检测系统和方法以及水处理系统和方法

检测系统和方法以及水处理系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种检测系统和方法以及水处理系统和方法。依照本发明的检测系统可以检测介质中颗粒的状态。所述检测系统包括：光学探头，其包括至少一发射光纤，用于向介质发射光；和至少两接收光纤，用于接收介质反射或反向散射的光，当所述检测系统进行检测时，至少光学探头的端部位于介质中；信号处理模块，其与光学探头连接，用于将来自光学探头的接收光纤的光信号转换为电信号，并基于该电信号确定介质中颗粒的状态。
【专利说明】检测系统和方法以及水处理系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种检测系统和方法，特别涉及一种可以在线检测介质中所含颗粒的检测系统和方法。本发明还涉及一种水处理系统和方法，特别涉及可以在线检测水中所含颗粒的状态并根据检测的结果对水进行处理的系统和方法。
【背景技术】
[0002]初级污水处理的目的在于，通过沉积或絮凝的沉淀过程以及物理-化学处理，去除或降低在原水或污水中的悬浮固体和其他可能的污染物。在众多工业沉淀池(净化池)中，加入化学试剂(混凝剂和絮凝剂)来促进胶体凝结，从而加速固体沉积过程。混凝剂和絮凝剂的选择及其用量在沉淀池工艺中具有重要作用。废水初级处理的常见问题是流动的水质和水量持续变化，需要相应地对化学试剂的添加量进行调节。目前，广泛使用人工烧瓶试验作为工业中的标准方法，用来选择化学试剂及确定剂量范围。
[0003]但是，人工烧瓶试验有很多问题，首先，不能快速响应废水流的质量/数量的变化，其次，消耗人力和时间，而且响应迟钝，还需要有经验的人员进行操作。如果未能及时调节化学试剂的剂量，会导致较差的排出水质，并增加下游工艺出现问题的风险。因此，在污水处理工艺中急需一种可靠的在线检测系统，通过监视混凝、絮凝过程并且最优化化学试剂的剂量，从而保证净化的一致性和有效性。
[0004]很多技术已经用于污水净化步骤中以检测凝结效率，例如流动电流探测器(SCD)广泛用于饮用水处理的混凝剂剂量控制。但是，在污水中，电荷中和不会是固体沉淀的唯一作用机制，其他例如聚合物架桥、疏水反应、电荷通路中和等机制也是重要的。因此，使用SCD作为主要传感器用于混凝剂和絮凝剂剂量控制，在污水处理的很多方面是无法胜任的。此外，导电性干扰、探头污损以及高维护成本，阻碍了 SCD在污水处理中的应用。
[0005]随着计算机和数字影像的快速发展，数字显微成像技术日渐成熟，使得通过图像分析软件来分析颗粒形态成为可能。数字显微图像处理技术，可以快速实现大量絮状物尺寸的测量和絮状物悬浊液的原位测量。数字显微图像处理技术通过聚焦在检测容器内很近距离(0.3?Icm)的平面上来捕捉搅拌悬浊液的图像来监视絮状物。图像处理通常是必要步骤，以提高图像质量并用于分析。这种方法的关键在于设定目标和背景的清晰对比度，从而可以准确地测量颗粒大小。
[0006]使用沉淀来判断絮状物的沉积速度是重要的，因为沉积速度直接影响沉淀池的表现，是优化处理过程的重要参数。沉积作用取决于絮状物的大小、有效密度和孔隙率。但是测量絮状物沉淀需要非常精细的准备和大量的样品数目，才能获得准确结果。
[0007]颗粒计数是另一重要技术，通过电子检测或光学检测，测定一定尺寸范围内颗粒的数量，提供在凝絮过程中的颗粒信息。在电子检测和光学检测两种技术中，测定颗粒大小的主要问题来自于絮状物沉积在通过测量室时产生破碎。例如与光学图像分析技术相比，库特氏计数器显著低估了絮状物尺寸，因为其仅测量了絮状物中固体的体积，而不是含有空隙和水的絮状物的有效体积。另外，检测区域的颗粒数量、位置和颗粒重叠都会显著影响检测的准确度。综上各种原因，颗粒计数技术需要所测污水具有较低颗粒浓度，因而限制了其在水处理特别是废水处理过程中的应用。
[0008]目前最常见的商用颗粒尺寸检测设备都使用光散射技术。这些设备通过环状检测仪的阵列，记录不同角度范围内散射光的强度来测量颗粒尺寸，较小颗粒对应大角度散射光，较大颗粒对应小角度散射光。但是，由于水样过度浑浊导致激光散射的显著损失，光散射技术仅仅适合用于低浊度的水样品中。此外，基于该技术的在线测量进度很大程度上依赖测量过程中水样的稳定流动，这对于实际应用来说是一个问题。
[0009]透光率脉动检测仪(Photometric Dispersion Analyser, PDA)是独特的商用设备，用来测量颗粒凝聚状态的改变。其使用一束光照射流动悬浊液，测量透射光学强度的波动，表示为絮凝指数。PDA根据该指数,来评估化学试剂的有效性。John Gregory等在英国专利GB2182432A中公开了此项技术的测量原理与方法。其利用横向窄光束照射流动悬浮物，透过悬浮物的光强度由检测装置所检测并输出。输出信号由两部分组成，其中直流信号(DC信号)表示透过光等效平均强度，而交流信号(RMS信号)表示样品中颗粒数量的随机变化。使用此种技术的分析仪具有从原始输出信号分离直流与交流信号的功能。但是，在PDA技术中也有一些限制。例如，悬浮的固体在穿过PDA测量室时必须具有足够的浓度才能提供可靠的信号。此外，悬浮固体的混合强度和设备校准也会影响在线测量的准确性。较小的取样管会施加巨大的剪切力，可能会破碎絮状物。PDA技术的另一问题是它不是在线检测，样品需要被导入到用于检测的测量室中。由于絮状物可能在取样管中穿过时进一步长大，该测量不能反映沉淀系统中的真实状态。以上问题以及非常昂贵的价格限制了 PDA在污水处理工业中的应用。
[0010]由于诸如可靠性、维护、复杂性、响应时间、成本等各种问题，许多类似的技术都不适合直接用于污水处理。迄今为止，在污水市场中尚无一种广泛使用的产品，来提供监视和初级处理中化学试剂剂量测量的最优化控制。
[0011]有鉴于现有技术中存在的问题，需要一种可靠、灵敏且廉价的在线检测系统。自动最优化剂量控制系统可以降低处理成本、更有效利用净化池容积并有益于下游处理工序，提高整体的水处理能力。

【发明内容】

[0012]本发明的目的在于提供一种可靠和廉价的在线光学监测系统和方法以及相应的水处理系统和方法。
[0013]本发明的一方面在于提供一种检测系统，用于检测介质中颗粒的状态，其特征在于包括:光学探头，其包括至少一发射光纤，用于向介质发射光；和至少两接收光纤，用于接收介质反射或反向散射的光，当所述检测系统进行检测时，至少光学探头的端部位于介质中；信号处理模块，其与光学探头连接，用于将来自光学探头的接收光纤的光信号转换为电信号，并基于该电信号确定介质中颗粒的状态。
[0014]在依照本发明的检测系统中，光学探头可以包括多条发射光纤，发射光纤以围绕接收光纤的方式排布。所述光学探头可以包括11条发射光纤和两条接收光纤，每条接收光纤周围等距排布6条发射光纤。所述光学探头可以包括15条发射光纤和两个接收光纤组，每个接收光纤组包括两条并列排布的接收光纤，且每个接收光纤组周围排布有10条光纤。所述光学探头可以包括多条发射光纤和至少两条接收光纤，所述多条发射光纤排布成两个相连接的环状，接收光纤分别位于环状的中心位置。在依照本发明的检测系统中，所述光学探头还可以包括多条填充光纤。
[0015]在依照本发明的检测系统中，所述光学探头的一端可以包括一保护窗口。所述保护窗口可以为蓝宝石或光学玻璃，且所述保护窗口上可以具有一对应介质的减反射膜或增透膜。
[0016]在依照本发明的检测系统中，光学探头可以包括光纤接头和适配器，所述发射光纤和所述接收光纤固定在光纤接头中，所述光纤接头与适配器通过螺纹连接。所述适配器可以具有一光纤接头安装孔，该孔的内表面上具有螺纹，所述光纤接头的外表面上具有螺纹。光纤接头可以包括便于将光纤接头拧入光纤接头安装孔中的头部，所述头部包括多条防滑凹槽。
[0017]在依照本发明的检测系统中，所述介质可以为液体。颗粒的状态可以包括颗粒大小的变化和颗粒浓度。
[0018]在依照本发明的检测系统中，所述信号处理模块可以基于来自接收光纤的光信号获得交流电信号和直流电信号，并基于交流电信号确定介质中颗粒大小变化，基于直流电信号确定介质的浓度。
[0019]本发明的另一方面在于提供一种水处理系统，其包括如上所述的检测系统，用于检测添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，所述水处理系统根据检测系统的检测结果确定水处理所需的化学药剂的剂量，并向水中添加所述确定剂量的化学药剂对水进行处理。
[0020]在依照本发明的水处理系统中，所述水处理系统向水中多次添加化学药剂，且每次添加的化学药剂的剂量不同，所述检测系统检测每次添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，所述水处理系统根据添加的化学药剂的剂量与颗粒大小变化之间的关系，确定水处理所需的化学药剂的剂量。
[0021]本发明的又一方面在于提供一种用于检测介质中颗粒的状态的方法，其包括:通过至少一发射光纤在介质中向介质发射光；通过至少两接收光纤在介质中接收介质反射或反向散射的光；将接收光纤接收的光信号转换为电信号，并基于该电信号确定介质中颗粒的状态。
[0022]在依照本发明的用于检测介质中颗粒的状态的方法中，可以通过多条发射光纤向介质发射光，发射光纤可以以围绕接收光纤的方式排布。所述介质可以为液体。所述颗粒的状态可以包括颗粒的大小变化和颗粒浓度。
[0023]在依照本发明的用于检测介质中颗粒的状态的方法中，可以将接收光纤接收的光信号转换为交流电信号和直流电信号，并基于交流电信号确定介质中颗粒的大小变化，基于直流电信号确定颗粒浓度。在依照本发明的用于检测介质中颗粒的状态的方法中，还可以将包括所述发射光纤的接收光纤的光纤接头通过螺纹与适配器连接。
[0024]本发明的又一方面在于提供一种水处理方法，其包括:向水中添加化学药剂，确定检测添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，根据检测到的添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化确定水处理所需的化学药剂的剂量，并向水中添加所述确定剂量的化学药剂对水进行处理。
[0025]在依照本发明的水处理方法中，可以向水中多次添加化学药剂，且每次添加的化学药剂的剂量不同，检测每次添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，根据添加的化学药剂的剂量与颗粒大小变化之间的关系，确定水处理所需的化学药剂的剂量。
[0026]依照本发明的光学实时在线监测探头，采用多路照明设计与多路检测通道，接收来自悬浊溶液的反射与反向散射光，浸入式检测使探头易于安装于管路系统。依照本发明光学实时在线监测探头在污水处理中可以进行沉积及絮凝状态的监测，从而实现最优化化学试剂剂量的实时控制。在初级污水处理过程中，不需要详细的颗粒参数(诸如浓度、尺寸或尺寸分布)来评价沉积及絮凝过程。多路照明设计能有效提高信噪比，而多路检测通道能实质性提高探头检测的精确性。本发明在线监测探头，虽然利用与PDA设备类似的计算原理，但是基于反射与反向散射的测量方法，成功地解决了测量过程中絮状物破碎的问题，这也正是PDA设备的主要缺陷。本发明是一种基于光纤的紧凑的反射探头，对反射及反向散射的光信号进行探测，从而监视流动或静态介质中颗粒凝聚的状态。优化的光纤排列确保对样品的均匀照明，以及对反射及反向散射光信号采集的效率。光纤的灵活配置能实现各种应用的样品照明和光信号读取要求，确保探头可以满足各种应用需求，诸如溶液中颗粒尺寸监视、气体组分分析、基于光散射的固体基板的表面检测、从紫外(UV)至近红外(NIR)波长范围的吸收和反射测量。本发明还采用特定电路系统用于该探头，对所采集的多路光信号进行采集，处理与分析。该电路系统能将探头接收到的光信号进行光电转换，并将原始电信号分解成交流信号(RMS信号)和直流信号(DC信号)，由此可进行后续的数据处理及仪器标定。
[0027]依照本发明，在初级污水处理中进行原位检测污染物的凝结和/或絮凝，从而有助于实现最优化化学试剂剂量的控制。
[0028]本发明的优势以及【具体实施方式】和相关优选实施方式结合以下附图进行具体说明。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]图1是依照本发明的检测系统的结构框图。
[0030]图2是依照本发明的检测系统的光学探头的一个实施方式的分解图。
[0031]图3是图2所示的光学探头的组合图。
[0032]图4是依照本发明的检测系统的光学探头的一个实施方式的分解图。
[0033]图5是依照本发明的光学探头的一个实施方式的光纤排布示意图。
[0034]图6是依照本发明的光学探头的一个实施方式的光纤排布不意图。
[0035]图7是依照本发明的光学探头的一个实施方式的光纤排布示意图。
[0036]图8是依照本发明的信号处理示意图。
[0037]图9是依照本发明的检测系统检测介质中颗粒的流程图。
[0038]图10是显示溶液浊度值与探头直流信号输出值之间关系示意图。
[0039]图11是显示交流RMS信号与上清液池度值以及混凝剂加药量之间的关系示意图。
【具体实施方式】
[0040]如图1所示，依照本发明的检测系统包括包括两部分，即光学探头11和信号处理模块12。光学探头11包括发射(照明)光纤111和接收(读取)光纤112。具有照明光纤111的分支可以通过机械适配器与光源连接，用于将光源发射的光发射至待检测的介质中。光源例如可以是中心波长为850nm的红外发光二极管。接收光纤112用于接收介质反射的光，并可以通过机械适配器与光敏二极管连接。在检测端，光学探头111可直接用于实际应用，也可与具体的机械部件连接以实现特定的机械安装。光学探头111的具体结构将在随后进行详细描述。
[0041]信号处理模块12包括光电转换部121、电信号处理部122和显不部123。光电转换部121将来自接收光纤112的光信号转换为电信号，其可以是例如光敏二极管。电信号处理部122对来自光电转换部121的电信号进行处理，以确定检测的介质中颗粒的性质。显示部123将电信号处理的结果显示给用户(检测者)。
[0042]图2和3示出本发明探头的一个实施方式的结构。图2显示了探头的分解图。图3显示了图2所示的各个部件组装在一起的示意图。在本实施方式中，探头包括适配器23，光纤接头24，O形密封圈22和保护窗口 21。适配器23的外形可以类似于螺钉，具有一体形成的一大一小两个圆柱体233、234。在适配器23的中心具有一贯穿适配器23的孔231，用于固定光纤接头24。适配器23可以由不锈钢制成。本领域的普通技术人员可以理解，适配器23的形状、结构以及材料可以任意选择，只要其可以固定光纤接头24并具有符合需要的强度和针对待测介质耐腐蚀的特性。光纤接头24的光纤束241包括至少一发射光纤和至少两接收光纤。可选择的，光纤束241还可以包括多路填充光纤和/或其它用于固定光纤的结构。光纤接头24还包括用于固定光纤241的安装部242。安装部242与适配器21的安装孔231相配合，其形状和大小大致与安装孔231相对应。在一优选的实施方式中，安装部241的外表面上以及安装孔231的内表面上具有螺纹，从而可以通过螺纹之间的干涉配合而使两者固定连接。光纤接头22还包括与安装部241相连接的头部243，以便于将光纤接头24的安装部241容易地拧入适配器21的安装孔231中。优选的，头部243还包括多个防滑凹槽(在图2的实施例中为四个凹槽)，以增加手与头部之间的摩擦，从而更方便地将光纤接头24的安装部241拧入适配器21的安装孔231中。
[0043]在光学探头(或光纤束22)朝向介质的端部具有一保护窗口 21。保护窗口 21可以通过胶粘等方式安装在适配器23面向介质的端部的凹陷232中。由于探头可能会工作在各种恶劣环境中，安装在探头检测端的外侧的额外的保护窗口 21可以保护光纤端面不受破坏。因为本发明探头为反射式探头，而保护窗口的使用会引入界面光反射，部分界面反射光会直接进入探头的检测通道，影响到探头的动态监测范围。在这种情况下，优选在保护窗口 21上镀增透膜或高透射的带通光学薄膜，以消除或减小界面反射光。常用的保护窗口21为蓝宝石或经表面加强处理的高致密度及高透过率的光学玻璃。光学探头还可以包括密封圈22。当光学探头与其它机械部件(图未显示)配合时，密封圈22可以实现两者的密封连接。
[0044]图4示出了本发明探头的另一个实施方式的结构。图4的探头与图2的探头的不同之处在于适配器的形状不同，图4的光纤接头的结构与图2中的光纤接头的结构相同。在图4的探头中，适配器33的形状为圆柱形。类似于图2中的探头，适配器33的中心具有一光纤接头安装孔331，光纤接头安装孔331的内表面具有螺纹。具有发射光纤和接收光纤341的光纤接头34可以通过位于安装部342上的螺纹拧入适配器33的光纤接头安装孔331中。本领域的普通技术人员可以理解，图2和图4中给出的适配器结构仅仅是一个例子，可以根据现场情况采用其它类型的适配器结构。具有发射光纤和接收光纤的光纤接头可以通过标准螺纹实现与适配器的稳定连接，也可以采用其它任何连接方式来实现光纤接头和适配器之间的连接。
[0045]依照本发明的光学探头包括至少一路发射光纤和至少两路接收光纤。优选地，发射光纤和接收光纤集成在一光学探头中。可选择的，本发明的检测系统还可以包括任意数量的填充光纤。填充光纤通常用来使得发射光纤和接收光纤牢固地固定在光学探头中，或者用来降低成本。依照本发明的光学探头的发射光纤的数量可以大于一路，接收光纤的数量可以大于两路，本领域技术人员可以根据所要达到的检测要求，对光纤的数量以及光纤的排布位置进行选择和调配。
[0046]如图5所不,在本发明的一个优选实施方式中，光学探头包括19根石英光纤。其中照明光纤52共11根，安置于照明光纤分支；读取(接收)光纤51共2根，分别安装于两根检测光纤分支，用于提供两路检测信号；填补光纤53共6根，此类光纤不参与测量，仅作为加工辅助以实现全部光纤的稳定安装。在图5中，带有竖线的圆圈表示读取光纤51，带有左斜线的圆圈表示照明光纤52，带有右斜线的圆圈53表示填充光纤。在图5所示的实施方式中，发射光纤52分布于每路接收光纤51的四周，从而每路接收光纤51都可以很好地接收反射光。
[0047]本发明的另一个优选实施方式中，光学探头的光纤排布如图6所不。图6所不的实施方式类似于图5的实施方式，其不同点仅在于没有填充光纤。发射光纤62和接收光纤61的排布和图5相同。
[0048]在其他类型的应用，如需要不同检测通道数量或更强的照明光信号时，光纤的整体数量、三类光纤(发射光纤、接收光纤和填充光纤)的具体数量及排列方式等均可根据实际情况而做出改变。如需要更强的照明光信号且需四路检测光信号时，本发明的探头可采用如图7所示的检测端设计。图7设计中，使用了 15根照明光纤72，4根检测光纤71，且并未使用填补光纤。而且，15根照明光纤72分布在4根检测光纤71的四周。
[0049]依照本发明的检测系统采用多路(至少两路)读取光纤，其能够有效排除因电子噪音和异常光信号所带来的错误，特别是当与电路系统一起工作时。
[0050]依照本发明的检测系统的信号处理模块包括光电转换部，用于将接收光纤接收的光信号转换为电信号。在一实施方式中，光电转换部为与接收光纤连接的光敏二极管。光敏二极管由电路系统驱动，入射至光敏二极管的光信号经光电转换为模拟电信号。信号处理模块还包括电信号处理部，用于基于来自光电转换部的电信号进行信号处理与计算分析介质中颗粒的性质。在一实施方式中，信号处理部可以由电路系统的硬件及软件模块实现。
[0051]在一实施方式中，原始检测光信号经光电转换与后续计算处理后，被转化为交流信号(RMS信号)和直流信号(DC信号)，并以此完成对溶液中粒子悬浮颗粒聚集状态的定量描述，以及溶液浊度信号值的测量。交流RMS信号表征溶液中悬浮颗粒聚集状态，交流信号越大说明溶液中悬浮颗粒的有效粒径越大；直流DC信号表征溶液的浊度值，直流信号越大说明溶液的浊度值越大。
[0052]图8示意性地显示了信号处理的系统框图。光源82和探测器83分别与光学探头81的发射光纤和接收光纤相连。探测器83将接收的光信号转换为电信号，且通过电路系统的信号采集部84接收。通过对接收的两路电信号进行信号差分处理85和标准的信号处理87而获得RMS信号。通过对接收的两路电信号进行信号叠加处理86和标准的信号处理87而获得DC信号。图9示出了依照本发明的检测系统的原理流程图。在图9中，步骤901至907为光学系统的处理，步骤908至912为电路系统的处理。
[0053]在步骤901中，近红外光源照射光学探头的照明光纤分支。在步骤902中，照明光纤分支传输照明光。在步骤903中，照明光从光学探头的端面发射出，照明样品(待检测介质)。在步骤904中，介质(可以是溶液或气体)中的颗粒散射和反射来自照明光纤的照射光。在步骤905中，检测光纤采集颗粒散射和反射的光。检测光纤接收的光在步骤906中沿着检测光纤传输，并在步骤907中到达光电检测器。
[0054]在步骤908中，光电检测器将来自检测光纤的光转换为电信号，并在步骤909中由信号处理电路读取。在步骤910中，对来自光电检测器的电信号进行标准化处理，例如放大，去噪等处理。处理后的信号在步骤911中计算出RMS信号和DC信号。步骤911获得的RMS信号和DC信号可以在步骤912中输出至显示设备或其它控制电路，从而可以人工或自动地确定需要对检测介质的处理。
[0055]实验测试
[0056]本发明检测系统输出的直流DC信号用于表征溶液的浊度值，直流信号越大说明溶液的浊度值越高。对直流DC信号的验证，实际测试中采用不同浓度的高岭土溶液，且每个浓度溶液的浊度值由商用浊度计进行标定。分析不同溶液的实际浊度值与探头对应直流DC信号输出之间的关系，验证本发明探头的直流DC信号能有效并准确表征溶液的实际浊度值。表I所示为每种浓度溶液的浊度值与对应的探头直流DC信号输出值，图10表示两者之间的对应关系，图中的实线101表示探头直流DC信号输出与溶液的浊度值之间的关系。由图10可知，两者在数值上存在一一对应关系，总体线性度良好，但是分段线性度如100NTU以下与100NTU以上具有不同的线性系数。此时可考虑使用分段线性定标使探头在全检测范围内均能达到较高的测量精度。可选择的，可以使用二次多项式拟合，从而可用一个定标方程完成全检测范围内的范围标定。在图10中，显示了利用二次项拟合和线性拟合而得到的曲线。图10中的短虚线102表示二次项拟合曲线，二次多项式拟合方程为Y=-0.0007X2+1.3352X+10.083，其中X代表X坐标轴，即浊度值，Y代表Y坐标轴，即探头DC信号输出。图10中的长虚线103表示线性拟合曲线，线性拟合方程为Y = 0.8662X+32.4，其中X代表X坐标轴，即浊度值，Y代表Y坐标轴，即探头DC信号输出。需要明确的是，这里给出的二次项拟合方程和线性拟合方程仅仅是一个例子，可以根据所需的曲线拟合准确度采用不同的二次项拟合方程或线性拟合方程。本实验中使用了固定的直流DC信号增益和光源输出功率，实际应用过程中可根据待测溶液不同的浊度值，使用不同的直流DC信号增益与光源输出功率，配以对应的线性或二次多项式拟合方程，可以使探头的浊度值检测范围达到O?8000NTU。本实验结果证明本发明探头的直流DC信号能有效并准确地检测溶液的浊度值。
[0057]表I溶液浊度值与探头直流信号输出值
[0058]
溶液浊度值(NTU)探头直流信号输出值(mV)
OO
[0059]8.520
13303060
65100
165200
328380
719620
[0060]本发明探头输出的交流RMS信号用于表征溶液中悬浮颗粒的聚集状态。悬浮颗粒的粒径越大，相应的交流RMS信号的输出也越大。测量中对某种合成水样或实际工业废水加入不同量的混凝剂与絮凝剂，在不同程度上改变待测水样中悬浮颗粒的大小与形态，从而获得各对应状态下探头交流RMS信号的输出值。因为对于大多数溶液，其悬浮颗粒的聚集状态直接影响沉降效果，所以通过对各种加药量下溶液的上清液浊度值与对应的探头交流RMS信号输出值之间关系的分析，验证并评估本发明探头交流RMS信号对溶液中悬浮颗粒聚集状态描述的有效性与准确性。
[0061]以某造纸厂实际废水水样为样本，使用本设计探头对不同化学药剂投加量的情况进行测量，测量各种情况下溶液悬浮颗粒的凝聚状态，从而判断何种化学药剂以及投加量能使溶液中悬浮颗粒具有更好的沉降能力。本实验中向废水水样中分别加入不同剂量的混凝剂(Nalco#8187)，以及固定剂量的絮凝剂(Nalco#7768)。各种加药量的测量过程严格遵守同一标准，保证化学药剂能充分地与水样混合及反应。实验过程中探头交流RMS信号实时输出，待混合反应稳定后取一段时间的平均值为做最终输出值。每次测量完毕都严格遵守相同的流程以检测溶液上清液的浊度值，上清液浊度值由商品化的仪器进行测量。图11所示为交流RMS信号与上清液浊度值以及混凝剂加药量之间的关系。在图11中，曲线113表示交流RMS信号与混凝剂加药量之间的关系，曲线114表示上清液浊度值以及混凝剂加药量之间的关系。由此可知，本发明探头的交流RMS信号能准确表征溶液中悬浮颗粒的聚集状态。
[0062]依照本发明的检测系统可以直接将光学探头插入待检测介质中并利用反射光来检测介质中颗粒的状态，因此可以实现在线检测。由于本发明的检测系统采用多路(至少两路)读取光纤，能够有效排除因电子噪音和异常光信号所带来的错误。在依照本发明的检测系统，通过将发射光纤分布在接收光纤的周围，可以使得每路接收光纤都可以很好地接收反射光，从而实现更有效、更准确的测量。
[0063]依照本发明的检测系统的在线监测有助于实现在污水处理过程中化学品的给料自动化，对于回报的增长起显著作用。在污水处理的许多处理过程中，包括初级处理、二级处理以及淤泥脱水，成功实施杯罐试验自动化将带来:高效、快速、低成本的处理。
[0064]本探头可以拥有监视在二级处理和污泥脱水的在第一阶段和第二阶段的初级处理步骤。潜在的应用是乳化液破碎步骤，诸如在纸浆和造纸工艺的短工作周期中，采矿的煤/水分离等类似应用中。
[0065]本发明还涉及一种水处理系统和方法，其采用本发明的检测系统对水中的颗粒进行检测，根据检测的结果确定水处理所需的化学药剂(例如混凝剂和絮凝剂)的剂量，并向水中添加确定剂量的化学药剂以对水进行处理。在一个实施方式中，首先向水中多次添加化学药剂，每次添加的化学药剂的剂量不同，检测每次添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，根据添加的化学药剂的剂量与颗粒大小变化之间的关系，确定水处理所需的化学药剂的剂量。
[0066]虽然本发明的一些优选实施例在此处详细地公开，但是本发明并不仅限于该公开的实施例，这些公开的实施例只是示例。
【权利要求】
1.一种检测系统，用于检测介质中颗粒的状态，其特征在于包括: 光学探头，其包括至少一发射光纤，用于向介质发射光；和至少两接收光纤，用于接收介质反射或反向散射的光，当所述检测系统进行检测时，至少光学探头的端部位于介质中；和
信号处理模块，其与光学探头连接，用于将来自光学探头的接收光纤的光信号转换为电信号，并基于该电信号确定介质中颗粒的状态。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头包括多条发射光纤，发射光纤以围绕接收光纤的方式排布。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头包括11条发射光纤和两条接收光纤，每条接收光纤周围等距排布6条发射光纤。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头包括15条发射光纤和两个接收光纤组，每个接收光纤组包括两条并列排布的接收光纤，且每个接收光纤组周围排布有10条光纤。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头包括多条发射光纤和至少两条接收光纤，所述多条发射光纤排布成两个相连接的环状，接收光纤分别位于环状的中心位置。
6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头还包括多条填充光纤。
7.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学探头的一端包括一保护窗□。
8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述保护窗口为蓝宝石或光学玻璃，且所述保护窗口上具有一对应介质的减反射膜或增透膜。
9.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于， 光学探头包括光纤接头和适配器，所述发射光纤和所述接收光纤固定在光纤接头中，所述光纤接头与适配器通过螺纹连接。
10.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述适配器具有一光纤接头安装孔，该孔的内表面上具有螺纹，所述光纤接头的外表面上具有螺纹。
11.根据权利要求10所述的检测系统，其特征在于，光纤接头包括便于将光纤接头拧入光纤接头安装孔中的头部，所述头部包括多条防滑凹槽。
12.根据权利要求1-11任一项所述的检测系统，其特征在于，所述介质为液体。
13.根据权利要求12所述的检测系统，其特征在于，所述颗粒的状态包括颗粒大小的变化和颗粒浓度。
14.根据权利要求13所述的检测系统，其特征在于，所述信号处理模炔基于来自接收光纤的光信号获得交流电信号和直流电信号，并基于交流电信号确定介质中颗粒大小变化，基于直流电信号确定介质的浓度。
15.一种水处理系统，包括如权利要求1-14任一项所述的检测系统，用于检测添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化， 所述水处理系统根据检测系统的检测结果确定水处理所需的化学药剂的剂量，并向水中添加所述确定剂量的化学药剂对水进行处理。
16.如权利要求15所述的水处理系统，其特征在于包括:所述水处理系统向水中多次添加化学药剂，且每次添加的化学药剂的剂量不同，所述检测系统检测每次添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，所述水处理系统根据添加的化学药剂的剂量与颗粒大小变化之间的关系，确定水处理所需的化学药剂的剂量。
17.一种用于检测介质中颗粒的状态的方法，其特征在于包括: 通过至少一发射光纤在介质中向介质发射光； 通过至少两接收光纤在介质中接收介质反射或反向散射的光；和 将接收光纤接收的光信号转换为电信号，并基于该电信号确定介质中颗粒的状态。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过多条发射光纤向介质发射光，发射光纤以围绕接收光纤的方式排布。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述介质为液体。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述颗粒的状态包括颗粒的大小变化和颗粒浓度。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将接收光纤接收的光信号转换为交流电信号和直流电信号，并基于交流电信号确定介质中颗粒的大小变化，基于直流电信号确定颗粒浓度。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括: 将包括所述发射光纤的接收光纤的光纤接头通过螺纹与适配器连接。
23.一种水处理方法，其包括: 向水中添加化学药剂， 根据如权利要求17-22任一项所述的方法检测添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，以及 根据检测到的添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化确定水处理所需的化学药剂的剂量，并向水中添加所述确定剂量的化学药剂对水进行处理。
24.如权利要求23所述的水处理方法，其特征在于包括: 向水中多次添加化学药剂，且每次添加的化学药剂的剂量不同， 检测每次添加了化学药剂之后水中颗粒大小变化，以及 根据添加的化 学药剂的剂量与颗粒大小变化之间的关系，确定水处理所需的化学药剂的剂量。
【文档编号】C02F1/00GK103712927SQ201210376904
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月29日 优先权日:2012年9月29日
【发明者】程梁, 罗德尼·H·班克斯, 陈果, 李恒, 于春波, 徐健, 陈谱 申请人:埃科莱布美国股份有限公司