CN106525772A - 一种高精度超低量程在线浊度传感器及其浊度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度超低量程在线浊度传感器，包括测量水池以及与测量水池相连接的脱气泡装置、光源室、排空装置和电路室其中，光源室包括：LED光源、LED光腔、准直滤镜和出光光阑；脱气泡装置包括：圆孔、管道和溢流槽；测量水池的一侧设置有电动清洁刷、光学窗口和接收腔；排空装置包括：排空腔和排空管接头；电路室包括：光电二极管、IV转换电器、锁相放大器、二级电压放大器、ADC转换器、单片机、光源驱动和放电开关。本发明具有能提取极微弱光信号，消除气泡、污染物、杂散光对浊度测量结果的影响等优点。

Description

一种高精度超低量程在线浊度传感器及其浊度测量方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种高精度超低量程在线浊度传感器及其浊度测量方法。

背景技术

水中含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水质变的浑浊而呈现一定浊度，通常浊度越高，溶液越浑浊。常用的浊度测量方法有透射法和散射法两种，测量装置发出光线，使之穿过一段样品，并从与入射光呈90°的方向上检测有多少光被水中的颗粒物所散射，这种散射光测量方法称作散射法；通过测量光透过样品后光强的衰减程度来测量浊度的方法叫做透射法。但是由于透射法存在颜色吸收或颗粒物吸收等干扰的影响，比较认可的做法是散射法。

现有技术当中主要存在以下问题：1、在浊度超低的水，如自来水，膜过滤水，这些水体散射光强的能力极其弱，基本淹没在电路的噪声中；2、在户外水域，测量的信号会收到阳光的干扰，导致测量不准确；3、在线测量过程中，由于水样处于流通状态，从采样管出来的水流到传感器的水池中，由于水压的变化，水样中会有大量微小气泡产生，影响浊度测量结果；4、在线测量过程中，水样流入到传感器的水池中，然后通过溢流的方式流出，如果长时间没有对水池中的水进行完全排空，则水池中的水可能残留需要大颗粒物，导致大颗粒物堆积，影响测量结果；5、由于在线传感器的采样端长期淹没在水中，时间长了，光学窗口片上容易堆积污染物，会吸收散射到窗口的光，影响测量效果；6、在线浊度传感器如果长期放置户外，由于户外温差大，导致传感器出现零点漂移，是读数不准确；7、由于LED光经过透镜准直后依然无法保证光线完整平行，杂散光会直接进入光电采集模块，影响测量效果，如果杂散光过强，会导致在低浊度监测时，浊度散射光过低，又由于杂散光与散射光信号频率相同，正常浊度信号被淹没在杂散光信号中导致浊度无法检出。

因此，在水处理技术领域急需要一种能提取极微弱光信号，消除气泡、污染物、杂散光对浊度测量结果的影响的一种高精度超低量程在线浊度传感器及其浊度测量方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明一种高精度超低量程在线浊度传感器的具体技术方案如下：

一种高精度超低量程在线浊度传感器，包括测量水池以及与测量水池相连接的脱气泡装置、光源室、排空装置和电路室。

进一步，所述光源室包括：LED光源、LED光腔、准直滤镜和出光光阑。

进一步，所述出光光阑的内部分布有小的台阶，用于将光束中发散角大于出光光阑内部倾斜角度的光束消除。

进一步，所述脱气泡装置包括：圆孔阵列、连通管道和溢流槽，所述圆孔阵列为2排7列的圆柱形孔阵列，所述连通管道依次穿过所述圆孔阵列的底部从而将所述圆孔阵列连接在一起，所述圆孔阵列中的第一个圆柱孔设置有进水口，所述圆孔阵列的最后一个圆柱孔设置有出水口，水通过出水口进入测量水池中，圆孔阵列的底部相互连接，水依次流过连通管道的过程中，由于连通管道比圆孔阵列的水压大，气泡会上浮到圆孔的上部从而将气泡排除。

进一步，所述测量水池的一侧设置有电动清洁刷、光学窗口和接收腔，并且所述接收腔的后端与所述电路室相连接，所述测量水池的另一侧设置有溢流缺口，测量水池中的水通过该溢流缺口溢流到溢流槽中；所述测量水池的内部以及所述出光光阑均用全黑尼龙材料制成，所述测量水池的底部为V型，V型结构更有利于将测量水池中的水排空。

进一步，所述排空装置包括：排空腔和排空管接头，所述排空接头上设置有电磁阀。

进一步，所述电路室包括：光电二极管、IV转换电器、锁相放大器、二级电压放大器、ADC转换器、单片机、光源驱动和放电开关，并且所述IV转换电器的输入端与所述光电二极管相连接，输出端与所述锁相放大器的输入端相连接，所述锁相放大器的脉冲信号输入端还与所述单片机的输出端相连接，用于接收所述单片机产生的脉冲信号，所述锁相放大器的输出端与所述二级电压放大器的输入端相连接，所述锁相放大器的输出端还与放电开关相连接，所述二级电压放大器的输出端与所述ADC转换器的输入端相连接，所述ADC转换器的输出端与所述单片机的输入端相连接，所述单片机的输出端与所述光源驱动相连接，所述单片机的输出端还与所述放电开关相连接，所述光源驱动与所述LED光源相连。

进一步，所述光学窗口的窗口玻璃为蓝宝石(Al2O3)；所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器还包括:入水管和溢流管。

如上所述的一种高精度超低量程在线浊度测量方法，包含如下步骤：

步骤一，待测水体通过该入水管进入到该脱气泡装置进行脱气泡处理；

步骤二，该单片机发射脉冲信号到该光源驱动和该锁相放大器，该光源驱动通过LED光源产生脉冲光，该锁相放大器接收来自该单片机的脉冲信号；

通过改变出光光阑入光孔直径、光腔底部到出光光阑入光口距离以及玻璃窗口到发射光中心距离来调整出光的角度范围；使杂散光最小；

出光光阑的内部分布有小的台阶，将入射光中发散角大于出光光阑内部倾斜角的光束消除；

步骤三，入射光经待测水体散射后产生散射光射入该电路室；

步骤四，该电路室中的光电二极管接收来自测量水池的散射光，处理后得出待测水体的浊度值。

如上所述的一种高精度超低量程在线浊度测量方法，该步骤四的具体方法为：

散射光照射到该光电二极管上，该光电二极管产生脉冲电流信号，该脉冲电流信号传递给IV转换器，该IV转换器将其转换为脉冲电压信号，再传递给该锁相放大器；该锁相放大器将接收的脉冲电压信号与来自该单片机的脉冲信号进行锁相处理，仅提取与该单片机的脉冲信号频率和相位相同的信号；提取后的脉冲信号经过二级电压放大器放大后，传递给ADC转换器，将模拟信号转换成数字信号并传递给该单片机；该单片机读取ADC转换器的数字量后处理得到浊度值。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的脱气泡装置，圆孔阵列的底部相互连接，水依次流过连通管道的过程中，由于连通管道比圆孔阵列的水压大，气泡会上浮到圆孔的上部从而将气泡排除。

2、本发明中的光源室中设置有出光光阑，出光光阑的内部分布有小的台阶，可有效将入射光束中发散角大于出光光阑内部倾斜角的光束消除。

3、本发明中测量水池的内部以及出光光阑均采用全黑尼龙材料制成，可以最大限度吸收入射光，减少光做多次反射，产生杂散光。

4、本发明中测量水池的底部为V型，保证在测量水池排空的时候，水能完全排空，保证大颗粒能完全排出测量水池。

5、本发明中测量水池的底部设置有排空管接头和电动水阀，可以自动排空，并且测量水池的一侧设置有自动清洁刷，定期旋转一定的圈数，用来清洁光学窗口的污垢。

6、本发明中的光学窗口的玻璃选用蓝宝石(Al2O3)材质，蓝宝石(Al2O3)是一种性能优秀的红外光学窗口/基片材料，透过范围为0.2-5.5um，耐高温且硬度高，仅次于金刚石，选用蓝宝石窗口玻璃，可使自动清洁刷在长期的工作中不会对窗口玻璃产生磨损。

7、本发明中的电路室中设置有锁相放大器，能够将与锁相放大器参考信号同频率的信号提取出来，排除其他不同波段信号的干扰，比如热噪声、环境光、光电倍光电暗电流的干扰。

8、本发明采用纯软件的零点校准方法，无需引入温度传感器，计算方便，实施简单。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是本发明一种高精度超低量程在线浊度传感器示意图。

图2是图1中电路室示意图。

图3是出光光阑与接收光腔的位置示意图。

图4是除气泡装置的俯视图。

图5是除气泡装置的侧视图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种高精度低量程在线浊度传感器做进一步详细描述。

图1是本发明一种高精度超低量程在线浊度传感器示意图。

如图1所示，一种高精度超低量程在线浊度传感器，包括测量水池1以及与测量水池相连接的脱气泡装置2、光源室3、排空装置4和电路室5。

优选的，本实施例中的光源室3包括：LED光源35、LED光腔31、准直滤镜32和出光光阑34。

优选的，本实施例中的出光光阑34的内部分布有小的台阶，用于将光束中发散角大于出光光阑34内部倾斜角度的光束消除。

优选的，本实施例中的脱气泡装置2包括：圆孔阵列21、连通管道22和溢流槽23，所述圆孔阵列21为2排8列的圆柱形孔阵列，所述连通管道22依次穿过所述圆孔阵列21的底部从而将所述圆孔阵列21连接在一起，所述连通管道22所述圆孔阵列21中的第一个圆柱孔设置有进水口，所述圆孔阵列21的最后一个圆柱孔设置有出水口，水通过出水口进入测量水池1中。

优选的，本实施例中的测量水池1的一侧设置有电动清洁刷11、光学窗口12和接收腔13，并且所述接收腔13的后端与电路室5相连接，另一侧设置有溢流缺口11，测量水池1中的水通过该溢流缺口11溢流到溢流槽23中。

优选的，本实施例中的测量水池1的内部以及出光光阑33均用全黑尼龙材料制成，可以最大限度吸收入射光，减少光做多次反射，产生杂散光，测量水池1的底部为V型，V型结构更有利于将测量水池中的水排空。

优选的，本实施例中的排空装置4包括：排空腔41和排空管接头42，排空管接头42上设置有电磁阀43，电磁阀43与单片机55相连，单片机55控制电磁阀42的开关；例如，设定电磁阀开启时间为T1，关闭时间T2，工作周期为T0，单片机监测内部定时器时间是否超过T0，如果超时则继续下一步；开启电磁阀，开启时间为T1，T1时间内，测量水池开始放水，T1时间到后继续下一步；关闭电磁阀，并且延时T2时间后，开始信号采集，T2时间内，测量水池进行蓄水，T2时间的设置要使测量水池在T2时间内水可以蓄满。

优选的，本实施例中的光学窗口12的窗口玻璃为蓝宝石(Al2O3)。

优选的，本实施例中一种高精度超低量程在线浊度传感器还包括:入水管6和溢流管7，上述溢流槽23中的水通过溢流管7排出。

图2是图1中电路室示意图。

如图2所示，本实施例中的电路室5包括：光电二极管51、IV转换电器52、锁相放大器53、二级电压放大器57、ADC转换器56、单片机55、光源驱动54和放电开关58，并且所述IV转换电器52的输入端与所述光电二极管51相连接，输出端与所述锁相放大器53的输入端相连接，所述锁相放大器53的脉冲信号输入端还与所述单片机55的输出端相连接，用于接收所述单片机55产生的脉冲信号，所述锁相放大器53的输出端与所述二级电压放大器57的输入端相连接，所述锁相放大器53的输出端还与放电开关58相连接，所述二级电压放大器57的输出端与所述ADC转换器56的输入端相连接，所述ADC转换器56的输出端与所述单片机55的输入端相连接，所述单片机55的输出端与所述光源驱动54相连接，所述单片机55的输出端还与所述放电开关58相连接，所述光源驱动与上述光源室3中的LED光源35相连。

本发明的浊度测量方法，包括如下步骤：

步骤一，待测水体通过入水管6进入到脱气泡装置2进行脱气泡处理；

待测水体通过入水管6进入到脱气泡装置2中；如图4和图5所示，待测水体依次流过连通管道22，在水流的过程中，由于连通管道22的水压比圆孔阵列21的水压大，待测水体中的气泡会自然上浮到圆孔阵列21的上部从而达到排出气泡的效果；待测水体穿过脱气泡装置2进入测量水池1中；

步骤二，单片机55发射脉冲信号到光源驱动54和锁相放大器53，光源驱动54通过LED光源35产生脉冲光，锁相放大器53接收来自单片机55的脉冲信号；

首先，打开单片机55开关，单片机55发射脉冲信号给光源驱动54，光源驱动54通过LED光源35发出脉冲光；光源室3中的LED光源35发射出860nm的光源；光源顺次穿过LED光腔31、准直透镜32以及出光光阑33后变为控制在一定角度范围内的入射光，入射光的角度的合适范围可以通过调整出光光阑入光孔直径A、光腔底部到出光光阑的入光口距离L以及玻璃窗口到发射光中心距离M来得到，使其小于20.5°，杂散光最小。具体如下：

如图3所示，通过出光光阑的出光角度为C，其中A表示出光光阑入光孔直径，L表示接收光腔底部到出光光阑入光口距离，M表示玻璃窗口到发射光中心距离，N表示发射光截面分散的半径。

设定N<M即可使发散的光不落入玻璃窗口中，此时杂散光最小；

依据数学知识可知：

所以：

因为N<M，

最终得到出光角度C：

本发明中可选择L＝40M＝20A＝10，得到C<20.5°。

如上为举例，本领域技术人员应该可以理解，入射光通过出光光阑33后，角度可控制在20.5°范围内，根据需要可以通过改变出光光阑入光孔直径A、光腔底部到出光光阑入光口距离L以及玻璃窗口到发射光中心距离M来调整出光的角度范围；使杂散光最小。

出光光阑33的内部分布有小的台阶，可以有效将入射光中发散角大于出光光阑33内部倾斜角的光束消除。

步骤三，入射光经待测水体散射后产生散射光射入电路室5；

经过步骤二中出光光阑33处理后的入射光射入测量水池1中的待测水体中；经过待测水体散射后的散射光顺次穿过光学窗口12和接收腔13而进入电路室5中。

光学窗口12的前面设置有电动清洁刷，可以定期旋转一定的圈数来清除光学窗口12上的污垢。

步骤四，电路室5中的光电二极管51接收来自测量水池1的散射光，电路室5进行处理后得出待测水体的浊度值。具体如下：

散射光照射到光电二极管51上，光电二极管51产生脉冲电流信号，该脉冲电流信号传递给IV转换器52，IV转换器52将其转换为脉冲电压信号，再传递给锁相放大器53；锁相放大器53将接收的脉冲电压信号与来自单片机55的脉冲信号进行锁相处理，仅提取与单片机55的脉冲信号频率和相位相同的信号，从而排除干扰，提高测量的精度和准确度；提取后的脉冲信号经过二级电压放大器57放大后，传递给ADC转换器56，将模拟信号转换成数字信号并传递给单片机55；单片机55读取ADC转换器56的数字量后处理得到浊度值。

为了进一步说明本发明效果，可进行零点漂移实验和示值误差实验。

本发明在进行零点校准时采用的是纯软件的零件校准方法，具体步骤是：关闭LED光源31，打开放电开关58，将锁相放大器53输出端滤波电容上的电荷放掉，用来执行零点校准，读取此时ADC转换器56的数值，读取一定的次数，计算平均值，作为零点，这种方法无需引入温度传感器，计算方便，实施简单。具体实验如下：

在本发明最低量程范围T内，用零浊度说调好零点T₀,在高低温箱内进行实验，每隔10℃记录一次数据T_i，按下式计算零点漂移ΔT_i，取绝对值最大的ΔT_i为零点漂移：

实验数据

由公式1计算出零点漂移0.01％浊度计检定规程JJG 880-2006仪器零点漂移范围±1.5％。

示值误差实验：

选取同一瓶标准溶液，在量程范围内，均匀选取五个测量点，准确稀释配制相应浊度液的标准溶液T_s。每个浓度测定3次，得到测量值T_m,求其平均值按公式(2)分别计算上述五种浓度下的示值相对误差，取其中最大误差代表示值误差的测定结果。

T_s—配置的标准溶液标称值

—浊度标准溶液测量平均值

实验数据：

根据公式2计算出示值误差是2.49％，浊度计检定规程JJG 880-2006仪器示值误差不大于±10％，通过本发明测出的浊度值的示值误差明显小于浊度检定规程中规定的误差范围。

由上述可见，本发明中的脱气泡装置，圆孔阵列的底部相互连接，水依次流过连通管道的过程中，由于连通管道比圆孔阵列的水压大，气泡会上浮到圆孔的上部从而将气泡排除。光源室中设置有出光光阑，出光光阑的内部分布有小的台阶，可有效将入射光束中发散角大于出光光阑内部倾斜角的光束消除。测量水池的内部以及出光光阑均采用全黑尼龙材料制成，可以最大限度吸收入射光，减少光做多次反射，产生杂散光。测量水池的底部为V型，保证在测量水池排空的时候，水能完全排空，保证大颗粒能完全排出测量水池。测量水池的底部设置有排空管接头和电动水阀，可以自动排空，并且测量水池的一侧设置有自动清洁刷，定期旋转一定的圈数，用来清洁光学窗口的污垢。光学窗口的玻璃选用蓝宝石(Al2O3)材质，蓝宝石(Al2O3)是一种性能优秀的红外光学窗口/基片材料，透过范围为0.2-5.5um，耐高温且硬度高，仅次于金刚石，选用蓝宝石窗口玻璃，可使自动清洁刷在长期的工作中不会对窗口玻璃产生磨损。电路室中设置有锁相放大器，能够将与锁相放大器参考信号同频率的信号提取出来，排除其他不同波段信号的干扰，比如热噪声、环境光、光电倍光电暗电流的干扰。

本发明采用纯软件的零点校准方法，无需引入温度传感器，计算方便，实施简单。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，包括测量水池以及与测量水池相连接的脱气泡装置、光源室、排空装置和电路室。

2.根据权利要求1所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述光源室包括：LED光源、LED光腔、准直滤镜和出光光阑，其中，所述LED光源与所述电路室连接。

3.根据权利要求2所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述出光光阑的内部分布有小的台阶，用于将光束中发散角大于出光光阑内部倾斜角度的光束消除。

4.根据权利要求1所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述脱气泡装置包括：圆孔阵列、连通管道和溢流槽，所述圆孔阵列为2排7列的圆柱形孔阵列，所述连通管道依次穿过所述圆孔阵列的底部从而将所述圆孔阵列连接在一起，所述圆孔阵列中的第一个圆柱孔设置有进水口，所述圆孔阵列的最后一个圆柱孔设置有出水口，水通过出水口进入测量水池中。

5.根据权利要求1所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述测量水池的一侧设置有电动清洁刷、光学窗口和接收腔，并且所述接收腔的后端与电路室相连接，所述测量水池的另一侧设置有溢流缺口。

6.根据权利要求2所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述测量水池的内部以及所述出光光阑均用全黑尼龙材料制成，所述测量水池的底部为V型；所述排空装置包括：排空腔和排空管接头，所述排空管接头上设置有电磁阀。

7.根据权利要求2所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，所述电路室包括：光电二极管、IV转换电器、锁相放大器、二级电压放大器、ADC转换器、单片机、光源驱动和放电开关，并且所述IV转换电器的输入端与所述光电二极管相连接，输出端与所述锁相放大器的输入端相连接，所述锁相放大器的脉冲信号输入端还与所述单片机的输出端相连接，用于接收所述单片机产生的脉冲信号，所述锁相放大器的输出端与所述二级电压放大器的输入端相连接，所述锁相放大器的输出端还与放电开关相连接，所述二级电压放大器的输出端还与所述ADC转换器的输入端相连接，所述ADC转换器的输出端与所述单片机的输入端相连接，所述单片机的输出端与所述光源驱动相连接，所述单片机的输出端还与所述放电开关相连接，所述光源驱动与所述LED光源相连。

8.根据权利要求5所述的一种高精度超低量程在线浊度传感器，其特征在于，还包括:入水管和溢流管；所述光学窗口的窗口玻璃为蓝宝石(Al2O3)。

9.根据权利要求8所述的一种高精度超低量程在线浊度测量方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一，待测水体通过该入水管进入到该脱气泡装置进行脱气泡处理；

步骤二，该单片机发射脉冲信号到该光源驱动和该锁相放大器，该光源驱动通过LED光源产生脉冲光，该锁相放大器接收来自该单片机的脉冲信号；

通过改变出光光阑入光孔直径、光腔底部到出光光阑入光口距离以及玻璃窗口到发射光中心距离来调整出光的角度范围；使杂散光最小；

出光光阑的内部分布有小的台阶，将入射光中发散角大于出光光阑内部倾斜角的光束消除；

步骤三，入射光经待测水体散射后产生散射光射入该电路室；

步骤四，该电路室中的光电二极管接收来自测量水池的散射光，处理后得出待测水体的浊度值。

10.根据权利要求9所述的一种高精度超低量程在线浊度测量方法，其特征在于，该步骤四的具体方法为：

散射光照射到该光电二极管上，该光电二极管产生脉冲电流信号，该脉冲电流信号传递给IV转换器，该IV转换器将其转换为脉冲电压信号，再传递给该锁相放大器；该锁相放大器将接收的脉冲电压信号与来自该单片机的脉冲信号进行锁相处理，仅提取与该单片机的脉冲信号频率和相位相同的信号；提取后的脉冲信号经过二级电压放大器放大后，传递给ADC转换器，将模拟信号转换成数字信号并传递给该单片机；该单片机读取ADC转换器的数字量后处理得到浊度值。