專利名稱：水中微小顆粒在線測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水中微小顆粒的在線測量方法和裝置，它可以定量測得水中顆粒的大小和數(shù)量，由此可判斷水的純凈度，屬水測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展、人民生活水平的提高和對自身健康的更加關(guān)注，對生活用水的水質(zhì)要求不斷提高，由此對水質(zhì)測量也提出了更高的要求。原先廣泛使用的濁度測量法已不能完全滿足要求。首先，隨著水的濁度越來越低，濁度測量的分辨率和準確程度逐漸不能適應(yīng)測量的要求；其次，濁度表達的是水中含雜質(zhì)和微生物的總量的情況，無法獲得雜質(zhì)和微生物顆粒大小的信息，而有時我們很希望獲得這些信息，尤其是直徑2～20μm的微粒。例如水中某致病力很強的細菌，它有一定的大小，在數(shù)量較少時，用測量濁度的方法很難確定水中是否含有這種細菌。因此用能檢測水中顆粒的大小和顆粒的數(shù)量的方法來評價水質(zhì)好壞，越來越受到重視。
現(xiàn)有的微小顆粒檢測主要有三種方法，電感應(yīng)法、光阻法、光散射或衍射法。
電感應(yīng)法的做法是將被測水樣加電解質(zhì)配成具有一定導(dǎo)電率的電解溶液，使該溶液通過一微細的管道，測量管道兩端的電導(dǎo)值，當管道內(nèi)有微粒時，管道某位置導(dǎo)電截面變小，導(dǎo)致管道兩端的電導(dǎo)值減小，根據(jù)電導(dǎo)值減小的數(shù)量，可推算出微粒的大小。該方法要求微粒一個一個經(jīng)過管道，且要求管道很細以獲得一定的測量分辨率。另外還要求將水樣配成電解溶液，很難實現(xiàn)在線測量。實際使用中因管道很細容易堵住，維護較困難。
光阻法的基本原理是微粒對光的阻擋作用(吸收、散射等)，使透過水樣的光的強度發(fā)生變化。一般結(jié)構(gòu)是被測水樣從透明的水樣管道流過，一束平行光穿過水樣管道，通過光敏器件接受。該方法也要求微粒一個一個經(jīng)過管道，因此管道需足夠細，實際使用中容易堵塞。另外由于該方法光接受面積遠大于微粒面積，微粒的阻擋對光強度的影響及其微小，易被接受器件和放大電路的噪聲所淹沒，因此該方法的測量分辨率較低，現(xiàn)有的這類儀器一般只能測出微粒的大致范圍，例如3～5μm；6～9μm等等，無法獲得準確數(shù)值。另外由于不同性質(zhì)的微粒對光的吸收和散射效果不同，也就是說，同樣大小但性質(zhì)不同微粒對光的阻擋效果不同，這將會影響測量的準確性。
光散射或衍射法是利用微粒對光的散射或衍射作用，測量光通過水樣后的散射光的強度或衍射光的位置，獲得微粒大小的信息。該方法一般也需要微粒一個一個通過測量區(qū)，因此也必須使用細管，且散射光的強度十分微弱，容易淹沒在雜散光(通過非散射途徑到達接受器件的光)中。測量衍射光的位置(條紋)并由此計算微粒大小的工作較復(fù)雜，尤其是在線檢測微粒在移動的情況下，且需要一個有足夠分辨率的面陣光接收器，由于衍射光強度很弱和系統(tǒng)噪聲的影響，測量精度會大受影響。該類方法同樣存在細管易堵塞，維護困難的問題，另外散射光法還存在不同性質(zhì)的微粒對光散射效果不同而影響測量準確度的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進和消除現(xiàn)有方法和技術(shù)中存在的以下三個問題，從而實現(xiàn)在線、較準確的測量水中直徑1～50μm微粒大小的目標。
(1)因微粒需一個一個測量而存在細管道，帶來維護困難；(2)信噪比低，顆粒大小的測量精度不高，因而目前這類儀器大多稱之為顆粒計數(shù)器；(3)微粒的性質(zhì)與測量結(jié)果有關(guān)。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是使用光阻法的基本原理進行測量，(1)為提高信噪比，大大減小光接受器件的面積，使它可與微粒的面積相比擬，這樣有微粒遮光和無微粒遮光時接受到的光強將會有較大的變化；(2)將數(shù)百個小面積的光接受器件一字排開，形成長度為3～8mm的線陣，同時工作，解決了普通光阻法接受器件面積減小，細管直徑也需相應(yīng)減小的問題，還可取消細管，將取樣水域?qū)挾忍岣叩?～8mm，解決了細管阻塞問題；(3)對線陣光接受器件進行高速采樣，因此在水流速度不高的情況下，可以采集到微粒流經(jīng)光接受器件時光強變化的整個過程，采集到的光強信號有一個下降過程(微粒投影逐漸進入光接受器件)、平穩(wěn)過程(微粒投影在光接受器件內(nèi))、和上升過程(微粒投影逐漸離開光接受器件)，在水流速度固定的情況下，從光強信號下降時間、或上升時間或平穩(wěn)時間就可計算出微粒的大小，而無需依賴光強信號強度的變化來計算微粒的大小。解決了不同性質(zhì)的微粒對光遮擋效果不同而影響測量準確度的問題。
基本原理示意圖如圖(1)所示，被測水樣流經(jīng)一扁平的管道，該管道的中間部分就是取樣窗，使用線陣CCD器件作為光接受器件，取樣窗的高度為線陣CCD每個象素的高度(10～20μm)；長度為CCD 300～500個象素的長度(3～10mm)，厚度為扁平管道厚度(0.5mm左右)，光源為片狀平行光。當取樣窗有微粒經(jīng)過時，相應(yīng)CCD象素接受到的光強度將發(fā)生變化，按顆粒大小不同有下面幾種情況(1)顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒只影響一個象素光強，顆粒經(jīng)過CCD的過程和接受到的光強信號如圖2所示。
顆粒從位置1流到位置2(簡寫作1～2，以下同)，1～2的時間為t1，2～3的時間為t2，3～4的時間為t3。由t1＝t3＝dw (1)t2＝(w-d)v (2)其中d顆粒直徑，w為CCD象素高度，v水流速度?？山獾胐＝t1w/(t1+t2)(3)為減小t1帶來的誤差，同時使用t1和t3兩個參數(shù)，顆粒直徑可寫為d=(t1+t3)wt1+t3+2t2---(4)]]>即顆粒直徑d可以通過w，t1，t2，t3算出，而不依賴于光強數(shù)值，且與水流速度v也無關(guān)。
(2)顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個相鄰象素光強，如圖3所示，此時的光強信號與上一種情況類似，只需將兩個象素的光強減弱信號疊加后作為一個信號，使用上面的方法計算即可。
(3)顆粒直徑大于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個或三個象素光強。如圖4所示，此時顆粒從1～3(經(jīng)過2)的時間為t＝t1+t2+t3＝(w+d)/v (5)將兩個或三個象素光強減弱信號疊加后作為一個信號，在已知t，w，v的情況下(因此時t1，t2分界點的檢測分辨率較差，所以使用總的時間t)，可以算出顆粒直徑dd＝tv-w (6)根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種水中微小顆粒在線測量方法，包括被測水樣流經(jīng)一個管道，采用光阻法在線測量水中顆粒大小和數(shù)量，其特征在于所述的管道采用扁平管道，該管道的中間部分作為取樣窗；所述的光阻法采用的光源為片狀平行光，采用的光接收器為線陣CCD器件。
上述的取樣窗的高度為線陣CCD器件每個象素的高度，為10～20μm，長度為CCD 300～500個象素的長度，為3～10mm，厚度為扁平管道的厚度，為0.5±0.1mm。
上述的顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒只影響一個象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP(數(shù)字信號處理器，以下相同)按下式計算顆粒直徑d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w為CCD象素高度，t1為顆粒進入象素區(qū)域的時間，t2為顆粒在象素區(qū)域流動的時間，t3為顆粒流出象素區(qū)域的時間。
上述的顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個相鄰象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP將兩個象素的光強減弱信號疊加后作為一個信號，按下式計算顆粒直徑d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w為CCD象素高度，t1為顆粒進入象素區(qū)域的時間，t2為顆粒在象素區(qū)域流動的時間，t3為顆粒流出象素區(qū)域的時間。
上述的顆粒直徑大于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個或三個相鄰象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP將兩個或三個象素的光強減弱信號疊加后作為一個信號，按下式計算顆粒直徑d＝tv-w其中，w為CCD象素高度；t＝t1+t2+t3為總時間，即從顆粒開始進入象素區(qū)域至完全離開象素區(qū)域的時間；v為水流速度。
一種水中微小顆粒在線測量裝置，用于上述的在線測量方法，包括被水樣流經(jīng)的一個管道、光源、光接收器件和測量系統(tǒng)的DSP，其特征在于1)所述的管道為扁平管道，該管道的中間部分作為取樣窗；
2)所述的光源為片狀平行光垂直對準所述的取樣窗；3)所述的光接收器件為線陣CCD器件對準取樣窗固定安裝；4)所述的線陣CCD器件連接測量系統(tǒng)的DSP通過RS485接口連接主機。
上述的取樣窗的高度為線陣CCD器件每個象素的高度，為10～20μm，長度為CCD 300～500個象素的長度，為3～10mm，厚度為扁平管道的厚度，為0.5±0.1mm。
上述的片狀平行光的產(chǎn)生機構(gòu)是一個半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光束路徑上安置一組柱透鏡組。
上述的管道的出水口處安裝一個節(jié)流閥。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點(1)本發(fā)明采用扁平管道和線陣CCD器件，解決了普通光阻法細管阻塞問題。(2)大大減小光接收器件的面積，使它可與微粒面積相比擬，提高了信噪比。(3)水流速度不高，而線陣光接收器件進行高速采樣，提高了測量的準確性。


圖1是本發(fā)明的在線測量方法采用的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是顆粒直徑小于CCD象素的高度且顆粒只影響一個象素光強的示意圖，其中(a)圖為顆粒流動示意圖，(b)圖為接收到的光強示意圖。
圖3是顆粒直徑小于CCD象素的高度且顆粒影響兩個相鄰象素光強的示意圖。
圖4是顆粒直徑大于CCD象素的高度且顆粒影響兩個或三個相鄰象素光強的示意圖，其中(a)圖為顆粒流動示意圖，(b)圖為接收到的光強示意圖。
圖5是本發(fā)明的一個在線測量裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中(a)圖為俯視圖，(b)圖為主視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)先實施例結(jié)合

如下本水中微小顆粒在線測量方法采用圖5所示的在線測量裝置進行測量，裝置的結(jié)構(gòu)和測量方法如下由半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)過柱透鏡組(2)(3)形成片狀平行光(4)，通過光欄(5)，穿過取樣窗(6)后，由線陣CCD(7)的光敏部分(8)接受，經(jīng)DSP芯片和少量外圍器件(9)組成的系統(tǒng)處理后，通過串行口輸出測量結(jié)果。線陣CCD(7)，DSP芯片和少量外圍器件(9)，都安裝在電路板(10)上，使連接線最短，以減小干擾與噪聲。被測量的水樣從進水口(11)流入，經(jīng)過矩形取樣窗(6)，節(jié)流閥(12)后，由出水口(13)流出。水流的速度是通過節(jié)流閥(12)調(diào)節(jié)的。
這種測量方法允許多個微粒同時經(jīng)過取樣窗，但不允許微粒在取樣平面中重疊。實際上，因被測的大多是高純度水，水樣中的微粒數(shù)是很少的，兩個微粒同時經(jīng)過取樣窗的概率已是非常小的，而取樣窗的厚度又很小，兩個微粒在取樣窗中重疊的概率微乎其微。
線陣CCD使用TCD1209D，2048點，每點14×14μm，最高時鐘頻率20MHz。因不需要這么多的點數(shù)，同時也為了提高數(shù)據(jù)采集速度，實際只使用了前面的350點，組成了寬度約為4.9mm的取樣窗。DSP使用TMS320LF2812，片內(nèi)含12位80ns的A/D。測量系統(tǒng)使用10MHz采樣，采集350點速度為28.5KHz，即每35μS，采集一組CCD的光強數(shù)據(jù)。當取樣窗的水流速度為3mm/S時，取樣分辨率約為0.1μm，滿足了測量分辨率的要求，如能使用20MHz采樣速度的芯片，則分辨率還可提高一倍，或在相同的分辨率下，水流速度可提高一倍。
通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥，取樣窗的水流速度控制在3mm/S，當流經(jīng)取樣窗的水樣中有微粒時，線陣CCD，接受到的光強會有變化，當僅有一個CCD象素光強有變化時，使用一個CCD象素的光強信號，當有兩個或兩個以上相鄰的CCD象素光強有變化時，將他們的信號疊加，先使用式(6)計算微粒直徑，如計算結(jié)果微粒直徑小于0.8w，則再用式(4)計算微粒直徑，以提高測量精度。測量結(jié)果以數(shù)字的形式通過RS485接口發(fā)送到主機。由主機完成顯示、記錄、打印等功能。
權(quán)利要求
1.一種水中微小顆粒在線測量方法，包括被測水樣流經(jīng)一個管道，采用光阻法在線測量水中顆粒大小和數(shù)量，其特征在于所述的管道采用扁平管道，該管道的中間部分作為取樣窗(6)；所述的光阻法采用的光源為片狀平行光，采用的光接收器為線陣CCD器件(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中微小顆粒在線測量方法，其特征在于所述的取樣窗(6)的高度為線陣CCD器件(7)每個象素的高度，為10～20μm，長度為CCD 300～500個象素的長度，為3～10mm，厚度為扁平管道的厚度，為0.5±0.1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中微小顆粒在線測量方法，其特征在于顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒只影響一個象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP按下式計算顆粒直徑d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w為CCD象素高度，t1為顆粒進入象素區(qū)域的時間，t2為顆粒在象素區(qū)域內(nèi)流動的時間，t3為顆粒流出象素區(qū)域的時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中微小顆粒在線測量方法，其特征在于顆粒直徑小于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個相鄰象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP將兩個象素的光強減弱信號疊加后作為一個信號，按下式計算顆粒直徑d=(t1+t3)wt1+t3+2t2]]>其中，w為CCD象素高度，t1為顆粒進入象素區(qū)域的時間，t2為顆粒在象素區(qū)域內(nèi)流動的時間，t3為顆粒流出象素區(qū)域的時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中微小顆粒在線測量方法，其特征在于顆粒直徑大于CCD象素的高度，且顆粒影響兩個或三個相鄰象素光強，由測量系統(tǒng)的DSP將兩個或三個象素的光強減弱信號疊加后作為一個信號，按下式計算顆粒直徑d＝tv-w其中，w為CCD象素高度；t＝t1+t2+t3為總時間，即從顆粒開始進入象素區(qū)域至完全離開象素區(qū)域的時間；v為水流速度。
6.一種水中微小顆粒在線測量裝置，用于權(quán)利要求1所述的水中微小顆粒在線測量方法，包括被水樣流經(jīng)的一個管道、光源、光接收器件和測量系統(tǒng)的DSP，其特征在于1)所述的管道為扁平管道，該管道的中間部分作為取樣窗(6)；2)所述的光源為片狀平行光(4)垂直對準所述的取樣窗(6)；3)所述的光接收器件為線陣CCD器件(7)對準取樣窗(6)固定安裝；4)所述的線陣CCD器件(7)連接測量系統(tǒng)的DSP(9)通過RS485接口連接主機。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水中微小顆粒在線測量裝置，其特征在于取樣窗(6)的高度為線陣CCD器件(7)每個象素的高度，為10～20μm，長度為CCD 300～500個象素的長度，為3～10mm，厚度為扁平管道的厚度，為0.5±0.1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水中微小顆粒在線測量裝置，其特征在于所述的片狀平行光(4)的產(chǎn)生機構(gòu)是一個半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射的激光束路徑上安置一組柱透鏡組(2、3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水中微小顆粒在線測量裝置，其特征在于所述的管道的出水口(13)處安裝一個節(jié)流閥(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水中微小顆粒在線測量方法及裝置。本發(fā)明的在線測量方法是采用光阻法在線測量水中顆粒的大小和數(shù)量，被測水樣流經(jīng)的管道為扁平管道，該管道的中間部分為取樣窗，光源采用片狀平行光，光接收器采用線陣CCD器件。本發(fā)明能防止細管阻塞，提高信噪比和測量準確性。
文檔編號G01N21/17GK101029863SQ20071003873
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者宋啟敏, 房彩云, 鐘德華, 毛文龍, 陸明剛 申請人:上海大學(xué)