CN114354501B - 一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置与方法，以解决目前光学方法的测量窗口沉积物清理操作麻烦的技术问题。该装置中壳体内设置水体容置管，水体容置管具有相通的、断面形状和尺寸相同的过渡腔和散射腔；驱动模块包括下端开口的中空驱动杆，驱动杆伸入过渡腔，下端部设置有清洁刷；清洁刷与过渡腔及散射腔相适配；驱动杆上端与排水模块相通；检测模块用于检测水体的浊度；信号处理输出模块用于对检测的数据进行处理和输出。该方法包括：配置多种标准溶液，测量水体浊度并绘制浊度标准曲线；测量待测水体，求解水体浊度；按设定程序进行散射腔的清洁；重复测量和清洁过程对水样实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及水体浊度测量装置，具体涉及一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置与方法。
背景技术
浊度就是水的混浊程度，表现为水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中含有泥土、粉尘、微细有机物、浮游动物和其他微生物等悬浮物和胶体物都可使水呈现浊度。水体浊度是水中不同大小、比重、形状的悬浮物、胶体物质以及微生物杂质对光线透过时产生的阻碍程度。浊度的大小不仅与水体中的颗粒物有关，而且与其颗粒大小、形状和表面积有关。液体浊度测量在供水、酿酒、制药、环境保护及卫生防疫等诸多行业和部门有着广泛的用途。在水质监测方面，浊度是一个重要的表征水质的参数，也是评价出厂水水质的重要参数之一。浊度的测量在工业用水和日常生活饮用水的浊度控制方面有着重要的作用和意义。
目前，水质浊度的检测方法主要有以下两种方式：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。该方法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。
随着光学技术的发展，应用于水质浊度检测的光学方法也越来越多，光学方法避免了化学试剂对水体的污染，也降低了对电力保障的要求。目前常用的光学方法包括目视比浊法、透射光法、散射光法和积分球法(散射+透射法)，目视比浊法准确性较差，只适合粗略判断水体浊度；透射光法、散射光法的不同主要是光电探测器相对于入射光的角度不同和光电探测器的数量不同，但是在对水体进行长期监测过程中，水中的杂质会沉积附着在测量窗口，使浊度的测量误差增大，目前的操作需要将监测设备关停，人工对测量窗口进行清理，操作麻烦。
发明内容
本发明的目的在于解决目前光学方法的测量窗口沉积物清理操作麻烦的技术问题，提出一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置与方法。
本发明提供的技术方案为：
一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特殊之处在于：
包括壳体、设置在壳体内的水体容置管、驱动模块、排水模块、检测模块及信号处理输出模块；壳体上设有入水口；
所述水体容置管具有相通的过渡腔和散射腔，所述过渡腔与散射腔垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸相同；所述散射腔的下端与入水口相接；
所述驱动模块包括驱动组件及与驱动组件连接的下端开口的中空驱动杆，驱动杆伸入过渡腔，所述驱动杆的下端部设置有清洁刷；
所述清洁刷垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸与过渡腔及散射腔相适配；所述清洁刷用于在驱动杆的带动下在散射腔内上下运动；
所述排水模块包括排水管和排水口；所述驱动杆的上端设置有通孔，所述过渡腔的上端设置有沿轴向延伸的长条孔，所述排水管的一端穿过长条孔与所述通孔密封连接，所述排水口设置在壳体外侧面，所述排水管的另一端与排水口连接；
所述检测模块用于检测散射腔内水体的浊度；
所述信号处理输出模块用于对检测模块检测的数据进行处理和输出。
进一步地，所述清洁刷为套设在驱动杆上的至少一个橡胶垫，所述橡胶垫垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸与上腔体和散射腔相适配。
进一步地，所述水体容置管还包括设置在散射腔下且与散射腔相通的缓冲腔，所述入水口设置在缓冲腔的下端。
进一步地，所述散射腔设置有第一透光窗和第二透光窗，所述检测模块包括光源发射组件和光源接收组件，光源发射组件的发射光从第一透光窗进入散射腔，光源接收组件接收从第二透光窗射出的散射光，且光源发射组件的发射光与光源接收组件接收的散射光垂直；
所述光源发射组件的发射光为激光，所述激光的波长为800±10nm。
系统利用激光光源能量较高的特点，大大改善了散射后散射光能量较低的缺陷，提高了接收镜组的能通量，满足低浊度时的测量需求，使检测浊度范围逼近检测最低的极限。
进一步地，所述过渡腔和散射腔垂直于水体容置管延伸方向的断面为矩形。
矩形的散射腔有利于检测模块中光源发射组件和光源接收组件位置设定。
进一步地，所述光源发射组件包括设置在壳体内侧面的第二安装底座，设置在第二安装底座上的光源驱动板，与光源驱动板相连的光源，及设置在光源光传输方向上的扩束镜组；
光源接收组件包括设置在壳体内侧面的第一安装底座，设置在第一安装底座上的探测器驱动板，与探测器驱动板相连的探测器，及与探测器相连接的接收镜组。
进一步地，所述信号处理输出模块包括信号处理板及信号输出端口；
所述信号处理板与探测器电连接；
所述信号输出端口与数据接收终端相接。
进一步地，所述驱动模块包括电机控制端、与电机控制端连接的电机驱动板、与电机驱动板连接的电机部件；所述驱动杆设置在电机部件的下端。
本发明还提供了一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、基于水体浊度的检测量程，配制多种不同水体浊度的标准溶液；
S2、将任一种标准溶液通过入水口注入水体容置管，标准溶液进入散射腔和过渡腔后，经驱动杆从排水口排出；
当入水口与排水口达到进出水平衡，散射腔中标准溶液稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对标准溶液进行检测并对检测数据进行处理和输出；
S3、重复步骤S2，测量其他不同水体浊度的标准溶液，根据测量结果与标准溶液的水体浊度绘制浊度标准曲线；
S4、将待监测水样通过入水口注入水体容置管中，待监测水样进入散射腔和过渡腔后，从排水口排出；
S5、当入水口与排水口达到进出水平衡，散射腔中待监测水样稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对待监测水样进行检测并对检测数据进行处理和输出，根据步骤S3中的浊度标准曲线求解水体浊度值，得待监测水体的浊度变化曲线；
S6、根据设定的时间间隔，关闭检测模块和信号处理输出模块，入水口持续入水，启动驱动模块，驱动模块驱动驱动杆，使设置在驱动杆端部的清洁刷在散射腔中上下运动，对散射腔的内表面进行清理，清理用水从排水口排出，清理完毕后关闭驱动模块；
S7、重复步骤S5和S6，对待监测水样进行实时监测。
进一步地，所述光源发射组件的发射光为激光，水体浊度的检测量程范围为0.0015～20NTU。
本发明的有益效果：
1、具有自清洁能力：本发明水体浊度检测装置的过渡腔和散射腔具有相同的形状和内径，通过驱动模块驱动驱动杆，使位于驱动杆端部的清洁刷在散射腔中上下运动，实现对散射腔内表面附着的杂质进行清理，避免了散射腔内侧面附着杂质对检测结果的影响，清理的杂质随水样从排水口排出，设计巧妙适用性强，可实现系统内部的自清洁需求。
2、减少系统维护：首先，检测模块设置在壳体与散射腔之间，不直接与水样接触，避免了因水样中化学元素腐蚀造成的仪器损坏引起的探测精度下降问题；其次，可以设置清洁循环周期，通过驱动模块实现清洁刷对散射腔的自清洁，避免了传统设备因清洁问题造成的定期维护的需求，极大降低了售后成本支出。
附图说明
图1为本发明实施例自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例中检测模块俯视图。
附图标记如下：
1-电机控制端，2-电机驱动板，3-电机部件，4-排水口，5-驱动杆，6-壳体，7-过渡腔，8-清洁刷，9-散射腔，10-接收镜组，11-探测器，12-探测器驱动板，13-第一安装底座，14-扩束镜组，15-光源，16-光源驱动板，17-第二安装底座，18-缓冲腔，19-信号处理板，20-信号输出端口，21-入水口。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例提供了一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，该装置包括壳体6、设置在壳体6内的驱动模块、排水模块、检测模块及信号处理输出模块。
壳体6内具有由金属板围成的水体容置管，水体容置管的内部中空，具有从上至下依次连通的过渡腔7、散射腔9及缓冲腔18，过渡腔7和散射腔9垂直于水体容置管延伸方向的断面尺寸相同且形状为矩形；过渡腔7上端与排水模块相接，缓冲腔18的下端与入水口21相接；散射腔9设置有第一透光窗和第二透光窗。
驱动模块包括驱动组件，驱动组件包括电机控制端1，与电机控制端1连接电机驱动板2，与电机驱动板2连接的电机部件3，电机部件3的下端连接有驱动杆5，该驱动杆下端开口且内部中空，驱动杆5伸入过渡腔7，驱动杆5的下端部设置有清洁刷8；清洁刷8为套设在驱动杆5上的两个橡胶垫，橡胶垫垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸与过渡腔7及散射腔9相适配。
进行清洁工作时，在电机控制端1的控制下，电机驱动端2驱动电机部件3，使驱动杆5上下运动，并带动与该驱动杆5相连的橡胶垫随之在散射腔9内上下运动，起到清洁设备内部的作用；非清洁工作状态下，橡胶垫停滞在过渡腔7内。
橡胶垫的清洁程序在电机控制端1的控制下可设定间隔时间，工作间隔时间根据实际需求可进行调节。
排水模块包括排水管和排水口4；驱动杆5的上端设置有通孔，水体容置管上端设置有沿轴向延伸的长条孔，水体容置管上的长条孔与驱动杆5上的通孔对应设置，排水管的一端穿过长条孔与通孔密封连接，排水口4设置在壳体6外侧面，排水管的另一端与排水口4连接；当使用橡胶垫对散射腔9进行清洁时，排水管在长条孔中随驱动杆5上下运动。
检测模块用于检测散射腔9内的水体浊度；检测模块包括光源发射组件和光源接收组件，光源发射组件的发射光从第一透光窗进入散射腔9，光源接收组件接收从第二透光窗射出的散射光，且光源发射组件的发射光与光源接收组件接收的散射光垂直，光源发射组件的发射光为激光，激光光源能量较高，大大改善了散射后散射光能量较低的缺陷，可以满足低浊度测量需求，使浊度的测量量程可以低至0.0015 NTU。
光源发射组件包括设置在壳体6内侧面的第二安装底座17，设置在第二安装底座17上的光源驱动板16，与光源驱动板16相连的光源15，及设置在光源15光传输方向上的扩束镜组14；
光源接收组件包括设置在壳体6内侧面的第一安装底座13，设置在第一安装底座13上的探测器驱动板12，与探测器驱动板12相连的探测器11，及与探测器11相连接的接收镜组10。探测器11用于接收经接收镜组10处理后的散射光的灰度信息，探测器驱动板12用于驱动探测器11正常工作。
信号处理输出模块用于对检测模块的检测数据进行处理和输出，信号处理输出模块包括信号处理板19及信号输出端口20；信号处理板19与探测器11电连接；信号输出端口20与数据接收终端相接。
基于上述自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其工作过程如下：
S1、基于水体浊度的检测量程，本实施在0.0015～20NTU的量程范围内配制多种不同水体浊度的标准溶液。
S2、将不同水体浊度的标准溶液中的一种标准溶液通过入水口21注入水体容置管，标准溶液逐渐进入缓冲腔18、散射腔9和过渡腔7后，经过驱动杆5从排水口4排出；
当入水口21与排水口4达到进出水平衡，散射腔9中的标准溶液稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对该标准溶液进行检测并对检测数据进行处理和输出。
S3、重复步骤S2，测量其他不同水体浊度的标准溶液，根据测量结果与标准溶液的水体浊度绘制浊度标准曲线。
S4、将待监测水样通过入水口21注入水体容置管中，待监测水样进入缓冲腔18中，在重力缓冲作用下大颗粒沉淀物停留于此；随着入水口21持续工作，水样逐渐进入散射腔9和过渡腔7，经驱动杆5进入排水管，由排水管到达排水口4排出，排水口4可连接水管，将废水排至下水道，避免水样流淌到壳体6外侧造成设备老化。
S5、当入水口21与排水口4达到进出水平衡，散射腔9中待监测水样稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对待监测水样进行检测并对检测数据进行处理和输出，根据步骤S3中的浊度标准曲线求解水体浊度值，得待监测水体的浊度变化曲线；
具体的，光源驱动板16驱动光源15工作，光源15为激光光源，波长范围790nm-810nm，该激光光源发出的单色激光经由扩束镜组14，以平行光的形式出射到散射腔9内，经过散射腔9内水样中悬浮颗粒的散射，散射光经过接收镜组的分光、聚焦等处理后由探测器11接收，探测器11通过探测器驱动板12驱动。探测器11与信号处理板19相连，将数据传输至信号处理板19，进行预处理后，通过信号输出端口20与外部数据接收终端相连，对处理结果进行传输。
S6、根据设定的时间间隔，关闭检测模块和信号处理输出模块，入水口21持续入水，在电机控制端1的控制下启动电机驱动板2，从而驱动驱动杆5，使设置在驱动杆5下端部的两个橡胶垫在散射腔9内上下运动，对散射腔9的内表面进行清理，清理用水从排水口4排出，清理完毕后关闭驱动模块。
S7、重复步骤S5和S6，对待监测水样进行监测。
Claims (10)
1.一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：包括壳体(6)、设置在壳体(6)内的水体容置管、驱动模块、排水模块、检测模块及信号处理输出模块；壳体(6)上设有入水口(21)；
所述水体容置管具有相通的过渡腔(7)和散射腔(9)，所述过渡腔(7)与散射腔(9)垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸相同；所述散射腔(9)的下端与入水口(21)相接；
所述驱动模块包括驱动组件及与驱动组件连接的下端开口的中空驱动杆(5)，驱动杆(5)伸入过渡腔(7)，所述驱动杆(5)的下端部设置有清洁刷(8)；
所述清洁刷(8)垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸与过渡腔(7)及散射腔(9)相适配；所述清洁刷(8)用于在驱动杆(5)的带动下在散射腔(9)内上下运动；
所述排水模块包括排水管和排水口(4)；所述驱动杆(5)的上端设置有通孔，所述过渡腔(7)的上端设置有沿轴向延伸的长条孔，所述排水管的一端穿过长条孔与所述通孔密封连接，所述排水口(4)设置在壳体(6)外侧面，所述排水管的另一端与排水口(4)连接；
所述检测模块用于检测散射腔(9)内水体的浊度；
所述信号处理输出模块用于对检测模块检测的数据进行处理和输出。
2.根据权利要求1所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述清洁刷(8)为套设在驱动杆(5)上的至少一个橡胶垫，所述橡胶垫垂直于水体容置管延伸方向的断面形状和尺寸与过渡腔(7)和散射腔(9)相适配。
3.根据权利要求2所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述水体容置管还包括设置在散射腔(9)下且与散射腔(9)相通的缓冲腔(18)，所述入水口(21)设置在缓冲腔(18)的下端。
4.根据权利要求3所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述散射腔(9)设置有第一透光窗和第二透光窗；
所述检测模块包括光源发射组件和光源接收组件，光源发射组件的发射光从第一透光窗进入散射腔(9)，光源接收组件接收从第二透光窗射出的散射光，且光源发射组件的发射光与光源接收组件接收的散射光垂直；
所述光源发射组件的发射光为激光，所述激光的波长为800±10nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述过渡腔(7)和散射腔(9)垂直于水体容置管延伸方向的断面为矩形。
6.根据权利要求5所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述光源发射组件包括设置在壳体(6)内侧面的第二安装底座(17)，设置在第二安装底座(17)上的光源驱动板(16)，与光源驱动板(16)相连的光源(15)，及设置在光源(15)光传输方向上的扩束镜组(14)；
光源接收组件包括设置在壳体(6)内侧面的第一安装底座(13)，设置在第一安装底座(13)上的探测器驱动板(12)，与探测器驱动板(12)相连的探测器(11)，及与探测器(11)相连接的接收镜组(10)。
7.根据权利要求6所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：
所述信号处理输出模块包括信号处理板(19)及信号输出端口(20)；
所述信号处理板(19)与探测器(11)电连接；
所述信号输出端口(20)与数据接收终端相接。
8.根据权利要求7所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，其特征在于：所述驱动组件包括电机控制端(1)，与电机控制端(1)连接电机驱动板(2)，与电机驱动板(2)连接的电机部件(3)；所述驱动杆(5)设置在电机部件(3)的下端。
9.一种自清洁式高精度原位水体浊度在线检测方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测装置，具有以下步骤：
S1、基于水体浊度的检测量程，配制多种不同水体浊度的标准溶液；
S2、将任一种标准溶液通过入水口(21)注入水体容置管，标准溶液进入散射腔(9)和过渡腔(7)后，经驱动杆(5)从排水口(4)排出；当入水口(21)与排水口(4)达到进出水平衡，散射腔(9)中标准溶液稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对标准溶液进行检测并对检测数据进行处理和输出；
S3、重复步骤S2，测量其他不同水体浊度的标准溶液，根据测量结果与标准溶液的水体浊度绘制浊度标准曲线；
S4、将待监测水样通过入水口(21)注入水体容置管中，待监测水样进入散射腔(9)和过渡腔(7)后，经驱动杆(5)从排水口(4)排出；
S5、当入水口(21)与排水口(4)达到进出水平衡时，散射腔(9)中待监测水样稳定后，启动检测模块和信号处理输出模块，对待监测水样进行检测并对检测数据进行处理和输出，根据步骤S3中的浊度标准曲线求解水体浊度值，得待监测水体的浊度变化曲线；
S6、根据设定的时间间隔，关闭检测模块和信号处理输出模块，入水口(21)持续入水，启动驱动模块，驱动模块驱动驱动杆(5)，使设置在驱动杆(5)下端部的清洁刷(8)在散射腔(9)中上下运动，对散射腔(9)的内表面进行清理，清理用水从排水口(4)排出，清理完毕后关闭驱动模块；
S7、重复步骤S5和S6，对待监测水样进行实时监测。
10.根据权利要求9所述的自清洁式高精度原位水体浊度在线检测方法，其特征在于：所述光源发射组件的发射光为激光，水体浊度的检测量程范围为0.0015～20NTU。
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