专利名称：水中微小颗粒在线测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水中微小颗粒的在线测量方法和装置，它可以定量测得水中颗粒的大小和数量，由此可判断水的纯净度，属水测量技术领域。
背景技术：
随着社会的发展、人民生活水平的提高和对自身健康的更加关注，对生活用水的水质要求不断提高，由此对水质测量也提出了更高的要求。原先广泛使用的浊度测量法已不能完全满足要求。首先，随着水的浊度越来越低，浊度测量的分辨率和准确程度逐渐不能适应测量的要求；其次，浊度表达的是水中含杂质和微生物的总量的情况，无法获得杂质和微生物颗粒大小的信息，而有时我们很希望获得这些信息，尤其是直径2～20μm的微粒。例如水中某致病力很强的细菌，它有一定的大小，在数量较少时，用测量浊度的方法很难确定水中是否含有这种细菌。因此用能检测水中颗粒的大小和颗粒的数量的方法来评价水质好坏，越来越受到重视。
现有的微小颗粒检测主要有三种方法，电感应法、光阻法、光散射或衍射法。
电感应法的做法是将被测水样加电解质配成具有一定导电率的电解溶液，使该溶液通过一微细的管道，测量管道两端的电导值，当管道内有微粒时，管道某位置导电截面变小，导致管道两端的电导值减小，根据电导值减小的数量，可推算出微粒的大小。该方法要求微粒一个一个经过管道，且要求管道很细以获得一定的测量分辨率。另外还要求将水样配成电解溶液，很难实现在线测量。实际使用中因管道很细容易堵住，维护较困难。
光阻法的基本原理是微粒对光的阻挡作用(吸收、散射等)，使透过水样的光的强度发生变化。一般结构是被测水样从透明的水样管道流过，一束平行光穿过水样管道，通过光敏器件接受。该方法也要求微粒一个一个经过管道，因此管道需足够细，实际使用中容易堵塞。另外由于该方法光接受面积远大于微粒面积，微粒的阻挡对光强度的影响及其微小，易被接受器件和放大电路的噪声所淹没，因此该方法的测量分辨率较低，现有的这类仪器一般只能测出微粒的大致范围，例如3～5μm；6～9μm等等，无法获得准确数值。另外由于不同性质的微粒对光的吸收和散射效果不同，也就是说，同样大小但性质不同微粒对光的阻挡效果不同，这将会影响测量的准确性。
光散射或衍射法是利用微粒对光的散射或衍射作用，测量光通过水样后的散射光的强度或衍射光的位置，获得微粒大小的信息。该方法一般也需要微粒一个一个通过测量区，因此也必须使用细管，且散射光的强度十分微弱，容易淹没在杂散光(通过非散射途径到达接受器件的光)中。测量衍射光的位置(条纹)并由此计算微粒大小的工作较复杂，尤其是在线检测微粒在移动的情况下，且需要一个有足够分辨率的面阵光接收器，由于衍射光强度很弱和系统噪声的影响，测量精度会大受影响。该类方法同样存在细管易堵塞，维护困难的问题，另外散射光法还存在不同性质的微粒对光散射效果不同而影响测量准确度的问题。
发明内容
本发明的目的在于改进和消除现有方法和技术中存在的以下三个问题，从而实现在线、较准确的测量水中直径1～50μm微粒大小的目标。
(1)因微粒需一个一个测量而存在细管道，带来维护困难；(2)信噪比低，颗粒大小的测量精度不高，因而目前这类仪器大多称之为颗粒计数器；(3)微粒的性质与测量结果有关。
为达到上述目的，本发明的构思是使用光阻法的基本原理进行测量，(1)为提高信噪比，大大减小光接受器件的面积，使它可与微粒的面积相比拟，这样有微粒遮光和无微粒遮光时接受到的光强将会有较大的变化；(2)将数百个小面积的光接受器件一字排开，形成长度为3～8mm的线阵，同时工作，解决了普通光阻法接受器件面积减小，细管直径也需相应减小的问题，还可取消细管，将取样水域宽度提高到3～8mm，解决了细管阻塞问题；(3)对线阵光接受器件进行高速采样，因此在水流速度不高的情况下，可以采集到微粒流经光接受器件时光强变化的整个过程，采集到的光强信号有一个下降过程(微粒投影逐渐进入光接受器件)、平稳过程(微粒投影在光接受器件内)、和上升过程(微粒投影逐渐离开光接受器件)，在水流速度固定的情况下，从光强信号下降时间、或上升时间或平稳时间就可计算出微粒的大小，而无需依赖光强信号强度的变化来计算微粒的大小。解决了不同性质的微粒对光遮挡效果不同而影响测量准确度的问题。
基本原理示意图如图(1)所示，被测水样流经一扁平的管道，该管道的中间部分就是取样窗，使用线阵CCD器件作为光接受器件，取样窗的高度为线阵CCD每个象素的高度(10～20μm)；长度为CCD 300～500个象素的长度(3～10mm)，厚度为扁平管道厚度(0.5mm左右)，光源为片状平行光。当取样窗有微粒经过时，相应CCD象素接受到的光强度将发生变化，按颗粒大小不同有下面几种情况(1)颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒只影响一个象素光强，颗粒经过CCD的过程和接受到的光强信号如图2所示。
颗粒从位置1流到位置2(简写作1～2，以下同)，1～2的时间为t1，2～3的时间为t2，3～4的时间为t3。由t1＝t3＝dw (1)t2＝(w-d)v (2)其中d颗粒直径，w为CCD象素高度，v水流速度。可解得d＝t1w/(t1+t2)(3)为减小t1带来的误差，同时使用t1和t3两个参数，颗粒直径可写为d=(t1+t3)wt1+t3+2t2---(4)]]>即颗粒直径d可以通过w，t1，t2，t3算出，而不依赖于光强数值，且与水流速度v也无关。
(2)颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒影响两个相邻象素光强，如图3所示，此时的光强信号与上一种情况类似，只需将两个象素的光强减弱信号叠加后作为一个信号，使用上面的方法计算即可。
(3)颗粒直径大于CCD象素的高度，且颗粒影响两个或三个象素光强。如图4所示，此时颗粒从1～3(经过2)的时间为t＝t1+t2+t3＝(w+d)/v (5)将两个或三个象素光强减弱信号叠加后作为一个信号，在已知t，w，v的情况下(因此时t1，t2分界点的检测分辨率较差，所以使用总的时间t)，可以算出颗粒直径dd＝tv-w (6)根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种水中微小颗粒在线测量方法，包括被测水样流经一个管道，采用光阻法在线测量水中颗粒大小和数量，其特征在于所述的管道采用扁平管道，该管道的中间部分作为取样窗；所述的光阻法采用的光源为片状平行光，采用的光接收器为线阵CCD器件。
上述的取样窗的高度为线阵CCD器件每个象素的高度，为10～20μm，长度为CCD 300～500个象素的长度，为3～10mm，厚度为扁平管道的厚度，为0.5±0.1mm。
上述的颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒只影响一个象素光强，由测量系统的DSP(数字信号处理器，以下相同)按下式计算颗粒直径d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w为CCD象素高度，t1为颗粒进入象素区域的时间，t2为颗粒在象素区域流动的时间，t3为颗粒流出象素区域的时间。
上述的颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒影响两个相邻象素光强，由测量系统的DSP将两个象素的光强减弱信号叠加后作为一个信号，按下式计算颗粒直径d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w为CCD象素高度，t1为颗粒进入象素区域的时间，t2为颗粒在象素区域流动的时间，t3为颗粒流出象素区域的时间。
上述的颗粒直径大于CCD象素的高度，且颗粒影响两个或三个相邻象素光强，由测量系统的DSP将两个或三个象素的光强减弱信号叠加后作为一个信号，按下式计算颗粒直径d＝tv-w其中，w为CCD象素高度；t＝t1+t2+t3为总时间，即从颗粒开始进入象素区域至完全离开象素区域的时间；v为水流速度。
一种水中微小颗粒在线测量装置，用于上述的在线测量方法，包括被水样流经的一个管道、光源、光接收器件和测量系统的DSP，其特征在于1)所述的管道为扁平管道，该管道的中间部分作为取样窗；
2)所述的光源为片状平行光垂直对准所述的取样窗；3)所述的光接收器件为线阵CCD器件对准取样窗固定安装；4)所述的线阵CCD器件连接测量系统的DSP通过RS485接口连接主机。
上述的取样窗的高度为线阵CCD器件每个象素的高度，为10～20μm，长度为CCD 300～500个象素的长度，为3～10mm，厚度为扁平管道的厚度，为0.5±0.1mm。
上述的片状平行光的产生机构是一个半导体激光器发射的激光束路径上安置一组柱透镜组。
上述的管道的出水口处安装一个节流阀。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点(1)本发明采用扁平管道和线阵CCD器件，解决了普通光阻法细管阻塞问题。(2)大大减小光接收器件的面积，使它可与微粒面积相比拟，提高了信噪比。(3)水流速度不高，而线阵光接收器件进行高速采样，提高了测量的准确性。
图1是本发明的在线测量方法采用的结构原理图。
图2是颗粒直径小于CCD象素的高度且颗粒只影响一个象素光强的示意图，其中(a)图为颗粒流动示意图，(b)图为接收到的光强示意图。
图3是颗粒直径小于CCD象素的高度且颗粒影响两个相邻象素光强的示意图。
图4是颗粒直径大于CCD象素的高度且颗粒影响两个或三个相邻象素光强的示意图，其中(a)图为颗粒流动示意图，(b)图为接收到的光强示意图。
图5是本发明的一个在线测量装置实施例的结构示意图。其中(a)图为俯视图，(b)图为主视图。
具体实施例方式
本发明的一个优先实施例结合
如下本水中微小颗粒在线测量方法采用图5所示的在线测量装置进行测量，装置的结构和测量方法如下由半导体激光器(1)发出的激光经过柱透镜组(2)(3)形成片状平行光(4)，通过光栏(5)，穿过取样窗(6)后，由线阵CCD(7)的光敏部分(8)接受，经DSP芯片和少量外围器件(9)组成的系统处理后，通过串行口输出测量结果。线阵CCD(7)，DSP芯片和少量外围器件(9)，都安装在电路板(10)上，使连接线最短，以减小干扰与噪声。被测量的水样从进水口(11)流入，经过矩形取样窗(6)，节流阀(12)后，由出水口(13)流出。水流的速度是通过节流阀(12)调节的。
这种测量方法允许多个微粒同时经过取样窗，但不允许微粒在取样平面中重叠。实际上，因被测的大多是高纯度水，水样中的微粒数是很少的，两个微粒同时经过取样窗的概率已是非常小的，而取样窗的厚度又很小，两个微粒在取样窗中重叠的概率微乎其微。
线阵CCD使用TCD1209D，2048点，每点14×14μm，最高时钟频率20MHz。因不需要这么多的点数，同时也为了提高数据采集速度，实际只使用了前面的350点，组成了宽度约为4.9mm的取样窗。DSP使用TMS320LF2812，片内含12位80ns的A/D。测量系统使用10MHz采样，采集350点速度为28.5KHz，即每35μS，采集一组CCD的光强数据。当取样窗的水流速度为3mm/S时，取样分辨率约为0.1μm，满足了测量分辨率的要求，如能使用20MHz采样速度的芯片，则分辨率还可提高一倍，或在相同的分辨率下，水流速度可提高一倍。
通过调节节流阀，取样窗的水流速度控制在3mm/S，当流经取样窗的水样中有微粒时，线阵CCD，接受到的光强会有变化，当仅有一个CCD象素光强有变化时，使用一个CCD象素的光强信号，当有两个或两个以上相邻的CCD象素光强有变化时，将他们的信号叠加，先使用式(6)计算微粒直径，如计算结果微粒直径小于0.8w，则再用式(4)计算微粒直径，以提高测量精度。测量结果以数字的形式通过RS485接口发送到主机。由主机完成显示、记录、打印等功能。
权利要求
1.一种水中微小颗粒在线测量方法，包括被测水样流经一个管道，采用光阻法在线测量水中颗粒大小和数量，其特征在于所述的管道采用扁平管道，该管道的中间部分作为取样窗(6)；所述的光阻法采用的光源为片状平行光，采用的光接收器为线阵CCD器件(7)。
2.根据权利要求1所述的水中微小颗粒在线测量方法，其特征在于所述的取样窗(6)的高度为线阵CCD器件(7)每个象素的高度，为10～20μm，长度为CCD 300～500个象素的长度，为3～10mm，厚度为扁平管道的厚度，为0.5±0.1mm。
3.根据权利要求1所述的水中微小颗粒在线测量方法，其特征在于颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒只影响一个象素光强，由测量系统的DSP按下式计算颗粒直径d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w为CCD象素高度，t1为颗粒进入象素区域的时间，t2为颗粒在象素区域内流动的时间，t3为颗粒流出象素区域的时间。
4.根据权利要求1所述的水中微小颗粒在线测量方法，其特征在于颗粒直径小于CCD象素的高度，且颗粒影响两个相邻象素光强，由测量系统的DSP将两个象素的光强减弱信号叠加后作为一个信号，按下式计算颗粒直径d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w为CCD象素高度，t1为颗粒进入象素区域的时间，t2为颗粒在象素区域内流动的时间，t3为颗粒流出象素区域的时间。
5.根据权利要求1所述的水中微小颗粒在线测量方法，其特征在于颗粒直径大于CCD象素的高度，且颗粒影响两个或三个相邻象素光强，由测量系统的DSP将两个或三个象素的光强减弱信号叠加后作为一个信号，按下式计算颗粒直径d＝tv-w其中，w为CCD象素高度；t＝t1+t2+t3为总时间，即从颗粒开始进入象素区域至完全离开象素区域的时间；v为水流速度。
6.一种水中微小颗粒在线测量装置，用于权利要求1所述的水中微小颗粒在线测量方法，包括被水样流经的一个管道、光源、光接收器件和测量系统的DSP，其特征在于1)所述的管道为扁平管道，该管道的中间部分作为取样窗(6)；2)所述的光源为片状平行光(4)垂直对准所述的取样窗(6)；3)所述的光接收器件为线阵CCD器件(7)对准取样窗(6)固定安装；4)所述的线阵CCD器件(7)连接测量系统的DSP(9)通过RS485接口连接主机。
7.根据权利要求6所述的水中微小颗粒在线测量装置，其特征在于取样窗(6)的高度为线阵CCD器件(7)每个象素的高度，为10～20μm，长度为CCD 300～500个象素的长度，为3～10mm，厚度为扁平管道的厚度，为0.5±0.1mm。
8.根据权利要求6所述的水中微小颗粒在线测量装置，其特征在于所述的片状平行光(4)的产生机构是一个半导体激光器(1)发射的激光束路径上安置一组柱透镜组(2、3)。
9.根据权利要求6所述的水中微小颗粒在线测量装置，其特征在于所述的管道的出水口(13)处安装一个节流阀(12)。
全文摘要
本发明涉及一种水中微小颗粒在线测量方法及装置。本发明的在线测量方法是采用光阻法在线测量水中颗粒的大小和数量，被测水样流经的管道为扁平管道，该管道的中间部分为取样窗，光源采用片状平行光，光接收器采用线阵CCD器件。本发明能防止细管阻塞，提高信噪比和测量准确性。
文档编号G01N21/17GK101029863SQ20071003873
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月29日 优先权日2007年3月29日
发明者宋启敏, 房彩云, 钟德华, 毛文龙, 陆明刚 申请人:上海大学