一种浊度仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种浊度仪，包括光源模块、探测接收模块和计算模块；光源模块用于周期性的向待测量的样水发射两种不同频率的入射光；探测接收模块用于在与入射光呈90°和130°～140°的位置接收散射光，生成电压采样信号并发送至计算模块；计算模块用于根据电压采样信号计算待测量样水的浊度。本实用新型通过发射两种互不干扰频率的光有效的避免了水中杂散光和背景颜色对测量的干扰，而且在与入射光呈90°和130°～140°两个位置接收散射光，加大了对样水中大颗粒物质的监测，提高了测量的准确度。
【专利说明】一种浊度仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水质测量领域，特别涉及一种浊度仪。
【背景技术】
[0002]水的浊度是样水的一种光学性质，是指样水中固体悬浮微粒和杂质对光的散射引起样水透明度的下降。根据浊度测量国际标准IS07027和美国环保标准EPA180.1，目前市场上生产的大多池度仪都米用测量方向与入射光方向成90°角的散射光来确定池度值并且光源使用直流发射方式。这种方法在一方面易受水中杂散光和背景颜色干扰，另一方面测量高浊度样水时线性度也不好。而且光源由于使用直流发射方式长期使用，器件老化快，光源容易衰减，需要经常标定。上述问题都会影响水的浊度测量的准确性。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种浊度仪，以提高测量的准确性。
[0004]基于上述目的，本实用新型实施例提供了一种浊度仪，浊度仪包括光源模块、探测接收模块和计算模块；
[0005]光源模块用于周期性的向待测量的样水发射两种不同频率的入射光；
[0006]探测接收模块用于在与入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光，生成电压采样信号并发送至计算模块；
[0007]计算模块用于根据电压采样信号计算待测量样水的浊度。
[0008]优选的，光源模块包括两个光源子模块；两个的光源子模块发射的入射光的频率和入射位置均不同；
[0009]探测接收模块包括四个探测接收子模块；两个的探测接收子模块分别在与其中一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光；另两个的探测接收子模块分别在与另一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光；
[0010]其中，
[0011]每个光源子模块由发射光电二极管、平行光透镜组和光电二极管驱动电路构成；
[0012]光电二极管驱动电路用于向发射光电二极管发送驱动信号，驱动信号包含指定频率；
[0013]发射光电二极管用于根据驱动信号，向待测量的样水发射指定频率的入射光；
[0014]平行光透镜组用于将发射光电二极管发射的入射光进行聚焦；
[0015]和/或；
[0016]每个探测接收子模块由接收光电二极管、透镜组、电流/电压转换电路、带通滤波放大电路、有效值转换电路和A/D转换器组成；
[0017]透镜组用于将散射光信号聚焦到接收光电二极管上；
[0018]接收光电二极管用于将散射光信号转换成对应的电流信号；
[0019]电流/电压转换电路用于将电流信号转换为对应的初始电压信号；[0020]带通滤波放大电路用于对初始电压信号进行放大；
[0021]有效值转换电路用于将放大后的电压信号进行转换，生成有效电压信号；
[0022]A/D转换器用于将有效电压信号转换为对应的数学信号进行采样，生成电压采样信号。
[0023]优选的，两个光源子模块周期性的交替发射入射光或两个光源子模块周期性的同时发射入射光。
[0024]优选的于，浊度仪还包括控制模块；
[0025]控制模块用于向光电二极管驱动电路发送指令；指令包括指定频率。
[0026]优选的，控制模块和计算模块集成在ARM单片机上。
[0027]优选的，浊度仪还包括流通模块和/或清洗模块；
[0028]流通模块用于实时提供待测量的样水并使待测量的样水处于流通状态；
[0029]清洗模块用于对光源模块和探测接收模块进行清洗。
[0030]优选的，接收光电二极管的接收性能与对应的发射光电二极管的发射性能匹配。
[0031]优选的，接收光电二极管为P型光电二极管。
[0032]优选的，两种不同频率不同于自然光的频率。
[0033]优选的，探测接收模块用于在与入射光呈90°和135°的位置接收散射光。
[0034]本实用新型的有益效果是:
[0035]本实用新型通过发射两种互不干扰频率的光可以有效的避免水中杂散光和背景颜色的干扰，而且在与入射光呈90°和130°?140°两个位置接收散射光，加大了对样水中大颗粒物质的监测。进一步的，通过两个光源子模块交替发射入射光，避免了一直使用一个光源造成的器件老化问题。而且本实用新型在计算浊度值的过程中通过数字滤波对采样的数据进行了滤波处理，避免了气泡干扰造成的影响，提高了测量的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为实施例一中的浊度仪结构图；
[0037]图2为利用两个发射光电二极管和4个接收光电二极管测量样水浊度的示意图。【具体实施方式】
[0038]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0039]本实用新型实施例一提供了一种浊度仪，参见图1，该浊度仪包括:
[0040]光源模块11、探测接收模块12和计算模块13。
[0041]光源模块11用于周期性的向待测量的样水发射两种不同频率的入射光。为避免受自然光的影响，本实用新型中该两种入射光的频率均不同于自然光的频率。
[0042]探测接收模块12用于在与入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光，生成电压采样信号并发送至计算模块13。
[0043]计算模块13用于根据从探测接收模块12接收的电压采样信号计算待测量样水的浊度。
[0044]为保证采样数据的可靠性，计算模块13在计算待测量样水的浊度时，首先会对接收的两种频率的散射光对应的电压采样信号进行数字滤波。通过对比和平滑处理，提高有用信号强度，消除或减少各种干扰。
[0045]数字滤波与传统的硬件滤波相比具有以下优点:(1)不需增加任何硬件，只要在程序经入数据处理和控制算法之前，增加一段数字滤波即可，从而简化了系统硬件。(2)数字滤波可以多个通道共用，因而降低了成本。(3)只要适当改变滤波程序参数，就能方便地改变滤波特性，使用灵活方便。
[0046]其具体的滤波过程将在方法实施例中进行详细介绍。
[0047]相比现有技术，本实用新型中增加了在与入射光呈130°?140°的角度接收散射光。这是因为，在与入射光呈130°?140°的角度相比其它角度能更大程度的监测到大颗粒物质对入射光的影响，从而能更加准确的计算出待测量样水的浊度。优选的，最佳的角度是与入射光呈135°。
[0048]在本实用新型的一个具体实施例中，光源模块包括两个光源子模块，分别在不同的位置向待测量的样水发射入射光，两个光源子模块发射的入射光的频率不同。相应的，探测接收模块包括四个探测接收子模块；其中，两个探测接收子模块分别在与其中一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光；另两个探测接收子模块分别在与另一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光。
[0049]光源子模块和探测接收子模块有多种具体结构，以下分别详细介绍光源子模块和探测接收子模块的一种具体结构。
[0050]每个光源子模块由LED的发射光电二极管、平行光透镜组和光电二极管驱动电路构成。
[0051]光电二极管驱动电路用于向发射光电二极管发送驱动信号，该驱动信号包含一指定频率的信息。光电二极管驱动电路具体的可由信号发生器和LED恒流驱动构成。
[0052]发射光电二极管用于根据接收的驱动信号，向待测量的样水发射上述指定频率的入射光。当然，两个光源子模块中的光电二极管驱动电路所发送的驱动信号中的指定频率是不同的。
[0053]入射光的稳定性对浊度测量有重大影响，必须选择优质的发射光电二极管。根据国际标准IS07027，发射光电二极管的发光峰值一般选择在860nm左右，因其具有较高的指向性，半值角选择为5°?20°，光谱半宽度尽量小，以保证发光波长的单一性。
[0054]平行光透镜组用于将发射光电二极管发射的入射光进行聚焦，使聚焦后的入射光入射进待测量样水中。
[0055]每个探测接收子模块由接收光电二极管、透镜组、电流/电压转换电路、带通滤波放大电路、有效值转换电路和A/D转换器组成。
[0056]透镜组用于将散射光信号聚焦到接收光电二极管上。
[0057]接收光电二极管用于将上述散射光信号转换成对应的电流信号。
[0058]本实用新型中，接收光电二极管可选用PIN型光电二极管，其I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子效率提高。另一方面还增加了对长波的灵敏度，其响应波长范围可以从0.4?1.1 μ m。此外，由于I层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压，这使线性输出范围变宽。而且PIN型光电二极管体积小。总的来说，PIN型光电二极管具有响应速度快、灵敏度高、波长响应率大、体积小的特点。因此，本实用新型中选用PIN型光电二极管能更有效地检测粒子微弱的散射光信号和实行微型化。
[0059]电流/电压转换电路用于将电流信号转换为对应的初始电压信号。
[0060]带通滤波放大电路用于对初始电压信号进行放大。
[0061 ] 有效值转换电路用于将放大后的电压信号进行转换，生成有效电压信号。
[0062]A/D转换器用于将有效电压信号转换为对应的数学信号进行采样，生成电压采样信号。
[0063]上述接收光电二极管的接收性能和LED的发射光电二极管的发光性能严格匹配，接收光谱曲线尽量完全覆盖发射光电二极管发光光谱曲线。
[0064]图2为一利用两个发射光电二极管D和4个接收光电二极管LS1、LS2测量样水池度的示意图。其中，发射光电二极管111和发射光电二极管112设置在圆柱形装置21不同的位置处，用于向样水中发射不同频率的入射光。图2中的实线和虚线分别为两种频率的入射光的光线图。接收光电二极管121、124分别在与发射光电二极管111发射的入射光呈90°和135°的位置接收散射光，接收光电二极管123、122分别在与发射光电二极管112发射的入射光呈90°和135°的位置接收散射光。其中，发射光电二极管111和发射光电二极管112可相对设置。
[0065]为避免器件老化快，本实用新型中两个光源子模块周期性的发射入射光。其中，两个光源子模块可以周期性的同时发射入射光，因为频率不同，所以两束入射光不会相互影响。为提高测量的效率，本实用新型中可以使两个光源子模块周期性的交替发射入射光。这样既保证了采样数据的连续性，又避免了器件老化快的问题。
[0066]如图1所示，本实用新型的浊度仪还包括清洗模块14和流通模块15。
[0067]清洗模块14用于对所述光源模块和所述探测接收模块进行清洗。本实用新型中清洗模块采用高精度步进电机带动硅胶清洗膜头，定位准确，保证清洗模块不会干扰光路测量系统。并具有定时自动清洗功能，进一步提高测量的准确度。
[0068]流通模块15用于实时提供待测量的样水并使待测量的样水处于流通状态。具体的，流通模块15由微型泵、排水阀、测量池、流通管路构成。微型泵通过控制把需要测量的样水经流通管路抽入测量池，同时排水阀也打开，样水通过测量池处于不停流通状态，以此达到对样水的实时在线测量。
[0069]为方便对入射光的频率以及发射周期进行调整，本实用新型中的浊度仪还包括一控制模块，用于向光电二极管驱动电路发送包括上述指定频率以及周期的指令。以便光电二极管驱动电路根据该指令生成相应的驱动信号对发射光电二极管进行驱动。
[0070]当然，该控制模块还可以与清洗模块14和流通模块15相连，以对其进行控制。如控制何时开始清洗流程和流通流程等。
[0071]当然本实用新型中的浊度仪还可包括一电源模块，以对光源模块、探测接收模块、清洗模块、流通模块和计算模块进行供电。
[0072]本实用新型中计算模块、电源模块以及控制模块可集成在一起。该集成的模块可使用ARM单片机控制系统配合嵌入式操作系统。内建标准浊度曲线，对测量的数据进行分析和处理，具有速度快，功耗低，实时性强等特点。同时采用RS485数字通讯格式，标准MODBUS协议，配合专有的PC端通讯软件或二次仪表，可以非常方便直观的在PC端对光源模块等进行现场标定、控制和测量，线缆距离可达500米。
[0073]与上述实施例相对应，本实用新型实施例二提供了一种水的浊度的测量方法，应用在上述浊度仪中，参见图3，该方法包括:
[0074]S11、光源模块周期性的向待测量的样水发射两种不同频率的入射光。
[0075]为避免受自然光的影响，本实用新型中该两种入射光的频率均不同于自然光的频率。
[0076]S12、探测接收模块在与入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光，生成电压米样信号。
[0077]S13、计算模块根据电压采样信号计算待测量样水的浊度。
[0078]相比现有技术，本实用新型中增加了在与入射光呈130°?140°的角度接收散射光。这是因为，在与入射光呈130°?140°的角度相比其它角度能更大程度的监测到大颗粒物质对入射光的影响，从而能更加准确的计算出待测量样水的浊度。优选的，最佳的角度是与入射光呈135°。
[0079]在本实用新型的一个具体实施例中，光源模块包括两个光源子模块，分别在不同的位置向待测量的样水发射入射光，两个光源子模块发射的入射光的频率不同。相应的，探测接收模块包括四个探测接收子模块；其中，两个探测接收子模块分别在与其中一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光；另两个探测接收子模块分别在与另一种频率的入射光呈90°和130°?140°的位置接收散射光。
[0080]具体的，每个光源子模块由发射光电二极管、平行光透镜组和光电二极管驱动电路构成。每个光源子模块发射入射光的过程包括:
[0081]光电二极管驱动电路向发射光电二极管发送驱动信号，驱动信号包含指定频率。
[0082]发射光电二极管根据驱动信号，向待测量的样水发射指定频率的入射光。当然，两个光源子模块中的光电二极管驱动电路所发送的驱动信号中的指定频率是不同的。
[0083]根据国际标准IS07027，发射光电二极管的发光峰值一般选择在860nm左右，因其具有较高的指向性，半值角选择为5°?20°，光谱半宽度尽量小，以保证发光波长的单一性。
[0084]平行光透镜组将发射光电二极管发射的入射光进行聚焦。
[0085]每个探测接收子模块由接收光电二极管、透镜组、电流/电压转换电路、带通滤波放大电路、有效值转换电路和A/D转换器组成。每个探测接收子模块接收散射光的过程包括:
[0086]透镜组将散射光信号聚焦到接收光电二极管上。
[0087]接收光电二极管将散射光信号转换成对应的电流信号。本实用新型中，接收光电二极管可选用PIN型光电二极管。
[0088]电流/电压转换电路将电流信号转换为对应的初始电压信号。
[0089]带通滤波放大电路对初始电压信号进行放大。
[0090]有效值转换电路将所述放大后的电压信号进行转换，生成有效电压信号。
[0091 ] A/D转换器将有效电压信号转换为对应的数学信号进行采样，生成电压采样信号。[0092]上述接收光电二极管的接收性能和LED的发射光电二极管的发光性能严格匹配，接收光电二极管的接收光谱曲线尽量完全覆盖发射光电二极管发光光谱曲线。
[0093]为避免器件老化快，本实用新型中两个光源子模块周期性的发射入射光。其中，两个光源子模块可以周期性的同时发射入射光，因为频率不同，所以两束入射光不会相互影响。为提高测量的效率，本实用新型中可以使两个光源子模块周期性的交替发射入射光。这样既保证了采样数据的连续性，又避免了器件老化快的问题。
[0094]对于浊度仪器来说，被测量的对象是水的浑浊度，变化过程一般较为缓慢，通过试验证明，水中气泡产生的散射光强发生变化，值只会变大而不会变小，也就是说气泡干扰具有单边性的特点。气泡引起光散射增强，造成干扰，不反映水体的浊度值，应去除。另外水流过程中突然出现的气泡和大颗粒物质对测量稳定性造成影响，也应去除，以使测量更稳定更准确。为此，上述步骤S13包括计算模块对接收的电压采样信号进行数字滤波的过程，然后根据滤波后的电压采样信号测量样水的浊度。
[0095]其中对接收的电压采样信号进行数字滤波包括:
[0096]S21、对长度为N的FIFO数据窗队列中的N个电压采样信号求平均值万β
[0097]S22、将N个电压采样信号依次与万比较，调用分段加权滤波处理，产生一个对应
的数据值，计算所述N个电压采样信号对应的数据值的平均值，并根据对应的数据值的平均值计算待测量样水的浊度值。
[0098]其中，步骤S22包括:
[0099]将第K个电压采样信号D与万比较，调用分段加权滤波处理，产生一个与第K个电压采样信号D对应的数据值Di,分段加权公式为
[0100]
【权利要求】
1.一种浊度仪，其特征在于，所述浊度仪包括光源模块、探测接收模块和计算模块； 所述光源模块用于周期性的向待测量的样水发射两种不同频率的入射光； 所述探测接收模块用于在与所述入射光呈90°和130°~140°的位置接收散射光，生成电压采样信号并发送至所述计算模块； 所述计算模块用于根据所述电压采样信号计算所述待测量样水的浊度。
2.如权利要求1所述的浊度仪，其特征在于，所述光源模块包括两个光源子模块；两个所述的光源子模块发射的入射光的频率和入射位置均不同； 所述探测接收模块包括四个探测接收子模块；两个所述的探测接收子模块分别在与其中一种频率的入射光呈90°和130°~140°的位置接收散射光；另两个所述的探测接收子模块分别在与另一种频率的入射光呈90°和130°~140°的位置接收散射光； 其中， 每个所述光源子模块由 发射光电二极管、平行光透镜组和光电二极管驱动电路构成；所述光电二极管驱动电路用于向所述发射光电二极管发送驱动信号，所述驱动信号包含指定频率； 所述发射光电二极管用于根据所述驱动信号，向所述待测量的样水发射所述指定频率的入射光； 所述平行光透镜组用于将所述发射光电二极管发射的入射光进行聚焦； 和/或； 每个所述探测接收子模块由接收光电二极管、透镜组、电流/电压转换电路、带通滤波放大电路、有效值转换电路和A/D转换器组成； 所述透镜组用于将散射光信号聚焦到所述接收光电二极管上； 所述接收光电二极管用于将所述散射光信号转换成对应的电流信号； 所述电流/电压转换电路用于将所述电流信号转换为对应的初始电压信号； 所述带通滤波放大电路用于对所述初始电压信号进行放大； 所述有效值转换电路用于将所述放大后的电压信号进行转换，生成有效电压信号；所述A/D转换器用于将所述有效电压信号转换为对应的数学信号进行采样，生成电压米样信号。
3.如权利要求2所述的浊度仪，其特征在于，两个所述光源子模块周期性的交替发射入射光或两个所述光源子模块周期性的同时发射入射光。
4.如权利要求2所述的浊度仪，其特征在于，所述浊度仪还包括控制模块； 所述控制模块用于向所述光电二极管驱动电路发送指令；所述指令包括所述指定频率。
5.如权利要求4所述的浊度仪，其特征在于，所述控制模块和所述计算模块集成在ARM单片机上。
6.如权利要求2所述的浊度仪，其特征在于，所述浊度仪还包括流通模块和/或清洗模块； 所述流通模块用于实时提供待测量的样水并使所述待测量的样水处于流通状态； 所述清洗模块用于对所述光源模块和所述探测接收模块进行清洗。
7.如权利要求2所述的浊度仪，其特征在于，所述接收光电二极管的接收性能与对应的所述发射光电二极管的发射性能匹配。
8.如权利要求2所述的浊度仪，其特征在于，所述接收光电二极管为P型光电二极管。
9.如权利要求1所述的浊度仪，其特征在于，所述入射光的频率与自然光的频率不同。
10.如权利要求1-9中的任一项所述的浊度仪，其特征在于，所述探测接收模块的位置与所述入射光呈 90°和135°。
【文档编号】G01N21/15GK203643333SQ201320733447
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】胡澄 申请人:苏州热工研究院有限公司, 中国广核集团有限公司