專(zhuān)利名稱(chēng)：水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種應(yīng)用于水處理絮凝投藥工藝的絮體形態(tài)光學(xué)檢測(cè)裝置和方法。
背景技術(shù)：
絮凝是凈水系統(tǒng)中最重要的處理工藝，也是制水成本的主要組成部分，絮凝劑投量是否準(zhǔn)確直接影響到水處理的全過(guò)程。傳統(tǒng)的絮凝投藥檢測(cè)控制技術(shù)主要有需檢測(cè)影響絮凝效果的各項(xiàng)表觀參數(shù)(原水的流量、濁度、PH值、堿度、溫度，凝聚劑的流量、濃度、效能等)的數(shù)學(xué)模型法，只檢測(cè)部分參數(shù)的簡(jiǎn)化法，檢測(cè)上述一兩個(gè)參數(shù)的半自動(dòng)法，模型濾池法或模型斜管法等。它們都存在投資大、可靠性低、建模難、精度差、操作維護(hù)難等無(wú)法克服的缺點(diǎn)，因而無(wú)法廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的一般檢測(cè)儀器不能在線(xiàn)連續(xù)測(cè)定水的絮凝程度和絮凝粒徑的變化，只能通過(guò)檢測(cè)投藥后與水中懸浮顆粒物質(zhì)有關(guān)的某些特性來(lái)間接反應(yīng)絮凝程度；如基于懸浮顆粒ζ電位的流動(dòng)電流檢測(cè)技術(shù)(SCD)及基于懸浮物可濾性的毛細(xì)管吸入時(shí)間技術(shù)(CST)等。這些檢測(cè)技術(shù)都具有一定的局限性，也就是說(shuō)，如果所使用的絮凝劑與水中懸浮顆粒發(fā)生作用后，懸浮顆粒的該種特性不發(fā)生變化或變化很小(如ζ電位)或更加難以檢測(cè)(如毛細(xì)管吸入時(shí)間)時(shí)，那么，這些間接反應(yīng)絮凝程度的檢測(cè)方法準(zhǔn)確度和靈敏度就會(huì)降低，甚至不能使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)的水中絮體形態(tài)檢測(cè)方法和裝置所存在的投資大、可靠性低、建模難、精度差、操作維護(hù)難等缺點(diǎn)，提供一種用于水處理絮凝投藥工藝的水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法。它具有投資省、精度高、可靠性高和易操作等特點(diǎn)，本發(fā)明的裝置由紅外光源5、散射光檢測(cè)器7、透射光檢測(cè)器6、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、微處理器10、通訊接口11、一號(hào)透明窗口1、二號(hào)透明窗口2、三號(hào)透明窗口3和傳感器殼體4組成，紅外光源5、散射光檢測(cè)器7、透射光檢測(cè)器6、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9設(shè)置在傳感器殼體4內(nèi)，一號(hào)透明窗口1、二號(hào)透明窗口2、三號(hào)透明窗口3鑲嵌在傳感器殼體4上并把傳感器殼體4密封，透射光檢測(cè)器6安裝在二號(hào)透明窗口2內(nèi)側(cè)并與安裝在一號(hào)透明窗口1內(nèi)側(cè)的紅外光源5相對(duì)設(shè)置以接收紅外激光線(xiàn)，散射光檢測(cè)器7設(shè)置在與紅外光源5和透射光檢測(cè)器6的連線(xiàn)相垂直的三號(hào)透明窗口3內(nèi)側(cè)，透射光檢測(cè)器6的輸出端連接一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8的輸入端，散射光檢測(cè)器7的輸出端連接二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸入端，一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸出端分別連接在微處理器10的兩個(gè)輸入端上，微處理器10的輸出端連接通訊接口11的輸入端。
水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)方法，它是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、通過(guò)紅外光源5使紅外激光線(xiàn)穿過(guò)加入絮凝劑并經(jīng)過(guò)攪拌后的被檢測(cè)水樣；二、使用透射光檢測(cè)器6接收穿過(guò)被檢測(cè)水樣的紅外激光線(xiàn)，同時(shí)在垂直于紅外激光線(xiàn)的方向用散射光檢測(cè)器7接收紅外激光線(xiàn)照射被檢測(cè)水樣后產(chǎn)生的散射光；三、透射光檢測(cè)器6將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的透射光電信號(hào)，同時(shí)散射光檢測(cè)器7將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的散射光電信號(hào)；四、透射光檢測(cè)器6輸出的透射光電信號(hào)和散射光檢測(cè)器7輸出的散射光電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入到微處理器10；五、微處理器10從一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8傳輸過(guò)來(lái)數(shù)字信號(hào)中計(jì)算出平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值Ta，微處理器10對(duì)從二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成份有效值Sp，用脈動(dòng)成份有效值Sp的平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值Ta倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)得到比率運(yùn)算結(jié)果α值即為反映水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)。
紅外光源5發(fā)射的紅外激光經(jīng)透光性良好的一號(hào)透明窗口1垂直照射到流動(dòng)的水中。由于水中投藥后的絮體顆粒大小小于紅外激光的半波波長(zhǎng)，因而照射光線(xiàn)不但由于光能被吸收而使透過(guò)水樣后的亮度有所減弱，還將發(fā)生散射。透過(guò)水樣的透射光束通過(guò)對(duì)面二號(hào)透明窗口2照射到透射光檢測(cè)器6上，散射光束則通過(guò)與紅外光源5相垂直的三號(hào)透明窗口3照射到散射光檢測(cè)器7上，透射光檢測(cè)器6將透射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與透射光強(qiáng)度成比例的電信號(hào)，散射光檢測(cè)器7將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與散射光強(qiáng)度成比例的電信號(hào)，透射光檢測(cè)器和散射光檢測(cè)器的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到微處理器中進(jìn)行分析處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)通訊接口傳送給外部控制設(shè)備。由于在工藝水樣中，絮體顆粒的隨機(jī)擴(kuò)散會(huì)使一定體積內(nèi)所含的絮體顆粒數(shù)量濃度隨機(jī)變化，即產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，該變化遵從泊松分布。當(dāng)狹窄的紅外激光照射水樣時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生散射光的波動(dòng)，對(duì)于較大尺寸的絮體顆粒會(huì)顯著影響散射光的脈動(dòng)狀況，使散射光脈動(dòng)程度更大，因而通過(guò)散射光強(qiáng)度的脈動(dòng)狀況可以確定絮體顆粒的尺寸大小。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的散射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)可看成由兩部分組成，一部分是平均散射光強(qiáng)度值g，另一部分是脈動(dòng)成分有效值Sp，由水中絮體顆粒隨機(jī)變化產(chǎn)生。脈動(dòng)成分有效值Sp可能很小，但經(jīng)過(guò)數(shù)字放大可以將其從散射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)中分離出來(lái)。微處理器對(duì)散射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成份有效值Sp，用其平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值Ta倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)，以消除絮體顆粒濃度對(duì)脈動(dòng)成分大小的影響，即α＝Sp2/ln(32768/Ta)。比率運(yùn)算結(jié)果α值即為反應(yīng)水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)，其值越大，代表絮凝效果越好。本發(fā)明的裝置是一種光學(xué)檢測(cè)裝置，但跟其它各種以光阻塞或光散射為基礎(chǔ)的檢測(cè)器有本質(zhì)性區(qū)別。該儀器可以用照射于流動(dòng)水體的散射光強(qiáng)度的波動(dòng)狀態(tài)迅速計(jì)算出絮凝后形成絮凝體粒徑的變化，因而，靈敏度高，響應(yīng)迅速。無(wú)論使用何種絮凝劑，靠何種機(jī)理發(fā)生絮凝，絮凝體粒徑的相對(duì)大小只要有所改變，該裝置都可以準(zhǔn)確、靈敏地連續(xù)指示出其絮凝程度。特別適用于水處理工藝絮凝劑投量控制；本發(fā)明的方法可在線(xiàn)檢測(cè)影響絮凝效果的本質(zhì)參數(shù)——水中絮體形態(tài)，所以只需測(cè)定和控制這單獨(dú)一個(gè)因子，就可實(shí)現(xiàn)絮凝劑投加量準(zhǔn)確控制，再不需監(jiān)測(cè)任何原水表觀水質(zhì)參數(shù)(濁度，溫度，堿度，PH值等)和水量參數(shù)(原水流量、藥液流量、濃度等)。


圖1是本發(fā)明水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是用本發(fā)明方法檢測(cè)到的水中絮體形態(tài)散射光電信號(hào)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式。本發(fā)明的裝置由紅外光源5、散射光檢測(cè)器7、透射光檢測(cè)器6、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、微處理器10、通訊接口11、一號(hào)透明窗口1、二號(hào)透明窗口2、三號(hào)透明窗口3和傳感器殼體4組成，紅外光源5、散射光檢測(cè)器7、透射光檢測(cè)器6、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9設(shè)置在傳感器殼體4內(nèi)，一號(hào)透明窗口1、二號(hào)透明窗口2、三號(hào)透明窗口3鑲嵌在傳感器殼體4上并把傳感器殼體4密封，透射光檢測(cè)器6安裝在二號(hào)透明窗口2內(nèi)側(cè)并與安裝在一號(hào)透明窗口1內(nèi)側(cè)的紅外光源5相對(duì)設(shè)置以接收紅外激光線(xiàn)，散射光檢測(cè)器7設(shè)置在與紅外光源5和透射光檢測(cè)器6的連線(xiàn)相垂直的三號(hào)透明窗口3內(nèi)側(cè)，透射光檢測(cè)器6的輸出端連接一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8的輸入端，散射光檢測(cè)器7的輸出端連接二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸入端，一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸出端分別連接在微處理器10的兩個(gè)輸入端上，微處理器10的輸出端連接通訊接口11的輸入端。最終有效數(shù)字信號(hào)由通訊接口輸出給外部設(shè)備。本實(shí)施方式的裝置是這樣工作的使用上述的裝置，將殼體4浸沒(méi)于加入絮凝劑并經(jīng)過(guò)攪拌后的被檢測(cè)水樣中，使水樣進(jìn)入凹槽4-1中。接通電源，紅外光源5發(fā)射的紅外激光經(jīng)透光性良好的一號(hào)透明窗口1垂直照射到流動(dòng)的水中。透過(guò)水樣的透射光束通過(guò)對(duì)面二號(hào)透明窗口2照射到透射光檢測(cè)器6上，散射光束則通過(guò)與紅外光源5相垂直的三號(hào)透明窗口3照射到散射光檢測(cè)器7上，透射光檢測(cè)器6將透射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與透射光強(qiáng)度成比例的電信號(hào)，散射光檢測(cè)器7將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與散射光強(qiáng)度成比例的電信號(hào)，透射光檢測(cè)器6和散射光檢測(cè)器7的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到微處理器10中進(jìn)行分析處理，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)通訊接口11傳送給外部控制設(shè)備。本裝置采用8V-30V直流電源供電，電源電流為16mA(典型值)，使用的紅外光源5采用935nm的紅外激光二極管，散射光檢測(cè)器、透射光檢測(cè)器采用Vishay Intertechnology公司推出的CMOS低功耗高靈敏度光電檢測(cè)器TEKS6400，兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司AD9480串行8bit分辨率產(chǎn)品，微處理器采用XAPRISC 16位產(chǎn)品，通訊接口采用RS-232接口，用+5V代表邏輯1，用0V代表邏輯0的邏輯信號(hào)。微處理器對(duì)散射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成份有效值Sp，用其平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)Ta倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)，以消除絮體顆粒濃度對(duì)脈動(dòng)成分大小的影響，比率運(yùn)算結(jié)果α＝Sp2/ln(32768/Ta)。假設(shè)水中絮體顆粒粒徑都相同且為球形，紅外光路內(nèi)絮體顆粒數(shù)的隨機(jī)變化遵循泊松分布，且數(shù)目在均值上、下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)波動(dòng)，則Sp＝K1I0VN1/2/λ2，ln(32768/Ta)＝K2πa2NI0，比率運(yùn)算結(jié)果α＝Sp2/ln(k/Ta)＝K3I0a4/λ4。式中K1、K2、K3為常數(shù)；N為單位容積內(nèi)的絮體顆粒數(shù)；V為每個(gè)絮體顆粒的體積；λ為紅外光源的波長(zhǎng)；I0為紅外光源的光強(qiáng)度；a為絮體顆粒的球形半徑(幾何半徑)。一般紅外光源光強(qiáng)度和波長(zhǎng)固定不變，因而比率運(yùn)算結(jié)果α值就和水中絮體顆粒的幾何半徑相關(guān)，可將其作為反應(yīng)水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)，其值越大，代表絮凝效果越好。
具體實(shí)施方式
二水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)方法，它是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、通過(guò)紅外光源5使紅外激光線(xiàn)穿過(guò)加入絮凝劑并經(jīng)過(guò)攪拌后的被檢測(cè)水樣；二、使用透射光檢測(cè)器6接收穿過(guò)被檢測(cè)水樣的紅外激光線(xiàn)，同時(shí)在垂直于紅外激光線(xiàn)的方向用散射光檢測(cè)器7接收紅外激光線(xiàn)照射被檢測(cè)水樣后產(chǎn)生的散射光；三、透射光檢測(cè)器6將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的透射光電信號(hào)，同時(shí)散射光檢測(cè)器7將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的散射光電信號(hào)；四、透射光檢測(cè)器6輸出的透射光電信號(hào)和散射光檢測(cè)器7輸出的散射光電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入到微處理器10；五、微處理器10從一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器8傳輸過(guò)來(lái)數(shù)字信號(hào)中計(jì)算出平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值Ta，微處理器對(duì)從二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器9傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成份有效值Sp，用脈動(dòng)成份有效值Sp的平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值Ta倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)，以消除絮體顆粒濃度對(duì)脈動(dòng)成分大小的影響，即α＝Sp2/ln(32768/Ta)；比率運(yùn)算結(jié)果α值即為反應(yīng)水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)，其值越大，代表絮凝效果越好。
權(quán)利要求
1.水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于它由紅外光源(5)、散射光檢測(cè)器(7)、透射光檢測(cè)器(6)、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)、微處理器(10)、通訊接口(11)、一號(hào)透明窗口(1)、二號(hào)透明窗口(2)、三號(hào)透明窗口(3)和傳感器殼體(4)組成，紅外光源(5)、散射光檢測(cè)器(7)、透射光檢測(cè)器(6)、一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)、二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)設(shè)置在傳感器殼體(4)內(nèi)，一號(hào)透明窗口(1)、二號(hào)透明窗口(2)、三號(hào)透明窗口(3)鑲嵌在傳感器殼體(4)上并把傳感器殼體(4)密封，透射光檢測(cè)器(6)安裝在二號(hào)透明窗口(2)內(nèi)側(cè)并與安裝在一號(hào)透明窗口1內(nèi)側(cè)的紅外光源(5)相對(duì)設(shè)置，散射光檢測(cè)器(7)設(shè)置在與紅外光源(5)和透射光檢測(cè)器(6)的連線(xiàn)相垂直的三號(hào)透明窗口(3)內(nèi)側(cè)，透射光檢測(cè)器(6)的輸出端連接一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)的輸入端，散射光檢測(cè)器(7)的輸出端連接二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的輸入端，一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的輸出端分別連接在微處理器(10)的兩個(gè)輸入端上，微處理器(10)的輸出端連接通訊接口(11)的輸入端。
2.水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)方法，其特征在于它通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、通過(guò)紅外光源(5)使紅外激光線(xiàn)穿過(guò)加入絮凝劑并經(jīng)過(guò)攪拌后的被檢測(cè)水樣；二、使用透射光檢測(cè)器(6)接收穿過(guò)被檢測(cè)水樣的紅外激光線(xiàn)，同時(shí)在垂直于紅外激光線(xiàn)的方向用散射光檢測(cè)器(7)接收紅外激光線(xiàn)照射被檢測(cè)水樣后產(chǎn)生的散射光；三、透射光檢測(cè)器(6)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的透射光電信號(hào)，同時(shí)散射光檢測(cè)器(7)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成比例的散射光電信號(hào)；四、透射光檢測(cè)器(6)輸出的透射光電信號(hào)和散射光檢測(cè)器(7)輸出的散射光電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)和二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入到微處理器(10)；五、微處理器(10)從一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)傳輸過(guò)來(lái)數(shù)字信號(hào)中計(jì)算出平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值(Ta)，微處理器(10)對(duì)從二路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成份有效值(Sp)，用脈動(dòng)成份有效值(Sp)的平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值(Ta)倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)得到比率運(yùn)算結(jié)果(α)值即為反應(yīng)水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)。
全文摘要
水中絮體形態(tài)紅外光比率脈動(dòng)檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法。公開(kāi)一種水處理絮體形態(tài)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。本發(fā)明透射光檢測(cè)器6安裝在二號(hào)透明窗口2內(nèi)側(cè)，與安裝在一號(hào)透明窗口1內(nèi)側(cè)的紅外光源5相對(duì)設(shè)置，散射光檢測(cè)器7設(shè)置在與5相垂直的三號(hào)透明窗口3內(nèi)側(cè)。6與7輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到微處理器10，10對(duì)散射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提取其脈動(dòng)成分有效值，用其平方值除以平均透射光強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)值倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)，比率運(yùn)算結(jié)果作為反應(yīng)水中絮體形態(tài)的最終有效數(shù)字信號(hào)由通訊接口輸出。本發(fā)明的方法可在線(xiàn)檢測(cè)影響絮凝效果的本質(zhì)參數(shù)——水中絮體形態(tài)，其裝置具有投資省、效果好、易操作等特點(diǎn)，特別適用于水處理工藝絮凝劑投量控制。
文檔編號(hào)G01N21/17GK1621807SQ20041004413
公開(kāi)日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者南軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)