CN114002151A - 一种非接触式水体浊度测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式水体浊度测量装置与方法，以解决采用化学试剂存在二次污染且高温环境下准确度降低，而电流凝结法应用场景不灵活，时效性差且对电源保障要求高的技术问题。该装置中支撑单元包括支撑架及遮光罩；原液缓冲检测池具有上端面和下端面相通的腔体，腔体的上端面面积大于下端面面积；测量单元用于测量原液缓冲检测池上端的水体反射光信号；控制单元用于控制测量单元并进行测量结果的采集。该方法为：注入待测水体；调节入水口控制阀和出水口控制阀使进水量和出水量平衡；调节光源发射组件与光电探测组件；测得电信号结果并进行运算分析，得水体的浊度结果。
Description
技术领域
本发明涉及水体浊度测量装置，具体涉及一种非接触式水体浊度测量装置与方法。
背景技术
随着水体污染及地下水资源匮乏的日趋严重，越来越多的地区采用地表湖库水作为饮用水源。而浊度作为生活饮用水卫生标准基本指标之一，低于1NTU的水有利于防止致病微生物(病菌、病毒、致病原生动物)的传染，因此，保障供水安全的措施之一就是降低水的浊度。
目前，水质浊度的检测方法主要有以下几种方式：1、基于化学试剂的复合型净水剂浊度检测法，该方法通过向待测水体中投入复合净水剂进行原水杂质的预处理，形成凝絮，以此达到检测的目的。然而该方法存在化学试剂造成的水体二次污染问题，且在高温环境下准确度降低。2、电流凝结法：该方法利用电流使水体中颗粒物凝结成絮状物，在此基础上进行水体浊度的检测和处理工作。电流凝结法可避免出现化学药品对环境的二次污染，然而应用场景不灵活，大多只能在实验室等环境进行检测，时效性差，且对电力保障要求高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中基于化学试剂的复合型净水剂浊度检测法，存在化学试剂的二次污染且高温环境下准确度降低，而电流凝结法应用场景不灵活，时效性差且对电力保障要求高的技术问题，提出一种非接触式水体浊度测量装置与方法。
本发明提供的技术方案为：
一种非接触式水体浊度测量装置，其特殊之处在于：包括支撑单元、原液缓冲检测池、测量单元及控制单元；
所述支撑单元包括支撑架及设置在支撑架上的遮光罩；
所述遮光罩的下表面设置有排水孔；
所述原液缓冲检测池为上端面和下端面开口的中空腔体，所述腔体的上端面面积大于下端面面积，上端面为水平端面，下端面设置有入水口控制阀；所述原液缓冲检测池与支撑架固定连接；
所述原液缓冲检测池侧面靠近上端设置有出水口，所述出水口设置有出水口控制阀；
所述测量单元包括光源发射组件和光电探测组件，所述光源发射组件和光电探测组件设置在遮光罩内且位于原液缓冲检测池的上方；所述光源发射组件用于向原液缓冲检测池液面发射检测光；光电探测组件用于接收原液缓冲检测池液面反射的检测光光线；
所述控制单元用于控制测量单元并进行测量结果的采集。
进一步地，所述原液缓冲检测池为自下而上截面面积逐渐增大的矩形筒体，且腔体的其中两个相对侧面同向倾斜，所述出水口与原液缓冲检测池上端面的垂直距离为5mm～10mm。
进一步地，所述原液缓冲检测池为自下而上截面面积逐渐增大的圆锥形筒体，且原液缓冲检测池的中心轴线向一侧倾斜，所述出水口与原液缓冲检测池上端面的垂直距离为5mm～10mm。
进一步地，所述原液缓冲检测池的侧面还具有测试口，测试口设置有测试口控制阀。
测试口用于定期采集水体样本并用国家标准浊度检测法进行测量，基于测量结果对非接触式水体浊度测量装置进行标定。
进一步地，所述光源发射组件包括连续谱光源或者单谱段激光光源，以及与连续谱光源或者单谱段激光光源相连接的出射镜组；所述光电探测组件包括光谱分析仪或者单元探测器，以及与光谱分析仪或者单元探测器相连接的接收镜组；
所述连续谱光源或者单谱段激光光源及光谱分析仪或者单元探测器固定连接在遮光罩内且位于原液缓冲检测池上端的上方，且连续谱光源通过出射镜组发射的光线经原液缓冲检测池中水体上液面反射后形成的反射光线由接收镜组接收并传输给光谱分析仪，或者单谱段激光光源通过出射镜组发射的光线被原液缓冲检测池中水体上液面反射后形成的反射光线由接收镜组接收并传输给单元探测器；
所述连续谱光源或单谱段激光光源，以及光谱分析仪或单元探测器均与所述控制单元电连接，所述控制单元用于控制连续谱光源或单谱段激光光源的开关，设定光谱分析仪或单元探测器同步进行光信号的接收；
所述连续谱光源发射光的波长范围为185nm～1100nm，单谱段激光光源发射的激光波长为530nm±10nm。
遮光罩可以避免外界环境的光线测量单元的影响，因此设置在遮光罩中单谱段激光光源、出射镜组、单元探测器及接收镜组在测量时更准确，同时测量单元均远离水面，减少仪器的定期维护。
进一步地，所述出射镜组和接收镜组均可调节角度；所述出射镜组及接收镜组均与所述控制单元电连接，用于对出射镜组和接收镜组进行角度调节。
出射镜组和接收镜组的角度可调节，便于通过设置在遮光罩外侧控制单元，在测量时更好的找到合适的测量位置，实现发射光线能出射到原液缓冲检测池中水体上液面，而反射光线能被接收镜组接收。
进一步地，所述出水口设置的出水口控制阀为手动控制阀；
所述入水口设置的控制阀为电磁控制阀，电磁控制阀由控制单元控制用于调节入水口的水流量；
通过控制单元对电磁控制阀进行调节，与手动操作相比更便捷准确。
本发明还提供了一种非接触式水体浊度测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、打开入水口控制阀，向原液缓冲检测池中注入待测水体；
S2、待原液缓冲检测池中的水体注满后，打开出水口上的出水口控制阀，调节出水量，满足入水口的进水量与出水口的出水量平衡，使原液缓冲检测池中的水样达到动态平衡；同时控制出水口的出水量为4-6L/h；
S3、通过控制单元打开光源发射组件与光电探测组件的开关，并调整光源发射组件发射光线与光电探测组件接收光线的角度，使光源发射组件发出的光线被原液缓冲检测池中水体上液面反射后形成的反射光，能够被光电探测组件接收，并转换为电信号；
S4、将光电探测组件输出的电信号传输至控制单元进行运算分析，或者将电信号传输至控制单元，并由控制单元传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
进一步地，步骤S3具体为，通过控制单元打开单谱段激光光源与单元探测器的开关，并通过控制单元调整出射镜组与接收镜组位于法线两侧对称位置；使单谱段激光光源经出射镜组发出光线经过原液缓冲检测池上端的待测水体表面发生镜面反射形成反射光，接收镜组接收所述反射光并传输至单元探测器中，得到反射光的光强值并转换为电信号；
步骤S4具体为，将所述反射光的光强值电信号传输至控制单元进行运算分析，或者将反射光的光强值电信号传输至控制单元，并由控制单元传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
进一步地，步骤S3具体为，通过控制单元打开连续谱光源与光谱分析仪开关，并通过控制单元调整出射镜组与接收镜组位于法线两侧对称位置；使连续谱光源经出射镜组发出光线经过原液缓冲检测池的上端的待测水体表面发生镜面反射形成反射光，接收镜组接收所述反射光并传输至光谱分析仪中，得到反射光的特征光谱曲线并转换为电信号；
步骤S4具体为，将所述反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元进行运算分析，或者将反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元，并由控制单元传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
本发明的有益效果：
1、本发明通过向原液缓冲检测池的下端入水口注入待测的水体样本，水体充满原液缓冲检测池后，调节入水口的控制阀控制入水流量，测量单元设置在遮光罩内表面且位于原液缓冲检测池上端的上方，接收原液缓冲检测池中水体上液面反射的光信号对水体浊度进行测量，该装置使水体浊度测量不需要化学试剂，避免了对水体的污染，同时该装置减少了测量对电源的依赖，可根据测量需要移动至需要的位置，应用方便。
2、原液缓冲检测池从下端至上端腔体的端面面积逐渐变大，上端为水平端口，原液缓冲检测池的倾斜设计，使水体中的少量泥沙在重力作用及原液缓冲检测池倾斜面的缓冲作用下，沉积在倾斜面靠近入水口的位置，方便泥沙的清理。
3、本发明通过光源发射组件发出的光线经过原液缓冲检测池上端的待测水体表面反射形成反射光，并由光电探测组件接收，得到电信号结果，实现对水体浊度的测量，与现有透射光测量法相比，可以实现更宽范围的浊度测量，适用的范围更广泛。
附图说明
图1为本发明非接触式水体浊度测量装置实施例示意图。
附图标记：
1-遮光罩，2-原液缓冲检测池，3-控制单元，4-光源发射组件，41-出射镜组，5-光电探测组件，51-接收镜组，6-入水口，7-测试口，8-出水口，9-电磁控制阀，10-测试口控制阀，11-出水口控制阀，12-排水孔。
具体实施方式
本实施例提供一种非接触式水体浊度测量装置，包括支撑单元、原液缓冲检测池2、测量单元及控制单元3；
支撑单元包括遮光罩1，遮光罩1下设置有支撑架，遮光罩1可以固定连接在支撑架上，也可以放置在支撑架上；遮光罩1可以通过对外界光线反射或吸收，比如涂覆遮光层或者遮光罩采用遮光材料，避免外界光线对测量单元的光干涉，进而影响测量的准确性。
遮光罩1的上表面可开关，遮光罩1的下表面设置有排水孔12，遮光罩1下表面向排水孔12倾斜，也就是说排水孔12设置在遮光罩下表面的最低处，通过排水孔12直接将水排出或在排水孔12上接排水管道，将水引至指定位置排出。
原液缓冲检测池2为上端面和下端面6开口的中空腔体，腔体的上端面面积大于下端面面积，上端面为水平端面，下端面具有入水口6，入水口6设置有电磁控制阀9；原液缓冲检测池2的下端面与支撑架固定连接，出水口8设置有手动的出水口控制阀11。本实施例中，原液缓冲检测池2为自下而上截面面积逐渐增大的矩形筒体，且原液缓冲检测池2的其中两个相对侧面同向倾斜，所述出水口8与原液缓冲检测池2上端面的垂直距离为5mm～10mm。可以理解的是，原液缓冲检测池2还可以为自下而上截面面积逐渐增大的圆锥形筒体，且原液缓冲检测池(2)的中心轴线向一侧倾斜；出水口8与原液缓冲检测池2上端面的垂直距离为5mm～10mm，可以保证腔体中水体上表面的浊度实时监测数据与实际浊度更接近。
在工作状态，打开遮光罩上表面，先将电磁控制阀9打开向原液缓冲检测池2中注入待检测水体，待原液缓冲检测池2注满后，打开出水口控制阀11，调节水流量，同时通过控制单元3调节电磁控制阀9控制入水口6的水流量，使满足出水口8的出水量与入水口6的进水量达到动态平衡，关闭遮光罩上表面。可以理解的是，当进水量与出水量平衡，原液缓冲检测池2中的水体形成一种相对的动态平衡状态，可以对待测水体进行实时的监测。
原液缓冲检测池2的倾斜设置可使原液缓冲检测池2中的待测水体含有的泥沙在重力作用和斜面缓冲作用下，沉积在倾斜面靠近入水口6的位置，而不会直接沉积在入水口6的位置堵塞入水口6，使用过程只需要在入水口6处定期对泥沙进行清理。
原液缓冲检测池2的侧面还具有测试口7，测试口7设置有测试口控制阀10；测试口7用于定期采集水体样本并用国家标准浊度检测法进行测量，基于测量结果对非接触式水体浊度测量装置进行标定。
测量单元包括光源发射组件4和光电探测组件5，光源发射组件4和光电探测组件5设置在遮光罩1内且位于原液缓冲检测池2上端的上方；光源发射组件4发出的光线能够被原液缓冲检测池2中水体上液面反射至光电探测组件5。
具体的，本实施例中，光源发射组件4包括连续谱光源及与连续谱光源相连接的出射镜组41；光电探测组件5包括光谱分析仪及与光谱分析仪相连接的接收镜组51；连续谱光源及光谱分析仪均与所述控制单元3电连接，所述控制单元3用于控制连续谱光源的开关，设定光谱分析仪同步进行光信号的接收；其中，出射镜组41和接收镜组51均可进行角度调节，出射镜组41及接收镜组51均与所述控制单元3电连接，用于对出射镜组41和接收镜组51进行角度调节。
连续谱光源和光谱分析仪固定连接在遮光罩1内且位于原液缓冲检测池2上端的上方，且连续谱光源通过出射镜组41发射的光线被原液缓冲检测池2中水体上液面反射后形成反射光线由接收镜组51接收并传输给光谱分析仪。采用连续谱光源发射的光波长范围为185nm～1100nm，该波长范围可以对水体中多种组分进行测量，例如浊度、硝氮、叶绿素a、氨氮、色度、化学耗氧量COD、油类及悬浮泥沙等，在用于湖泊等淡水源进行测量时，可以根据需要对不同波长对应的测量数据进行提取、计算和分析。
采用连续谱光源和光谱分析仪进行测量时，从测试口7采集的水体样本采用国家标准浊度检测法进行测量的标准结果，与同一时间采用本实施例提供装置测量的结果相比，设定误差值为X，当-5％≤X≤﹢5％时，不需要进行标定，当X≤-5％或X≥﹢5％时，则需要对本实施例装置进行标定。
在另一个实施例中，光源发射组件4包括单谱段激光光源及与单谱段激光光源相连接的出射镜组41；光电探测组件5包括单元探测器及与单元探测器连接的接收镜组51；单谱段激光光源及单元探测器均与所述控制单元3电连接，所述控制单元3用于控制单谱段激光光源的开关，设定单元探测器同步进行光信号的接收；其中，出射镜组41和接收镜组51均可进行角度调节，出射镜组41及接收镜组51均与所述控制单元3电连接，用于对出射镜组41和接收镜组51进行角度调节。
单谱段激光光源和单元探测器固定连接在遮光罩1内且位于原液缓冲检测池2的上端的上方，且单谱段激光光源通过出射镜组41发射的光线经原液缓冲检测池2中水体上液面反射后形成的反射光线由接收镜组51接收并传输给单元探测器。
控制单元3设置在遮光罩1的外侧面，用于控制光源发射组件4的开关，设定光电探测组件5同步进行光信号的接收，并对出射镜组41和接收镜组51进行角度调节，同时对光电探测组件5的测量结果进行采集。采用单谱段激光光源发射的光波长范围为530nm±10nm，该波长范围的激光光源可以实现对水体浊度大于1NTU的水体进行监测，应用于水体浊度范围变化比较大的湖泊等进行浊度监测。
采用单谱段激光光源和单元探测器进行测量时，从测试口7采集的水体样本采用国家标准浊度检测法进行测量的标准结果，与同一时间该实施例装置测量的结果相比，设定误差值为Y，当-5％≤Y≤﹢5％时，不需要进行标定，当Y≤-5％或Y≥﹢5％时，则需要对本实施例装置进行标定。
本实施例还提供一种非接触式水体浊度测量方法，包括以下步骤：
S1、打开入水口控制阀9，向原液缓冲检测池2中注入待测水体；
S2、待原液缓冲检测池2中的水注满后，打开出水口8上的出水口控制阀11，调节出水量，满足入水口6的进水量与出水口8的出水量平衡，使原液缓冲检测池2中的水样达到动态平衡；同时控制出水口的出水量为4-6L/h，一方面，用以保证原液缓冲检测池2的腔体上端面水体平稳，利于水体浊度的测量，另一方面，又能够保证腔体内的被检测水体处于平缓流动状态，以免水体发生沉淀、凝结等物理变化，影响水体浊度实时测量的准确性；
S3、通过控制单元3打开光源发射组件4与光电探测组件5的开关，并调整光源发射组件4发射光线与光电探测组件5接收光线的角度，使光源发射组件4发出的光线被原液缓冲检测池2中水体上液面反射后形成的反射光，能够被光电探测组件5接收，并转换为电信号；
具体为，通过控制单元3打开连续谱光源与光谱分析仪开关，并通过控制单元3调整出射镜组41与接收镜组51位于法线两侧对称位置；使连续谱光源经出射镜组41发出光线经过原液缓冲检测池2中水体上液面发生镜面反射形成反射光，接收镜组51接收反射光并传输至光谱分析仪中，得到反射光的特征光谱曲线并转换为电信号。
在另一实施例中，通过控制单元3打开单谱段激光光源与单元探测器的开关，并通过控制单元3调整出射镜组41与接收镜组51位于法线两侧对称位置；使单谱段激光光源经出射镜组41发出光线经过原液缓冲检测池2中水体上液面发生镜面反射形成反射光，接收镜组51接收反射光并传输至单元探测器中，得到反射光的光强值并转换为电信号。
S4、将光电探测组件5输出的电信号传输至控制单元3进行运算分析，或者将电信号传输至控制单元3，并由控制单元3传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
具体的，将反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元3进行运算分析，或者将反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元3，并由控制单元3传输至数据终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
在另一实施例中，将反射光的光强值电信号传输至控制单元3进行运算分析，或者将反射光的光强值电信号传输至控制单元3，并由控制单元3传输至数据终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
Claims (10)
1.一种非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：包括支撑单元、原液缓冲检测池(2)、测量单元及控制单元(3)；
所述支撑单元包括支撑架及设置在支撑架上的遮光罩(1)；
所述遮光罩(1)的下表面设置有排水孔(12)；
所述原液缓冲检测池(2)为上端面和下端面(6)开口的中空腔体，所述腔体的上端面面积大于下端面面积，上端面为水平端面，下端面(6)设置有入水口控制阀；所述原液缓冲检测池(2)与支撑架固定连接；
所述原液缓冲检测池(2)侧面靠近上端设置有出水口(8)，所述出水口(8)设置有出水口控制阀(11)；
所述测量单元包括光源发射组件(4)和光电探测组件(5)，所述光源发射组件(4)和光电探测组件(5)设置在遮光罩内且位于原液缓冲检测池(2)上方；所述光源发射组件(4)用于向原液缓冲检测池(2)液面发射检测光；光电探测组件(5)用于接收原液缓冲检测池(2)液面反射的检测光光线；
所述控制单元(3)用于控制测量单元并进行测量结果的采集。
2.根据权利要求1所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述原液缓冲检测池(2)为自下而上截面面积逐渐增大的矩形筒体，且腔体的其中两个相对侧面同向倾斜，所述出水口(8)与原液缓冲检测池(2)上端面的垂直距离为5mm～10mm。
3.根据权利要求1所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述原液缓冲检测池(2)为自下而上截面面积逐渐增大的圆锥形筒体，且原液缓冲检测池(2)的中心轴线向一侧倾斜，所述出水口(8)与原液缓冲检测池(2)上端面的垂直距离为5mm～10mm。
4.根据权利要求1-3任一所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述原液缓冲检测池(2)的侧面还具有测试口(7)，测试口(7)设置有测试口控制阀(10)。
5.根据权利要求4所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述光源发射组件(4)包括连续谱光源或者单谱段激光光源，以及与连续谱光源或者单谱段激光光源相连接的出射镜组(41)；所述光电探测组件(5)包括光谱分析仪或者单元探测器，以及与光谱分析仪或者单元探测器相连接的接收镜组(51)；
所述连续谱光源或者单谱段激光光源及光谱分析仪或者单元探测器固定连接在遮光罩(1)内且位于原液缓冲检测池(2)上端的上方，且连续谱光源通过出射镜组(41)发射的光线经原液缓冲检测池(2)中水体上液面反射后形成的反射光线由接收镜组(51)接收并传输给光谱分析仪，或者单谱段激光光源通过出射镜组(41)发射的光线被原液缓冲检测池(2)中水体上液面反射后形成的反射光线由接收镜组(51)接收并传输给单元探测器；
所述连续谱光源或单谱段激光光源，以及光谱分析仪或单元探测器均与所述控制单元(3)电连接，所述控制单元(3)用于控制连续谱光源或单谱段激光光源的开关，设定光谱分析仪或单元探测器同步进行光信号的接收；
所述连续谱光源发射光的波长范围为185nm～1100nm，单谱段激光光源发射的激光波长为530nm±10nm。
6.根据权利要求5所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述出射镜组(41)和接收镜组(51)均可调节角度；所述出射镜组(41)及接收镜组(51)均与所述控制单元(3)电连接，用于对出射镜组(41)和接收镜组(51)进行角度调节。
7.根据权利要求6所述的非接触式水体浊度测量装置，其特征在于：
所述出水口(8)设置的出水口控制阀(11)为手动控制阀；
所述入水口(6)设置的控制阀为电磁控制阀(9)，电磁控制阀(9)由控制单元(3)控制用于调节入水口(6)的水流量。
8.一种非接触式水体浊度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开入水口控制阀(9)，向原液缓冲检测池(2)中注入待测水体；
S2、待原液缓冲检测池(2)中的水体注满后，打开出水口(8)上的出水口控制阀(11)，调节出水量，满足入水口(6)的进水量与出水口(8)的出水量平衡，使原液缓冲检测池(2)中的水样达到动态平衡；同时控制出水口(8)的出水量为4-6L/h；
S3、通过控制单元(3)打开光源发射组件(4)与光电探测组件(5)的开关，并调整光源发射组件(4)发射光线与光电探测组件(5)接收光线的角度，使光源发射组件(4)发出的光线被原液缓冲检测池(2)中水体上液面反射后形成的反射光，能够被光电探测组件(5)接收，并转换为电信号；
S4、将光电探测组件(5)输出的电信号传输至控制单元(3)进行运算分析，或者将电信号传输至控制单元(3)，并由控制单元(3)传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
9.根据权利要求8所述的非接触式水体浊度测量方法，其特征在于，
步骤S3具体为，通过控制单元(3)打开单谱段激光光源与单元探测器的开关，并通过控制单元(3)调整出射镜组(41)与接收镜组(51)位于法线两侧对称位置；使单谱段激光光源经出射镜组(41)发出光线经过原液缓冲检测池(2)上端的待测水体表面发生镜面反射形成反射光，接收镜组(51)接收所述反射光并传输至单元探测器中，得到反射光的光强值并转换为电信号；
步骤S4具体为，将所述反射光的光强值电信号传输至控制单元(3)进行运算分析，或者将反射光的光强值电信号传输至控制单元(3)，并由控制单元(3)传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
10.根据权利要求8所述的非接触式水体浊度测量方法，其特征在于：
步骤S3具体为，通过控制单元(3)打开连续谱光源与光谱分析仪开关，并通过控制单元(3)调整出射镜组(41)与接收镜组(51)位于法线两侧对称位置；使连续谱光源经出射镜组(41)发出光线经过原液缓冲检测池(2)的上端的待测水体表面发生镜面反射形成反射光，接收镜组(51)接收所述反射光并传输至光谱分析仪中，得到反射光的特征光谱曲线并转换为电信号；
步骤S4具体为，将所述反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元(3)进行运算分析，或者将反射光的特征光谱曲线电信号传输至控制单元(3)，并由控制单元(3)传输至外部终端设备进行运算分析，得到水体的浊度测量结果。
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