CN105300929A - 浊度的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质检测领域，特别是涉及浊度的测量方法及装置，测量方法包括如下步骤：采用平行光照射待测物样；接收透射光和散射光的实测光强；计算待测物样对光的衰减系数；根据衰减系数及垂直平行光传播方向的散射光的实测光强，计算得出补偿光强，从而获得待测物样的浊度。测量装置包括本体和至少两个光探测器，本体具有容置腔，其用于收容待测物样；光源及各光探测器位于容置腔的周缘，并且，本体于光源的光传播方向及垂直光源的光传播方向分别设置有至少一个光探测器。上述浊度的测量方法及装置，通过利用透射光对散射光进行了水样中吸收系数的补偿，提高了浊度测量的精确度；同时，浊度测量范围更大，方便设计和生产。

Description

浊度的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及水质检测领域，特别是涉及浊度的测量方法及装置。

背景技术

水质的各种参数的检测中，浊度的测量对于工业用水和家庭生活用水都有着十分重要的意义。水质的浊度，指的是水的混浊程度，根据浊度测量国际标准ISO7027-1984定义：浊度反映的是水中固体微小悬浮物质对通过其中的光线的散射和吸收程度。水中的固体悬浮物，包括了不溶于水中的无机物、有机物如泥沙、粘土、微生物等等。国家饮用水标准和许多行业的工业用水标准，都对浊度的参数提出了严格的要求。

目前，水质浊度的测量，按照国际标准ISO7027-1984和国家标准GB13200-1991，主要通过目视比浊法、分光光度计法、透射法、散射法进行测量。此外还有一种透射散射法也可以进行浊度测量。这些方法的原理各不相同：目视比浊法将水样和浊度标准溶液进行目视比较，得出浊度的数值；分光光度计测量的是水体对光能量的吸光度，并和浊度标准溶液的吸光度进行比较得出结果。透射法则是在入射光的光能量经过水体的衰减之后，测量入射光前进方向的剩余光能量的大小得出数值；散射法则是测量和入射光前进方向呈90度角的散射光能量，利用散射光强和水样浊度的近似线性关系进行浊度计算。散射法具体又分为水样表面散射法和水样内部散射法；而透射散射法则是透射光和散射光经过相同的光程后，对透射方向和散射方向的光能量进行比较，可以抵消水样色度和光源变化的影响，得出浊度数值。

然而，目视比浊法无需专用设备，但需要配备标准液操作，精度不高，测量周期较长，测量下限较高，最低检测浊度为1度，适用于饮用水和水源水等低浊度的水。分光光度法的缺点是，测量下限高，最低检测浊度为3度左右，需要专用设备，成本高，测量过程周期长，适用于高浊度水。

透射法对于浊度低的水样，响应不灵敏，适合于高浊度水质；散射法受水样的色度和多重散射影响较大，适合于中低浊度水质的测量；透射散射法由于透射光和散射光同时经过了相同的光程，相同的水样吸收，所以不受色度和光源变化的影响，但散射光和透射光的光强并非是线性关系，使得测量结果精度不高，此外，由于此方法中的散射光属前向散射，并非严格的ISO7027规定的标准90度角方向，使得测量结果可比性较差，另外这种测量方法结构，成本较高。

发明内容

基于此，有必要针对如何解决色度吸收和高浊度引起的非线性影响，提高测量的精确度的问题，提供一种浊度的测量方法。

也有必要针对如何解决色度吸收和高浊度引起的非线性影响，提高测量的精确度的问题，提供一种浊度的测量装置。

一种浊度的测量方法，包括如下步骤：采用平行光照射待测物样；接收步骤：在平行光传播方向及垂直平行光传播方向的预设位置，分别接收透射光和散射光的实测光强；根据平行光传播方向的透射光的实测光强计算待测物样对光的衰减系数；根据衰减系数、及垂直平行光传播方向的散射光的实测光强，计算得出补偿光强，并由补偿光强计算获得待测物样的浊度。

在其中一个实施例中，在采用平行光照射待测物样时，还获得平行光的入射光强。

在其中一个实施例中，所述接收步骤具体为：打开平行光照射待测物样，在预设位置接收透射光和散射光的当前光强；关闭平行光，在预设位置接收背景光强；根据当前光强减去背景光强，获得实测光强。

一种浊度的测量装置，包括：本体，以及设置于所述本体的光源及至少两个光探测器；所述本体具有容置腔，其用于收容待测物样；所述光源及各所述光探测器位于所述容置腔的周缘，并且，所述本体于所述光源的光传播方向及垂直所述光源的光传播方向分别设置有至少一个所述光探测器。

在其中一个实施例中，所述光源包括红外发光二极管和透镜，所述透镜设置于靠近所述容置腔，用于将所述红外发光二极管的光转化为平行光束。

在其中一个实施例中，包括两个光探测器，其分别为第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器设置于所述本体位于所述光源的光传播方向的平行位，所述第二光探测器设置于所述本体垂直于所述光源的光传播方向的垂直位。

在其中一个实施例中，所述本体包括第一安装位至第三安装位，其中，所述第一安装位与所述第二安装位于同一直线，并且，所述第一安装位与所述第二安装位分别位于所述容置腔的两侧，所述第三安装位位于所述容置腔的垂直所述第一安装位与所述第二安装位连线的一侧。

在其中一个实施例中，第一安装位与第二安装位的距离为L，其中，L等于所述容置腔的宽度。

在其中一个实施例中，所述第三安装位距离所述第一安装位与所述第二安装位连线的距离为M，其中，M等于平行光的光路与所述第二光探测器的垂直距离。

在其中一个实施例中，所述光源设置于所述第一安装位，所述第一光探测器设置于所述第二安装位，所述第二光探测器设置于所述第三安装位。

上述浊度的测量方法及装置，通过利用透射光对散射光进行了水样中吸收系数的补偿，同时对散射光进行严格的90度角散射，提高了浊度测量的精确度；同时，克服了传统散射法测量中高色度高浊度引起的非线性影响，使得浊度测量范围更大；并且，通过简单的光路设计和结构设计即可得到与光强成线性的准确浊度值，方便设计和生产。

附图说明

图1为本发明一实施例浊度的测量方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例浊度的测量装置的结构示意图；

图3为又一实施例测量装置的结构示意图；

图4为又一实施例测量浊度的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

需要说明的是，待测物样指是的需要进行浊度测量的物质，例如，该待测物样包括：待测水样、待测空气、待测半透明固体等。本实施例中，以该待测物样为待测水样，对本发明作进一步的阐述。

请参阅图1，其为本发明一实施例浊度的测量方法的步骤流程示意图，浊度的测量方法，包括如下步骤：

S11、采用平行光照射待测物样。例如，在采用平行光照射待测物样时，还获得平行光的入射光强。例如，入射光强为I₀。

例如，待测物样为待测水样。例如，将待测水样盛进透明容器，采用平行光在透明容器一侧照射待测水样。

例如，获得平行光的步骤为：利用透镜，将光源的发散光转换为平行光。例如，光源包括LED灯。例如，在透明容器一侧设置一透镜，采用LED灯照射该透镜并通过调整LED灯与透镜的距离，得到经透镜后形成的平行光。例如，LED灯包括红外发光LED管，即红外发光二极管。

为了减小待测物样对光强的吸收及保持光强为恒定值，例如，采用波长为880nm的电流恒定的红外发光LED管发出入射光，经过透镜转化为平行光，然后透过透明容器后进入待测水样中。如此，采用红外发光LED管可减小待测物样对光强的吸收，并且，采用恒定的电流可以保证红外发光LED管发出恒定光强的光，即发出的光的光强保持为常量，从而提高浊度测量的精确性。

例如，平行光照射待测物样时，平行光的光路与水平方向平行。

S12、接收步骤：在平行光传播方向及垂直平行光传播方向的预设位置，分别接收透射光和散射光的实测光强。

例如，利用至少两个光探测器在平行光传播方向及垂直平行光传播方向的预设位置，分别接收透射光和散射光的实测光强。例如，利用两个光探测器，分别设置在平行光传播方向及垂直平行光传播方向的预设位置上，两个光探测器分别用于接收透射光和散射光的实测光强。

例如，所述接收步骤具体为：打开平行光照射待测物样，在预设位置接收透射光和散射光的当前光强，然后，关闭平行光，在预设位置接收背景光强，最后，根据当前光强减去背景光强，从而获得实测光强。

例如，打开平行光照射待测物样，即红外发光LED管上电工作，发出发散光，发散光经过透镜后转换为平行光，由平行光照射待测物样。例如，关闭平行光，即红外发光LED管断电停止发光，此时，环境中的光将照射待测水样并被光探测器感应接收。定义由环境中的光得到的光强为背景光强。可知，该背景光强影响浊度的测试。因此，需要减去背景光强，从而获得实测光强。

例如，将两个光探测器分别设置在透明容器的平行光传播方向的侧壁及垂直平行光传播方向的底端，以使得位于透明容器的侧壁的光探测器接收透射光的实测光强，位于透明容器的底端的光探测器接收散射光的实测光强。例如，透射光的实测光强为I₁。例如，散射光的实测光强为I₂。

例如，光探测器为光敏二极管。例如，两只光敏二极管分别为第一光敏二极管和第二光敏二极管。例如，将待测水样盛进透明容器，将两个光敏二极管和红外发光LED管呈“品”字型或者呈倒“品”字型设置在透明容器的外侧壁上，并且，红外发光LED管与第一光敏二极管同一直线设置，即位于“品”字型底端的分别为红外发光LED管及第一光敏二极管，“品”字型顶端为第二光敏二极管，以使得红外发光LED管发出的平行光经过待测水样后的透射光可被光敏二极管接收。

需要说明的是，所述预设位置是指根据两个光敏二极管和红外发光LED管的分布而确定的，当光敏二极管与红外发光LED管的距离发生变化时，所述预设位置相应改变。

S13、根据平行光传播方向的透射光的实测光强计算待测物样对光的衰减系数。需要说明的是，本实施例中的计算是基于朗伯比尔定律，并在朗伯比尔定律的基础上采用透射光补偿的方法，克服传统测量方法的色度吸收和高浊度引起的非线性影响。

例如，透射光的实测光强I₁的计算公式为：I₁＝I₀e^-KTL，其中，K为水样的吸收系数，T为浊度，即本实施例中要测量的量，L为透射光路的光程。该计算待测物样对光的衰减系数的公式为：由于当透射光路的光程L较小时，上式可以近似为：I₁＝I₀(1-KTL)，即可得出衰减系数(1-KTL)。本实施例中，设计透射光路的光程L为较小的光程，其中一个实施例中，L等于所述容置腔的宽度，又如，L的范围在1cm-5cm。

例如，散射光的实测光强I₂的计算公式为：由于透射光的实测光强I₁是随着入射光强I₀近似线性变化的，所以上式近似为：I₂＝(1-KTM)K₂I₀TL，其中，M为散射光路的光程，dx为透射光路上的一个微元散射光强，K₂为散射系数，例如，M的范围在2cm-10cm。本实施例中，设计透射光路的光程L小于散射光路的光程M，如此，衰减系数近似为(1-KTM)。

S14、根据衰减系数、及垂直平行光传播方向的散射光的实测光强，计算得出补偿光强，并由补偿光强计算获得待测物样的浊度。

例如，两只光敏二极管将光强信号转换为电压信号，两路信号输入各自的放大电路和ADC转换之后输出到中央处理器，由软件对散射光强和透射光强进行计算，得出补偿之后的浊度值。

例如，补偿光强的计算方式为：该补偿光强的计算公式来源于：I₁＝I₀(1-KTL)结合得到将代入I₂＝(1-KTM)K₂I₀TL，即得

请一并参阅图1和图2，现以一个具体的计算过程为例，对本发明作进一步的阐述：

例如，在平行光传播方向上，平行光由红外发光LED管到第一光敏二极管的透射光路的光程为L。例如，在垂直平行光传播方向上，第二光敏二极管距离红外发光LED管与第一光敏二极管连线的散射光路的光程为M。

例如，入射光强为I₀，透射衰减的透射光的实测光强I₁由第一光敏二极管接收，则有：

I₁＝I₀e^-KTL(1)

其中K为水样的吸收系数，T为浊度，L为透射光路的光程。在本实施中，L设计为较小的尺度，以保证KTL为一个较小的数值，于是上式可近似为：

I₁＝I₀(1-KTL)(2)

上式保证了在使用量程内，透射光的实测光强I₁是随着入射光强I₀近似线性变化的。

散射光的实测光强为I₂由下式得出：

$I_2=e^{-KTM}{\∫}_0^L{I}_0{e}^{-KTx}{K}_{2}Tdx=(1-KTM)K_2{I}_{0}TL---\left(3\right)$

其中，M为散射光路的光程，M>L,由于本发明中M很小，所以衰减系数近似为(1-KTM),积分过程中略去了高次项。上式被积函数为透射光路上的一个微元dx的散射光强，积分后得到整个透射光程的散射光强，经过散射光程的衰减后到达第二光敏二极管。K₂为散射系数。

从(3)式可以看到，由于KTM的衰减系数的存在，I₂和T的线性关系并不成立。传统的散射法中，没有考虑到或忽略了KTM对散射光的影响，所以容易受到吸收系数K高(色度高)或浊度T高的影响。本发明中利用透射光强I₁，补偿KTM衰减，消除吸收系数的影响，即可得到与浊度成比例的接收光强。

由(2)式，得到：

$KTM=\frac{(I_0-I_1)M}{I_{0}L}---\left(4\right)$

将(4)式代入(3)式，即可得到：

$I_2^{\′}=\frac{I_2}{1-KTM}=K_2{I}_{0}TL---\left(5\right)$

式中，I′₂为补偿过后的散射接收光强，即补偿光强，其与浊度T成线性关系，可用来精确标定浊度T，例如，定义为K₂I₀L标定系数，即可由补偿光强除以标定系数得出浊度T。

如此，本实施例中使用了90度散射光和透射光两个光路，利用90度散射光采集浊度参数，同时利用透射光的强度估算水样对入射光的衰减程度，根据此衰减度，对散射光程采集到的浊度参数进行补偿，以抵消水样色度和高浊度引起的不利的非线性影响。

请一并参阅图2和图3，其为本发明一实施例浊度的测量装置的结构设计示意图和测量装置的结构示意图，浊度的测量装置10包括：本体100，以及设置于本体100的光源110及至少两个光探测器130。例如，两个光探测器130包括第一光探测器131和第二光探测器132。例如，光源110为红外发光LED管。例如，采用880nm波长的红外发光二极管。例如，采用恒定电流向红外发光二极管供电。例如，光源110包括红外发光二极管116和透镜117，例如，透镜117设置于靠近容置腔101，用于将红外发光二极管116的光转化为平行光束。

例如，本体100具有容置腔101，其用于收容待测物样。本实施例中，待测物样为待测水样。例如，本体100的截面呈长方形，容置腔101开设于本体100内部，例如，容置腔101的截面呈长方形。例如，本体100开设有进水孔102，进水孔102连通容置腔101。例如，通过进水孔102向容置腔101输送待测水样以进行后续的测量。

例如，光源110、第一光探测器131和第二光探测器132位于容置腔101的周缘，并且，本体100于光源110的光传播方向及垂直光源110的光传播方向分别设置有至少一个光探测器。

例如，本体100包括第一安装位103、第二安装位104和第三安装位105。例如，第一安装位103、第二安装位104和第三安装位105连通容置腔101。例如，第一安装位103与第二安装位104于同一直线。本实施例中，第一安装位103与第二安装位104位于同一水平线上。例如，第一安装位103与第二安装位104分别位于容置腔101的两侧。例如，第三安装位105位于容置腔101的垂直第一安装位103与第二安装位104连线的一侧。

例如，第一安装位103与第二安装位104的距离为L，其中，L等于容置腔101的宽度。本实施例中，L的范围在1cm-5cm，以得透射的光程尽可能小，便于浊度的测量计算。例如，第三安装位105距离第一安装位103与第二安装位104连线的距离为M，其中，M等于平行光的光路与第二光探测器132的垂直距离。本实施例中，M的范围在2cm-10cm，以使散射的光程尽可能的小，便于浊度的测量计算。例如，光源110设置于第一安装位103。例如，第一光探测器131设置于第二安装位104。例如，第二光探测器132设置于第三安装位105。如此，在容置腔101的宽度确定时，第一安装位103与第二安装位104的距离为L也即确定，进而，光源110由第一安装位103向第二安装位104照射时，其透射光的光程也确定，即透射光的光程为L。同时，光源110由第一安装位103向第二安装位104照射时，向第三安装位105散射光的光程也确定，即散射光的光程为M。通过结合图1所述的测量方法，即可得出待测水样的浊度。

为了防止水分渗入红外发光LED管和接触光敏二极管的表面，例如，第一安装位103、第二安装位104和第三安装位105上均设置有防水透明层111，即通过防水透明层111阻止容置腔101内的待测水样流入第一安装位103、第二安装位104和第三安装位105，并且，由于防水透明层111可透光，保证了测量装置的正常工作。例如，防水透明层为防水透明塑料制成。例如，所述防水透明层111为封闭的塑料壳体，光源以及两只光敏二极管固定在封闭的塑料壳体中。例如，第一光探测器131设置于本体100位于光源110的光传播方向的平行位，即第二安装位104。例如，第二光探测器132设置于本体100垂直于光源110的光传播方向的垂直位，即第三安装位105。如此，在保证测量装置的正常工作的同时，避免水分渗入红外发光LED管和接触光敏二极管的表面，提高了测量工作的效率和测量装置的使用寿命。

请参阅图4，其为图1所示实施例测量浊度的流程示意图，结合图1和图2，在开始一个测量浊度过程时，首先L和M是确定的；然后，打开红外发光LED管，在透射光路测量平行光的光强；关闭红外发光LED，测量散射和透射光路的背景光强；打开红外发光LED管，测量散射和透射光路的接收光强；关闭红外发光LED管，由散射和透射光路的接收光强减去背景光强得到实测光强I₁和I₂；根据公式(4)：计算KTM；根据公式(5)计算补偿光强I′₂；最后，由补偿光强I′₂除以标定系数(K₂I₀L)算出浊度T，从而结束测量。

本发明的有益效果为：

(1)浊度测量更准确。这是因为本发明中利用透射光对散射光进行了水样中吸收系数(色度吸收)的补偿，同时散射光是严格的90度角散射，符合ISO7027-1984国际标准。

(2)浊度测量范围更大。因为本发明中采用了透射光进行计算，克服了传统散射法测量中高色度高浊度而引起的非线性影响。

(3)结构简单，成本低廉。本测量方法不需要复杂的光路设计和结构设计，即可得到与光强成线性的准确浊度值，方便设计和生产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种浊度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用平行光照射待测物样；

接收步骤：在平行光传播方向及垂直平行光传播方向的预设位置，分别接收透射光和散射光的实测光强；

根据平行光传播方向的透射光的实测光强计算待测物样对光的衰减系数；

根据衰减系数、及垂直平行光传播方向的散射光的实测光强，计算得出补偿光强，并由补偿光强计算获得待测物样的浊度。

2.根据权利要求1所述的浊度的测量方法，其特征在于，在采用平行光照射待测物样时，还获得平行光的入射光强。

3.根据权利要求1所述的浊度的测量方法，其特征在于，所述接收步骤具体为：

打开平行光照射待测物样，在预设位置接收透射光和散射光的当前光强；

关闭平行光，在预设位置接收背景光强；

根据当前光强减去背景光强，获得实测光强。

4.一种浊度的测量装置，其特征在于，包括：本体，以及设置于所述本体的光源及至少两个光探测器；

所述本体具有容置腔，其用于收容待测物样；

所述光源及各所述光探测器位于所述容置腔的周缘，并且，

所述本体于所述光源的光传播方向及垂直所述光源的光传播方向分别设置有至少一个所述光探测器。

5.根据权利要求4所述的浊度的测量装置，其特征在于，所述光源包括红外发光二极管和透镜，所述透镜设置于靠近所述容置腔，用于将所述红外发光二极管的光转化为平行光束。

6.根据权利要求4所述的浊度的测量装置，其特征在于，包括两个光探测器，其分别为第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器设置于所述本体位于所述光源的光传播方向的平行位，所述第二光探测器设置于所述本体垂直于所述光源的光传播方向的垂直位。

7.根据权利要求6所述的浊度的测量装置，其特征在于，所述本体包括第一安装位至第三安装位，其中，所述第一安装位与所述第二安装位于同一直线，并且，所述第一安装位与所述第二安装位分别位于所述容置腔的两侧，所述第三安装位位于所述容置腔的垂直所述第一安装位与所述第二安装位连线的一侧。

8.根据权利要求7所述的浊度的测量装置，其特征在于，第一安装位与第二安装位的距离为L，其中，L等于所述容置腔的宽度。

9.根据权利要求8所述的浊度的测量装置，其特征在于，所述第三安装位距离所述第一安装位与所述第二安装位连线的距离为M，其中，M等于平行光的光路与所述第二光探测器的垂直距离。

10.根据权利要求9所述的浊度的测量装置，其特征在于，所述光源设置于所述第一安装位，所述第一光探测器设置于所述第二安装位，所述第二光探测器设置于所述第三安装位。