CN209027991U - 一种基于散射透射比的水浊度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于散射透射比的水浊度检测装置，包括：光源、透镜、浊液瓶、透射光接收器、反射光接收器、透射光强度显示仪和反射光强度显示仪；透镜设置在光源产生光线的光路上；透镜为半透半反镜，反射光接收器设置在透镜反射光的光路上；浊液瓶用于盛装待测液体，浊液瓶设置在透镜透射光的光路上；反射光接收器与反射光强度显示仪相连接；透射光接收器设置于浊液瓶折射光的光路上，透射光接收器与透射光强度显示仪相连接。本实用新型的检测装置结构简单、操作方便，检测浊度不会损坏观测液体。
Description
技术领域
本实用新型属于环境科学领域，特别涉及一种基于散射透射比的水浊度检测装置。
背景技术
浊度是由于液体中的不溶性物质引起光通过液体是发生散射导致透明度降低的量度。测定水的浊度，是现代医学和环境科学中不可或缺的一环，准确的测定水的浊度十分有利于对人们生活的改善。现在普遍使用的浊度仪价格昂贵、操作复杂；且现有的水浊度检测装置大多基于物理化学检测方法，会损坏观测液体。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于散射透射比的水浊度检测装置，以解决上述存在的技术问题。本实用新型的检测装置结构简单、操作方便，检测浊度不会损坏观测液体。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于散射透射比的水浊度检测装置，包括：光源、透镜、浊液瓶、透射光接收器、反射光接收器、透射光强度显示仪和反射光强度显示仪；透镜设置在光源产生光线的光路上；透镜为半透半反镜，反射光接收器设置在透镜反射光的光路上；浊液瓶用于盛装待测液体，浊液瓶设置在透镜透射光的光路上；反射光接收器与反射光强度显示仪相连接；透射光接收器设置于浊液瓶透射光的光路上，透射光接收器与折射光强度显示仪相连接。
进一步的，光源为激光发生器。
进一步的，光源为632.8nm的红光激光器或者860nm的激光器。
进一步的，透镜为半反射镜J2530。
进一步的，透镜与出射光的夹角大于等于43°且小于等于47°。
进一步的，透镜与出射光的夹角为45°。
进一步的，浊液瓶为圆柱状透明玻璃瓶。
进一步的，透镜的透射光水平射入浊液瓶穿过浊液瓶的轴线。
进一步的，透射光接收器和反射光接收器均为高精度照度计。
进一步的，高精度照度计的型号为TA8124。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型的检测装置能够基于散射透射比对水的浊度进行检测，检测过程中可以同时将散射光和透射光都考虑进去，检测精确度较高。操作简单，只需要移动观察并记录信息，可操作性强。检测装置基于光学方法非接触测量，相比于物理化学方法本实用新型对待测液体无损。本实用新型现将常用仪器元件有机结合，费用较低，可降低检测成本。
附图说明
图1是本实用新型的一种基于散射透射比的水浊度检测装置的结构示意图；
图2是本实用新型的一种基于散射透射比的水浊度检测装置的浊度测量原理示意图；
图1中，1光源；2透镜；3浊液瓶；4透射光接收器；5反射光接收器；6透射光强度显示仪；7反射光强度显示仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
请参考图1，本实用新型的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，包括：光源1、透镜2、浊液瓶3、透射光接收器4、反射光接收器5、透射光强度显示仪6和反射光强度显示仪7。
光源1用于提供光线，透镜2设置在光源1产生光线的光路上，光源1发出的光线能够射入透镜2；透镜2为半透半反镜，反射光接收器5设置在透镜2反射光的光路上，反射光接收器5能够接收透镜2的反射光线，反射光接收器5与反射光强度显示仪7相连接，反射光强度显示仪7能够显示透镜2反射光的强度；浊液瓶3用于盛装待测液体，浊液瓶3设置在透镜2透射光的光路上，透镜2透射光能够射入浊液瓶3中；透射光接收器4设置于浊液瓶3透射光的光路上，透射光接收器4能够接收浊液瓶3的透射光线，透射光接收器4与透射光强度显示仪6相连接，透射光强度显示仪6能够显示浊液瓶3透射光的强度。
所有仪器元件离桌面高度均为20cm。透镜2与出射光的夹角为43°～47°，优选45°。透镜2与反射光接收器5之间的距离为40cm。透镜2与浊液瓶3之间的距离为20cm。浊液瓶3与透射光接收器之间的距离为20cm。
透镜2与光源1之间的距离为30cm。
反射光接收器5数值为与角度有关的值。
调整浊液瓶3必须使光线穿过浊液瓶3直径，即透射光接收器数值最大。
透射光接收器4和反射光接收器5均为高精度照度计，产品规格：型号TA8124、照度20万Lux、分辨率1Lux、背光显示、温度显示、探头可向右旋转180°、一节9v电池。
光源1规格：尺寸φ22×90mm、材质铜+铝、表面处理颜色黑色(氧化雾黑)、使用寿命连续输出使用寿命>6000小时、输出波长532nm±5nm、输出光功率<80mW、射程500-10000米、光束形状/尺寸圆形，触控光束8nm左右(远距离光束大小可调节)、电路控制ACC线路、工作电压DC＝4.5～25V(直流宽电压，适合更多电源供电)、工作电流I<460mA、工作温度-10℃～+40℃、储存温度-40℃～+80℃。
浊液浊液瓶3为透明的圆柱形的浊液瓶3；具体为：60ml广口试剂瓶、内径27mm、高度95mm、底部直径47mm。
透镜2为半透半反镜；具体为半反射镜J2530。
本实用新型的设计原理：
在实验环境下，由于诸多不可避免因素，例如浊液浊液瓶3玻璃瓶对光的反射和吸收、室内光线的干扰等的影响，会导致测量过程中出现于理论值偏差的现象。
现有技术表明，使用不同的吸收池即装浊液的玻璃瓶进行测量，容易形成配套误差。配套误差是由于不同的吸收池规格虽然接近但是，总会存在些许的差异。若果在测量过程中自始至终使用同一个吸收池，便不会存在配套误差的存在。
但是，即便是同一个吸收池，由于我们使用的是圆柱状的瓶子，在前后两次放在测量台上位置和角度也会有所不同。有的地方瓶壁会厚一点，有的地方瓶壁会薄一点；瓶子也未必是标准的圆柱状，有些角度光程会长有些角度光程会短。这些问题都会导致测量的稳定性不够。所以在测量某一浊度的光学特性的时候，要对吸收池从各个入射角度进行测量在求平均值，对瓶子的各向异性进行平均化处理，减少因为瓶子的制造工艺上的不完美导致的误差。
关于浊液瓶3瓶壁对光的反射和折射，理论上可根据瓶壁材质的折射率水的折射率，对这一部分进行精确的计算。但是伴随着多重的折射和反射，将会有较为复杂的计算过程。本实用新型的使用过程中，可在测量浊液的同时对空瓶子进行一组测量，得到在光路中因为瓶子本身而产生的光的散射，折射，和反射引起的变化部分，并在测量浊液时将这部分变化减去，从而减少实验误差，提高测量精度。虽然这个做法在理论上存在缺陷，就是在测控瓶子时和测装有浊液时瓶子对于光线的作用时不尽相同的。但是，这个影响十分微小，我们可以忽略它。
国际标准化组织ISO对浊度测量提出的10条规定。在选择实验仪器的时候要尽量符合这些规定，即便条件达不到也要尽量接近。
光源1的选择在规定中所提及的是最多的，我采用632.8nm的红光激光器或者860nm的激光器。
测量浊度时浊液瓶3的规格也是会影响浊度测量的精确性的，在浊液瓶3的选择时要挑选各向异性较小，在各方向都比较均匀的圆柱状的透明瓶子。
在本实用新型中光强检测的部分无疑是最为重要的环节。如果功率计的精度不高，将会直接影响到测量浊度的精度。对光强检测仪器的要求还有一点就是稳定，稳定的功率计会方便读数，读数也更为精确。作为光强检测仪器透射光接收器4和反射光接收器5均为高精度照度计，产品规格：型号TA8124、照度20万Lux、分辨率1Lux、背光显示、温度显示、探头可向右旋转180°、一节9v电池。
本实用新型的检测装置是成本低、操作简单的浊度测定仪器；本实用新型参考了许多通用浊度法：基于透射式浊度法、散射式浊度法等诸多浊度法。浊度比较高时，透射光强度随浊度变化较为明显，所以透射法在高浊度时测量精度较高；低浊度时，散射光随浊度变化明显，所以散射法在低浊度时测量精度较高。本实用新型的检测装置能适用于利用散射透射比作为参考量的测量法，此测量方法基于透射法中的分光光度法，利用散射法原理计算得到散射的部分，然后在将实际测量的透射部分和理论计算的散射部分相结合起来，以理论和实测两部分的比值作为新的参考量和浊度建立关系。从而结合了透射法和散射法的优缺点，在低浊度和高浊度两种情况下都拥有比较精确的测量结果。本实用新型的浊度检测装置精确度较高。
本实用新型的检测装置的测量原理
请参考图2，入射光分出一部分作为参考光，测得参考光在入射光之中的占比，用于实时测量射入浊液的光强。射入浊液后，光线被颗粒物折射、反射、散射点一部分后透射出去。这个过程中，影响折射、散射、反射、透射的这些光的比例的因素有颗粒物的体积大小、单位体积的粒子数、颗粒物的折射率、以及光在水中的光程。在这些因素中除去光程外都是表现为液体固有属性，或者可以称为液体固有光学因素，这些因素综合起来规定液体的光学特性。
浑浊度就是光学特性的表现结果。人之所以会认为浑浊的液体是浑浊的，就是因为浑浊的液体光线的透射、折射、反射、散射产生了影响，使浑浊的液体透光率变差散光性变好，这就是浑浊的物理定义。那么测量浊度，也要从其光学性质下手。透射式散射法、散射式浊度法都是在单方面的将透射光或者散射光作为其判断浊度的标志，限制性较强，那样测量出的浊度只能单方面表现浊液对光的散射或者吸收特性，而不能两者都包含在一起。本实用新型的检测装置适用于将浊度的散射特性和透射忒特性都包含在一起的测量方法，就是用散射透射比作为标定浊度的参考量，根据散射透射比来计算浊度。
将透射式浊度法与散射式浊度法相结合，以散射透射比作为新的表征浊度的标识。根据上文我们了解到，散射光会随着浊度增加而增加，以散射光强为横坐标，浊度为纵坐标，测量过程中散射光随浊度变化的明显与否，会影响到测量的精确度，在低浊度时增加比较明显，高浊度增加不明显。透射光会随浊度降低而增加，增加的幅度在高浊度时比较明显，在低浊度时几乎不变化。
在低浊度范围，假设浊度为K，散射光强度为Is透射光强为It。此时K增加ΔK，Is增加ΔIs，It减少ΔIt，散射透射比由Is/It变化为(Is+ΔIs)/(It-ΔIt)。由于在低浊度时透射光变化不明显，所以It-ΔIt≈It，散射投射比在浊度增加前后变化的倍数(Is/It)/((Is+ΔIs)/(It-ΔIt))≈Is/(Is+ΔIs)，与单纯用散射法在低浊度时同样明显。所以可以认为采用这种方法在低浊环境下，与散射式浊度测量方法一样比较精确。
在高浊度范围，同样的K增加ΔK，Is增加ΔIs，It减少ΔIt，散射透射比由Is/It变化为(Is+ΔIs)/(It-ΔIt)。这时散射光强度变化明显Is+ΔIs≈Is，散射透射比(Is+ΔIs)/(It-ΔIt)≈Is/(It-ΔIt)。散射投射比在浊度增加前后变化的倍数(Is/It)/((Is+ΔIs)/(It-ΔIt))≈(It-ΔIt)/It。与单纯使用透射式浊度法的高浊度时同样变化明显，可以认为采用这种方法在高浊环境下，与透射式浊度测量方法一样比较精确。本实用新型在检测过程中采用散射透射比值来作为标定浊度的新的参考量。
本实用新型使用福尔马肼作为测量标准浊度液。
对浊液的稀释按照公式进行计算
K：稀释前浊度；
k：稀释后浊度；
B：加入的水的体积；
C：稀释前后浊液的体积(体积不变)。
按照上述公式浊度为400的福尔马肼标准浊度液进行稀释，分别制作浊度为400度、350度、300度、250度、200度、150度、100度、90度、80度、70度、60度、50度、40度、30度、20度、10度、0度的标准浊液贮备。
本实用新型综合透射法和散射法两种浊度法，将两者结合为一。透射法的基于lamber-beer定律公式，散射法基于瑞利散射公式。
对于标准浊度液，颗粒物的体积V，浊度颗粒物质的折射率n1，水的折射率n2都是定值，瑞利散射公式可写成：
浊度和单位体积的颗粒数γ成正比，
K∝γ
设K＝σγ，σ为正比系数，则：
在实验中可以控制入射光波长不变，则
这就是浊度关于散射投射比之间的关系，式中吸光度A是关于浊度K的函数，实验中可以通过对标准浊度液的吸光度测量，得到在不同浊度下浊度的吸光度，并对其数学关系进行拟合计算，得到近似的浊度吸光度关系函数，设这个函数为，
A＝A(K)
带入后获得，
式中c为正比系数。标准浊度液的测量过程中，K为已知量，I、It可以测出来，函数关系A(K)可以经过数值拟合求得，所以系数c的值也可以算出来。
本实用新型的使用过程：
1、首先参考图1搭建检测装置。
2、取下浊液玻璃浊液瓶3、透镜2，只剩下透射光检测功率计，也就是左侧光功率计即透射光接收器4，打开光源1，调整光源1高低和仰角使光线垂直入射透射光强检测功率计。
3、装上透镜2，调整透镜2镜面于光轴夹角大约成45°角，固定透镜2。
4、在透镜2反射光光路上装上参考光光强检测功率计即反射光接收器5，调整探头位置，直至功率计显示的数值最大，固定探头位置。
5、在透镜2和透射光强检测功率计之间放入浊液浊液瓶3基座，将浊液瓶3(带液体)放上基座的接近中心的地方，调整基座前后位置使光线入射透射光强检测功率计探头，固定基座。
仪器光学特性检测
1、取下浊液瓶3，让光通过透镜2后直接入射功率计，记录这时的入射光强和参考光强，将数据记录。
2、放上空的浊液瓶3，将浊液瓶3放在基座中心附近任意位置，调节基座上的旋钮横向移动浊液瓶3，直至透射光强检测功率计上显示最大的数值。记录次最大值和参考光功率。
3、旋转浊液瓶3任意角度，调节基座旋钮，直至透射光功率显示最大。记录此最大值和参考光功率。
4、重复操作3，完成6组数据。
不同标准浊度光学特性检测
1、将制备好的浊度为400的标准贮备液倒入浊液瓶3，保证液体高度可以使浊液瓶3放上基座后，激光可以从液体中部穿过。
2、将装有浊液的浊液瓶3放在基座中心附近任意位置，调节基座上的旋钮横向移动浊液瓶3，直至透射光强检测功率计上显示最大的数值。记录次最大值和参考光功率。
3、按照4.1.2中3、4步骤操作。
4、更换浊液瓶3中的浊液，并重复2、3步骤。直至将制作的浊度为400度、350度、300度、250度、200度、150度、100度、90度、80度、70度、60度、50度、40度、30度、20度、10度、0度的标准浊贮备液全部测量完毕。
Claims (8)
1.一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，包括：光源(1)、透镜(2)、浊液瓶(3)、透射光接收器(4)、反射光接收器(5)、透射光强度显示仪(6)和反射光强度显示仪(7)；
透镜(2)设置在光源(1)产生光线的光路上；
透镜(2)为半透半反镜，反射光接收器(5)设置在透镜(2)反射光的光路上；浊液瓶(3)用于盛装待测液体，浊液瓶(3)设置在透镜(2)透射光的光路上；
反射光接收器(5)与反射光强度显示仪(7)相连接；
透射光接收器(4)设置于浊液瓶(3)透射光的光路上，透射光接收器(4)与透射光强度显示仪(6)相连接；透射光接收器(4)和反射光接收器(5)均为高精度照度计；浊液瓶(3)为圆柱状透明玻璃瓶。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，光源(1)为激光发生器。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，光源(1)为632.8nm的红光激光器或者860nm的激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，透镜(2)为半反射镜J2530。
5.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，透镜(2)与出射光的夹角大于等于43°且小于等于47°。
6.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，透镜(2)与出射光的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，透镜(2)的透射光水平射入浊液瓶(3)穿过浊液瓶(3)的轴线。
8.根据权利要求1所述的一种基于散射透射比的水浊度检测装置，其特征在于，高精度照度计的型号为TA8124。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116879120A (zh) * | 2023-09-06 | 2023-10-13 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 烟雾检测装置 |
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