CN105738298B - 一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法，包括以下步骤：1)利用测量光入射溶液样品并采集出射光的光强大小；2)根据入射光和出射光的光强，计算溶液的吸光度；3)基于所述溶液的吸光度，并结合颜色匹配函数以及测量光的光谱能量分布，得到颜色三刺激值；4)对所述的颜色三刺激值进行归一化处理，算得溶液色坐标xyz；5)根据溶液色坐标xyz和浊度值的关系，计算溶液的浊度值。本发明还公开一种基于色坐标值的水溶液浊度测量装置。本发明受光源光强变化及光谱仪的响应变化的影响极小，故而在长时间在线测量时不需要对仪器进行频繁的标定。
Description
技术领域
本发明涉及水溶液浊度的测量领域，尤其涉及一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法及装置。
背景技术
浊度是评价水溶液质量的重要指标，代表着液体的清洁程度。它也可以表征水体的污染和富营养化。当水体的浊度值很低时，原虫的传播会大大的减少。废水的过量排放以及藻类的过多增长能够通过浊度的定期检测来发现。不仅如此，浊度的测量的应用领域相当广阔。
针对浊度的测量，例如公开号为CN103822876A的专利申请公开的浊度测定仪，包括壳体，壳体上分别设有光源装置、光路吸收池、光路接收检测模块、显示屏以及中央处理器，光路接收检测模块、显示屏分别与所述中央处理器连接，光源装置的光线照射通过光路吸收池后被光路接收检测模块吸收，光源装置所发出光的光谱主要在350-1000nm波长之间，光谱有两个峰值波长，一个峰值波长在400-500nm之间，其半峰宽在5-50nm之间；另一个峰值波长在550-750nm之间，其半峰宽在50-150nm之间；利用该装置能准确、简单、稳定、高灵敏度地测量水样的浊度。
目前主要有两种类型的浊度传感器。第一种散射法浊度传感器是测量与入射光呈一定角度的散射光强度，其散射光的强度与浊度呈一定关系，以此来测量浊度值。第二种透射法浊度传感器是测量入射光的衰减程度，其吸光度与浊度呈一定关系，以此来测量浊度值。透射法浊度传感器在测量大浊度水溶液时，其吸光度与浊度的关系能呈现单调变化，故而这种类型的传感器适合于测量大浊度的水体。
基于这两种最基本的浊度测量方法，一些改进的浊度传感器也相应的被提出。但由于测量会受到入射原始光强的变化及光强探测器漂移的影响，这些系统需要进行定期的校准；因此，需要寻找一种更好的浊度测量方法，使其能够实现更好的测量效果。
发明内容
针对现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法及装置，所采用的浊度测量方法受光源光强变化及光谱仪的响应变化的影响极小，故而在长时间在线测量时不需要对仪器进行频繁的标定。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法，包括以下步骤：
1)利用测量光入射溶液样品并采集出射光的光强大小；
2)根据入射光和出射光的光强，计算溶液的吸光度；
3)基于所述溶液的吸光度，并结合颜色匹配函数以及测量光的光谱能量分布，得到颜色三刺激值；
4)对所述的颜色三刺激值进行归一化处理，算得溶液色坐标xyz；
5)根据溶液色坐标xyz和浊度值的关系，计算溶液的浊度值。
进一步的，在所述的步骤2)中，溶液的吸光度反映浊度物质对入射光的吸收和散射程度，水体的吸光度符合Beer–Lambert定律：
式中k是吸光系数，C是溶液浓度，L是溶液样品的光程，I0和I是入射光和出射光光强，A是溶液吸光度。
进一步的，在所述的步骤3)中，颜色三刺激值XYZ用于表征对水体颜色的视觉感受，具体通过下式进行定义，
X＝kΣS(λ)10-A(λ)x(λ)Δλ
Y＝kΣS(λ)10-A(λ)y(λ)Δλ
Z＝kΣS(λ)10-A(λ)z(λ)Δλ
式中，x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，S(λ)是照明光的光谱能量分布，λ是波长。
进一步的，在所述的步骤5)中，溶液色坐标xyz和浊度值的关系式如下：
Tur＝2711.6x-848.3
Tur＝2953.2y-973.2
Tur＝-1414.2z+505.7
式中，Tur为溶液的浊度值，xyz分别为溶液的色坐标。
本发明可以通过溶液的色坐标算得三个浊度值，可以选取其中一个作为溶液的浊度值，或者取平均后作为最终的浊度值。
进一步的，当溶液的吸光度曲线平行漂移时，色坐标x表示为：
式中，x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，ΔA吸光度的变化量，S(λ)是照明光的光谱能量分布；
即
式中，a为系数；表示测量得到的色坐标不会受吸光度平行漂移的影响。
进一步的，在入射光强发生变化时，对于某个波长下的吸光度为：
式中：A1是新的吸光度，A0是原始吸光度，I0(λ)为存储的原始光强，ΔI(λ)是原始光强的变化。
进一步的，当不同的波长下光强的变化与原始光强成比例时，新的吸光度为A1＝A0+b，b为常数。
本发明还提供一种基于色坐标值的水溶液浊度测量装置，包括：连接控制电路的光源；将光源发光的测量光变为平行光入射溶液样品的准直透镜；用于收集透过溶液样品的出射光的汇聚透镜；用于采集出射光光强的光谱仪；以及根据所述的出射光光强，计算溶液的吸光度和色坐标xyz，并根据溶液色坐标xyz和浊度值的关系算得浊度值的处理单元。
进一步的，所述的光源为脉冲氙灯，接收控制电路发出的同步脉冲信号发射出380-760nm波长范围的可见光。
本发明的优点如下：
1、本发明采用的浊度测量方法受光源光强变化及光谱仪的响应变化的影响极小，故而在长时间在线测量时不需要对仪器进行频繁的标定。
2、本发明测量量程很大，可以用于超过100NTU浊度溶液的测量。
附图说明
图1为水溶液浊度测量装置的结构图；
图2为不同浓度的福尔马肼浊度溶液在可见波段的吸光度曲线；
图3为颜色匹配函数图；
图4为不同浊度溶液的色坐标在色度图中的位置；
图5为溶液色坐标xyz值与浊度值的关系。
具体实施方式
如图1所示的水溶液浊度测量装置，脉冲氙灯1接收控制电路10发出的同步脉冲信号后发射出380-760nm波长范围的可见光，由光纤2传播后经准直透镜3变为平行光射入样品池4，入射光在样品池4中发生吸收和散射后的出射光经汇聚透镜5进入光纤6，最终由光谱仪7采集其光强大小，数据由处理单元11处理。
利用上述的浊度测量装置，可以测量得到样品池4中液体的吸光度，进而通过吸光度来计算出溶液的色坐标，从而进一步得出溶液的浊度，具体如下：
溶液的吸光度反映了浊度物质对入射光的吸收和散射程度，水体的吸光度符合Beer–Lambert定律：
式中k是吸光系数，C是溶液浓度，L是样品池光程，I0和I是入射光和出射光光强，A是溶液吸光度。
参考图2，它表示了不同浓度的福尔马肼浊度溶液在可见波段的吸光度曲线，不同浊度溶液其吸光度曲线的梯度不同，其色坐标会随着浊度的变化而变化，故而溶液的色坐标可以反映溶液的浊度。
颜色三刺激值用于表征对水体颜色的视觉感受，通过公式(2)、(3)、(4)进行定义，溶液色坐标xyz是颜色三刺激值XYZ的归一化值：
X＝kΣS(λ)10-A(λ)x(λ)Δλ (2)
Y＝kΣS(λ)10-A(λ)y(λ)Δλ (3)
Z＝kΣS(λ)10-A(λ)z(λ)Δλ (4)
式中x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，S(λ)是照明光的光谱能量分布。
本实施例中，颜色匹配函数如图3所示；光谱能量分布采用D65光源数据。
如图4所示，其中的黑点从下到上表示了0,2,5,10,20,30,40,50,80,100NTU浊度溶液的色坐标在标准色度图中的位置，这些黑点区分度较大，表明这种方法具有较好的分辨率。
如图5所示。xyz值均与浊度值呈良好的线性关系，溶液色坐标xyz值与浊度值的计算公式分别如式(5)、(6)、(7)中所示：
Tur＝2711.6x-848.3 (5)
Tur＝2953.2y-973.2 (6)
Tur＝-1414.2z+505.7 (7)
式中Tur为溶液的浊度值，xyz分别为溶液的色坐标。虽然图中的浊度上限为100NTU，但本专利提出的浊度测量方法可以用于超过100NTU浊度溶液的测量。
本实施例的浊度测量方法不会受到吸光度曲线平行漂移的影响。当吸光度曲线有一个平行漂移时，色坐标x可以由公式(8)、(9)表示：
式中x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，ΔA吸光度的变化量，S(λ)是照明光的光谱能量分布。
从式(9)中可以看出，吸光度的平行移动只在颜色三刺激值上增加了一个相同的系数a，所以测量得到的色坐标不会受吸光度平行漂移的影响。
同时，当入射光强发生变化时，对于某个波长下的新的吸光度如式(10)中所示：
式中A1是新的吸光度，A0是原始吸光度，I0(λ)为存储的原始光强，ΔI(λ)是原始光强的变化。
当不同的波长下光强的变化与原始光强成比例时，新的吸光度如式(11)中所示
A1＝A0+b (11)
当在各波长下光强或者光谱仪的暗光谱呈平行变化时，只要控制原始光强I0(λ)足够大且在不同波长下的光强差尽可能小，新的吸光度曲线仍然会近似呈现一个平行移动。由于本申请中浊度测量方法不会受到吸光度曲线平行漂移的影响，故而长时间测量下的光强变化及光谱仪的响应变化只会对最终的结果造成极小的影响，不需要对仪器进行频繁的标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于色坐标值的水溶液浊度测量方法，其特征在于，包括：
1)利用测量光入射溶液样品并采集出射光的光强大小；
2)根据入射光和出射光的光强，计算溶液的吸光度；
3)基于所述溶液的吸光度，并结合颜色匹配函数以及测量光的光谱能量分布，得到颜色三刺激值；
4)对所述的颜色三刺激值进行归一化处理，算得溶液色坐标xyz；
5)根据溶液色坐标xyz和浊度值的关系，计算溶液的浊度值；
液色坐标xyz和浊度值的关系式如下：
Tur＝2711.6x-848.3
Tur＝2953.2y-973.2
Tur＝-1414.2z+505.7
式中，Tur为溶液的浊度值，xyz分别为溶液的色坐标。
2.如权利要求1所述的水溶液浊度测量方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，溶液的吸光度反映浊度物质对入射光的吸收和散射程度，水体的吸光度符合Beer–Lambert定律：
式中k是吸光系数，C是溶液浓度，L是溶液样品的光程，I0和I是入射光和出射光光强，A是溶液吸光度。
3.如权利要求1所述的水溶液浊度测量方法，其特征在于，在所述的步骤3)中，颜色三刺激值XYZ用于表征对水体颜色的视觉感受，具体通过下式进行定义，
X＝kΣS(λ)10-A(λ)x(λ)Δλ
Y＝k∑S(λ)10-A(λ)y(λ)Δλ
Z＝k∑S(λ)10-A(λ)z(λ)Δλ
式中，x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，S(λ)是照明光的光谱能量分布，λ是波长。
4.如权利要求1～3任一项所述的水溶液浊度测量方法，其特征在于，当溶液的吸光度曲线平行漂移时，色坐标x表示为：
式中，x(λ),y(λ),z(λ)是颜色匹配函数，A(λ)是测试溶液的吸光度，ΔA吸光度的变化量，S(λ)是照明光的光谱能量分布；
即
式中，a为系数；表示测量得到的色坐标不会受吸光度平行漂移的影响。
5.如权利要求1～3任一项所述的水溶液浊度测量方法，其特征在于，在入射光强发生变化时，对于某个波长下的吸光度为：
式中：A1是新的吸光度，A0是原始吸光度，I0(λ)为存储的原始光强，ΔI(λ)是原始光强的变化。
6.如权利要求5所述的水溶液浊度测量方法，其特征在于，当不同的波长下光强的变化与原始光强成比例时，新的吸光度为A1＝A0+b，b为常数。
7.一种基于色坐标值的水溶液浊度测量装置，其特征在于，包括：
连接控制电路的光源；
将光源发光的测量光变为平行光入射溶液样品的准直透镜；
用于收集透过溶液样品的出射光的汇聚透镜；
用于采集出射光光强的光谱仪；
以及根据所述的出射光光强，计算溶液的吸光度和色坐标xyz，并根据溶液色坐标xyz和浊度值的关系算得浊度值的处理单元；溶 液色坐标xyz和浊度值的关系式如下：
Tur＝2711.6x-848.3
Tur＝2953.2y-973.2
Tur＝-1414.2z+505.7
式中，Tur为溶液的浊度值，xyz分别为溶液的色坐标。
8.如权利要求7所述的水溶液浊度测量装置，其特征在于，所述的光源为脉冲氙灯，用于接收控制电路发出的同步脉冲信号发射出380-760nm波长范围的可见光。
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