CN114778395A - 一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置，所述测量方法通过在悬浮物周期性中射入光线，并接收由光线经悬浮物散射后的两路散射光；之后通过滤波处理、信号补偿、二次滤波处理后进行计算，最终计算悬浮物浓度。所述测量装置包括采集模块，包括一个光源装置与两个光路采集装置；处理模块，与采集模块连接，用于将光路采集装置采集的光源转化为信号数字量，并进行悬浮物浓度的运算；操作模块，与处理模块，用于实现人机交互；以及输出模块，与处理模块连接，将处理模块计算的悬浮物浓度对外传输。本发明的优点为：通过调整采集光信号的方式以及光信号的处理方式，提高了测定悬浮物的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测领域，特别是一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置。
背景技术
现阶段的悬浮物在线传感器，基本采用单光路的方案去测定悬浮物；测量时，值跳动大、且在低值部分精度差；另外对于不同的污泥同质性的水样，准确度较差。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置，它通过调整散射光的采集方式以及数值处理方式，提高了悬浮物浓度的精准度。
本发明通过如下技术方案实现：一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置，它包括以下步骤：
步骤1、在悬浮物周期性中射入光线，并接收由光线经悬浮物散射后的两路散射光；
步骤2、将两路散射光处理后转化为信号数字量；
步骤3、对步骤2的两路信号数字量分别进行滤波处理；
步骤4、对步骤3经滤波处理后的两路信号数字量进行补偿处理；
步骤5、对步骤4经补偿处理后的两路信号数字量进行二次滤波处理；
步骤6、对步骤5经二次滤波处理得到的信号数字量进行系数计算处理；
步骤7、根据步骤6得出的系数结合S5经二次滤波处理得到的信号数字量，计算悬浮物浓度。
一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量装置，它包括
采集模块，包括一个光源装置与两个光路采集装置；
处理模块，与采集模块连接，包括信号放大装置以及模拟/数字转换器，用于将光路采集装置采集的光源信号放大后，转化为信号数字量，并进行悬浮物浓度的运算；
操作模块，与处理模块，用于实现人机交互；以及
输出模块，与处理模块连接，将处理模块计算的悬浮物浓度对外传输。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
通过调整采集光信号的方式以及光信号的处理方式，提高了测定悬浮物的准确度。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构原理图；
图2为图1另一角度的结构原理图；
图3为7065mg/L水样下测90°滤波处理的前后信号值坐标图；
图4为7065mg/L水样下测140°滤波处理的前后信号值坐标图；
图5为补偿处理前后的信号和浓度关系图；
图6为三种系数Q对应的悬浮物浓度关系图；
图7为90度光信号与浓度关系的曲线图；
图8为140度光信号与浓度关系的曲线图；
图9为本发明所述测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做详细说明：
如图9所示：本发明一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置，它包括以下步骤：
步骤1、在悬浮物中周期性射入光线，并接收由光线经悬浮物散射后的两路散射光；
步骤2、将两路散射光处理后转化为信号数字量；
步骤3、对步骤2的两路信号数字量分别进行滤波处理；
步骤4、对步骤3经滤波处理后的两路信号数字量进行补偿处理；
步骤5、对步骤4经补偿处理后的两路信号数字量进行二次滤波处理；
步骤6、对步骤5经二次滤波处理得到的信号数字量进行系数计算处理；
步骤7、根据步骤6得出的系数结合S5经二次滤波处理得到的信号数字量，计算悬浮物浓度。
其中，步骤1中，所述两路散射光与入射光线的关系为，第一路散射光与入射光之间的夹角呈140°；第一路散射光与入射光之间的夹角呈90°。
这里在测量悬浮物浓度时，通过内置的LED光源点亮，向水样发射880纳米的近红外光，该光束经过水样中悬浮颗粒的散射后，形成与入射光成140°角的散射光，并由该方向的检测器检测，同时另外一个方向上的检测器也检测到了和入射光成90°的散射光。需要说明的是，这里的入射光是间接性开启的，即大致步骤为，开启信号→LED光源点亮→接收散射光(采集光信号强度)→关闭LED光源→延时→开启信号。
步骤2中，对步骤1接收的散射光，经过放大处理后，通过模拟/数字转换器处理后，转化为信号数字量。
这里的光信号通过接收器，经过一定的硬件放大后，被ADC采集到，并转换成数字量。
光源信号稳定性和水样中悬浮物颗粒的布朗运动等影响，从而造成采集到的数字量存在一定量的波动，信号强度越小，跳动越明显。为了达到出值的稳定，需要进行滤波处理，具体滤波处理方式如下。
步骤3，经滤波处理分别获得90°方向的通道接收到的信号强度X0、140°方向的通道接收到的信号强度X1；其中，
X0＝x0+(x0-X0’)/125；
X1＝x1+(x1-X1’)/125；
x0是90°上接收到并转化的信号数字量，x1是140°上接收到并转化的信号数字量；X0’、X1’分别是上一次的X0,X1；其中初始X0’、X1’均为300。(7065mg/L水样下测的信号值参见图3、图4)
另外，考虑到光源的波动和光衰等问题，引入了光源补偿的方式来达到测量值的稳定。光源和信号强度是成正比的，当光源变化时，信号强度等比例变化。所以光源的波动和衰减被检测到后，补偿到接收到的信号强度中,达到信号强度的稳定，从而值也更稳定。具体补偿处理方式如下：
步骤4、经补偿处理获得90°的信号数字量y0、140°的信号数字量y1；其中，
y0＝X0*(Z1/Z’)；
y1＝X1*(Z1/Z’)；
Z’为校准时的LED光源信号强度，Z1是当前LED光源信号强度,X0是90度方向的通道接收到的信号强度,X1是140度方向的通道接收到的信号强度。
补偿前、补偿后的信号和浓度关系见图5。
各个浓度水样补偿前后的信号数据表见下表：
需要说明的是，为了计算更为准确，还需要进行二次滤波处理。得到新的信号数字量Y0,Y1。
步骤5、经二次滤波处理获得校正的90°信号数字量Y0以及校正的90°信号数字量Y1；其中，
Y0＝Y’0+(Y’0-y0)/(T*7.5)；
Y1＝Y’1+(Y’0-y1)/(T*7.5)；
Y’0为上次的Y0值，Y’1为上次的Y1值，其中，初始Y’0、Y’1均为300；T是可设置的响应速率系数、y0是补偿处理获得90°的信号数字量、y1是补偿处理获得140°的信号数字量。
二次滤波处理的目的是通过调整T的值，来影响y’到Y的变化速度。T的值越小，Y能在更短的周期内达到y’的数据大小。这里的T值，可以根据具体要求设定。
悬浮物浓度计通过计算90、140方向上的检测器检测到的信号强度，经过补偿和滤波后，再带入到曲线中，从而给出悬浮物浓度值。90°的散射光的检测，增加了对低浓度水样的测量灵敏度和准确度。
目前选择了污水处理中生化池的水样，采用烘干称重法的方法得到水样的浓度，通过大量试验，做了一个通过90度和140度光信号与浓度关系的数组。通过本数组的计算后得到一个系数Q，通过系数选择对应的曲线。信号带入对应曲线中，就可以得到最终的悬浮物浓度(见图6-8)。
步骤6、对步骤5经二次滤波处理得到的信号数字量进行系数计算处理；
其中，Q＝f(Y0,Y1)；
步骤7，根据步骤6得到的系数，计算悬浮物浓度值Vss；
当Q<0.5时
Vss＝3.17*Y0+sqrt((Y0*2.4414062500e-04))*129；
当Q<1.5时
Vss＝0.512787*10^(-20)*Y0*Y0-4.699985*10^(-14)*Y0+5.529749*10^(-8)*Y1*Y1-0.02646812*Y1+5126.797；
当Q>1.5时：
Vss＝1.512787*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)-46.99985*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)+5.529749*(Y1/10000)*(Y1/10000)-0.02646812*Y1+5126.797。
本发明还公开了一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量装置，它包括
采集模块，包括一个光源装置与两个光路采集装置；
处理模块，与采集模块连接，包括信号放大装置以及模拟/数字转换器，用于将光路采集装置采集的光源信号放大后，转化为信号数字量，并进行悬浮物浓度的运算；
操作模块，与处理模块，用于实现人机交互；
输出模块，与处理模块连接，将处理模块计算的悬浮物浓度对外传输。
其中，采集模块中，两个光路采集装置分别接收的散射光管路与光源装置的入射光路的夹角分别是90°和140°。
通过上述测量装置，能够较好的采集并测量悬浮物浓度值，且经过验证最终测量的悬浮物浓度值准确度高。
Claims (10)
1.一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法及其装置，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1、在悬浮物中周期性射入光线，并接收由光线经悬浮物散射后的两路散射光；
步骤2、将两路散射光处理后转化为信号数字量；
步骤3、对步骤2的两路信号数字量分别进行滤波处理；
步骤4、对步骤3经滤波处理后的两路信号数字量进行补偿处理；
步骤5、对步骤4经补偿处理后的两路信号数字量进行二次滤波处理；
步骤6、对步骤5经二次滤波处理得到的信号数字量进行系数计算处理；
步骤7、根据步骤6得出的系数结合S5经二次滤波处理得到的信号数字量，计算悬浮物浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤1中，所述两路散射光与入射光线的关系为，第一路散射光与入射光之间的夹角呈140°；第一路散射光与入射光之间的夹角呈90°。
3.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤2中，对步骤1接收的散射光，经过放大处理后，通过模拟/数字转换器处理后，转化为信号数字量。
4.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤3，经滤波处理分别获得90°方向的通道接收到的信号强度X0、140°方向的通道接收到的信号强度X1；其中，
X0＝x0+(x0-X0’)/125；
X1＝x1+(x1-X1’)/125；
x0是90°上接收到并转化的信号数字量，x1是140°上接收到并转化的信号数字量；X0’、X1’分别是上一次的X0,X1；其中初始X0’、X1’均为300。
5.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤4、经补偿处理获得90°的信号数字量y0、140°的信号数字量y1；其中，
y0＝X0*(Z1/328)；
y1＝X1*(Z1/328)；
Z1是当前LED光源信号强度,X0是90度方向的通道接收到的信号强度,X1是140度方向的通道接收到的信号强度。
6.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤5、经二次滤波处理获得校正的90°信号数字量Y0以及校正的90°信号数字量Y1；其中，
Y0＝Y’0+(Y’0-y0)/(T*7.5)；
Y1＝Y’1+(Y’0-y1)/(T*7.5)；
Y’0为上次的Y0值，Y’1为上次的Y1值，其中，初始Y’0、Y’1均为300；T是可设置的响应速率系数、y0是补偿处理获得90°的信号数字量、y1是补偿处理获得140°的信号数字量。
7.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤6、对步骤5经二次滤波处理得到的信号数字量进行系数计算处理；
其中，
Q＝-0.874002*Y0*Y0+1.84513*Y0-1.5112*Y0*Y1+1.9191*Y1-0.917001*Y1*Y1。
8.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
步骤7，根据步骤6得到的系数，计算悬浮物浓度值Vss；
当Q<0.5时
Vss＝3.17*Y0+sqrt((Y0*2.4414062500e-04))*129；
当Q<1.5时
Vss＝0.512787*10^(-20)*Y0*Y0-4.699985*10^(-14)*Y0+5.529749*10^(-8)*Y1*Y1-0.02646812*Y1+5126.797；
当Q>1.5时：
Vss＝1.512787*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)-46.99985*(Y1/100000)*(Y1/100000)*(Y1/100000)+
5.529749*(Y1/10000)*(Y1/10000)-0.02646812*Y1+5126.797。
9.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量装置，其特征在于：它包括
采集模块，包括一个光源装置与两个光路采集装置；
处理模块，与采集模块连接，包括信号放大装置以及模拟/数字转换器，用于将光路采集装置采集的光源信号放大后，转化为信号数字量，并进行悬浮物浓度的运算；
操作模块，与处理模块，用于实现人机交互；以及
输出模块，与处理模块连接，将处理模块计算的悬浮物浓度对外传输。
10.根据权利要求1所述的一种基于双路估算的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于：
采集模块中，两个光路采集装置分别接收的散射光管路与光源装置的入射光路的夹角分别是90°和140°。
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