CN206515236U - 水质监测装置 - Google Patents

Abstract

水质监测装置，涉及水质监测设有激光笔、分光镜、观察屏、全反射镜、水槽、平面镜、摄像头、计算机；所述分光镜和全反射镜依次设于激光笔的激光束上，水槽设在全反射镜上，平面镜设全反射镜与摄像头之间，平面镜的图像信号输出端接计算机的输入端口，观察屏设于分光镜的反射光束上。采用非接触光学检测方法监测水质污染程度，采用测量激光点位移变化来判断饮用水水质受可溶性物质污染的程度，通过激光光束对不溶性物质散射后的光斑图像变化的图像相似度来判断水质污染的程度，可实时采集折射和散射光斑光学图像进行分析，一次性同时监测水质的化学污染和物理污染程度数据。

Description

水质监测装置

技术领域

本实用新型涉及水质监测，尤其是涉及一种水质监测装置。

背景技术

随着我国人口的不断增加，以及城市数量与规模的迅速增加与扩张，城市生活用水污染问题日益严重。目前检测水污染问题常采用化学法、电化学法、原子吸收分光光度法、离子选择电极法、离子色谱法、气相色谱法、等离子发射光谱(ICP-AES)法等。其中，离子选择电极法(定性、定量)、化学法(重量法、容量滴定法和分光光度法)在国内外水质常规监测中还普遍被采用。上述方法普遍存在设备昂贵、操作复杂、检测速度慢、难以实现在线实时监测以及用户终端的普及应用等缺点。虽然市场上也有各式各样的简易水质监测仪如TDS水质测试笔、pH测试笔、浊度计等，可快速测量水质溶解性总固体、盐度、酸碱度和浊度，但这些简易测试设备都只能单项测量或较片面的几项测量，不能测量可溶性中性污染物(如有机污染)和不溶性污染物对水体的污染，不能一次性实时全面监测水质污染程度，即饮用水的纯净度。

自来水存在不安全因素的原因如下：

1)自来水的水源污染越来越严重。

2)目前，有的地方自来水中不仅含有一般的有机物，而且含有一些难以降解的有机物，传统的水处理设备不能有效地去除这些难以降解的有机物。

3)一些城市的局部市政管网陈旧，造成二次污染。

4)消毒剂副产物的危害。任何科学技术都是一把双刃剑，均具有利弊二重性。用于自来水消毒的氯等消毒剂也是如此，水中残留的各种有机物和氯消毒剂结合后产生卤代化合物，有许多已经被确认是癌症的诱发物，其中主要是挥发性三卤甲烷和非挥发性的卤乙酸，后者致癌的危险是前者的50～100倍。因此，许多国家对氯的使用以及对氯的副产物的危害性有严格的控制。日常烧开水时，随着烧水时间的增加，水中的消毒副产物的含量会增加。

5)突发水污染时间造成水源污染对城市供水的饮水安全的影响。

因此，在自来水用户终端进行简易、有效的饮用水水质污染监测预警很有必要。虽然市面上也有各式各样的简易水质监测仪如TDS水质测试笔、pH测试笔、浊度计等，可快速测量水质溶解性总固体、含盐度和酸碱度和浊度，但这些简易测试笔都只能单项测量或较片面的几项测量，不能测量可溶性中性污染物(如有机污染)和不溶性污染物对水体的污染，不能一次性实时全面监测水质污染程度，即饮用水的纯净度。

中国专利CN103792188A公开一种油田回注水的水质监测装置，包括：水中油检测器、悬浮物检测器和水质监测中心控制器；所述水中油检测器包括激光光源、发射光纤、接收光纤和荧光检测器；所述激光光源与发射光纤连接，所述接收光纤与荧光检测器连接，所述悬浮物检测装置包括红外光源和散射光检测器；所述荧光检测器与散射光检测器通过通信线路连接到水质监测中心控制器上。通过荧光检测法对水中油进行检测，通过红外光散射检测装置对浊度进行检测，检测设备与水质之间无接触，避免了对检测设备的污染，且其测量范围宽、线性度好。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种水质监测装置。

本实用新型设有激光笔、分光镜、观察屏、全反射镜、水槽、平面镜、摄像头、计算机；所述分光镜和全反射镜依次设于激光笔的激光束上，水槽设在全反射镜上，平面镜设全反射镜与摄像头之间，平面镜的图像信号输出端接计算机的输入端口，观察屏设于分光镜的反射光束上。

所述全反射镜可贴在水槽内表面，水槽设在定位框架上，定位框架设于底板上。

本实用新型采用非接触光学检测方法监测水质污染程度，采用测量激光点位移变化来判断饮用水水质受可溶性物质污染的程度，通过激光光束对不溶性物质散射后的光斑图像变化的图像相似度来判断水质污染的程度，可实时采集折射和散射光斑光学图像进行分析，一次性同时监测水质的化学污染和物理污染程度数据。

与现有的水质监测装置相比，本实用新型具有以下优点：

1)解决专业水质监测仪器价格昂贵、操作复杂、全面检测速度慢、难以普及等问题。本实用新型采用光学非接触检测方法可快速监测水质折射率变化和浊度变化，提出采用水的纯净度概念，可较全面地监测饮用水水质污染程度。本实用新型结构简单，成本低，易普及，可用于直至家庭用户端的饮用水水质监测。

2)解决多数简易水质监测笔测量项目少、不能全面反映水的纯净度问题。本实用新型可一次性测量饮用水的折射率和浊度，并换算出饮用水的总溶解固体TDS值和纯净度，其中包含了导电的和不导电的总溶解固体TDS值(市面上的TDS笔只能测试导电的溶解固体)、pH的变化、有机污染等水质变化。

3)本实用新型通过实时采集折射和散射光斑光学图像进行分析，得到水质污染程度数据。当饮用水被化学污染(可溶性物质污染)时，水中分子的改变会引起折射率变化，通过测量水中光的折射率变化可以判断饮用水是否被化学污染；当饮用水被物理污染(不溶性物质污染)时，水中悬浮颗粒会使光束发生散射，通过测量水中光的散射可以判断饮用水是否被物理污染；通过激光光斑图像相似度计算饮用水污染程度。

4)本实用新型通过以下两方面实现精确测量折射角的变化：①由于饮用水的折射率变化将引起CCD图像传感器上激光光斑图像的位置变化，为了获得两个激光光斑图像之间的位置变化量，采用图像处理中的图像相关技术，计算两个激光光斑之间的位置变化量，从而计算出被测饮用水的折射率。②用相似三角形测折射角技术。利用激光束直线传播原理，将激光束作为三角形的斜边，通过放大三角形边长并测量边长数据，提高角度测量精度。其中，水中激光束的延长是通过全反射镜12次反射来实现的。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

参见图1，本实用新型实施例设有激光笔1、分光镜2、观察屏4、全反射镜6、亚克力水槽7、平面镜8、摄像头9、计算机10；所述分光镜2和全反射镜6依次设于激光笔1的激光束5上，亚克力水槽7设在全反射镜6上，平面镜8设全反射镜6与摄像头9之间，平面镜8的图像信号输出端接计算机10的输入端口，观察屏4设于分光镜2的反射光束3上。

所述全反射镜6可贴在亚克力水槽7内表面，亚克力水槽7设在定位框架71上，定位框架71设于底板上。

激光笔1发出的激光束为绿色光，波长530nm。亚克力水槽7可采用长方形亚克力水槽，用于盛放被测饮用水样品，亚克力水槽内壁安放有全反射镜6，激光束5从长方形亚克力水槽7的一个侧面斜入射进入亚克力水槽7中，穿过水面产生折射，通过测量折射角的变化获得水的折射率变化。

经过饮用水样品折射后的出射激光光束由平面镜8反射，反射光束到达CCD摄像头9。为了人眼直观观察激光光束经饮用水样品折射后的光束位置，本实用新型设有一个采用雾面亚克力板(类似毛玻璃)的观察屏4，观察屏4上有刻度用以比较激光束的偏离程度。CCD摄像头9用于精确测量激光束经过不同饮用水后的折射角度变化，CCD摄像头9采集的激光束光斑图像送入计算机10进行数据处理，计算污水相对于纯净水的光斑偏移量，最后给出污水污染程度等级。

本实用新型可采用相似三角形放大原理，实现提高折射角测量的精确度。

由于纯净水和被污染水样的折射角变化很小，采用相似三角形各边长等比例放大方法，并根据激光束直线传播原理，将激光束作为三角形的斜边，通过长方形水槽内的全反射镜延长激光束斜边的长度，以放大折射角对边边长，提高角度测量精度。相似三角形边放大原理如下：入射光束从水槽外侧面入射，当水槽内装有纯净水时，水槽内净水折射光束，当水槽内装有污水时，水槽内污水折射光束，净水折射光束和污水折射光束与水槽侧边的交点因净水和污水的折射率相差不大，所以靠的很近，若此时直接输出激光束，则交点位置难以分辨。用全反射镜将激光束在水槽内多次反射，光线可以用镜像表示，形成两个相似三角形，从而得到折射角度变化量。

纯净水和污染的饮用水折射率不同，它们进入水槽后的折射光束方向也不同，但差异很小，如何放大光束光斑位置的差异是本实用新型设计的另一个重点。激光光束在水中的路径长度对光斑位置差异的影响，可以看到，小水槽中的光束路径短，污水出射光束和净水出射光束很难分开，而大水槽中的光束路径长，污水出射光束和净水出射光束就容易分开。但增大水槽尺寸将使监测装置体积庞大，失去实用意义，为此采用水槽内安装全反射镜的方法来延长光束路径长度，达到放大折射光线变化量的目的。

采用小水槽安装全反射镜，全发射镜的设计安装需考虑以下因素：1)光束在水槽内的反射次数尽量多；2)反射光束不能进入水槽的拐角处；本实用新型设计的水槽可实现光束的12次全反射，大大增加了光束路径长度，提高了净水出射光束和污水出射光束的分辨能力。

表1

表1给出本实用新型与现有几种简易水质监测设备的性能对比。

Claims (4)

1.水质监测装置，其特征在于设有激光笔、分光镜、观察屏、全反射镜、水槽、平面镜、摄像头、计算机；所述分光镜和全反射镜依次设于激光笔的激光束上，水槽设在全反射镜上，平面镜设全反射镜与摄像头之间，平面镜的图像信号输出端接计算机的输入端口，观察屏设于分光镜的反射光束上。

2.如权利要求1所述水质监测装置，其特征在于所述全反射镜贴在水槽内表面。

3.如权利要求1所述水质监测装置，其特征在于所述水槽设在定位框架上。

4.如权利要求3所述水质监测装置，其特征在于所述定位框架设于底板上。