CN107817225A - 一种测量水中油含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水质检测领域，具体涉及一种测量水中油含量的方法，包括以下步骤：(1)检测原理推演，(2)检测准备，(3)标定100％水的透射光强，(4)标定100％油的透射光强，(5)实际油水混合物油膜厚度测量。本发明的有益效果为：(1)油度测量更准确，这是因为本发明中利用油和水不同的光学物理特性，仅需要简单的标定就可以得到线性变化的结果。(2)油度测量更方便，因为无需化学试剂和昂贵设备，可实时在线测量。(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，方便产品设计和生产。
Description
技术领域：
本发明涉及水质检测领域，具体涉及一种测量水中油含量的方法。
背景技术：
水中油含量(以下简称油度)的检测,指的是水体中液态油含量的检测。由于油的比重小于水，且不溶于水，故油在静置时，将以油膜的形式浮于水面上，故油度的检测可视为油膜厚度的检测。油度的检测在石油化工、环境保护等领域有着相当重要的应用。水体中油度过高，不仅会造成油的浪费，而且严重污染环境。故油度的准确检测，可为各种工业和生活排水的控制提供可靠的依据，有着极其重要的作用。
现有油度的测量，可分为三类：化学方法、光学方法、电学方法。第一类是化学的方法，是利用油脂发生化学反应后的生成物，进行油度的测定。主要的方法是利用油脂和碱性溶液发生皂化反应，生成脂肪酸金属盐(肥皂)的含量测定油度；光学方法则是利用油脂对红外光的吸收程度的不同，采集红外吸收光谱的吸收波峰的大小进行测定；电学方法则是采用电容式双电极探头，利用油脂的介电常数与水体的不同，测量水体中电容的变化，从而得知油度的变化。
现有技术的缺点：
1.化学的测量方法，时间长，操作不方便，仅适用于实验室；
2.光学的方法，由于油脂中分子结构相当复杂，红外吸收光谱中往往不好区分，仅适用于某些特定场合，且设备昂贵，操作同样不方便，测定时间较长；
3.电学的方法，电容双电极探头的采集过程中，由于探头电容极小，容易受到干扰，故其应用场合也受到限制，且探头的成本不菲。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有的技术缺陷，利用油和水的不同的光学物理特性，采用一种成本低廉的方法，方便地实现油度的测量。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种测量水中油含量的方法，包括以下步骤：
(1)检测原理推演：根据朗伯-比尔定律，入射光I0经过一段长度为L的液体介质后，出射光I的光强将会发生衰减：
I＝I0e-KTL (1)
其中K为吸收系数，T为液体浓度或浊度；
当液体中含有两种介质时，如图1所示，厚度x的油膜浮于厚度L-x的水样之上，此时出射光的光强则为：
I＝I0e-(K1≠T1≠x)-(K2≠T2≠(L-x))(2)
其中K1、T1为油膜的吸收系数和浊度，K2、T2为水样的吸收系数和浊度；为了找到x的计算方法，首先测定100％水的出射光强和100％油的出射光强可得到如下公式：
得到这两个参数之后，就可测量实际油度了，由(2)式可推导出：
而(4)式两端分别除以(3)式两端并取对数后可得：
(3)式两端取对数后可得：
(6)式和(7)式代入(5)式整理后可得：
由(8)式，根据测出的实际透射光强I，就可以算出水样中的油膜厚度；
(2)检测准备：采用880nm的电流恒定的红外LED管发出入射光，经过透镜转化为平行光束，然后透过防水层后进入待测水样中，透射光束穿过水样进入加了防水层的光敏二极管，光敏二极管将光强信号转换为电压信号，输入至放大电路并经过ADC转换之后输出到中央处理器，由软件对透射光强进行计算，得出油膜厚度；
(3)标定100％水的透射光强：将蒸馏水充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值，存储100％水的透射光强值；
(4)标定100％油的透射光强：将油充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值，存储100％油的透射光强值；
(5)实际油水混合物油膜厚度测量：将油水混合液体充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到实际透射的光强值，根据步骤(1)中的公式(8)即可算出油膜厚度。
实际检测时需要用到探头，所述探头包括容纳液体的水槽，水槽上部设有开口，所述开口用于容纳红外LED发光管，水槽底部设有光敏二极管，光敏二极管由防水透明材料包覆，避免水对光敏二极管的影响。
更进一步地，所述红外LED发光管带有透镜并用防水透明材料包覆，避免水对。
更进一步地，所述防水透明材料为PVC膜。
更进一步地，所述防水透明材料厚度为0.3mm，极薄的防水材料，可以避免防水材料对透射光的光损。
本发明的有益效果为：
(1)油度测量更准确，这是因为本发明中利用油和水不同的光学物理特性，仅需要简单的标定就可以得到线性变化的结果。
(2)油度测量更方便，因为无需化学试剂和昂贵设备，可实时在线测量。
(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，方便产品设计和生产。
附图说明：
图1为本发明的检测过程流程图；
图2为本发明探头的部分结构示意图；
图3为本发明检测示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如附图1、2一种测量水中油含量的方法，包括以下步骤：
(1)检测原理推演：本发明使用了透射光测量的方法，利用油和水的对红外光的吸收程度的差异，计算出油膜厚度。根据朗伯-比尔定律，入射光I0经过一段长度为L的液体介质后，出射光I的光强将会发生衰减：
I＝I0e-KTL (1)
其中K为吸收系数，T为液体浓度或浊度；
当液体中含有两种介质时，如图1所示，厚度x的油膜浮于厚度L-x的水样之上，此时出射光的光强则为：
I＝I0e-(K1≠T1≠x)-(K2≠T2≠(L-x)) (2)
其中K1、T1为油膜的吸收系数和浊度，K2、T2为水样的吸收系数和浊度；于是本发明的目标就是找到计算x的算法，首先测定100％水的出射光强
和100％油的出射光强可得到如下公式：
得到这两个参数之后，就可测量实际油度了，由(2)式可推导出：
而(4)式两端分别除以(3)式两端并取对数后可得：
(3)式两端取对数后可得：
(6)式和(7)式代入(5)式整理后可得：
由(8)式，根据测出的实际透射光强I，就可以算出水样中的油膜厚度；
(2)检测准备：采用880nm的电流恒定的红外LED管发出入射光，880nm的电流恒定的红外LED管发出的入射光光损小，经过透镜转化为平行光束，然后透过防水层后进入待测水样中，透射光束穿过水样进入加了防水层的光敏二极管，光敏二极管将光强信号转换为电压信号，输入至放大电路并经过ADC转换之后输出到中央处理器，由软件对透射光强进行计算，得出油膜厚度；
(3)标定100％水的透射光强：将蒸馏水充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值(即)，存储100％水的透射光强值；
(4)标定100％油的透射光强：将油充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值(即)，存储100％油的透射光强值；
(5)实际油水混合物油膜厚度测量：将油水混合液体充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到实际透射的光强值，根据步骤(1)中的公式(8)即可算出油膜厚度。
在实际操作时，测量背景光强也是避免背景光强对检测的影响，通过减去背景光强的影响能增强检测准备度。
实际检测时需要用到探头，探头包括容纳液体的水槽1，水槽1上部设有开口，开口用于容纳带平行光透镜的红外LED发光管2，水槽1底部设有光敏二极管3，光敏二极管3由防水透明材料4包覆，避免水对光敏二极管的影响。在此处只是记载了探头对检测试验有用的部分结构。
带平行光透镜的红外LED发光管2用防水透明材料包覆，避免水对红外LED发光管的影响。
防水透明材料4为PVC膜。
防水透明材料4厚度为0.3mm，极薄的防水材料，可以避免防水材料对透射光的光损。
如附图3所示，进一步直观显示了检测手段，红外发光LED管5发出入射光，经过透镜6转化为平行光束，平行光束经过油水混合液体后射出到光敏二极管3，光敏二极管将光强信号转换为电压信号，输入至放大电路和并经过ADC转换之后输出到中央处理器，由软件对透射光强进行计算，得出油膜厚度，在此处没有具体描述放大电路和中央处理器，这些都是现有技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理和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效物界定。
Claims (5)
1.一种测量水中油含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检测原理推演：根据朗伯-比尔定律，入射光I0经过一段长度为L的液体介质后，出射光I的光强将会发生衰减：
I＝I0e-KTL (1)
其中K为吸收系数，T为液体浓度或浊度；
当液体中含有两种介质时，如图1所示，厚度x的油膜浮于厚度L-x的水样之上，此时出射光的光强则为：
I＝I0e-(K1≠T1≠x)-(K2≠T2≠(L-x)) (2)
其中K1、T1为油膜的吸收系数和浊度，K2、T2为水样的吸收系数和浊度；为了找到x的计算方法，首先测定100％水的出射光强和100％油的出射光强可得到如下公式：
得到这两个参数之后，就可测量实际油度了，由(2)式可推导出：
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
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</mrow>
</mrow>
而(4)式两端分别除以(3)式两端并取对数后可得：
(3)式两端取对数后可得：
(6)式和(7)式代入(5)式整理后可得：
由(8)式，根据测出的实际透射光强I，就可以算出水样中的油膜厚度；
(2)检测准备：采用880nm的电流恒定的红外LED管发出入射光，经过透镜转化为平行光束，然后透过防水层后进入待测水样中，透射光束穿过水样进入加了防水层的光敏二极管，光敏二极管将光强信号转换为电压信号，输入至放大电路并经过ADC转换之后输出到中央处理器，由软件对透射光强进行计算，得出油膜厚度；
(3)标定100％水的透射光强：将蒸馏水充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值，存储100％水的透射光强值；
(4)标定100％油的透射光强：将油充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到需要的光强值，存储100％油的透射光强值；
(5)实际油水混合物油膜厚度测量：将油水混合液体充入探头的水槽内，左右晃动，除去气泡，静置一段时间，关闭红外LED，测量背景光强，然后打开红外LED，采集输出光强后减去背景光强即得到实际透射的光强值，根据步骤(1)中的公式(8)即可算出油膜厚度。
2.根据权利要求1所述的测量水中油含量的方法，其特征在于，所述探头包括容纳液体的水槽，水槽上部设有开口，所述开口用于容纳红外LED发光管，水槽底部设有光敏二极管，光敏二极管由防水透明材料包覆。
3.根据权利要求2所述的测量水中油含量的方法，其特征在于，所述红外LED发光管带有透镜并用防水透明材料包覆。
4.根据权利要求2或3任一项所述的测量水中油含量的方法，其特征在于，所述防水透明材料为PVC膜。
5.根据权利要求2或3任一项所述的测量水中油含量的方法，其特征在于，所述防水透明材料厚度为0.3mm。
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