CN109557032A - 浊度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浊度测量装置，包括：前盖、壳体、发光元件、探测光路、两个光学窗口和清洗装置；清洗装置包括电机和用于清洗所述光学窗口的清洗部件；电机包括传动轴及用于带动传动轴旋转的电机本体；前盖设有第一通孔和两个斜孔；传动轴可转动地穿过第一通孔与清洗部件固定连接；两个斜孔的轴线共面且从斜孔内朝前盖的外表面的方向延伸相交；第一通孔的轴线垂直于前盖的外表面；光学窗口设于对应的斜孔内且与斜孔密封配合；光学窗口的外端面位于对应的斜孔的开口处且与前盖的外表面共面；前盖分别与发光元件及探测光路固定连接；发光元件的中心线与第一斜孔的轴线重合；探测光路的中心线与第二斜孔的轴线重合。本发明可提高测量结果的准确性。

Description

浊度测量装置

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是涉及浊度测量装置。

背景技术

浊度是水质监测的重要参数之一，浊度测量是饮用水安全、水体污染监控方面的重要手段。随着生活水平的提高，人们对浊度测量的要求越来越高，操作简单、灵敏度高、阈值低、在线式监测是其发展方向。投入式浊度测量装置具有无需取样，使用简单等特点，是实现在线监测理想选择。然而，由于投入式浊度测量装置长期放置在待测液体中，其光学探头表面不可避免的会发生污染而降低测量结果的准确性。

发明内容

基于此，有必要提供一种浊度测量装置，可提高浊度测量结果的准确性。

本发明提供一种浊度测量装置，其包括：前盖、发光元件、探测光路、两个光学窗口和清洗装置；所述清洗装置包括电机和用于清洗所述光学窗口的清洗部件；所述电机包括传动轴及用于带动所述传动轴旋转的电机本体；所述前盖设有第一通孔和两个斜孔；所述传动轴可转动地穿过所述第一通孔与所述清洗部件固定连接；所述第一通孔的轴线垂直于所述前盖的外表面；所述两个斜孔的轴线共面且从所述斜孔内朝所述前盖的外表面的方向延伸相交；所述斜孔与所述光学窗口对应设置；所述光学窗口设于对应的所述斜孔内且与所述斜孔密封配合；所述光学窗口的外端面位于对应的所述斜孔的开口处且与所述前盖的外表面共面；所述两个斜孔包括第一斜孔和第二斜孔；所述发光元件与所述前盖固定连接；所述探测光路与所述前盖固定连接；所述发光元件的中心线与所述第一斜孔的轴线重合；所述探测光路的中心线与所述第二斜孔的轴线重合。

在一种可选的实施方式中，所述清洗部件包括清洗橡胶片、锁紧装置及用于支撑所述清洗橡胶片以使所述清洗橡胶片保持预定形状的橡胶片固定座；所述橡胶片固定座与所述清洗橡胶片固定连接；所述橡胶片固定座通过所述锁紧装置与所述传动轴固定连接；所述清洗橡胶片与所述前盖的外表面接触。

在一种可选的实施方式中，所述发光元件的中心线与所述探测光路的中心线垂直相交。

在一种可选的实施方式中，所述浊度测量装置还包括用于固定所述发光元件及所述探测光路的光路固定座；所述光路固定座与所述前盖固定连接。

在一种可选的实施方式中，所述光路固定座设有用于容置所述发光元件的第三斜孔，及用于容置所述探测光路的第四斜孔；所述光路固定座分别与所述发光元件及所述探测光路固定连接；所述第三斜孔的轴线与所述第一斜孔的轴线重合；所述第四斜孔的轴线与所述第二斜孔的轴线重合。

在一种可选的实施方式中，所述探测光路包括所述第四斜孔内沿远离所述前盖的方向依次设置的透镜、滤光片和光探测元件。

在一种可选的实施方式中，所述浊度测量装置还包括用于固定所述电机本体的电机固定座；所述电机固定座与所述前盖固定连接；所述光路固定座通过所述电机固定座与所述前盖固定连接。

在一种可选的实施方式中，所述浊度测量装置还包括壳体；所述壳体的一端设有用于与所述前盖密封匹配的开口；所述电机固定座设于所述壳体内；所述光路固定座设于所述壳体内；壳体设有用于与所述前盖密封配合的开口；所述壳体呈圆筒状；所述第一通孔的轴线平行于所述壳体的中心轴线；所述壳体的中心轴线平行于由所述第三斜孔的轴线与所述第四斜孔的轴线确定的平面。

在一种可选的实施方式中，所述浊度测量装置还包括至少三个螺柱；所述螺柱设于所述前盖的外表面上位于所述清洗部件随所述传动轴转动所经过的区域以外的位置。

在一种可选的实施方式中，所述浊度测量装置还包括控制器、驱动电路、光电探测电路、移相电路、乘法器和低通滤波电路；

所述控制器分别与所述驱动电路的输入端及所述移相电路的输入端连接。所述控制器用于输出触发信号；所述触发信号为正弦调制信号或余弦调制信号；

所述驱动电路用于根据所述控制器输出的所述触发信号向所述发光元件提供驱动信号。

所述发光元件用于响应所述驱动信号而发光；

所述光电探测电路与所述乘法器的输入端连接，用于配合所述探测光路将光信号转换为电信号。

所述移相电路用于对所述控制器输出的触发信号进行相位移动。

所述乘法器与所述低通滤波电路的输入端连接。所述乘法器用于将所述光电探测电路输出的电信号与所述移相电路输出的信号相乘；

所述低通滤波电路，与所述控制器的输入端连接，用于对所述乘法器输出的信号进行低通滤波后传输至所述控制器。

相比于现有技术，本发明提供的浊度测量装置，通过光学窗口隔离发光元件与待测物，以及隔离探测光路与待测液体，并通过清洗部件与传动轴固定连接，可实现由传动轴带动清洗部件，对光学窗口位于与前盖的外表面共面的一端的端面进行清洗，防止因污染物附着于光学窗口而对测量结果造成影响，从而提高测量结果的准确性。此外，两个光学窗口的外端面位于同一平面，有利于电机和清洗部件的安装。

附图说明

图1是本发明一实施方式中的浊度测量装置的剖视图；

图2是图1中的D部分的局部放大图；

图3是本发明一实施方式中的前盖的所述前盖的外表面图；

图4是本发明一实施方式中的光路固定座的示意图；

图5是本发明一实施方式中的硬件电路的示意图。

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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一元件，它可以直接固定于与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件；当元件被称为与另一个元件“连接”时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，其是本发明一实施方式中的浊度测量装置的剖视图。结合图2～图4所示，在本实施例中，浊度测量装置包括前盖1、壳体5、发光元件21、探测光路20、两个光学窗口10、11、光路固定座2、清洗装置、电机固定座32、电路板4、后盖6、防水接头7和电缆8。

清洗装置包括电机3和用于清洗所述光学窗口的清洗部件30。电机3包括传动轴35和用于带动传动轴35旋转的电机本体31。具体地，电机本体31包括电机轴。传动轴35与电机本体的电机轴固定连接，使得电机轴转动时带动传动轴35转动。

光学窗口，又称光学保护窗、光学窗口片。光学窗口安装在前盖1的两个斜孔内。前盖1为圆形盖。前盖1设有两个斜孔。前盖1的该两个斜孔的轴线共面且从斜孔内朝前盖1的外表面的方向延伸相交，两个斜孔的轴线互相垂直。前盖1的两个斜孔包括第一斜孔12和第二斜孔13。两个光学窗口包括第一光学窗口10和第二光学窗口11。第一光学窗口10设于第一斜孔12内且与第一斜孔12密封配合。第一光学窗口10的外端面位于第一斜孔12的开口处且与前盖1的外表面S1共面。第二光学窗口11设于第二斜孔13内且与第二斜孔13密封配合。第二光学窗口11的外端面位于第二斜孔13的开口处且与前盖1的外表面S1共面。光学窗口与前盖1的斜孔密封配合，可防止液体进入斜孔。第一光学窗口10和第二光学窗口11分别为发光元件和探测光路所经过的光路，由于两个斜孔的轴线互相垂直，因此发光元件和探测光路所经过的光路也互相垂直，满足浊度测量要求。

前盖1还设有第一通孔15，第一通孔15的轴线垂直于前盖1的外表面S1。传动轴35可转动地穿过第一通孔15与清洗部件30固定连接。在实际设计中，第一通孔15在前盖1的位置可结合清洗部件的尺寸和位置进行综合考虑，应保证清洗部件30随传动轴35转动时所经过的区域覆盖两个光学窗口。

进一步，浊度测量装置还包括至少三个螺柱14。螺柱14设于前盖1的外表面上位于清洗部件30随传动轴35转动所经过的区域以外的位置。螺柱14用于保护位于前盖1的外表面S1的两个光学窗口、光学窗口的清洗部件30。

在本实施例中，清洗部件30包括清洗橡胶片33、锁紧装置36及用于支撑清洗橡胶片33以使清洗橡胶片33保持预定形状的橡胶片固定座34。橡胶片固定座34与清洗橡胶片33固定连接。橡胶片固定座34通过锁紧装置36与传动轴35固定连接。清洗橡胶片33与前盖1的外表面接触。通过锁紧装置36锁紧传动轴35和橡胶片固定座34，将步进电机3产生的转动力矩输出到前盖1外表面，带动橡胶片固定座34转动；当橡胶片固定座34随着传动轴35转动时，清洗橡胶片33在前盖1的外表面转动，清洗安装在前盖1上面的第一光学窗口10和第二光学窗口11。通过清洗橡胶片33对光学窗口进行清洗，既可保证清洗效果，又避免损害光学窗口，有利于提高光学窗口的使用寿命。在其他实施例中，清洗橡胶片还可以采用海绵等清洗工具来替代，橡胶片固定座还可以采用海绵固定座来替代。

光路固定座2分别与发光元件21及探测光路20固定连接。光路固定座2设有用于安装发光元件21的第三斜孔26，及用于安装探测光路20的第四斜孔27。发光元件21容置于第三斜孔26，探测光路20容置于第四斜孔27。发光元件的中心线L2与探测光路的中心线L1垂直相交，满足浊度行业标准《DL/T809-2002》中对散射光浊度测量角度的要求。发光元件21的中心线L2与第三斜孔26的轴线重合，第三斜孔26的轴线与第一斜孔12的轴线重合。探测光路20的中心线L1与第四斜孔27的轴线重合，第四斜孔27的轴线与第二斜孔13的轴线重合。可选的，光路固定座2的形状呈“V”形。本实施例通过将发光元件21安装于光路固定座的第三斜孔，将探测光路20安装于第四斜孔，利于通过斜孔的设计来保证发光元件与探测光路的中心线满足要求，降低光路的安装复杂度。

探测光路20包括于第四斜孔27内沿远离前盖1的方向依次设置的透镜22、滤光片23和光探测元件24，通过透镜22进行散射光的收集，通过滤光片23进行光信号的频率选择，有利于提高测量结果的准确性。发光元件21、光探测元件24的引脚焊在电路板4上面。电路板4固定在前盖1上。

光路固定座2与电机固定座32固定连接。电机固定座32与前盖1固定连接。光路固定座2设有两个用于将光路固定座2安装在电机固定座32上的安装孔25。光路固定座2通过电机固定座32与前盖1固定连接。

电机固定座32用于固定电机本体31，通过将电机本体31安装在电机固定座32上，来保证电机本体31与前盖1的固定连接，提高结构稳定性。

电机本体31的控制线焊在电路板4上面。

壳体5呈圆筒状，或称，壳体5为两头开口的空心圆柱体。壳体5的一端设有用于与前盖1密封配合的开口。前盖1的侧面还设有两个环形凹槽17。环形凹槽17用于安置防水圈。通过防水圈可提高前盖1与壳体5开口的密封配合效果。在安装本浊度测量装置时可把连着光路固定座2、清洗装置、电路板4的前盖1塞进壳体5。壳体5的开口与前盖1密封配合，即前盖1将壳体5的开口封住，防止待测液体进入壳体内。

壳体5的另一端设有用于与后盖6密封配合的开口。后盖6设置有环形凹槽61，用于放置密封圈，后盖6通过密封圈与壳体5密封配合，防止待测液体进入壳体5内部。壳体5为不锈钢金属；后盖6设置有中心孔，用于安装电缆8和防水接头7，电缆8穿过防水接头7，和后盖6的中心孔后与电路板4连接，用于供电和传输信号，同时可以防止待测液体进入壳体内部。

壳体5的中心轴线L3平行于第一通孔15的轴线，即第一通孔15的轴线与壳体5的中心轴线并不重合，利于为光路固定座2的安装腾出空间。壳体5的中心轴线平行于由第三斜孔26的轴线与第四斜孔27的轴线确定的平面，即壳体5的中心轴线没有在该确定的平面上，利于为电机固定座32的安装腾出空间，从而实现结构的均衡。

本实施例的有益效果：通过光学窗口隔离发光元件与待测液体，及隔离探测光路与待测液体，通过斜孔的设计来保证发射光路与探测光路的垂直，并通过清洗部件与传动轴固定连接，可实现由传动轴带动清洗部件，对光学窗口位于与前盖的外表面的一端的外端面进行清洗，防止因污染物附着于光学窗口而对测量结果造成影响，从而提高测量结果的准确性。此外，两个光学窗口的外端面位于同一平面，有利于清洗部件的安装。

请参阅图5，浊度测量装置还包括硬件电路，该硬件电路包括控制器40、驱动电路41、光电探测电路42、移相电路43、乘法器44、低通滤波电路45、和模数转换电路46。

控制器40分别与驱动电路41的输入端及移相电路43的输入端连接，用于输出触发信号。触发信号为正弦调制信号或余弦调制信号。

驱动电路41用于根据控制器40输出的触发信号向发光元件21提供驱动信号。

发光元件21用于响应驱动信号而发光。

光电探测电路42，与乘法器44的输入端连接，用于配合探测光路20将光信号转换为电信号。光电探测电路42为探测光路20的外围电路，探测光路20与光电探测电路42组成光电传感器，将接收到的光信号转换为电信号。

移相电路43用于对控制器40输出的触发信号进行相位移动。

乘法器44的输出端与低通滤波电路45的输入端连接，用于将光电探测电路42输出的电信号与移相电路43输出的信号相乘。

低通滤波电路45的输出端与模数转换电路46的输入端连接，用于对乘法器44输出的信号进行低通滤波后传输至模数转换电路46。

模数转换电路46的输出端与控制器40的输入端连接，用于对低通滤波电路45输出的信号进行模数转换后传输至控制器40。

控制器40的输入端连接，用于对乘法器44输出的信号进行低通滤波和模数转换后传输至控制器40。通过该硬件电路可提高测量精度，实现低浊度测量。

下面以触发信号为正弦调制信号说明其原理：

在本实施例中，发光元件21为LED。移相电路、乘法器、低通滤波电路(LPF)组成锁相放大模块，具有检测微弱信号的能力，控制器负责产生频率为ω₀的触发信号：

R(t)＝V_rcos(ω₀t)；

该触发信号经过驱动电路的驱动后将LED光源发光调制成同频率光信号，该同频光信号经过待测液体90°散射，光探测元件、光电探测电路后散射信号S(t)为：

S(t)＝V_Scos(ω₀t+θ₁)；

散射信号S(t)的频率与输入信号相同，但是产生了θ₁相移，输入到乘法器的一个输入端口；

同时，驱动信号R(t)经过移相电路移相θ₂，输入到乘法器的另一个输入端口，即

R(t)＝V_rcos(ω₀t+θ₂)；

乘法器输出的信号为：

经过LPF滤除高频信号后，输出信号为：

该信号为直流信号，当移相电路的相移量θ₂＝θ₁时，可得到最大输出信号，实现微弱的浊度散射信号测量，如实现自来水等低浊度水体的浊度测量。

可选的，发光元件选用的波长860nm的红外光源，发光元件响应驱动电路输出的驱动信号发出红外光，红外光通过光学窗口片后照射到水体中，红外光与水体中颗粒作用后产生散射光，其中90°方向的散射光通过另外一个光学窗口片后到达光探测元件，由光电探测电路输出电信号，输入到乘法器的信号输入端口；光探测元件24可以为光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管等；

控制器，又称微处理器，其为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)。

ADC在控制器的控制下完成信号的采集，并转换成数字信号输入到控制器中，控制器完成浊度值计算、标定、并将从数字输出模块或者模拟输出模块输出；

数字输出模块为常用的数字接口，如RS232、RS485、RJ45、USB等；

模拟输出模块为常用的电流输出接口，如0-20mA、4-20mA模块。

浊度测量装置还包括电机驱动电路49。在本实施例中，电机为步进电机。控制器可以根据设定的时间间隔启动步进电机进行清洁前盖1端面，每次启动步进电机时，步进电机带动清洁橡胶片在前盖1端面转动若干次，例如，转动2次。

控制器也可以接收外部命令启动步进电机进行清洁前盖1端面；

在本实施例中，电机3为步进电机。

进一步，控制器控制步进电机，以使清洁橡胶片进行清洁时，控制器不采集数据，清洁完成后自动采集数据。

以上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)

1.一种浊度测量装置，其特征在于，包括：前盖、发光元件、探测光路、两个光学窗口和清洗装置；所述清洗装置包括电机和用于清洗所述光学窗口的清洗部件；所述电机包括传动轴及用于带动所述传动轴旋转的电机本体；所述前盖设有第一通孔和两个斜孔；所述传动轴可转动地穿过所述第一通孔与所述清洗部件固定连接；所述第一通孔的轴线垂直于所述前盖的外表面；所述两个斜孔的轴线共面且从所述斜孔内朝所述前盖的外表面的方向延伸相交；所述斜孔与所述光学窗口对应设置；所述光学窗口设于对应的所述斜孔内且与所述斜孔密封配合；所述光学窗口的外端面位于对应的所述斜孔的开口处且与所述前盖的外表面共面；所述两个斜孔包括第一斜孔和第二斜孔；所述发光元件与所述前盖固定连接；所述探测光路与所述前盖固定连接；所述发光元件的中心线与所述第一斜孔的轴线重合；所述探测光路的中心线与所述第二斜孔的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的浊度测量装置，其特征在于，所述清洗部件包括清洗橡胶片、锁紧装置及用于支撑所述清洗橡胶片以使所述清洗橡胶片保持预定形状的橡胶片固定座；所述橡胶片固定座与所述清洗橡胶片固定连接；所述橡胶片固定座通过所述锁紧装置与所述传动轴固定连接；所述清洗橡胶片与所述前盖的外表面接触。

3.根据权利要求1所述的浊度测量装置，其特征在于，所述发光元件的中心线与所述探测光路的中心线垂直相交。

4.根据权利要求1所述的浊度测量装置，其特征在于，还包括用于固定所述发光元件及所述探测光路的光路固定座；所述光路固定座与所述前盖固定连接。

5.根据权利要求4所述的浊度测量装置，其特征在于，所述光路固定座设有用于容置所述发光元件的第三斜孔，及用于容置所述探测光路的第四斜孔；所述光路固定座分别与所述发光元件及所述探测光路固定连接；所述第三斜孔的轴线与所述第一斜孔的轴线重合；所述第四斜孔的轴线与所述第二斜孔的轴线重合。

6.根据权利要求5所述的浊度测量装置，其特征在于，所述探测光路包括所述第四斜孔内沿远离所述前盖的方向依次设置的透镜、滤光片和光探测元件。

7.根据权利要求4-6任一项所述的浊度测量装置，其特征在于，所述浊度测量装置还包括用于固定所述电机本体的电机固定座；所述电机固定座与所述前盖固定连接；所述光路固定座通过所述电机固定座与所述前盖固定连接。

8.根据权利要求7所述的浊度测量装置，其特征在于，还包括壳体；所述壳体的一端设有用于与所述前盖密封匹配的开口；所述光路固定座设于所述壳体内；所述电机固定座设于所述壳体内；所述壳体设有用于与所述前盖密封配合的开口；所述壳体呈圆筒状；所述第一通孔的轴线平行于所述壳体的中心轴线；所述壳体的中心轴线平行于由所述第三斜孔的轴线与所述第四斜孔的轴线确定的平面。

9.根据权利要求1或2所述的浊度测量装置，其特征在于，还包括至少三个螺柱；所述螺柱设于所述前盖的外表面上位于所述清洗部件随所述传动轴转动所经过的区域以外的位置。

10.根据权利要求1所述的浊度测量装置，其特征在于，还包括控制器、驱动电路、光电探测电路、移相电路、乘法器和低通滤波电路；

所述控制器，分别与所述驱动电路的输入端及所述移相电路的输入端连接，用于输出触发信号；所述触发信号为正弦调制信号或余弦调制信号；

所述驱动电路，用于根据所述控制器输出的所述触发信号向所述发光元件提供驱动信号；

所述发光元件，用于响应所述驱动信号而发光；

所述光电探测电路，与所述乘法器的输入端连接，用于配合所述探测光路将光信号转换为电信号；

所述移相电路，用于对所述控制器输出的触发信号进行相位移动；

所述乘法器，与所述低通滤波电路的输入端连接，用于将所述光电探测电路输出的电信号与所述移相电路输出的信号相乘；

所述低通滤波电路，与所述控制器的输入端连接，用于对所述乘法器输出的信号进行低通滤波后传输至所述控制器。