濁度傳感器及濁度測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種濁度傳感器，屬于液體參數(shù)測量【技術領域】。該濁度傳感器包括殼體、光源、光電接收模塊，所述殼體為具有一個平面狀底面的桶狀殼體；所述光源設置于靠近所述底面的殼體側(cè)壁內(nèi)側(cè)，可向所述底面發(fā)射與所述底面的夾角為20°的平行光；所述底面上嵌設有沿光源出射光方向依次排布的兩個透明窗鏡：第一窗鏡、第二窗鏡，其中第一窗鏡位于光源所發(fā)射光線與底面的交點處；所述光電接收模塊包括設置于所述殼體內(nèi)部空間中的兩個光電探測器：第一光電探測器、第二光電探測器，分別用于檢測從第一窗鏡、第二窗鏡射入的與光源所發(fā)射平行光垂直的光線強度。本發(fā)明還公開了一種濁度測量裝置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)設計簡單、精度準確、測量范圍寬的優(yōu)點。
【專利說明】濁度傳感器及濁度測量裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種濁度傳感器，尤其涉及一種基于散射光測量法的濁度傳感器，屬 于液體參數(shù)測量【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 水的濁度是水中不同形狀、大小、比重的懸浮物、微生物和膠體物質(zhì)等雜質(zhì)對光的 吸收和散射作用的一種反映，是水樣的一種光學性質(zhì)。隨著人們生活水平的日益提高，以及 對生命健康、自然環(huán)境的日益關注，對于水質(zhì)濁度的監(jiān)測越來越受到人們的重視。濁度不僅 是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標之一，而且也是考察水處理效果的重要依據(jù)。因此，對水體 濁度的在線檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。
[0003] 根據(jù)濁度的測量原理，濁度的檢測方法可分為兩種，一種是透射光測量法，另一種 是散射光測量法。其中散射光測量法又可分為樣品內(nèi)散射法及樣品表面散射法。濁度測 量國際標準IS07027和美國環(huán)保標準EPA180. 1就是利用樣品內(nèi)散射法測量與入射光方向 成9(T角的散射光強度來確定濁度值。這種濁度測量方法其線性度好，測量精度高，但由于 在高濁度測量時會產(chǎn)生二次散射，9(T方向上的散射光已不能正確反映其濁度，進入測量盲 區(qū)，所以這種測量方法的范圍一般在(T200NTU。表面散射法只需測量樣品淺表面的散射光， 入射光無需在樣品內(nèi)長時間傳輸，因而有著更大的測量范圍，可以達到1000NTU以上，并在 整個范圍內(nèi)線性度也較好。一般認為，散射光濁度測量儀從原理上更符合濁度的定義，而且 在應用上其對低濁度情況下的測量更加精準，散射光濁度測量儀相對于透射光濁度測量儀 更為合理。
[0004] 近年來，表面散射法因其優(yōu)點受到了人們的重視?，F(xiàn)有技術中也有借助表面散射 法進行檢測的濁度傳感器。例如中國專利CN1087425A公開了一種濁度儀，就是利用表面散 射法進行濁度檢測，其包括水取樣器、清洗裝置、光源、聚光鏡、光電接收器、信號處理與顯 示電路，水取樣器是一個直立圓桶，在此圓桶上半截有一個帶出水口的套桶，圓桶底的中央 安裝一個密封軸承，與自動清洗裝置的主軸相配合。測量時，待測液體經(jīng)進水口流入直立圓 桶并在桶口形成一個光滑的鏡面，而后溢出圓桶進入套桶再由出水口流出。光源和光電探 測器安裝在直立圓桶上方，兩者成90。角。這種結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)點是光源和光電接收模塊和待 測液體是非接觸式的，可以避免光學接收窗的污染現(xiàn)象，但是對待測液體的流速有要求，流 速太快會導致形成的液體平面產(chǎn)生波動，散射光的位置會發(fā)生改變，這樣光電探測器接收 到的散射光強就會發(fā)生改變，影響測量準確性。整個裝置的結(jié)構(gòu)安裝比較復雜，不能滿足小 型化、便攜性的要求。并且，上述缺陷在現(xiàn)有的基于表面散射法設計的濁度儀中普遍存在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術不足，提供一種濁度傳感器及濁度 測量裝置，采用樣品內(nèi)散射法和樣品表面散射法相結(jié)合的測量方式，具有結(jié)構(gòu)設計簡單、精 度準確、測量范圍寬的優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明的濁度傳感器包括殼體、光源、光電接收模塊，所述殼體為具有一個平面狀 底面的桶狀殼體；所述光源設置于靠近所述底面的殼體側(cè)壁內(nèi)側(cè)，可向所述底面發(fā)射與所 述底面的夾角為20°的平行光；所述底面上嵌設有沿光源出射光方向依次排布的兩個透 明窗鏡：第一窗鏡、第二窗鏡，其中第一窗鏡位于光源所發(fā)射光線與底面的交點處；所述光 電接收模塊包括設置于所述殼體內(nèi)部空間中的兩個光電探測器：第一光電探測器、第二光 電探測器，分別用于檢測從第一窗鏡、第二窗鏡射入的與光源所發(fā)射平行光垂直的光線強 度。
[0007] 優(yōu)選地，光源所在的殼體側(cè)壁與所述底面間的夾角為70°，光源所發(fā)射的平行光 垂直于光源所在的殼體側(cè)壁。
[0008] 進一步地，在光源與第一窗鏡之間光路和第一窗鏡與第一光電檢測器之間光路的 中間，以及第一窗鏡與第一光電檢測器之間光路和第二窗鏡與第二光電檢測器之間光路的 中間，分別設置有防止光串擾的擋板。
[0009] 本發(fā)明的濁度測量裝置，包括濁度傳感器及信號處理模塊，所述濁度傳感器為以 上任一技術方案所述濁度傳感器，所述第一光電探測器、第二光電探測器分別與所述信號 處理模塊電連接，所述信號處理模塊可利用樣品表面散射法對第一光電探測器輸出的信號 進行處理，得到第一濁度值，同時，利用樣品內(nèi)散射法對第二光電探測器輸出的信號進行處 理，得到第二濁度值。
[0010] 優(yōu)選地，所述信號處理模塊可按照以下方法從第一濁度值、第二濁度值中選擇一 個作為最終輸出的濁度值：如第一濁度值、第二濁度值均小于200NTU，則以第二濁度值作 為最終輸出的濁度值，否則，以第一濁度值作為最終輸出的濁度值。
[0011] 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明技術方案及其進一步改進技術方案具有以下有益效果： 本發(fā)明采用獨特的結(jié)構(gòu)設計，以往基于表面散射法的濁度傳感器的光路模塊與待測樣 品的分離式結(jié)構(gòu)做成一體式結(jié)構(gòu)，這樣就大大簡化了濁度儀的整體結(jié)構(gòu)設計，無需固定式 安裝，具有小型化、便攜性的優(yōu)勢； 本發(fā)明采用樣品內(nèi)散射法和表面散射法相結(jié)合的測量方式，在低濁度（(T200NTU)測量 時選用樣品內(nèi)散射法，在高濁度（200 NTU 測量時選用表面散射法，能自動切換量程，提 高了測量結(jié)果的準確度，增大了測量裝置的量程； 本發(fā)明濁度傳感器與待測液體接觸的端面進一步采用了斜面設計，可消除待測液體液 面波動以及氣泡對測量所產(chǎn)生的不良影響，有效提高測量精度，同時也便于光源以及光電 探測器件的安裝與調(diào)試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明濁度測量裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明濁度測量裝置的另一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中各標號含義如下： 1 :殼體；2 :信號處理模塊；3 :支架；4 :光敏兀件；5 :匯聚透鏡；6 :窗鏡；7 :窗鏡；8 :準 直透鏡；9 :LED光源；10 :匯聚透鏡；11 :光敏元件；12 :信號輸出線；13 :水封插頭；14 :擋 板；15 :擋板；16 :殼體底面。

【具體實施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明： 圖1顯示了本發(fā)明濁度測量裝置的一個實施例，該測量裝置包括濁度傳感器和信號處 理模塊。如圖1所示，濁度傳感器包括一桶狀的殼體1，殼體1可以為圓桶狀或方桶狀，其 頂部可以敞開也可以密閉。本實施例中殼體1的殼體底面16與殼體側(cè)壁垂直，殼體1靠近 底面16的側(cè)壁內(nèi)側(cè)設置有LED光源9 ;LED光源9前面設置有準直透鏡8,可將LED光源9 所發(fā)射的光準直為平行光（圖中虛線所示為光路)射向殼體底面16,且平行光與殼體底面16 之間的夾角為20°。如圖1所不，在殼體底面16上嵌設有兩個沿光源出射光方向依次排布 的兩個透明的窗鏡：窗鏡7和窗鏡6,其中，窗鏡7距LED光源9較近并可使LED光源9所 發(fā)射并經(jīng)準直透鏡8準直的平行光透過。殼體1的內(nèi)部固定有支架3,支架3的下面固定有 兩個光電探測器，一個光電探測器位于窗鏡6上方，由光敏元件4和固定于光敏元件4之前 的匯聚透鏡5構(gòu)成；另一個光電探測器位于窗鏡7上方，由光敏元件11和固定于光敏元件 11之前的匯聚透鏡10構(gòu)成；匯聚透鏡5和匯聚透鏡10的鏡面均與LED光源9所發(fā)射并經(jīng) 準直透鏡8準直的平行光平行，這樣光敏元件4和光敏元件11可分別接收由窗鏡6、窗鏡7 入射的90°散射光，并將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。為了防止光源發(fā)出的平行光與從窗 鏡7射入的90°散射光之間，從窗鏡7射入的90°散射光與從窗鏡6射入的90°散射光 之間，以及其它雜散光的相互串擾，從而進一步提高測量準確性，本發(fā)明在LED光源9與光 敏元件11之間、光敏元件11與光敏元件4之間分別設有擋光板14、擋光板15。本實施例 中信號處理模塊2集成于殼體1內(nèi)部，如圖所示，固定于支架3的上面，可分別接收光敏元 件11與光敏元件4輸出的信號，并分別利用樣品表面散射法、樣本內(nèi)散射法進行信號處理 計算，從而得到兩個測量通道的測量值。本實施例中信號處理模塊2還可通過信號輸出線 12與外部的其它設備進行數(shù)據(jù)通信，信號輸出線12通過設置于殼體1上蓋的水封插頭13 引出，可保證殼體1內(nèi)部的水密性，當然，信號處理模塊2也可置于殼體1外部，通過有線或 無線的方式獲取光敏元件11與光敏元件4所采集到的兩路信號。此外，為了便于光學模塊 和電路模塊的調(diào)試與維護，本實施例中的殼體1的底部與上部為可拆卸的兩部分，例如可 采用螺紋聯(lián)結(jié)的方式或其他方式。
[0014] 在使用該測量裝置進行液體濁度測量時，將殼體1下部浸入待測液體，如圖1所 示，LED光源9所發(fā)射并經(jīng)準直透鏡8準直的平行光透過窗鏡7射入液體，液體表面的90° 散射光經(jīng)由窗鏡7進入殼體1內(nèi)，經(jīng)匯聚透鏡10匯聚后被光敏元件11接收；射入液體內(nèi)部 的平行光繼續(xù)向前前進，液體內(nèi)部的90°散射光經(jīng)由窗鏡6進入殼體1內(nèi)，經(jīng)匯聚透鏡5匯 聚后被光敏元件4接收。根據(jù)散射光理論，不同粒徑的顆粒對光的散射是不同的，而只有 與入射光成直角的散射光強度對于不同粒徑的顆粒是相同的，而且散射光強度與濁度值成 線性關系。此外，基于表面散射法的濁度傳感器的入射光角度要大，接收光角度要小，這樣 濁度傳感器的線性度較好，精確度也高。由于光源所發(fā)出的平行光與殼體底面16的夾角為 20°，則進入窗鏡7下待測液體表面的光入射角為70°，接收角為160°，兩者成90°，滿足 了大角度入射，小角度接收的原則，可提高表面散射法的線性度，提高濁度測量的準確性。
[0015] 光敏元件11與光敏元件4所采集到的兩路信號分別送入信號處理模塊2,信號處 理模塊2利用現(xiàn)有的樣品表面散射法對光敏元件11采集到的信號進行計算處理，即可得 到基于表面散射測量方法的濁度測量值；同理，信號處理模塊2利用現(xiàn)有的樣品內(nèi)散射法 對光敏元件4采集到的信號進行計算處理，即可得到基于內(nèi)散射測量方法的濁度測量值。 正如【背景技術】中所介紹的，內(nèi)散射濁度測量方法的線性度好，測量精度高，但由于在高濁度 測量時會產(chǎn)生二次散射，90 °方向上的散射光已不能正確反映其濁度，進入測量盲區(qū)，所以 這種測量方法的范圍一般在(T200NTU ;而表面散射法只需測量樣品淺表面的散射光，入射 光無需在樣品內(nèi)長時間傳輸，因而有著更大的測量范圍，可以達到1000NTU以上，并在整個 范圍內(nèi)線性度也較好。因此，可以200NTU為信號通道選擇閾值，從而根據(jù)實際情況選擇最 佳的測量通道。如果預知待測液體濁度的大致范圍，則用戶可通過與該測量裝置連接的 上位機或設置于本發(fā)明測量裝置中的測量通道選擇開關直接選擇開啟并輸出結(jié)果的測量 通道，可降低濁度傳感器的電量消耗，延長使用時間，例如，如預知待測液體的濁度大約在 (Tioontu范圍內(nèi)，則可直接令信號處理模塊2在測量過程中僅獲取光敏元件4采集的信號 進行處理并輸出；如預知待測液體濁度較高，遠超過200NTU，則可直接令信號處理模塊2在 測量過程中僅獲取光敏元件11采集的信號進行處理并輸出。然而，多數(shù)測量環(huán)境下無法預 知待測液體的濁度范圍，為此，本發(fā)明的信號處理模塊2中預設有測量通道選擇程序，可自 適應地根據(jù)兩個測量通道的測量值選擇其中較準確的測量值輸出，具體選擇方法如下：如 兩個測量通道所計算出的濁度值均小于200NTU，則以根據(jù)光敏元件4的信號處理得到的濁 度值作為最終輸出的濁度值，否則，以根據(jù)光敏元件11的信號處理得到的濁度值作為最終 輸出的濁度值。以上數(shù)據(jù)處理過程所涉及的樣品內(nèi)散射法及樣品表面散射法均為現(xiàn)有技 術，為節(jié)省篇幅，此處不再贅述。
[0016] 本實施例中的窗鏡6、窗鏡7優(yōu)選有機玻璃制成，其透光率可高達92. 8%，電絕緣 性，耐稀酸、堿、油脂，機械強度和韌性良好，易染色和機械加工。LED光源9的發(fā)射波長優(yōu) 選860nm左右，這樣可以消除液體色度對濁度測量的影響。光敏元件4、光敏元件11優(yōu)選采 用光電二極管，其靈敏度波峰在860nm左右，和光源相匹配，可更有效地檢測微弱散射光信 號，提高測量精度。
[0017] 圖1的濁度傳感器結(jié)構(gòu)雖然實現(xiàn)了用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)樣品內(nèi)散射法和樣品表面 散射法兩個測量通道的同時測量，然而，由于該方案中殼體底面與殼體側(cè)壁垂直，一方面， 當傳感器殼體堅直進入待測液體中時，殼體底面下會產(chǎn)生氣泡，這些氣泡的存在會影響兩 個測量通道的測量結(jié)果，導致最終的側(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差；另一方面，由于光源部件和光接收 部件所需要滿足的角度限制，帶來了安裝維護的不便。
[0018] 為此，本發(fā)明又提出了 一種采用斜面殼體設計的優(yōu)選方案，其結(jié)構(gòu)如圖2所 示。該方案與圖1的不同之處在于，LED光源9所發(fā)射并經(jīng)準直透鏡8準直的平行 光方向垂直于殼體1的側(cè)壁，同時殼體1的底面16與LED光源9所在側(cè)壁間的夾角 G為70°，這樣，平行光與殼體底面16的夾角同樣為20°，則進入窗鏡7下待測液體表面 的光入射角為70°，接收角為160°，兩者成90°，滿足了大角度入射，小角度接收的原則， 可提高表面散射法的線性度，提高濁度測量的準確性。要接收90°散射光，匯聚透鏡5和匯 聚透鏡10的鏡面只要垂直于殼體側(cè)壁即可。本實施例中其余部分均與上一實施例中相同， 此處不再贅述。
[0019] 采用本實施例的結(jié)構(gòu)設計，濁度傳感器殼體底面為一斜面，當浸入待測液體進行 濁度測量時，如有氣泡附著，液體的壓力會迫使氣泡沿著斜面向上排出，從而有效減小氣泡 在測量過程中帶來的干擾，提高測量精度。此外，采用此種結(jié)構(gòu)設計，內(nèi)部的光源部件和光 接收部件的安裝維護也更方便。
[0020] 本發(fā)明采用了獨特的結(jié)構(gòu)設計，將以往基于表面散射法的濁度傳感器的光路模塊 與待測樣品的分離式結(jié)構(gòu)做成一體式結(jié)構(gòu)，這樣就大大簡化了濁度儀的整體結(jié)構(gòu)設計，無 需固定式安裝，具有小型化、便攜性的優(yōu)勢；其殼體頭端采用與水平面成70°角的斜面設 計，方便了光源以及光電接收器件的安裝與調(diào)試。光源的入射角為70°，接收角為160°， 兩者成90°角，滿足大角度入射，小角度接收的原則，提高表面散射法的線性度，提高濁度 測量的準確性；本發(fā)明還解決了以往基于表面散射法的濁度傳感器由于待測液體液面波動 帶來的測量不準確的問題，當入射光照射到待測液體表面時，因為液體表面的波動，散射光 的位置會發(fā)生改變，這樣光電探測器接收到的散射光強就會發(fā)生改變，測得的濁度值就不 能正確表示待測液體的濁度值；并且本發(fā)明優(yōu)選方案的斜面設計在有氣泡附著時，液體的 壓力會迫使氣泡沿著斜面向上排出，從而有效減小氣泡在測量過程中帶來的干擾；另一方 面，本發(fā)明實現(xiàn)了樣品內(nèi)散射法和表面散射法相結(jié)合的測量方式，針對不同濁度范圍的待 測液體，在低濁度（(T200NTU)測量時選用樣品內(nèi)散射法，在高濁度（200 NTU 測量時選用 表面散射法，能自動切換量程，提高了測量結(jié)果的準確度。
【權利要求】
1. 一種濁度傳感器，包括殼體、光源、光電接收模塊，其特征在于，所述殼體為具有一個 平面狀底面的桶狀殼體；所述光源設置于靠近所述底面的殼體側(cè)壁內(nèi)側(cè)，可向所述底面發(fā) 射與所述底面的夾角為20°的平行光；所述底面上嵌設有沿光源出射光方向依次排布的 兩個透明窗鏡：第一窗鏡、第二窗鏡，其中第一窗鏡位于光源所發(fā)射光線與底面的交點處； 所述光電接收模塊包括設置于所述殼體內(nèi)部空間中的兩個光電探測器：第一光電探測器、 第二光電探測器，分別用于檢測從第一窗鏡、第二窗鏡射入的與光源所發(fā)射平行光垂直的 光線強度。
2. 如權利要求1所述濁度傳感器，其特征在于，光源所在的殼體側(cè)壁與所述底面間的 夾角為70°，光源所發(fā)射的平行光垂直于光源所在的殼體側(cè)壁。
3. 如權利要求1或2所述池度傳感器，其特征在于，在光源與第一窗鏡之間光路和第一 窗鏡與第一光電檢測器之間光路的中間，以及第一窗鏡與第一光電檢測器之間光路和第二 窗鏡與第二光電檢測器之間光路的中間，分別設置有防止光串擾的擋板。
4. 如權利要求1或2所述濁度傳感器，其特征在于，所述殼體的底部與上部為可拆卸的 兩部分。
5. 如權利要求1或2所述濁度傳感器，其特征在于，所述光源所發(fā)射光的波長為 860nm。
6. -種濁度測量裝置，包括濁度傳感器及信號處理模塊，其特征在于，所述濁度傳感器 為權利要求1?5任一項所述濁度傳感器，所述第一光電探測器、第二光電探測器分別與所 述信號處理模塊電連接，所述信號處理模塊可利用樣品表面散射法對第一光電探測器輸出 的信號進行處理，得到第一濁度值，同時，利用樣品內(nèi)散射法對第二光電探測器輸出的信號 進行處理，得到第二濁度值。
7. 如權利要求6所述濁度測量裝置，其特征在于，所述信號處理模塊可按照以下方法 從第一濁度值、第二濁度值中選擇一個作為最終輸出的濁度值：如第一濁度值、第二濁度值 均小于200NTU，則以第二濁度值作為最終輸出的濁度值，否則，以第一濁度值作為最終輸出 的濁度值。
8. 如權利要求6所述濁度測量裝置，其特征在于，所述信號處理模塊集成于所述濁度 傳感器的殼體內(nèi)部。
【文檔編號】G01N21/47GK104374743SQ201410649079
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權日:2014年11月17日
【發(fā)明者】常建華, 王志丹, 郭躍, 朱成剛, 桂詩信 申請人:南京信息工程大學