CN104089877B - 一种宽量程范围浊度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽量程范围浊度仪，其由可变角机构、可调光通量衰减器、光源发射器和样品池组成。当测量低浊度样品时，散射光强度比较弱，采用可变角机构测量，其可通过增加可测量散射光的面积从而增加可测量散射光的强度；当测量高浊度样品时，过高的散射光强度会导致检测器信号的溢出，得不到正确的浊度值，这时采用可调光衰减器，调节进入样品池的光通量，降低散射光强度，增加可测量浊度范围。样品浊度高低由透射光强度判定，并通过相应的信号反馈机制，选择相应的衰减器孔径。本发明对不同浊度的样品，采用实现不同测量方式，最终实现宽量程范围、精确测量的目的。

Description

一种宽量程范围浊度仪

技术领域

本发明属于光学测量仪器技术领域，具体涉及一种宽量程范围浊度仪。

背景技术

浊度，即水的混浊程度，由水中含有微量不溶性悬浮物质，胶体物质所致。浊度仪，又称浊度计，可供水厂、电厂、工矿企业、实验室及野外实地对水样浑浊度的测试。浊度的测量在人们的生活中和工业生产中都有重要的意义。特别是在环境监测、食品、医药、电子和能源工业中，都要在生产流程中对介质浊度进行监控，以达到控制生产过程和提高产品质量的目的。

随着科学技术的发展和人们对健康的重视，在检测水质时，对浊度值测量的要求也逐步提高，因此新型浊度仪的设计具有了相当的必要性。常规的光学浊度仪中，散射光的测量角度（探测器）一般都是与入射光源垂直的90度的方向，这样对低浓度的样品，由于接收散射光的面积较小，所以不易给出一个精确的测量结果；对高浊度样品，由于接收散射光的强度太大，超出探测器探测范围而不能测量。本发明就为解决这些问题而设计的。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种宽量程范围浊度仪。其采用散射光式测量法，根据浊度高低通过浊度仪采用不同测量方式。其结构简单、构思巧妙，进行浊度测量时方法简单，适用于宽量程范围测量，其测量结果准确。

本发明的宽量程浊度仪采用了可变角机构和可调光衰减器设计；可变角机构用于低浊度样品的检测，其控制入射光束和散射光束的夹角在90～180度之间，浊度越低，角度越小，以保证检测面积大，检测信号的强度强，从而达到精确测量的目的；可调光衰减器用于高浊度样品的检测，其可以有效减少进入样品的光强度，降低散射光强度，增加样品浊度测量范围。测量高浊度样品时，入射光束和散射光束的夹角控制为90度。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种宽量程范围浊度仪，其由可变角机构、可调光通量衰减器、光源发射器和样品池组成；其中：

所述可变角机构包括步进电机、锥蜗杆、曲柄摇杆机构和探测器；所述步进电机的轴上通过顶丝固定设置锥齿轮，所述锥齿轮和锥蜗杆的齿轮外啮合；所述曲柄摇杆机构包括主动件固定基座、从动件固定基座、曲柄、连杆、摇杆和1/4圆弧件；主动件固定基座、从动件基座和1/4圆弧件置于水平面上；连杆通过铰链分别和曲柄、摇杆活动连接，曲柄和主动件固定基座的轴承间，以及摇杆和从动件固定基座的轴承间采用螺旋传动；所述锥蜗杆的一端和曲柄摇杆机构中的主动件固定基座的轴承间螺旋传动；所述1/4圆弧件的圆心为摇杆和从动件固定基座轴承的连接点，半径为摇杆的长度，1/4圆弧件表面设置滑槽；所述探测器置于1/4圆弧件的滑槽中，其底部和摇杆固定连接；所述光源发射器设置于曲柄摇杆机构的主动件固定基座和从动件固定基座之间，且位于靠近主动件固定基座的一侧；所述样品池固定设置在从动件固定基座上方；所述可调光通量衰减器置于光源发射器和样品池之间。

上述可调光通量衰减器置于可升降固定基座上。

上述可调光通量衰减器为机械式片状挡光型衰减器。

本发明的有益效果在于：本发明结构简单、构思巧妙，其通过可变角机构和可调光衰减器结构设计，对不同浊度的样品，采用实现不同测量方式，可最终实现宽量程范围、精确测量的目的。

附图说明

图1是本发明中的宽量程范围浊度仪结构的示意图。

图2是本发明中的可变角散射测量浊度的原理示意图。

图3是本发明的可变角机构设计***中的曲柄摇杆机构传动结构示意图。

图4是本发明的可变角机构设计***中的步进电机信号流程示意图。

图5是本发明中的可调衰减器VOA结构示意图。

图6是本发明中的可调衰减器VOA的工作流程图。

图中标号：1-步进电机；2-锥齿轮；3-锥蜗杆；4-曲柄摇杆机构；5-光源发射器；6-可调光通量衰减器；7-可升降基座；8-样品池；9-探测器；40-主动件固定基座；41-从动件固定基座；42-曲柄；43-连杆；44-摇杆；45-1/4圆弧件。

具体实施方式

为进一步详细说明本发明的具体内容，下面列举实施例，配合附图详细说明如下。

实施例1

图1为本发明中的宽量程范围浊度仪结构的示意图。

步进电机1作为整个浊度仪的动力元件，步进电机1的轴上通过顶丝固定设置锥齿轮2，锥齿轮2和锥蜗杆3的齿轮外啮合；锥蜗杆3的轴承与步进电机1的绕动轴承空间垂直，用于减缓步进电机1的输出功率。

曲柄摇杆机构4由主动件固定基座40、从动件固定基座41、曲柄42、连杆43、摇杆44和1/4圆弧件45组成。曲柄摇杆机构中的连杆43通过铰链连接曲柄42和摇杆44。曲柄42和主动件固定基座40的轴承之间、以及摇杆44和从动件固定基座41的轴承之间螺旋转动，锥蜗杆3的有螺纹的轴承端部和曲柄摇杆机构4的主动件固定基座40的轴螺旋转动。

样品池8固定在从动件固定基座41的上面。光源发射器5位于曲柄摇杆机构4中主动件固定基座40与从动件固定基座41之间，靠近主动件固定基座40一侧，光源发射器5发射的光束平行于样品池8与主动件固定基座40的连线。

1/4圆弧件45是以摇杆44为半径，以从动件固定基座41与摇杆44的连接点为圆心制造的一个90度到180度的细圆弧，1/4圆弧件45上设置滑槽，探测器9置于滑槽中，并与曲柄摇杆机构4中的摇杆44相连，随曲柄摇杆机构4的往复摆动，探测器9在该1/4圆弧件45上滑动，实现探测器9的可变角探测样品浊度，得到样品浊度值。

可调光通量衰减器6设置于光源发射器5与样品池8之间；同时可将可调光通量衰减器6置于可升降基座7上。当样品浊度较大，需要对入射光束进行光强衰减时，手动按下可升降基座7的升高按钮，使光束先通过可调光通量衰减器6衰减后再到达样品池；当样品浊度较小，无需对入射光束进行光强衰减时，手动按下可升降基座7的降低按钮，使光束直接到达样品池8。

检测时，操作人员需对浊度值信号进行分析该浊度值是否在检测范围，是否为正确浊度值，再决定是否改变探测器9探测角度，是否需要加入可调光通量衰减器5并进行调节。

下面就分别针对可变角机构设计及可调光通量衰减器5设计对宽量程范围的样品如何进行浊度检测进行详细说明。

一、可变角机构设计

本发明中采用可变角机构设计对低浊度样品进行检测。其利用了可变角散射测量浊度的原理，如图2所示。

采用可变角散射的原因是不同入射角度的探测面积不同。图2a和图2b为不同散射角度下探测器所接收到的样品中散射光面积的对比。假定入射光的宽度为1，散射光进入探测器的光路宽度也为1：

=11=1

=L1= 10<<1 >1即>

如：当=120度时，=1 1=2>

当=110度时，=1 1=1.06>

由上式可知，90～180度可变角散射光对应光通过的样品面积大于散射光90度垂直时对应光通过的样品面积，这样得到的浊度测量值更精确，可变角散射光比直角散射光在浊度测量方面更具优势。在低浊度范围内，对不同浊度的样品，可以采用不同的测量角度，浊度高的样品采用大的测量角度；浊度小的水体采用小的测量角度，以保证有大的检测面积，保证检测信号的强度。

本发明的可变角机构设计***中，锥蜗杆3是减速机构。锥蜗杆传动适用于传动比大于10的交错轴传动（可以不为90度）。锥蜗杆3易于缔造和装配，锥蜗杆轴向位移不破坏齿面共轭。锥蜗杆传动平稳、承载本领大、效率高、传动对比大时结构也铰紧凑，蜗杆反行程时还能够自锁，适合浊度仪测量，也能通过这样的机械结构方式来固定角度。

本发明中可变角机构设计***中的曲柄摇杆机构4的结构示意图如图3所示。曲柄摇杆机构4为机械***中的执行机构，曲柄摇杆机构4具有急回特性，缩短非测量时间，缩短样品的整体测量时间。考虑到浊度仪测量的目标物包含酸碱性物质，所以曲柄摇杆机构4材料尽量选用机械性能好、耐湿、耐腐蚀的材料。

本发明中可变角机构设计***中步进电机1信号的流程示意图如图4所示。

步进电机1是机械***中的控制机构，其将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电1机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角θ”，θ=360度/（转子齿数）*运行脉冲数，它的旋转是以步距角θ角度一步一步运行的。以探测器接收信号最大，同时又不信号溢出时，探测器9所处角度为最佳测量角度。探测器9每经过一个特定距离的角度，就会因为步进电机特性而暂停，这时候记录下一个探测器检测到的浊度值。

利用可变角机构对低浊度样品进行检测时，探测器9首先处在近180度最大角度处（即接近水平位置处），得到一个最大参考浊度值。然后首先判定探测器9是否发生信号溢出，判定方法是调节步进电机1发出多个脉冲数组成一个大角度步距角，命令步进电机1再次工作，相当于粗调，在再次走一个大角度步距角后，根据步进点机1的特性再次停止，记录下检测到的浊度值。若所得浊度值与最大参考浊度值一致，则说明探测器9信号溢出，需要再次调小探测角度，再依次类推，直至测得的浊度值刚好低于最大参考浊度值，即为检测浊度值。若所得浊度值比最大参考浊度值小，则说明探测器9信号不溢出，这时需要步进电机1发出一个脉冲信号一个单位角度，增大探测角度，命令步进机再次工作，相当于细调，在再次走一个单位角度后，根据步进机的特性再次停止，记录下此时检测到的浊度值，并与最大参考浊度值比较，重复上述步骤，直至测得的浊度值刚好低于最大参考浊度值，即为检测浊度值。总之先粗调，后细调得到的浊度值刚好不因探测角度增大而增大时为该样品的测量浊度值。

本发明中，可调光通量衰减器6的设置是用于高浊度样品测试。可调光衰通量减器6采用如图5所示的可调衰减器VOA，这种光衰减器具有工艺成熟、光学特性好、低插损、偏振相关损耗小、无需控温等优点。其可以有效减少进入样品的光强度，降低散射光强度，防止光接收机饱和，使散射光在探测器9的探测范围之内。

可调衰减器VOA的工作流程图，如图6所示。可调衰减器VOA上不同的孔径代表不同的衰减系数，衰减系数的选择参考透射光强度，即设置一定的透射光强度，低于测定的阈值则说明样品的浊度高，需加入衰减器，低于一定的阈值，则说明样品的浊度比较低，不需要对光源进行衰减。

将可调光通量衰减器6用于高浊度样品探测时，可变角机构调至90度（即探测器9位于1/4圆弧件45的最高处），先将样品假设成最大浊度，选择衰减系数最小的最小孔径，透射光强度最小，散射光强度最大，得到最大参考浊度值。然后判定探测器9是否发生信号溢出，判定方法是选择一个较大孔径，得到一个浊度值，并与最大参考浊度值比较。若与最大参考浊度值一致，则说明信号溢出，这时需要选择更大的孔径，进行粗调，得到浊度值再次与最大参考浊度值比较，重复上述步骤；若比最大参考浊度值小，这时需要选择更小的孔径，进行细调，直至得到的浊度值刚好不因孔径的变化而变化，总之，先粗调，再细调，选择不同衰减系数孔径，直至所得浊度值不因孔径的增大而变小，这时得到的浊度值为测量浊度值。

Claims (3)

1.一种宽量程范围浊度仪，其特征在于：其由可变角机构、可调光通量衰减器、光源发射器和样品池组成；其中：

所述可变角机构包括步进电机、锥蜗杆、曲柄摇杆机构和探测器；所述步进电机的轴上通过顶丝固定设置锥齿轮，所述锥齿轮和锥蜗杆的齿轮外啮合；所述曲柄摇杆机构包括主动件固定基座、从动件固定基座、曲柄、连杆、摇杆和1/4圆弧件；主动件固定基座、从动件基座和1/4圆弧件置于水平面上；连杆通过铰链分别和曲柄、摇杆活动连接，曲柄和主动件固定基座的轴承间，以及摇杆和从动件固定基座的轴承间采用螺旋传动；所述锥蜗杆的一端和曲柄摇杆机构中的主动件固定基座的轴承间采用螺旋传动；所述1/4圆弧件的圆心为摇杆和从动件固定基座轴承的连接点，半径为摇杆的长度，1/4圆弧件表面设置滑槽；所述探测器置于1/4圆弧件的滑槽中，其底部和摇杆固定连接；所述光源发射器设置于曲柄摇杆机构的主动件固定基座和从动件固定基座之间，且位于靠近主动件固定基座的一侧；所述样品池固定设置在从动件固定基座上方；所述可调光通量衰减器置于光源发射器和样品池之间。

2.根据权利要求1所述的宽量程范围浊度仪，其特征在于：所述可调光通量衰减器置于可升降固定基座上。

3.根据权利要求1或2所述的宽量程范围浊度仪，其特征在于：所述可调光通量衰减器为机械式片状挡光型衰减器。