公式(1)得到比值α，将比值α的倒数代入标准浊度值和比值倒数变化关系曲线中，得到待测液体浊度值的大小，最后传送给显示模块显示。

其中标准浊度值和比值倒数的变化关系曲线可以由以下过程得到：将几种(实验中最少15种)不同标准的福尔马肼溶液依次充入透明测量槽中，分别测得其相应的电压值，根据公式(1)由电压值计算得到比值倒数，将比值倒数和标准浊度值分别作为横纵坐标，画出两者的关系曲线，并利用最小二乘法进行线性拟合：y＝kx+b，其中：x代表比值倒数，y代表标准浊度值，k和b为线性拟合参数，得到参数k和b的值，画出拟合曲线，即标准浊度值和比值倒数的变化关系，只要将测量并计算得到的比值倒数代入上述变化关系曲线中就可以推得浊度的大小。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水浊度的测量装置，其特征在于：包括光源、分光模块、透明测量槽、两个光电探测器；所述光源用于向所述分光模块发射一束单色光；所述分光模块用于将上述单色光分成光强不等的入射透明测量槽的检测区域的两束光，所述两束光相互垂直，且在检测区域内相交；所述两个光电探测器分别位于两束光入射方向的延长线上，且位于透明测量槽的另一侧。

2.如权利要求1所述水浊度的测量装置，其特征在于：所述透明测量槽包括检测区域下方的入水口、检测区域上方的出水口，所述透明测量槽的内壁检测区域的上部、下部分别设置有至少一对折流板，所述检测区域的上部的折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为45°-75°，所述检测区域的下部的折流板与透明测量槽内壁沿水流方向的夹角为105°-135°。

3. 如权利要求1所述水浊度的测量装置，其特征在于：所述分光模块包括分光镜、第一平面镜和第二平面镜，所述分光镜用于将所述单色光分成两束光，所述第一平面镜和第二平面镜用于改变其中一束光的光路，使之与另一束光相交且垂直入射所述透明测量槽。

4. 一种水浊度的测量系统，其特征在于：包括如权利要求1-3任一项所述水浊度的测量装置、信号处理模块、显示模块，所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD转换电路及控制电路，所述放大电路分别与所述两个光电探测器连接，所述显示模块与控制电路连接。

5. 一种水浊度的测量方法，利用如权利要求1所述水浊度的测量装置实现，其特征在于：将两个光电探测器测量得到的电压值之比的倒数，代入预先拟合的线性关系式y=kx+b中得到浊度值，其中，x为电压值之比的倒数，y为浊度值，k和b为通过实验预先得到的线性拟合参数。

6. 如权利要求5所述水浊度的测量方法，其特征在于：所述线性关系式y=kx+b的拟合方法如下：将至少15种已知浊度值的福尔马肼溶液依次加入透明测量槽中，利用两个光电探测器分别测得各个福尔马肼溶液相应的电压值，将电压值之比的倒数和已知浊度值分别作为直角坐标系的横纵坐标得到至少15个坐标点，利用最小二乘法对上述坐标点进行线性拟合，得到线性拟合参数k、b的值。