CN104568845A - 水下全角度浊度测量设备与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下全角度浊度测量设备与测量方法，所述测量设备包括密封盖、腔体、反光镜环、光源、超声波换能器、准直透镜组、凸透镜、支座、压环、电路板、电池和水密接插件；本发明将光源、传感器集成在较小腔体内，密封后可以浸入水中测量周围水体的浊度，实现浊度的原位测量；通过反光镜环将经待测样品散射到各方向上的光反射到同一个方向上，只需一个光强传感器即可收集到与入射光成各个角度的光强信号，得到的信息更全面，有利于浊度的精准测定。用于处理数据的加权比例法能够准确拟合光强与浊度之间的关系，有利于浊度的精确测定。

Description

水下全角度浊度测量设备与测量方法

技术领域

本发明涉及一种浊度测量设备及其数据处理方法，具体为水下全角度浊度测量仪以及用于数据处理的加权比例算法，能快速、精确地测量水体浊度，尤其适用于浊度变化范围大的场合。

背景技术

浊度是表征被测样品对入射的光的散射和吸收特性的量。对于浊度的定量测量设备与方法已广泛应用于饮用水处理、工业生产等各行各业。目前商用浊度计普遍参照国际标准ISO:7027标准设计，即用860nm光源照射样品并探测与入射光成90度方向上的散射光，用该散射光强信号来衡量浊度。

然而，由于90度散射光强与浊度的线型关系只在浊度较低时成立，因此对于超过200NTU的高浊度样品需要稀释后测量，会在一定程度上改变原来样品的性质；对于超过2000NTU的样品由于90度方向散射光强太弱也无法精确测量。对于这种情况的已有解决办法是测量90度以外角度的光强，通过算法对不同角度光强信号的处理来建立与浊度的关系。美国专利US005604590A公开的发明，采用四个光传感器，分别布置在与入射光成30度附近、90度附近、138度附近以及透射光方向上，通过对两个或两个以上角度光强信号的分析处理来解决高浊度样品的测量问题。但是这种方法仍有以下不足：增加了传感器数目，需要占用更多空间；该设备只能测量盛放于比色瓶中的样品，不利于原位实时测量大范围水体的浊度；一次最多只能测到四个固定角度的光强信号，而对于变化范围较大的样品其散射光强分布也有较大变化，因此固定的四个角度不足以表现其全部特征。

发明内容

为了解决上述问题，克服已有设备的缺点，本发明提出一套水下全角度浊度高精度测量设备以及用于数据处理的加权比例算法，能够在大范围水体中原位实时快速、精确地测量水体浊度，尤其是应对浊度在0至大于10000NTU的区间变化的大量程测量情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种水下全角度浊度测量设备，包括密封盖、腔体、反光镜环、光源、超声波换能器、准直透镜组、凸透镜、支座、压环、电路板、电池和水密接插件；其中，所述密封盖与腔体密封连接；所述密封盖的中心具有圆柱形凹槽，所述凹槽侧壁透明，密封盖的顶部与凹槽底部均涂有吸光材料涂层使其不透明；所述凹槽的外侧面套有反光镜环，反光镜环的上表面与密封盖固定连接，反光镜环内壁为与轴线方向成45度角的锥面；所述凹槽的底面外侧固定连接超声波换能器；所述水密接插件通过螺纹固定连接在腔体底部，并与电路板相连接；

所述反光镜环的侧壁开有一槽，光源和准直透镜组置于该槽内；准直透镜组置于光源前方，并与光源共轴，使得从准直透镜组射出的平行光线垂直射入密封盖的凹槽侧壁；所述腔体的内侧壁为三层阶梯型结构，从上到下依次设有支座、电路板和电池；所述支座的外侧壁与腔体螺纹连接，所述支座为二层阶梯结构，凸透镜架设在支座的梯台上，在凸透镜上设有压环，所述压环与支座的内侧壁螺纹连接，用于固定凸透镜；所述腔体的内侧壁设有一贯穿腔体顶部和第二梯台的通道，用于布置导线；

所述电路板固定在腔体的第二梯台上，包括光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块和存储模块；所述光强探测阵列位于电路板的中心，凸透镜汇聚的光圈落入光强探测阵列上；所述光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块、存储模块和超声波换能器均由电池供电，所述光源与电源控制模块相连，所述光强探测阵列和存储模块均与数据处理模块相连；所述电源控制模块对电池进行稳流后，对光源供电；所述存储模块用于存储数据处理模块接收和处理后的数据；所述数据处理模块用于接收光强探测阵列采集到的数据，通过得到的各个方向的光强信号求解浊度。

进一步地，所述密封盖与腔体密封连接，具体为：在腔体的上表面开有一环状凹槽，在环状凹槽内置有橡胶密封圈，在密封盖的外边缘处等距开有四个通孔，在腔体的相应位置开有通孔，螺栓穿过密封盖的通孔和腔体的通孔将密封盖与腔体密封连接。

进一步地，所述数据处理模块是以微处理器为核心的集成电路，与光强探测阵列相连，用于处理探测到的光强值数据，具体为：将已知浊度标准溶液浊度值与测量得到的多角度光强值带入公式(1)得到以a_n,b₀,b_n为未知数的方程，通过联立多个方程解出a_n,b₀,b_n，再将未知溶液测量得到的多角度光强值带入公式(1)，即可解出浊度的估计值

$T=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right).$

一种利用上述水下全角度浊度测量设备测量浊度的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将待测样品置于密封盖的凹槽内，光源发出光经过准直透镜组准直后，垂直射入凹槽的标准溶液中，入射光经过标准溶液散射后到达反光镜环的内侧壁，经镜面反射后完全沿轴向射出；光线通过凸透镜汇聚到光强探测阵列上，通过光强探测阵列记录光强信号；

(2)确定需要用到的光强信号个数：将光强探测阵列上收集到的光强按其所对应的散射光角度进行划分，具体为：以5的整倍数角度θ为中心，正负2.5度扇形环内的光强值相加作为θ角度的散射光强值，依此将-2.5°至162.5°的范围划分为33等份，分别为0°,5°,10°,...,160°的散射光强，取用其中的p个角度光强值来计算浊度，角度的组合共有种，p为1到10的整数；

(3)取2p+1种已知浊度值的标准溶液，测量每种溶液在不同角度光强值，按照步骤(2)的方法确定p个角度的组合，依次将所有角度组合的光强代入公式(1)列出2p+1个方程，解出每种角度组合所对应的a_n,b₀,b_n；

$T=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right)$

(4)确定选取的角度组合：另取m种已知浊度的标准溶液，m为大于2p+1的正整数，测量每种溶液各角度光强值，依次将光强值与步骤(3)得到的相同角度组合的系数a_n,b₀,b_n代入公式(1)即可解出浊度T的估计值计算m种标准溶液估计值与标准值T_i的相对偏差的平均值e，即：

$e=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\hat{T}}_i-T_i|}{T_i}$

通过比较不同角度的组合，选出使e最小的一组角度组合，即为测量角度个数为p时的角度组合，该角度组合所用的参数a_n,b₀,b_n也随之确定；

(5)对未知浊度的样品进行测量：首先选择需要用到的测量角度个数p，再将水下全角度浊度测量设备测量得到的该未知浊度溶液各角度光强值代入公式(1)，其选用的角度组合与相应系数由步骤(4)确定，即可得到该溶液的浊度估计值。

本发明的有益效果：

1.将光源、传感器集成在较小腔体内，密封后可以浸入水中测量周围水体的浊度，实现浊度的原位测量。

2.通过反光镜环将经待测样品散射到各方向上的光反射到同一个方向上，只需一个光强传感器即可收集到与入射光成各个角度的光强信号，得到的信息更全面，有利于浊度的精准测定。

3.所提出的用于处理数据的加权比例法能够准确拟合光强与浊度之间的关系，有利于浊度的精确测定。

4.集成在腔体内的供电与数据处理模块能够使该设备脱离电缆单独工作，实时处理数据并记录；通过水密接插件连接后可以由外部供电并向外部传输信号。

5.采用860nm红外光作为入射光，避免待测样品本身颜色对浊度测量的不利影响。

附图说明

图1是本发明主体结构的***图；

图2是本发明的剖面图；

图3是本发明所述的反光镜环的三视图；

图中，密封盖1、反光镜环2、压环3、凸透镜4、支座5、腔体6、水密接插件7、电池8、电路板9、超声波换能器10、光源11、准直透镜组12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1-3所示，本发明一种水下全角度浊度测量设备，包括密封盖1、腔体6、反光镜环2、光源11、超声波换能器10、准直透镜组12、凸透镜4、支座5、压环3、电路板9、电池8和水密接插件7；其中，所述密封盖1与腔体6密封连接；所述密封盖1的中心具有圆柱形凹槽，所述凹槽侧壁透明，密封盖1的顶部与凹槽底部均涂有吸光材料涂层使其不透明；所述凹槽的外侧面套有反光镜环2，反光镜环2的上表面与密封盖1固定连接，反光镜环2内壁为与轴线方向成45度角的锥面；所述凹槽的底面外侧固定连接超声波换能器10；所述水密接插件7通过螺纹固定连接在腔体6底部，并与电路板9相连接；

所述反光镜环2的侧壁开有一槽，光源11和准直透镜组12置于该槽内；准直透镜组12置于光源11前方，并与光源11共轴，使得从准直透镜组12射出的平行光线垂直射入密封盖1的凹槽侧壁；所述腔体6的内侧壁为三层阶梯型结构，从上到下依次设有支座5、电路板9和电池8；所述支座5的外侧壁与腔体6螺纹连接，所述支座5为二层阶梯结构，凸透镜4架设在支座5的梯台上，在凸透镜4上设有压环3，所述压环3与支座5的内侧壁螺纹连接，用于固定凸透镜4；所述腔体6的内侧壁设有一贯穿腔体6顶部和第二梯台的通道，用于布置导线；

所述电路板9固定在腔体6的第二梯台上，包括光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块和存储模块；所述光强探测阵列位于电路板9的中心，凸透镜4汇聚的光圈落入光强探测阵列上；所述光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块、存储模块和超声波换能器10均由电池8供电，所述光源11与电源控制模块相连，所述光强探测阵列和存储模块均与数据处理模块相连；所述电源控制模块对电池8进行稳流后，对光源11供电；所述存储模块用于存储数据处理模块接收和处理后的数据；所述数据处理模块用于接收光强探测阵列采集到的数据，通过得到的各个方向的光强信号求解浊度。

所述密封盖1与腔体6密封连接，具体为：在腔体6的上表面开有一环状凹槽，在环状凹槽内置有橡胶密封圈，在密封盖1的外边缘处等距开有四个通孔，在腔体6的相应位置开有通孔，螺栓穿过密封盖1的通孔和腔体6的通孔将密封盖1与腔体6密封连接。

所述光强探测阵列选用电荷耦合元件(CCD)或光电二极管阵列检测器(PDA)，能分辨经过所述的反光镜环2反射的与所述光源11发出的入射光方向在同一平面上成任意角度的散射光强，并传输信号到所述的数据处理模块中。

所述超声波换能器10将电能转换为小幅度高频振动，带动密封盖1震动，用来清除密封盖1凹槽内壁附着的杂物，如淤泥。

所述数据处理模块是以微处理器为核心的集成电路，与光强探测阵列相连，用于处理探测到的光强值数据，具体为：将已知浊度标准溶液浊度值与测量得到的多角度光强值带入公式(1)得到以a_n,b₀,b_n为未知数的方程，通过联立多个方程解出a_n,b₀,b_n，再将未知溶液测量得到的多角度光强值带入公式(1)，即可解出浊度的估计值

$T=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right).$

一种利用上述水下全角度浊度测量设备测量浊度的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将待测样品置于密封盖1的凹槽内，光源11发出光经过准直透镜组12准直后，垂直射入凹槽的标准溶液中，入射光经过标准溶液散射后到达反光镜环2的内侧壁，经镜面反射后完全沿轴向射出；光线通过凸透镜4汇聚到光强探测阵列上，通过光强探测阵列记录光强信号；

(2)确定需要用到的光强信号个数：将光强探测阵列上收集到的光强按其所对应的散射光角度进行划分，具体为：以5的整倍数角度θ为中心，正负2.5度扇形环内的光强值相加作为θ角度的散射光强值，依此将-2.5°至162.5°的范围划分为33等份，分别为0°,5°,10°,...,160°的散射光强，取用其中的p个角度光强值来计算浊度，角度的组合共有种，p为1到10的整数；

(3)取2p+1种已知浊度值的标准溶液，测量每种溶液在不同角度光强值，按照步骤(2)的方法确定p个角度的组合，依次将所有角度组合的光强代入公式(1)列出2p+1个方程，解出每种角度组合所对应的a_n,b₀,b_n；

$T=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right)$

(4)确定选取的角度组合：另取m种已知浊度的标准溶液，m为大于2p+1的正整数，测量每种溶液各角度光强值，依次将光强值与步骤(3)得到的相同角度组合的系数a_n,b₀,b_n代入公式(1)即可解出浊度T的估计值计算m种标准溶液估计值与标准值T_i的相对偏差的平均值e，即：

$e=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\hat{T}}_i-T_i|}{T_i}$

通过比较不同角度的组合，选出使e最小的一组角度组合，即为测量角度个数为p时的角度组合，该角度组合所用的参数a_n,b₀,b_n也随之确定；

(5)对未知浊度的样品进行测量：首先选择需要用到的测量角度个数p，再将水下全角度浊度测量设备测量得到的该未知浊度溶液各角度光强值代入公式(1)，其选用的角度组合与相应系数由步骤(4)确定，即可得到该溶液的浊度估计值。

Claims (4)

1.一种水下全角度浊度测量设备，其特征在于，包括密封盖(1)、腔体(6)、反光镜环(2)、光源(11)、超声波换能器(10)、准直透镜组(12)、凸透镜(4)、支座(5)、压环(3)、电路板(9)、电池(8)和水密接插件(7)；其中，所述密封盖(1)与腔体(6)密封连接；所述密封盖(1)的中心具有圆柱形凹槽，所述凹槽侧壁透明，密封盖(1)的顶部与凹槽底部均涂有吸光材料涂层使其不透明；所述凹槽的外侧面套有反光镜环(2)，反光镜环(2)的上表面与密封盖(1)固定连接，反光镜环(2)内壁为与轴线方向成45度角的锥面；所述凹槽的底面外侧固定连接超声波换能器(10)；所述水密接插件(7)通过螺纹固定连接在腔体(6)底部，并与电路板(9)相连接；

所述反光镜环(2)的侧壁开有一槽，光源(11)和准直透镜组(12)置于该槽内；准直透镜组(12)置于光源(11)前方，并与光源(11)共轴，使得从准直透镜组(12)射出的平行光线垂直射入密封盖(1)的凹槽侧壁；所述腔体(6)的内侧壁为三层阶梯型结构，从上到下依次设有支座(5)、电路板(9)和电池(8)；所述支座(5)的外侧壁与腔体(6)螺纹连接，所述支座(5)为二层阶梯结构，凸透镜(4)架设在支座(5)的梯台上，在凸透镜(4)上设有压环(3)，所述压环(3)与支座(5)的内侧壁螺纹连接，用于固定凸透镜(4)；所述腔体(6)的内侧壁设有一贯穿腔体(6)顶部和第二梯台的通道，用于布置导线；

所述电路板(9)固定在腔体(6)的第二梯台上，包括光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块和存储模块；所述光强探测阵列位于电路板(9)的中心，凸透镜(4)汇聚的光圈落入光强探测阵列上；所述光强探测阵列、电源控制模块、数据处理模块、存储模块和超声波换能器(10)均由电池(8)供电，所述光源(11)与电源控制模块相连，所述光强探测阵列和存储模块均与数据处理模块相连；所述电源控制模块对电池(8)进行稳流后，对光源(11)供电；所述存储模块用于存储数据处理模块接收和处理后的数据；所述数据处理模块用于接收光强探测阵列采集到的数据，通过得到的各个方向的光强信号求解浊度。

2.根据权利要求1所述的水下全角度浊度测量设备，其特征在于，所述密封盖(1)与腔体(6)密封连接，具体为：在腔体(6)的上表面开有一环状凹槽，在环状凹槽内置有橡胶密封圈，在密封盖(1)的外边缘处等距开有四个通孔，在腔体(6)的相应位置开有通孔，螺栓穿过密封盖(1)的通孔和腔体(6)的通孔将密封盖(1)与腔体(6)密封连接。

3.根据权利要求1所述的水下全角度浊度测量设备，其特征在于，所述数据处理模块是以微处理器为核心的集成电路，与光强探测阵列相连，用于处理探测到的光强值数据，具体为：将已知浊度标准溶液浊度值与测量得到的多角度光强值带入公式(1)得到以a_n,b₀,b_n为未知数的方程，通过联立多个方程解出a_n,b₀,b_n，再将未知溶液测量得到的多角度光强值带入公式(1)，即可解出浊度的估计值

$T=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right).$

4.一种利用权利要求1所述水下全角度浊度测量设备测量浊度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将待测样品置于密封盖(1)的凹槽内，光源(11)发出光经过准直透镜组(12)准直后，垂直射入凹槽的标准溶液中，入射光经过标准溶液散射后到达反光镜环(2)的内侧壁，经镜面反射后完全沿轴向射出；光线通过凸透镜(4)汇聚到光强探测阵列上，通过光强探测阵列记录光强信号；

(2)确定需要用到的光强信号个数：将光强探测阵列上收集到的光强按其所对应的散射光角度进行划分，具体为：以5的整倍数角度θ为中心，正负2.5度扇形环内的光强值相加作为θ角度的散射光强值，依此将-2.5°至162.5°的范围划分为33等份，分别为0°,5°,10°,...,160°的散射光强，取用其中的p个角度光强值来计算浊度，角度的组合共有种，p为1到10的整数；

(3)取2p+1种已知浊度值的标准溶液，测量每种溶液在不同角度光强值，按照步骤(2)的方法确定p个角度的组合，依次将所有角度组合的光强代入公式(1)列出2p+1个方程，解出每种角度组合所对应的a_n,b₀,b_n；

$t=\frac{1+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{I}_n}{b_0+\underset{n=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{I}_n}---\left(1\right)$

(4)确定选取的角度组合：另取m种已知浊度的标准溶液，m为大于2p+1的正整数，测量每种溶液各角度光强值，依次将光强值与步骤(3)得到的相同角度组合的系数a_n,b₀,b_n代入公式(1)即可解出浊度T的估计值

$e=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|{\hat{T}}_i-T_i|}{T_i}$

计算m种标准溶液估计值与标准值T_i的相对偏差的平均值e，即：

通过比较不同角度的组合，选出使e最小的一组角度组合，即为测量角度个数为p时的角度组合，该角度组合所用的参数a_n,b₀,b_n也随之确定；

(5)对未知浊度的样品进行测量：首先选择需要用到的测量角度个数p，再将水下全角度浊度测量设备测量得到的该未知浊度溶液各角度光强值代入公式(1)，其选用的角度组合与相应系数由步骤(4)确定，即可得到该溶液的浊度估计值。