CN104777326B - 具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪，包括，一个用于发射激光束的激光器、一个用于将激光束分成两束具有间距的平行光的分光器、分别用于对两束平行光进行聚焦的第一聚焦单元和第二聚焦单元、聚焦后的两束聚焦平行光照射至一个过流单元产生两束透射光、分别用于对两束透射光进行聚焦的第三聚焦单元和第四聚焦单元、一个光电检测器将聚焦后的两束聚焦透射光转变为两路电信号、两路电信号经过一个预处理单元和一个A/D采样单元进入一个数据处理单元，数据处理单元用于对经过预处理及A/D转换的两路电信号进行互相关分析得到一个渡越时间。本发明能很好地解决过流单元流速的测量问题，提高了流速测量的精度。

Description

具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪

技术领域

本发明涉及膜过滤监测技术领域，尤其涉及一种具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪。

背景技术

现有技术中，监测饮用水各处理环节之处理效果的主要手段主要依赖浊度仪，这种依靠测量被测液体的折光度来反应被测液体的浑浊程度的方法已经沿用了几十年，并已经形成了国际比较统一认可的标准，该技术在保障人类用水质量上起到了无法替代的作用，但由于其原理只是测量被测液体的宏观的折射效果，因此其相对灵敏度极限较高，随着人们生活水平的提高，对环境及物质的要求也相应提高，因此原来的一些方法和原理逐渐无法达到实际的需求。

特别是应用膜过滤工艺后，由于膜过滤的高效简化了很多水厂的工艺，对比较干净的原水经过絮凝后直接进入膜滤，此时若滤膜发生损坏则沉淀水会直接穿透进入滤后水中，进而污染终端用户的用水。因此建立有效的监测手段被提上日程。而采用传统的浊度仪监测滤膜的穿透，最快需要半小时左右才能得到结果，这会导致大量的污染水流入到用户那里。

颗粒物计数仪是利用激光遮光法来监测被测水中的不溶水性颗粒物的分布情况，可以在微观上进行测量，并且可以对不同粒径的颗粒分布情况进行统计分析，其灵敏度要高于浊度仪几个数量级。在监测膜滤效果时，其反应速度达到了分钟级，可以大大缩短事故处理时间，降低用户的用水风险。

由于采用遮光法进行监测，因此相同粒径的颗粒物在不同流速时产生的脉冲幅度不同，导致监测的结果不同，因此颗粒物计数仪对流过检测单元的液体的流速有比较严格的限制，而设备现场安装调试时为了达到要求的流速，需要采用烧杯实验进行流速测量，这比较耗费时间，同时精度也不够。而且随着系统的运行，管道内或过流单元发生沉积，导管阻力变化，会导致流速变慢，甚至发生堵塞现象，这些都直接影响了检测结果的准确性，因此需要设计能够实时监测流速的方法来配合颗粒物技术的运行和校准。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术中采用烧杯实验进行流速测量导致的耗费时间长、监测结果不准确的技术问题，提供一种具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪。

本发明提供的具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪，包括，一个用于发射激光束的激光器、一个用于将所述激光束分成两束具有间距的平行光的分光器、分别用于对所述两束平行光进行聚焦的第一聚焦单元和第二聚焦单元、聚焦后的两束聚焦平行光照射至一个过流单元产生两束透射光、分别用于对所述两束透射光进行聚焦的第三聚焦单元和第四聚焦单元、一个光电检测器将聚焦后的两束聚焦透射光转变为两路电信号、所述两路电信号经过一个预处理单元和一个A/D采样单元进入一个数据处理单元，所述数据处理单元用于对经过预处理及A/D转换的所述两路电信号进行互相关分析得到一个渡越时间。

作为一种举例，所述数据处理单元还可以用于依据所述渡越时间和所述两束平行光之间的间距计算出一个流速。

本发明的颗粒物计数仪，由于采用了创新设计的检测光路，并运用了互相关分析的原理，能够很好地解决过流单元流速的测量问题，不仅提高了流速测量的精度，大大缩短了响应速度，且成本较低。

作为一种举例，所述平行光之间的间距可以为10mm。

平行光之间的间距设定为10mm，可以达到最精确的流速测量效果。

作为一种举例，所述预处理单元可以包括一个放大电路，用于对所述两路电信号进行放大；一个滤波电路，用于对放大后的两路电信号进行滤波；一个信号调理电路，用于对经过放大滤波后的两路电信号进行信号调理。

作为一种举例，所述A/D采样单元的采样频率可以大于等于50k/s。

采样频率大于等于50k/s，可以达到最精确的流速测量效果。

作为一种举例，所述光电检测器可以由光电二极管构成。

选用光电二极管作为光电检测器，使得灵敏度高而成本低。

作为一种举例，所述分光器可以将所述激光束分成两束具有间距的、同相位、同等强度的平行光。

附图说明

图1是本发明优选实施例的具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的时域信号a和时域信号b的波形示意图；

图3是本发明优选实施例的分光器的原理示意图；

图4是本发明优选实施例的互相关原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

参照图1、结合参照图2，本发明优选实施例的具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪100，包括，一个用于发射激光束的激光器101、一个用于将所述激光束分成两束具有间距的平行光的分光器102、分别用于对所述两束平行光进行聚焦的第一聚焦单元103和第二聚焦单元104、聚焦后的两束聚焦平行光a’和b’照射至一个过流单元105，经过过流单元105中流动液体的吸收以及液体内颗粒物的遮挡，产生光强随机变化的两束透射光、分别用于对所述两束透射光进行聚焦的第三聚焦单元106和第四聚焦单元107、一个光电检测器108将聚焦后的两束聚焦透射光转变为两路电信号、所述两路电信号经过一个预处理单元109和一个A/D采样单元110进入一个数据处理单元111，此时生成的时域信号a和时域信号b的波形如图2所示，从图中可以看出两组波形具有相近的形态，只是具有一定的时延(渡越时间)，数据处理单元111用于对经过预处理及A/D采样的所述两路电信号进行互相关分析得到一个渡越时间。

在本优选实施例中，参照图3，分光器102将所述激光束分成两束具有间距h的、同相位、同等强度的平行光。

在本优选实施例中，数据处理单元111还依据所述渡越时间和所述两束平行光之间的间距计算出一个流速。具体的，只要经过互相关分析找到两路随机相关信号之间的延迟时间τ₀(渡越时间)，流速即可由式ν＝h/τ₀唯一确定，颗粒物则可根据接收到的脉冲幅度(对应颗粒粒径)和脉冲个数(对应颗粒物数量)来进行统计分析。

在信号处理中经常要研究两个信号的相似性，或一个信号经过一定延迟后自身的相似性，以实现信号的监测、识别与提取等。相关分析是一种重要方法。

所谓“相关”是指变量之间的线性关系。对确定信号来说，两个变量之间可以用函数关系来描述。而两个随机变量之间不具有这样的确定关系，但是，如果这两个变量之间具有某种内在联系，那么通过大量统计就能发现它们之间存在虽不精确但却表征其特性的相似关系。

相关分析利用相关系数或相关函数来描述两个信号间的相互关系或其相似程度，还可以用来描述同一个信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。相关函数的性质使它在工程应用中有重要的价值，尤其是互相关函数的同频相关、不同频不相关的性质为在噪声背景下提取有用信息提供了可靠的途径。其原理参照图4

(1)相关函数的定义

当信号x(n)与y(n)均为能量信号时，相关函数定义为：

或

R_xy(m)、R_yx(m)分别表示信号x(n)与y(n)在延时m时相似程度，又称为互相关函数。

当n(n)＝y(n)时，称为自相关函数。

当信号x(n)与y(n)均为功率信号时，相关函数定义为：

或

自相关函数为：

(2)信号的离散相关函数

模拟信号x(n)和y(n)数字化处理后，它们的相关函数表达式应为：

式中，N是采样点数，j是时间序列，k是延时序列。

作为有限长采样的相关函数估计为：

一次取k＝0,1,2,…，重复计算得到相关函数的各个函数值。在x(i)和y(i)两离散序列长度相等时，计算R_xy(0)可以用全部计算序列数据来计算，而下一步计算时，因y(i)做一步时移，使可提供计算的序列长度由N变化为N-1，随时移的增大，可提供的计算序列越来越短，所以互相关函数的估计值应为：

同理，自相关函数的估计值为：

在本优选实施例中，考虑到A/D采样单元110的物理空间限制及保障信号的相关性，h的距离在10mm左右，假设过流单元105截面积在0.5-1mm²之间，采样流量限定在40-100ml/min,则过流单元105的流速范围通过计算可知在0.67-3.33m/s之间，按照0.5-5m/s计算，并保障1％的计算精度，则需要的采样频率在50k/s。

作为另外的举例，也可以采用外置A/D芯片的办法来满足该采样频率的需求。

在本优选实施例中，所述预处理单元109包括一个放大电路，用于对所述两路电信号进行放大；一个滤波电路，用于对放大后的两路电信号进行滤波；一个信号调理电路，用于对经过放大滤波后的两路电信号进行信号调理。

在本优选实施例中，信号调理就是将前级信号根据后级A/D的信号输入范围要求进行适当的放大，偏移等，使信号能够比较饱满的充满A/D的输入范围，使检测结果达到最大的线性，调理时要根据信号的变化范围留有适当的裕量，避免信号输入超出A/D输入要求，造成检测失真或者损坏后级设备。

在本优选实施例中，光电检测器108由光电二极管构成。

光电二极管具有成本低，灵敏度高，电路结构简单等特点，虽然暗电流较光电倍增管等要大，但对于本发明的检测要求已经完全满足，因此选用光电二极管作为激光信号检测元件。

光电二极管检测到的信号需要经过前级放大电路，滤波，信号调理，然后经过A/D采样单元109送入数据处理单元111。由于相关运算需要比较好的数字处理能力，因此在本优选实施例中，数据处理单元111采用具有浮点运算能力的DSP来实现。

作为另外的举例，在本举例说明中，数据处理单元111采用ARM9以上的单片机也可以实现本发明。

本发明的颗粒物计数仪，由于采用了创新设计的检测光路，并运用了互相关分析的原理，能够很好地解决过流单元105流速的测量问题，不仅提高了流速测量的精度，大大缩短了响应速度，且成本较低。

本发明还实现了过流单元105流速的测量以及颗粒物计数两项功能的融合，大大缩短了安装调试周期，并且为设备的正常运行提供了保障，对采样通路堵塞，断流等故障做到了最快的响应速度，并且整体成本增加很少，并未因此给用户带来过大的经济负担。因此本发明具有很好的经济价值和社会价值。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有流速自动监测实时校准功能的颗粒物计数仪，其特征在于，包括一个用于发射激光束的激光器；一个用于将所述激光束分成两束具有间距的平行光的分光器；分别用于对所述两束平行光进行聚焦的第一聚焦单元和第二聚焦单元；聚焦后的两束聚焦平行光照射至一个过流单元，所述两束聚焦平行光经过所述过流单元中流动液体的吸收以及液体内颗粒物的遮挡，产生光强随机变化的两束透射光；分别用于对所述两束透射光进行聚焦的第三聚焦单元和第四聚焦单元；一个光电检测器将聚焦后的两束聚焦透射光转变为两路电信号；所述两路电信号经过一个预处理单元和一个A/D采样单元进入一个数据处理单元，所述数据处理单元用于对经过预处理及A/D转换的所述两路电信号进行互相关分析得到一个渡越时间。

2.根据权利要求1所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述数据处理单元还用于依据所述渡越时间和所述两束平行光之间的间距计算出一个流速。

3.根据权利要求1或2所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述间距为10mm。

4.根据权利要求1或2所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述预处理单元包括一个放大电路，用于对所述两路电信号进行放大；一个滤波电路，用于对放大后的两路电信号进行滤波；一个信号调理电路，用于对经过放大滤波后的两路电信号进行信号调理。

5.根据权利要求1或2所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述A/D采样单元的采样频率大于等于50k/s。

6.根据权利要求1或2所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述光电检测器由光电二极管构成。

7.根据权利要求1或2所述的颗粒物计数仪，其特征在于，所述分光器将所述激光束分成两束具有间距的、同相位、同等强度的平行光。