专利名称：水中絮体形态红外光比率脉动检测装置与检测方法
技术领域：
本发明属于一种应用于水处理絮凝投药工艺的絮体形态光学检测装置和方法。
背景技术：
絮凝是净水系统中最重要的处理工艺，也是制水成本的主要组成部分，絮凝剂投量是否准确直接影响到水处理的全过程。传统的絮凝投药检测控制技术主要有需检测影响絮凝效果的各项表观参数(原水的流量、浊度、PH值、碱度、温度，凝聚剂的流量、浓度、效能等)的数学模型法，只检测部分参数的简化法，检测上述一两个参数的半自动法，模型滤池法或模型斜管法等。它们都存在投资大、可靠性低、建模难、精度差、操作维护难等无法克服的缺点，因而无法广泛应用。现有的一般检测仪器不能在线连续测定水的絮凝程度和絮凝粒径的变化，只能通过检测投药后与水中悬浮颗粒物质有关的某些特性来间接反应絮凝程度；如基于悬浮颗粒ζ电位的流动电流检测技术(SCD)及基于悬浮物可滤性的毛细管吸入时间技术(CST)等。这些检测技术都具有一定的局限性，也就是说，如果所使用的絮凝剂与水中悬浮颗粒发生作用后，悬浮颗粒的该种特性不发生变化或变化很小(如ζ电位)或更加难以检测(如毛细管吸入时间)时，那么，这些间接反应絮凝程度的检测方法准确度和灵敏度就会降低，甚至不能使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统的水中絮体形态检测方法和装置所存在的投资大、可靠性低、建模难、精度差、操作维护难等缺点，提供一种用于水处理絮凝投药工艺的水中絮体形态红外光比率脉动检测装置与检测方法。它具有投资省、精度高、可靠性高和易操作等特点，本发明的装置由红外光源5、散射光检测器7、透射光检测器6、一路模数转换器8、二路模数转换器9、微处理器10、通讯接口11、一号透明窗口1、二号透明窗口2、三号透明窗口3和传感器壳体4组成，红外光源5、散射光检测器7、透射光检测器6、一路模数转换器8、二路模数转换器9设置在传感器壳体4内，一号透明窗口1、二号透明窗口2、三号透明窗口3镶嵌在传感器壳体4上并把传感器壳体4密封，透射光检测器6安装在二号透明窗口2内侧并与安装在一号透明窗口1内侧的红外光源5相对设置以接收红外激光线，散射光检测器7设置在与红外光源5和透射光检测器6的连线相垂直的三号透明窗口3内侧，透射光检测器6的输出端连接一路模数转换器8的输入端，散射光检测器7的输出端连接二路模数转换器9的输入端，一路模数转换器8和二路模数转换器9的输出端分别连接在微处理器10的两个输入端上，微处理器10的输出端连接通讯接口11的输入端。
水中絮体形态红外光比率脉动检测方法，它是通过以下步骤实现的一、通过红外光源5使红外激光线穿过加入絮凝剂并经过搅拌后的被检测水样；二、使用透射光检测器6接收穿过被检测水样的红外激光线，同时在垂直于红外激光线的方向用散射光检测器7接收红外激光线照射被检测水样后产生的散射光；三、透射光检测器6将接收到的光信号转换成与光强度成比例的透射光电信号，同时散射光检测器7将接收到的光信号转换成与光强度成比例的散射光电信号；四、透射光检测器6输出的透射光电信号和散射光检测器7输出的散射光电信号分别经过一路模数转换器8和二路模数转换器9转换成数字信号后输入到微处理器10；五、微处理器10从一路模数转换器8传输过来数字信号中计算出平均透射光强度数字信号值Ta，微处理器10对从二路模数转换器9传输过来的数字信号进行处理，提取其脉动成份有效值Sp，用脉动成份有效值Sp的平方值除以平均透射光强度数字信号值Ta倒数的自然对数得到比率运算结果α值即为反映水中絮体形态的最终有效数字信号。
红外光源5发射的红外激光经透光性良好的一号透明窗口1垂直照射到流动的水中。由于水中投药后的絮体颗粒大小小于红外激光的半波波长，因而照射光线不但由于光能被吸收而使透过水样后的亮度有所减弱，还将发生散射。透过水样的透射光束通过对面二号透明窗口2照射到透射光检测器6上，散射光束则通过与红外光源5相垂直的三号透明窗口3照射到散射光检测器7上，透射光检测器6将透射光信号转换成与透射光强度成比例的电信号，散射光检测器7将散射光信号转换成与散射光强度成比例的电信号，透射光检测器和散射光检测器的输出电信号经过模数转换器转换成数字信号输入到微处理器中进行分析处理，运算结果通过通讯接口传送给外部控制设备。由于在工艺水样中，絮体颗粒的随机扩散会使一定体积内所含的絮体颗粒数量浓度随机变化，即产生脉动现象，该变化遵从泊松分布。当狭窄的红外激光照射水样时，必然会产生散射光的波动，对于较大尺寸的絮体颗粒会显著影响散射光的脉动状况，使散射光脉动程度更大，因而通过散射光强度的脉动状况可以确定絮体颗粒的尺寸大小。经模数转换器转换后的散射光强度数字信号可看成由两部分组成，一部分是平均散射光强度值g，另一部分是脉动成分有效值Sp，由水中絮体颗粒随机变化产生。脉动成分有效值Sp可能很小，但经过数字放大可以将其从散射光强度数字信号中分离出来。微处理器对散射光强度数字信号进行处理，提取其脉动成份有效值Sp，用其平方值除以平均透射光强度数字信号值Ta倒数的自然对数，以消除絮体颗粒浓度对脉动成分大小的影响，即α＝Sp2/ln(32768/Ta)。比率运算结果α值即为反应水中絮体形态的最终有效数字信号，其值越大，代表絮凝效果越好。本发明的装置是一种光学检测装置，但跟其它各种以光阻塞或光散射为基础的检测器有本质性区别。该仪器可以用照射于流动水体的散射光强度的波动状态迅速计算出絮凝后形成絮凝体粒径的变化，因而，灵敏度高，响应迅速。无论使用何种絮凝剂，靠何种机理发生絮凝，絮凝体粒径的相对大小只要有所改变，该装置都可以准确、灵敏地连续指示出其絮凝程度。特别适用于水处理工艺絮凝剂投量控制；本发明的方法可在线检测影响絮凝效果的本质参数——水中絮体形态，所以只需测定和控制这单独一个因子，就可实现絮凝剂投加量准确控制，再不需监测任何原水表观水质参数(浊度，温度，碱度，PH值等)和水量参数(原水流量、药液流量、浓度等)。
图1是本发明水中絮体形态红外光比率脉动检测装置的结构示意图，图2是用本发明方法检测到的水中絮体形态散射光电信号示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1具体说明本实施方式。本发明的装置由红外光源5、散射光检测器7、透射光检测器6、一路模数转换器8、二路模数转换器9、微处理器10、通讯接口11、一号透明窗口1、二号透明窗口2、三号透明窗口3和传感器壳体4组成，红外光源5、散射光检测器7、透射光检测器6、一路模数转换器8、二路模数转换器9设置在传感器壳体4内，一号透明窗口1、二号透明窗口2、三号透明窗口3镶嵌在传感器壳体4上并把传感器壳体4密封，透射光检测器6安装在二号透明窗口2内侧并与安装在一号透明窗口1内侧的红外光源5相对设置以接收红外激光线，散射光检测器7设置在与红外光源5和透射光检测器6的连线相垂直的三号透明窗口3内侧，透射光检测器6的输出端连接一路模数转换器8的输入端，散射光检测器7的输出端连接二路模数转换器9的输入端，一路模数转换器8和二路模数转换器9的输出端分别连接在微处理器10的两个输入端上，微处理器10的输出端连接通讯接口11的输入端。最终有效数字信号由通讯接口输出给外部设备。本实施方式的装置是这样工作的使用上述的装置，将壳体4浸没于加入絮凝剂并经过搅拌后的被检测水样中，使水样进入凹槽4-1中。接通电源，红外光源5发射的红外激光经透光性良好的一号透明窗口1垂直照射到流动的水中。透过水样的透射光束通过对面二号透明窗口2照射到透射光检测器6上，散射光束则通过与红外光源5相垂直的三号透明窗口3照射到散射光检测器7上，透射光检测器6将透射光信号转换成与透射光强度成比例的电信号，散射光检测器7将散射光信号转换成与散射光强度成比例的电信号，透射光检测器6和散射光检测器7的输出电信号经过模数转换器转换成数字信号输入到微处理器10中进行分析处理，运算结果通过通讯接口11传送给外部控制设备。本装置采用8V-30V直流电源供电，电源电流为16mA(典型值)，使用的红外光源5采用935nm的红外激光二极管，散射光检测器、透射光检测器采用Vishay Intertechnology公司推出的CMOS低功耗高灵敏度光电检测器TEKS6400，两个模数转换器采用ADI公司AD9480串行8bit分辨率产品，微处理器采用XAPRISC 16位产品，通讯接口采用RS-232接口，用+5V代表逻辑1，用0V代表逻辑0的逻辑信号。微处理器对散射光强度数字信号进行处理，提取其脉动成份有效值Sp，用其平方值除以平均透射光强度数字信号Ta倒数的自然对数，以消除絮体颗粒浓度对脉动成分大小的影响，比率运算结果α＝Sp2/ln(32768/Ta)。假设水中絮体颗粒粒径都相同且为球形，红外光路内絮体颗粒数的随机变化遵循泊松分布，且数目在均值上、下一个标准偏差范围内波动，则Sp＝K1I0VN1/2/λ2，ln(32768/Ta)＝K2πa2NI0，比率运算结果α＝Sp2/ln(k/Ta)＝K3I0a4/λ4。式中K1、K2、K3为常数；N为单位容积内的絮体颗粒数；V为每个絮体颗粒的体积；λ为红外光源的波长；I0为红外光源的光强度；a为絮体颗粒的球形半径(几何半径)。一般红外光源光强度和波长固定不变，因而比率运算结果α值就和水中絮体颗粒的几何半径相关，可将其作为反应水中絮体形态的最终有效数字信号，其值越大，代表絮凝效果越好。
具体实施方式
二水中絮体形态红外光比率脉动检测方法，它是通过以下步骤实现的一、通过红外光源5使红外激光线穿过加入絮凝剂并经过搅拌后的被检测水样；二、使用透射光检测器6接收穿过被检测水样的红外激光线，同时在垂直于红外激光线的方向用散射光检测器7接收红外激光线照射被检测水样后产生的散射光；三、透射光检测器6将接收到的光信号转换成与光强度成比例的透射光电信号，同时散射光检测器7将接收到的光信号转换成与光强度成比例的散射光电信号；四、透射光检测器6输出的透射光电信号和散射光检测器7输出的散射光电信号分别经过一路模数转换器8和二路模数转换器9转换成数字信号后输入到微处理器10；五、微处理器10从一路模数转换器8传输过来数字信号中计算出平均透射光强度数字信号值Ta，微处理器对从二路模数转换器9传输过来的数字信号进行处理，提取其脉动成份有效值Sp，用脉动成份有效值Sp的平方值除以平均透射光强度数字信号值Ta倒数的自然对数，以消除絮体颗粒浓度对脉动成分大小的影响，即α＝Sp2/ln(32768/Ta)；比率运算结果α值即为反应水中絮体形态的最终有效数字信号，其值越大，代表絮凝效果越好。
权利要求
1.水中絮体形态红外光比率脉动检测装置，其特征在于它由红外光源(5)、散射光检测器(7)、透射光检测器(6)、一路模数转换器(8)、二路模数转换器(9)、微处理器(10)、通讯接口(11)、一号透明窗口(1)、二号透明窗口(2)、三号透明窗口(3)和传感器壳体(4)组成，红外光源(5)、散射光检测器(7)、透射光检测器(6)、一路模数转换器(8)、二路模数转换器(9)设置在传感器壳体(4)内，一号透明窗口(1)、二号透明窗口(2)、三号透明窗口(3)镶嵌在传感器壳体(4)上并把传感器壳体(4)密封，透射光检测器(6)安装在二号透明窗口(2)内侧并与安装在一号透明窗口1内侧的红外光源(5)相对设置，散射光检测器(7)设置在与红外光源(5)和透射光检测器(6)的连线相垂直的三号透明窗口(3)内侧，透射光检测器(6)的输出端连接一路模数转换器(8)的输入端，散射光检测器(7)的输出端连接二路模数转换器(9)的输入端，一路模数转换器(8)和二路模数转换器(9)的输出端分别连接在微处理器(10)的两个输入端上，微处理器(10)的输出端连接通讯接口(11)的输入端。
2.水中絮体形态红外光比率脉动检测方法，其特征在于它通过以下步骤实现的一、通过红外光源(5)使红外激光线穿过加入絮凝剂并经过搅拌后的被检测水样；二、使用透射光检测器(6)接收穿过被检测水样的红外激光线，同时在垂直于红外激光线的方向用散射光检测器(7)接收红外激光线照射被检测水样后产生的散射光；三、透射光检测器(6)将接收到的光信号转换成与光强度成比例的透射光电信号，同时散射光检测器(7)将接收到的光信号转换成与光强度成比例的散射光电信号；四、透射光检测器(6)输出的透射光电信号和散射光检测器(7)输出的散射光电信号分别经过一路模数转换器(8)和二路模数转换器(9)转换成数字信号后输入到微处理器(10)；五、微处理器(10)从一路模数转换器(8)传输过来数字信号中计算出平均透射光强度数字信号值(Ta)，微处理器(10)对从二路模数转换器(9)传输过来的数字信号进行处理，提取其脉动成份有效值(Sp)，用脉动成份有效值(Sp)的平方值除以平均透射光强度数字信号值(Ta)倒数的自然对数得到比率运算结果(α)值即为反应水中絮体形态的最终有效数字信号。
全文摘要
水中絮体形态红外光比率脉动检测装置与检测方法。公开一种水处理絮体形态光学检测技术。本发明透射光检测器6安装在二号透明窗口2内侧，与安装在一号透明窗口1内侧的红外光源5相对设置，散射光检测器7设置在与5相垂直的三号透明窗口3内侧。6与7输出的电信号经过模数转换器转换成数字信号输入到微处理器10，10对散射光强度数字信号进行处理，提取其脉动成分有效值，用其平方值除以平均透射光强度数字信号值倒数的自然对数，比率运算结果作为反应水中絮体形态的最终有效数字信号由通讯接口输出。本发明的方法可在线检测影响絮凝效果的本质参数——水中絮体形态，其装置具有投资省、效果好、易操作等特点，特别适用于水处理工艺絮凝剂投量控制。
文档编号G01N21/17GK1621807SQ20041004413
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者南军 申请人:哈尔滨工业大学