CN109187739B - 基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其中包括主控装置、超声波发射模块和超声波接收模块；本发明还涉及一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法，通过计算得到超声波衰减系数，从而得到相应的浊度值。采用本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统及方法，实现了不同频率、不同振幅的超声波的发射及接收，以及多路数据高速采集及处理，能过适应不同浓度的混合液体，从而快速有效的测得该混合液体的浊度值，而且高频的超声波信号具有自动清洗功能，还可以消除气泡带来的干扰，增加测量结果的准确性，因此通过超声波衰减系数测得的浊度值更加精确可靠，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及液体检测领域，尤其涉及液体浊度测量领域，具体是指一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统及方法。
背景技术
目前，陆地资源日渐减少，海底蕴藏着丰富的天然气及矿产资源。由于海底开采对减少陆地资源紧张及对国家发展战略都有着深远的影响，越来越多的国家投入到海底开采。大规模的开采会导致海底环境的改变，不仅会改变海底生态系统，影响海底物种生存，还会带来一系列连锁反应，改变海洋气候。按照《联合国海洋法公约》，需评估采矿对海底环境造成的影响。目前海底开采主要利用采矿机进行开采，开采过程中会产生扰动，沉积物的扰动会伴随海水电导率、PH值、浊度值及海水温度的变化，通过对海底环境参数的长期监测可以评估采矿对海洋海底环境造成的影响，并根据监测结果对采矿机进行改进，将采矿影响降到最低。
在监测的环境参数中，海水浊度值是采矿机对海底沉积物扰动的最直观的反映，采矿机的扰动可以对海水带来浑浊级别的改变，需要利用大量程浊度计进行检测。浑浊度是一种光学效应，是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对光线散射和吸收的能力，其单位用“度”表示，1L水中含有1mg的SiO2(二氧化硅)时所产生的浑浊度为1度。水中颗粒物浓度的改变表现为浑浊度的变化，因此通过检测浓度的变化而确定浑浊度的值是一种可靠的检测浊度值的方法。
传统的浊度测量方法有称重法、光透射检测法、光散射检测法以及比值法。称重法步骤繁琐且精度不高，其他测量方法都基于光衰减测量原理，虽然分辨率高，但受颗粒大小及颗粒物浓度影响，量程较小，目前市场上的商用浊度计量程范围普遍在0-1000NTU，大量程的浊度计不仅对测量环境要求较高，而且价格十分昂贵。如果在水中长时间测量，水中杂质会在光学浊度计镜片表面形成沉积物，严重影响测量结果准确度，因此需要定期清理镜头表面，保持镜片的洁净，无疑大大增加了测量成本。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够产生多种超声波信号并且高速采集处理，实现混合液体浊度检测简单、快速、有效的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统具有如下构成：
该基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其主要特点是，所述的系统包括主控装置、超声波发射模块和超声波接收模块，所述的超声波接收模块与所述的超声波发射模块在液体中相隔一定距离，所述的主控装置用以控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波，以及用以处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
其中，所述的主控装置包括控制信号源发生模块，超声波信号采集模块和数据处理模块，其中：
所述的控制信号源发生模块用以产生多种类型的控制信号来控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波；
所述的超声波信号采集模块用以采集多路所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅；
所述的数据处理模块用以处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
进一步地，所述的超声波发射模块包括数个将控制信号转换成激励信号的超声波发射电路和相应的超声波发射换能器，所述的超声波接收模块包括数个具有滤波放大功能的超声波接收电路和相应的超声波接收换能器。
另外，本发明还提供一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)在液体中以设定的频率和振幅发射超声波；
(2)在相应距离处采集超声波的频率和振幅；
(3)计算得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
6、根据权利要求5所述的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法，其特征在于，所述的得到该超声波衰减系数相应的浊度值，具体为：
根据所述的衰减系数计算得到相应的浓度值，再根据该浓度值计算得到相应的浊度值。
采用了本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，超声波发射模块和超声波接收模块实现了不同频率、不同振幅的超声波的发射及接收，主控装置能够产生多种控制信号，以及多路数据高速采集及处理，能过适应不同浓度的混合液体，从而快速有效的测得该混合液体的浊度值，该系统结构简单，利于实现。本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法利用超声波衰减与混合液固体颗粒物浓度之间、以及混合液固体颗粒物浓度和混合液浊度值之间都存在良好的线性关系，通过采集处理得到超声波衰减系数，从而得到浓度值与浊度值，超声波波长较长，具有穿透能力强、频带宽、非接触性等特点，与当前的光学浊度计相比更能轻易解决由于颗粒粒径及浓度影响带来的测量量程低等问题，而且高频的超声波信号具有自动清洗功能，还可以消除气泡带来的干扰，增加测量结果的准确性，因此通过超声波衰减系数测得的浊度值更加精确可靠，具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的连接框图。
图2为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的超声波发射电路的电路图。
图3为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的超声波接收电路的电路图。
图4为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
超声波在固液混合物中传播时，会因为不同原因发生衰减。发生衰减的原因主要衰减有扩散衰减、吸收衰减及散射衰减。扩散衰减是由于超声波本身在传播过程中，随传播距离的增加会发生能量衰减。吸收衰减是由于超声波在传播过程中与介质点发生能量交换而产生衰减，包含粘滞衰减和热传导衰减两个过程。而散射衰减是由于介质的阻碍改变了超声波传播方向，使得超声波接收换能器接收到的超声波能量减少。
超声波在某一成分特定的固液混合物中传播时，传播速度为定值，随着超声波频率的增加，超声波波长逐渐减小，使得散射衰减增强，粘滞衰减减弱，此时，造成超声波衰减的因素中，散射衰减占主导作用，在混合液中，超声波衰减系数随超声波频率的增加而增加，近似呈线性关系，因此在选用超声波换能器时，所选择的换能器频率不能太低，否则会使得衰减现象不明显。经过试验可知，超声波衰减与混合液固体颗粒物浓度之间、以及混合液固体颗粒物浓度和混合液浊度值之间都存在良好的线性关系，因此可以利用超声波衰减测混合液浊度值。
如图1所示，为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的连接框图，所述的系统包括主控装置、超声波发射模块和超声波接收模块，所述的超声波接收模块与所述的超声波发射模块相隔一定距离放入待检测的液体中，所述的主控装置控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波，以及处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，由于超声波衰减系数与浓度、浓度和浊度都有线性关系，因此可以根据该超声波衰减系数得到相应的浊度值。
其中，所述的主控装置包括控制信号源发生模块，超声波信号采集模块和数据处理模块，所述的控制信号源发生模块用以产生多种类型的控制信号来控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波；所述的超声波信号采集模块用以采集多路所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅；所述的数据处理模块用以处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
此外，所述的超声波发射模块包括数个将控制信号转换成激励信号的超声波发射电路和相应的超声波发射换能器。所述的超声波接收模块包括数个具有滤波放大功能的超声波接收电路和相应的超声波接收换能器。
在一种具体实施方式中，主控装置包括数据采集卡及Lab VIEW上位机组成，LabVIEW上位机主要由参数设置，数据显示模块组成，能够十分直观、方便设置所需激励信号参数，并且可以通过图形显示控件显示产生的理论波形信号，通过瞬态特性测量数据显示部分可以测得产生的波形的基本信息。该装置可以产生多种类型的控制信号，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波形等，可以根据实际需求，发射串波或特定频率的单个波形，也可以自定义波形函数，实现自定义波形输出。当Lab VIEW上位机产生控制信号，控制信号控制超声波发射电路产生激励信号激励超声波发射换能器产生超声波，超声波经过混合液体发生衰减，由超声波接收换能器接收，再经过放大滤波，Lab VIEW通过数据采集卡采集超声波信号。
在一个优选的实施方式中，主控装置还包括NI机箱、，NI机箱型号为NI PXIe-1062Q，可支持多种测量模块，背板总带宽可达3GB/s。具有8个插槽，支持一个控制器及7种不同数据采集卡，能够满足多路数据的高速采集，还可以实现多块采集卡同时采集数据。数据采集卡有两种，其型号分别为NI PXIe-5105及NI PXIe-6341。PXIe-5105其最大采样频率可达60MHz/s，用来实现信号高速采集，PXIe-6341数据采集卡实现控制信号的输出，此时，Lab VIEW上位机产生控制信号可以通过NI机箱及数据采集卡实现控制信号的输出，不必再额外设立输出电路，简化了系统结构。
在另一个优选的实施方式中，如图2所示，为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的超声波发射电路的电路图，其中，6N137是光耦合器，对控制端具有隔离保护作用。Q2为开关元件，当栅极接入高电平，场效应管为导通状态，电感L1、电阻R1和场效应管Q2构成回路，电感L1进行储能。当栅极接入低电平时，场效应管断开，电感L1、电容C2和电阻R4组成谐振电路进行放电，在R4上形成高压脉冲，加载在传感器U1上即可激励发射换能器产生超声波。该超声波发射电路主要利用电容电感储能元件的储能特性，放电产生瞬时高压脉冲，该种电路中只需要提供电压直流电源，较安全，且电路体积较小。
超声波换能器在高压激励脉冲激励下产生的超声波经过混合液后，会发生衰减，信号电压幅值较小，并且信号中伴随着噪声干扰，不利于后续的信号处理，在进行信号采集前，需要对信号进行放大滤波，减少误差。在另一个优选的实施方式中，如图3所示，为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统的超声波接收电路的电路图，由于需要采集不同频率的超声波，因此设计不同中心频率及带宽的放大滤波电路，图3为超声波接收换能器频率为37KHz时的放大滤波电路。其中心频率为37KHz，带宽为15KHz，放大倍数为5倍。
基于上述内容，如图4所示，为本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法的流程图，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)在液体中以设定的频率和振幅发射超声波；
(2)在相应距离处采集超声波的频率和振幅；
(3)计算得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
其中，所述的得到该超声波衰减系数相应的浊度值，具体为：
根据所述的衰减系数计算得到相应的浓度值，再根据该浓度值计算得到相应的浊度值。
采用了本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，超声波发射模块和超声波接收模块实现了不同频率、不同振幅的超声波的发射及接收，主控装置能够产生多种控制信号，以及多路数据高速采集及处理，能过适应不同浓度的混合液体，从而快速有效的测得该混合液体的浊度值，该系统结构简单，利于实现。本发明的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法利用超声波衰减与混合液固体颗粒物浓度之间、以及混合液固体颗粒物浓度和混合液浊度值之间都存在良好的线性关系，通过采集处理得到超声波衰减系数，从而得到浓度值与浊度值，超声波波长较长，具有穿透能力强、频带宽、非接触性等特点，与当前的光学浊度计相比更能轻易解决由于颗粒粒径及浓度影响带来的测量量程低等问题，而且高频的超声波信号具有自动清洗功能，还可以消除气泡带来的干扰，增加测量结果的准确性，因此通过超声波衰减系数测得的浊度值更加精确可靠，具有更广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (6)
1.一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其特征在于，所述的系统包括主控装置、超声波发射模块和超声波接收模块，所述的超声波接收模块与所述的超声波发射模块在液体中相隔一定距离，所述的主控装置用以控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波，以及用以处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，并基于超声波衰减系数与浓度、浓度与浊度之间的线性关系，得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
2.根据权利要求1所述的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其特征在于，所述的主控装置包括控制信号源发生模块，超声波信号采集模块和数据处理模块，其中：
所述的控制信号源发生模块用以产生多种类型的控制信号来控制所述的超声波发射模块产生不同频率、不同振幅的超声波；
所述的超声波信号采集模块用以采集多路所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅；
所述的数据处理模块用以处理所述的超声波接收模块接收到的超声波的频率和振幅，得到相应的超声波衰减系数，并得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
3.根据权利要求1所述的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其特征在于，所述的超声波发射模块包括数个将控制信号转换成激励信号的超声波发射电路和相应的超声波发射换能器。
4.根据权利要求1所述的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的系统，其特征在于，所述的超声波接收模块包括数个具有滤波放大功能的超声波接收电路和相应的超声波接收换能器。
5.一种基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法，其特征在于，其采用权利要求1所述的系统，所述的方法包括以下步骤：
（1）在液体中以设定的频率和振幅发射超声波；
（2）在相应距离处采集超声波的频率和振幅；
（3）计算得到相应的超声波衰减系数，并基于超声波衰减系数与浓度、浓度与浊度之间的线性关系，得到该超声波衰减系数相应的浊度值。
6.根据权利要求5所述的基于超声波衰减实现混合液体浊度测量的方法，其特征在于，所述的得到该超声波衰减系数相应的浊度值，具体为：
根据所述的衰减系数计算得到相应的浓度值，再根据该浓度值计算得到相应的浊度值。
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| CN109187739A (zh) | 2019-01-11 |
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