CN104614343B - 基于布里渊散射的水硬度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布里渊散射的水硬度监测方法，包括数据储备和水域监测两个阶段，所述数据储备阶段，设置有不同硬度水的布里渊散射信号的数据储备装置，将软水、稍硬水、硬水和极硬水分别加入到长圆柱体玻璃槽内，入射激光在长圆柱体玻璃槽内激发后向布里渊散射信号，第一计算机对采集的后向布里渊散射信号和第一、第二功率计记录的激光功率进行分析处理，并储备相关数据。所述水域监测，是根据储备的信号数据进行大范围水域水硬度的监测；激光在大范围水域传播时激发出后向布里渊散射信号，第二计算机分析采集的后向布里渊散射信号并与之前储存的布里渊散射信号数据比较，得出探测水域的硬度。本发明实现了大范围水域的检测需要。

Description

基于布里渊散射的水硬度监测方法

技术领域

本发明涉及一种散射光谱学探测技术，特别涉及一种基于布里渊散射的水硬度监测方法。

背景技术

水是一种优良的溶剂，能有效去除污物杂质，当水和二氧化碳结合生成微量的碳酸时，水的溶解效果会更好。当水流入土地和岩石时，会溶解少量的矿物质成分，钙和镁就是其中最常见的两种成分，也就是它们使水质变硬。通常所讲的“硬水”与“软水”，主要是指碳酸钙和碳酸镁的含量，以“毫克碳酸钙/公升水”或“ppm”来表示，称为水硬度，实验时分别对水硬度的四个等级进行探测，分别以50ppm的软水、80ppm的稍硬水、150ppm的硬水、190ppm的极硬水为探测对象。水中的钙和镁成分越多，水的硬度就会越高。工业上如果不考虑水的硬度，可能会造成数千万元的损失，如果将未经软化处理的硬水直接注入锅炉里，当加热锅炉时，在锅炉内壁及管道中就会集成水垢，从而降低锅炉的热导率，增加能耗，严重时会引起锅炉爆炸和管道堵塞。因此工业上在用水之前必须对水硬度进行硬度检测。而传统上一般采用指示剂滴定法对水硬度进行检测，此方法的弊端在于操作复杂、主观性强及检测抽样的随机性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免传统取样指示剂滴定法的盲目性和检测水域范围小的局限性，提供一种基于布里渊散射的水硬度监测方法，可对大范围水域的硬度进行预先监测评估，进而实现对超出硬度值的水域进行软化处理。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。基于布里渊散射的水硬度监测方法，包括数据储备和水域监测两个阶段：

所述数据储备阶段，设置有不同硬度水的布里渊散射信号的数据储备装置，该装置包括第一激光器、第一功率计、第二功率计和第一ICCD，所述第一ICCD与第一长焦镜头对接，其特征在于，所述第一激光器、第一功率计、第二功率计和第一ICCD均通过数据线连接第一计算机，第一激光器的入射口至第一功率计依次设置有第一分束镜和玻璃槽，玻璃槽的轴线与激光光轴的夹角呈5°；第一分束镜的一侧依次装有第一狭缝、第一F-P标准具、第一长焦镜头及第一ICCD且在同一轴线上，第一分束镜的另一侧装有第二功率计；

其探测步骤如下：

1）打开第一计算机并开动第一激光器和第一ICCD；

2）将50ppm的软水加入到长圆柱体玻璃槽内，长圆柱体玻璃槽的轴线与激光光轴呈5°角，第一激光器的激光经第一分束镜后一分为二，一束射向第二功率计，另一束透过第一分束镜后射入长圆柱体玻璃槽中50ppm的软水内，透过长圆柱体玻璃槽的激光射向第一功率计；

3）第一功率计和第二功率计记录此时的激光功率，入射激光在长圆柱体玻璃槽内50ppm的软水内激发后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第一分束镜的反射后射向另一侧；

4）经第一分束镜反射后的后向布里渊散射信号射向另一侧，在另一侧依次装有第一狭缝、第一F-P标准具、第一长焦镜头和第一ICCD，后向布里渊散射信号依次透过上述器件，第一ICCD采集后向布里渊散射信号；

5）将80ppm的稍硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3）和步骤4）；

6）将150ppm的硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3）和步骤4）；

7）将190ppm的极硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3和步骤4）；

8）第一计算机对采集的后向布里渊散射信号和第一、第二功率计记录的激光功率进行分析处理，并储备相关数据。

所述水域监测，是根据储备的信号数据进行大范围水域水硬度的监测；设置有大范围水域水硬度的监测装置，该装置包括第二激光器和第二ICCD，且第二激光器和第二ICCD均通过数据线与第二计算机连接，分束镜一侧依次共轴装有第二狭缝、第二F-P标准具、第二长焦镜头及第二ICCD，分束镜的另一侧装有反射镜，反射镜的一侧设置有工业水槽，工业水槽内为大范围水域；

其探测步骤如下：

1）打开第二计算机并开动第二激光器和第二ICCD；

2）第二激光器的激光透过第二分束镜后经反射镜的反射，射向大范围水域；

3）激光在大范围水域传播时激发出后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第二分束镜的反射后与入射激光分离并射向第二分束镜的另一侧；

4）经第二分束镜反射的后向布里渊散射信号透过与其孔径相同的第二狭缝，并透过第二F-P标准具进入第二长焦透镜；

5）第二ICCD采集进入第二长焦镜头的后向布里渊散射信号；

6）第二计算机分析采集的后向布里渊散射信号并与所述数据储备阶段的布里渊散射信号数据比较，得出探测水域的硬度。

本发明的优点在于，可对大范围水域的硬度进行预先监测评估，实现了低成本、操作简单、实施性强及大范围水域的检测需要，为超出硬度值的水域进行软化处理提供了可靠依据。

附图说明

图1为本发明中不同硬度水的布里渊散射信号储备装置示意图。

图2为本发明中大范围水域水硬度的监测装置示意图。

图中：1.第一激光器，2.第一分束镜，3.长圆柱体玻璃槽，4.第一功率计，5.第一狭缝，6.第一F-P标准具，7.第一长焦镜头，8.第一ICCD，9.第二功率计，10.第一计算机；

01.第二激光器，02.第二分束镜，03.反射镜，04.工业水槽，05.第二狭缝，06.第二F-P标准具，07.第二长焦镜头，08.第二ICCD，09.大范围水域，010.第二计算机。

具体实施方式

现根据附图对本发明作进一步说明。参见图1和图2，基于布里渊散射的水硬度监测方法，包括数据储备和水域监测两个阶段：

所述数据储备阶段，设置有不同硬度水的布里渊散射信号的数据储备装置，参见图1，该装置包括第一激光器1、第一功率计4、第二功率计9和第一ICCD 8，所述第一ICCD 8与第一长焦镜头7对接，所述第一激光器1、第一功率计4、第二功率计9和第一ICCD 8均通过数据线连接第一计算机10，第一激光器1的入射口至第一功率计4依次设置有第一分束镜2和玻璃槽3，玻璃槽3的轴线与激光光轴的夹角α呈5°；第一分束镜2的一侧依次装有第一狭缝5、第一F-P标准具6、第一长焦镜头7及第一ICCD 8且在同一轴线上，第一分束镜2的另一侧装有第二功率计9；第一激光器1的入射激光经过第一分束镜2后一分为二，一束直接透过第一分束镜2射入长圆柱体玻璃槽3内并由第一功率计4记录透过长圆柱体玻璃槽3的激光功率，另一束经第一分束镜2的反射后由第二功率计9记录激光的功率，激光在长圆柱体玻璃槽3内产生后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第一分束镜2的反射后，射向另一侧，另一侧依次装有第一狭缝5、第一F-P标准具6、第一长焦镜头7及第一ICCD8，长圆柱体玻璃槽的轴线与激光光轴的夹角α呈5°，第一计算机10通过数据线与第一功率计4、第二功率计9、第一激光器1和第一ICCD8连接。

长圆柱体玻璃槽3的轴线与激光光轴的夹角α呈5°，其目的是入射激光在射入长圆柱体玻璃槽3时会有少许反射激光，采用小夹角的方式，使反射激光与后向布里渊散射信号光分离；

狭缝的目的是滤除杂散光和其它镜面的反射光，保证只有后向布里渊散射信号光被接收。

不同硬度水的布里渊散射信号的数据储备探测步骤如下：

1）打开第一计算机10并开动第一激光器1和第一ICCD8；

2）将50ppm的软水加入到长圆柱体玻璃槽3内，长圆柱体玻璃槽3的轴线与激光光轴呈5°角，第一激光器1的激光经第一分束镜2后一分为二，一束射向第二功率计9，另一束透过第一分束镜2后射入长圆柱体玻璃槽3中50ppm的软水内，透过长圆柱体玻璃槽3的激光射向第一功率计4；

3）第一功率计4和第二功率计9记录此时的激光功率，入射激光在长圆柱体玻璃槽3内50ppm的软水内激发后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第一分束镜2的反射后射向另一侧；

4）经第一分束镜2反射后的后向布里渊散射信号射向另一侧，在另一侧依次装有第一狭缝5、第一F-P标准具6、第一长焦镜头7和第一ICCD8，后向布里渊散射信号依次透过上述器件，第一ICCD8采集后向布里渊散射信号；

5）将80ppm的稍硬水加入长圆柱体玻璃槽3内，重复步骤3）和步骤4）；

6）将150ppm的硬水加入长圆柱体玻璃槽3内，重复步骤3）和步骤4）；

7）将190ppm的极硬水加入长圆柱体玻璃槽3内，重复步骤3和步骤4）；

8）第一计算机10对采集的后向布里渊散射信号和第一、第二功率计记录的激光功率进行分析处理，并储备相关数据。

不同地域的水其所含的钙盐与镁盐的量不同，在水中表现为不同的硬度，生活中硬度高的水会造成许多麻烦，例如，水壶和热水器内壁充满水垢，棉衣与毛巾板结僵硬，水质发黄，有铁锈等，工业中硬度高的水会在锅炉内形成水垢，阻碍加热器的传热，严重时可能引起锅炉爆炸，因此，通过分析不同硬度的水产生的布里渊散射信号并根据不同硬度水的布里渊散射信号的差异，达到监测水硬度的目的。

所述水域监测，是根据储备的信号数据进行大范围水域水硬度的监测。参见图2，首先，设置一个大范围水域水硬度的监测装置，该装置包括第二激光器01和第二ICCD08，且第二激光器01和第二ICCD08均通过数据线与第二计算机010连接，分束镜02一侧依次共轴装有第二狭缝05、第二F-P标准具06、第二长焦镜头07及第二ICCD08，分束镜02的另一侧装有反射镜03，反射镜03的一侧设置有工业水槽04，工业水槽04内为大范围水域09；第二激光器01的入射激光经过第二分束镜02后一分为二，一束直接透过第二分束镜02并经反射镜03的反射射向大范围水域09，另一束经第二分束镜02的反射后射向另一侧，激光在大范围水域09产生后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经反射镜03和第二分束镜02的反射后，射向另一侧，另一侧依次装有第二狭缝05、第二F-P标准具06、第二长焦镜头07及第二ICCD08，第二ICCD08采集信号，第二计算机010通过数据线与第二激光器01和第二ICCD08连接。

大范围水域水硬度探测步骤如下：

1）打开第二计算机010并开动第二激光器01和第二ICCD08；

2）第二激光器01的激光透过第二分束镜02后经反射镜03的反射，射向大范围水域09；

3）激光在大范围水域传播时激发出后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第二分束镜02的反射后与入射激光分离并射向第二分束镜02的另一侧；

4）经第二分束镜02反射的后向布里渊散射信号透过与其孔径相同的第二狭缝05，并透过第二F-P标准具06进入第二长焦透镜07；

5）第二ICCD08采集进入第二长焦镜头07的后向布里渊散射信号；

6）第二计算机010分析采集的后向布里渊散射信号并与所述数据储备阶段的布里渊散射信号数据比较，得出探测水域的硬度。

为实现水硬度的实时监测本发明提出一种基于布里渊散射的水硬度监测方法，其可对大范围水域的硬度进行预先监测评估，再对超出硬度值的水域进行软化处理。该方法通过以上监测方案可避免传统取样指示剂滴定法的盲目性和检测水域范围小的局限性。

Claims (1)

1.基于布里渊散射的水硬度监测方法，包括数据储备和水域监测两个阶段，其特征在于，所述数据储备阶段，设置有不同硬度水的布里渊散射信号的数据储备装置，该装置包括第一激光器、第一功率计、第二功率计和第一ICCD，所述第一ICCD与第一长焦镜头对接，其特征在于，所述第一激光器、第一功率计、第二功率计和第一ICCD均通过数据线连接第一计算机，第一激光器的出光口至第一功率计依次设置有第一分束镜和玻璃槽，玻璃槽的轴线与激光光轴的夹角呈5°；第一分束镜的一侧依次装有第一狭缝、第一F-P标准具、第一长焦镜头及第一ICCD且在同一轴线上，第一分束镜的另一侧装有第二功率计；

其探测步骤如下：

1)打开第一计算机并开动第一激光器和第一ICCD；

2)将50ppm的软水加入到长圆柱体玻璃槽内，长圆柱体玻璃槽的轴线与激光光轴呈5°角，第一激光器的激光经第一分束镜后一分为二，一束射向第二功率计，另一束透过第一分束镜后射入长圆柱体玻璃槽中50ppm的软水内，透过长圆柱体玻璃槽的激光射向第一功率计；

3)第一功率计和第二功率计记录此时的激光功率，入射激光在长圆柱体玻璃槽内50ppm的软水内激发后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第一分束镜的反射后与入射激光分离并射向另一侧；

4)经第一分束镜反射后的后向布里渊散射信号射向依次装有的第一狭缝、第一F-P标准具、第一长焦镜头和第一ICCD，后向布里渊散射信号依次透过上述器件，第一ICCD采集后向布里渊散射信号；

5)将80ppm的稍硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3)和步骤4)；

6)将150ppm的硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3)和步骤4)；

7)将190ppm的极硬水加入长圆柱体玻璃槽内，重复步骤3和步骤4)；

8)第一计算机对采集的后向布里渊散射信号和第一、第二功率计记录的激光功率进行分析处理，并储备相关数据；

所述水域监测，是根据储备的信号数据进行大范围水域水硬度的监测；设置有大范围水域水硬度的监测装置，该装置包括第二激光器和第二ICCD，且第二激光器和第二ICCD均通过数据线与第二计算机连接，分束镜一侧依次共轴装有第二狭缝、第二F-P标准具、第二长焦镜头及第二ICCD，分束镜的另一侧装有反射镜，反射镜的一侧设置有工业水槽，工业水槽内为大范围水域；

其探测步骤如下：

打开第二计算机并开动第二激光器和第二ICCD；

第二激光器的激光透过第二分束镜后经反射镜的反射，射向大范围水域；

激光在大范围水域传播时激发出后向布里渊散射信号，后向布里渊散射信号按原光路返回，经第二分束镜的反射后与入射激光分离并射向与其孔径相同的第二狭缝，并透过第二F-P标准具进入第二长焦透镜；

第二ICCD采集进入第二长焦镜头的后向布里渊散射信号；

第二计算机分析采集的后向布里渊散射信号并与所述数据储备阶段的布里渊散射信号数据比较，得出探测水域的硬度。