一種水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水濁度的測量裝置，包括光源、分光模塊、透明測量槽、兩個(gè)光電探測器；所述光源用于向所述分光模塊發(fā)射一束單色光，所述分光模塊用于將上述單色光分成已知光強(qiáng)比例的兩束光，兩束光垂直入射透明測量槽的檢測區(qū)域，且在檢測區(qū)域內(nèi)相交，所述兩個(gè)光電探測器分別位于兩束光入射方向的延長線上，且位于透明測量槽的另一側(cè)。本發(fā)明水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，提出了一種單光源雙光路的濁度測量方案，同時(shí)測量散射光與透射光，有效地減小光源不穩(wěn)導(dǎo)致的測量誤差，能夠在長時(shí)間工作后，保持性能穩(wěn)定，減小盲區(qū)范圍，擴(kuò)大測量量程。
【專利說明】一種水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)方法的水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，屬于液體 濁度測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 水的濁度是水樣中的一種光學(xué)效應(yīng)，是指水樣中懸浮的固體顆粒物以及雜質(zhì)對光 的散射及吸收所引起的水樣透明度變化的程度。近年來，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對 健康的關(guān)注程度日益提高，相應(yīng)地，對水的質(zhì)量的要求也隨之提高。而濁度作為一種檢測水 的質(zhì)量的重要度量尺度，其測量的準(zhǔn)確與否對水質(zhì)的檢測起到了至關(guān)重要的作用。
[0003] 根據(jù)濁度測量國際標(biāo)準(zhǔn)IS07027和美國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)EPA180. 1，濁度的測量是在90° 方向上測量散射光，該測量方法在低濁度區(qū)域具有良好的線性關(guān)系，但由于散射光在高濁 度區(qū)域產(chǎn)生了二次散射導(dǎo)致了測量誤差。因此，目前市面上的濁度儀在測量高濁度時(shí)，普遍 是通過測量誤差較小的透射光來實(shí)現(xiàn)濁度檢測。另一方面，在實(shí)際測量中，單光源單光路類 型的濁度儀盡管簡單實(shí)用，但其顯著缺點(diǎn)是隨著器件使用時(shí)間的增加，光源的穩(wěn)定性會(huì)變 差，其發(fā)出的光強(qiáng)與理論值會(huì)存在差異，導(dǎo)致測量值與實(shí)際值的誤差。
[0004] 在已經(jīng)公開的中國發(fā)明（申請?zhí)枮?01310582945. 4,申請日為2013. 11. 19)中，發(fā) 明人采用了雙光源90°散射與后向散射相結(jié)合的方式，采用雙光源交替發(fā)出頻率不同的探 測光，以避免光源器件快速老化，但依然無法解決因光源老化所帶來的測量誤差。同時(shí)其選 擇的散射光法測量濁度在高濁度時(shí)，由于二次散射的緣故使得誤差較大，因而該方案的測 量范圍受到了限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種光的散射法及透射法相結(jié)合的水濁度的 測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，解決由于光源不穩(wěn)導(dǎo)致的濁度測量的誤差，減小單一散射法或 透射法在各自盲區(qū)的范圍，擴(kuò)大量程。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種水濁度的測量裝置，包括光源、分光模塊、透明測量槽、兩個(gè)光電探測器；所述 光源用于向所述分光模塊發(fā)射一束單色光；所述分光模塊用于將上述單色光分成光強(qiáng)不等 的入射透明測量槽的檢測區(qū)域的兩束光，所述兩束光相互垂直，且在檢測區(qū)域內(nèi)相交；所述 兩個(gè)光電探測器分別位于兩束光入射方向的延長線上，且位于透明測量槽的另一側(cè)。
[0008] 優(yōu)選的，所述透明測量槽包括檢測區(qū)域下方的入水口、檢測區(qū)域上方的出水口，所 述透明測量槽的內(nèi)壁檢測區(qū)域的上部、下部分別設(shè)置有至少一對折流板，所述檢測區(qū)域的 上部的折流板與透明測量槽內(nèi)壁沿水流方向的夾角為45° -75°，所述檢測區(qū)域的下部的 折流板與透明測量槽內(nèi)壁沿水流方向的夾角為105° -135°。
[0009] 優(yōu)選的，所述分光模塊包括分光鏡、第一?第二平面鏡，所述分光鏡用于將所述單 色光分成兩束光，所述第一?第二平面鏡用于改變其中一束光的光路，使之與另一束光相 交且垂直入射所述透明測量槽。
[0010] 一種水濁度的測量系統(tǒng)，包括如上所述水濁度的測量裝置、信號處理模塊、顯示模 塊，所述信號處理模塊包括依次連接的放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路及控制電路，所述 放大電路分別與所述兩個(gè)光電探測器連接，所述顯示模塊與控制電路連接。
[0011] 一種水濁度的測量方法，利用如上所述水濁度的測量裝置實(shí)現(xiàn)，將兩個(gè)光電探測 器測量得到的電壓值之比的倒數(shù)，代入預(yù)先擬合的線性關(guān)系式y(tǒng) = kx+b中得到濁度值，其 中，X為電壓值之比的倒數(shù)，y為濁度值，k和b為通過實(shí)驗(yàn)預(yù)先得到的線性擬合參數(shù)。
[0012] 優(yōu)選的，所述線性關(guān)系式y(tǒng) = kx+b的擬合方法如下：將至少15種已知濁度值的福 爾馬肼溶液依次加入透明測量槽中，利用兩個(gè)光電探測器分別測得各個(gè)福爾馬肼溶液相應(yīng) 的電壓值，將電壓值之比的倒數(shù)和已知濁度值分別作為直角坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)得到至少15 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法對上述坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合參數(shù)k、b的值。 [0013] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0014] 1、本發(fā)明水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，提出了一種單光源雙光路的濁度 測量方案，同時(shí)測量散射光與透射光，能有效地減小光源不穩(wěn)導(dǎo)致的測量誤差，能夠在長時(shí) 間工作后，保持性能穩(wěn)定。
[0015] 2、本發(fā)明水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，利用透射光與散射光相結(jié)合的方 式，減小盲區(qū)范圍，擴(kuò)大系統(tǒng)測量量程。
[0016] 3、本發(fā)明水濁度的測量裝置、測量系統(tǒng)及方法，提高了系統(tǒng)檢測靈敏度，簡化了整 個(gè)測量系統(tǒng)，且具有更高的系統(tǒng)集成度，結(jié)構(gòu)更緊湊，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境條件下水體濁度的在 線快速檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明水濁度的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明透明測量槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 其中：1為光源，2為分光鏡，3為第一平面鏡，4為第二平面鏡，5為透明測量槽，6 為第一透鏡，7為第二透鏡，8為第一光電探測器，9為第二光電探測器，10為折流板，11為入 水口，12為出水口。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0021] 本發(fā)明通過利用同一光源來減少因光源抖動(dòng)所產(chǎn)生的誤差，同時(shí)采用散、透射比 值法，以減少因濁度太高導(dǎo)致的散射法時(shí)的誤差以及濁度過低帶來透射法的誤差。
[0022] 如圖1所示，一種水濁度的測量裝置，包括光源1、分光鏡2、第一平面鏡3、第二平 面鏡4、透明測量槽5、第一透鏡6、第二透鏡7、第一光電探測器8、第二光電探測器9 ;光源 用于向分光鏡發(fā)射一束單色光，分光鏡用于將上述單色光分成兩束光，第一、第二平面鏡用 于改變其中一束光的光路，使之與另一束光互成90°角入射透明測量槽，第一透鏡與其中 一束光的入射方向位于同一直線上，第二透鏡與另外一束光的入射方向位于同一直線上， 分別用于匯聚上述兩束光經(jīng)透明測量槽中水的透射和散射后向它們射來的透射光和散射 光，第一光電探測器用于接收經(jīng)第一透鏡匯聚后的光束，第二光電探測器用于接收經(jīng)第二 透鏡匯聚后的光束。
[0023] 本實(shí)施例中通過分光鏡和第一、第二透鏡來將單色光分成兩束光，使它們相互垂 直，我們也可以通過其他手段實(shí)現(xiàn)，例如光分束器、光纖、棱鏡等。
[0024] 如圖2所示，透明測量槽的入水口 11在下，出水口 12在上，且透明測量槽的內(nèi)壁 入水口的上方、出水口的下方固定有至少一對折流板10,入水口上方折流板與透明測量槽 內(nèi)壁沿水流方向的夾角為45° -75°，出水口下方折流板與透明測量槽內(nèi)壁沿水流方向的 夾角為 105° -135°。
[0025] 光源采用860nm的近紅外光，可以最大限度的減小水樣的色度對于濁度測量的影 響；分光鏡采用光柵式分光鏡，將光源發(fā)出的單色光分成已知光強(qiáng)比例關(guān)系的兩束同頻率 的光，光柵式分光鏡產(chǎn)生光譜各色區(qū)大致相等，紅光區(qū)分辨率比棱鏡式要高；光電探測器為 一光電三極管，光電三極管靈敏度較高，體積小，耗電量小，不易于過熱，不需要過多的冷卻 設(shè)備；透明測量槽入水口在下，出水口在上以減小水的流速，避免氣泡的產(chǎn)生，且槽內(nèi)壁采 用折流板的設(shè)計(jì)，使水體中的氣泡附著，避免氣泡對濁度測量的影響。
[0026] 本發(fā)明的光路詳細(xì)路徑如下：光束I由光源1產(chǎn)生，通過分光鏡2產(chǎn)生了光束Ia與 光束I b，光束Ia直接入射透明測量槽5。光束Ib入射第一平面鏡3,反射至第二平面鏡4,通 過改變第一平面鏡3或第二平面鏡4的傾角使得光路發(fā)生改變，并且與光束I a成90°角垂 直入射透明測量槽5。由于透明測量槽5中的水樣對光束Ia與光束Ib有散射與吸收作用， 光束I a的透射光與光束Ib的散射光經(jīng)過第一透鏡6的匯聚作用，入射第一光電探測器8的 檢測窗。相類似地，光束I b的透射光與光束Ia的散射光經(jīng)過第二透鏡7的匯聚作用，入射 第二光電探測器9的檢測窗。測量時(shí)需要保證上述所有器件均在同一平面上。
[0027] 本發(fā)明利用光的散射法和透射法相結(jié)合的方式測量待測液體的濁度，其原理如 下。
[0028] 本發(fā)明中第一光電探測器8接受的是光束Ia經(jīng)過待測液體的透射光Ial以及光束 I b經(jīng)過待測液體的散射光Ib2疊加的光Iel，第二光電探測器9接受的是光束I a經(jīng)過待測液 體的散射光Ia2以及光束Ib經(jīng)過待測液體的透射光I bl疊加的光Ie2。Ia與Ib為同一光源I 通過分光鏡產(chǎn)生的已知光強(qiáng)比例關(guān)系（該比例關(guān)系不能為1:1，本實(shí)施例中為1:2)的兩束 同頻率的光波。兩者之商a與當(dāng)前待測樣液的濁度具有一定的函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)如下：
[0029] ? =

【權(quán)利要求】
1. 一種水濁度的測量裝置，其特征在于：包括光源、分光模塊、透明測量槽、兩個(gè)光電 探測器；所述光源用于向所述分光模塊發(fā)射一束單色光；所述分光模塊用于將上述單色光 分成光強(qiáng)不等的入射透明測量槽的檢測區(qū)域的兩束光，所述兩束光相互垂直，且在檢測區(qū) 域內(nèi)相交；所述兩個(gè)光電探測器分別位于兩束光入射方向的延長線上，且位于透明測量槽 的另一側(cè)。
2. 如權(quán)利要求1所述水濁度的測量裝置，其特征在于：所述透明測量槽包括檢測區(qū)域 下方的入水口、檢測區(qū)域上方的出水口，所述透明測量槽的內(nèi)壁檢測區(qū)域的上部、下部分別 設(shè)置有至少一對折流板，所述檢測區(qū)域的上部的折流板與透明測量槽內(nèi)壁沿水流方向的夾 角為45° -75°，所述檢測區(qū)域的下部的折流板與透明測量槽內(nèi)壁沿水流方向的夾角為 105。 -135。。
3. 如權(quán)利要求1所述水濁度的測量裝置，其特征在于：所述分光模塊包括分光鏡、第一 ~第二平面鏡，所述分光鏡用于將所述單色光分成兩束光，所述第一 ~第二平面鏡用于改變 其中一束光的光路，使之與另一束光相交且垂直入射所述透明測量槽。
4. 一種水濁度的測量系統(tǒng)，其特征在于：包括如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述水濁度的測 量裝置、信號處理模塊、顯示模塊，所述信號處理模塊包括依次連接的放大電路、濾波電路、 AD轉(zhuǎn)換電路及控制電路，所述放大電路分別與所述兩個(gè)光電探測器連接，所述顯示模塊與 控制電路連接。
5. -種水濁度的測量方法，利用如權(quán)利要求1所述水濁度的測量裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在 于：將兩個(gè)光電探測器測量得到的電壓值之比的倒數(shù)，代入預(yù)先擬合的線性關(guān)系式y(tǒng)=kx+b 中得到濁度值，其中，x為電壓值之比的倒數(shù)，y為濁度值，k和b為通過實(shí)驗(yàn)預(yù)先得到的線 性擬合參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述水濁度的測量方法，其特征在于：所述線性關(guān)系式y(tǒng)=kx+b的擬合 方法如下：將至少15種已知濁度值的福爾馬肼溶液依次加入透明測量槽中，利用兩個(gè)光電 探測器分別測得各個(gè)福爾馬肼溶液相應(yīng)的電壓值，將電壓值之比的倒數(shù)和已知濁度值分別 作為直角坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)得到至少15個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法對上述坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行線 性擬合，得到線性擬合參數(shù)k、b的值。
【文檔編號】G01N21/51GK104374750SQ201410706404
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】常建華, 伍煜, 李慧凝, 黃剛, 殷政 申請人:南京信息工程大學(xué)