一种浊度检测仪及检测方法与流程

本发明涉及水质浊度检测技术领域，尤其涉及一种浊度检测仪及检测方法。

背景技术：

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中的浊度一般是由悬浮物造成的，悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。

目前浊度一般利用色度计或分光光度计测量样品中颗粒物的阻碍作用造成的透射光强衰减程度来估计数据。这样估计方式得到的浊度数据不准，精度达不到。而且在一些环境中存在太阳光的干扰，太阳光照射到水中，会进一步影响浊度检测的准确性和精度，导致检测的浊度数据不准，无法进行后期的参考使用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种浊度检测仪，包括：壳体，壳体内部安装有电路模块和光学模块；电路模块和光学模块相互连接；

光学模块设置在壳体的第一端，且与壳体第一端可拆卸连接；

光学模块包括接收单元和发射单元；

接收单元和发射单元分别通过导光柱连通壳体外部，发射单元根据检测控制指令发出检测光，接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给电路模块；

电路模块包括：数据传输处理单元和控制单元；

控制单元通过数据传输处理单元分别与接收单元和发射单元连接；

控制单元向发射单元发送检测控制指令；控制单元通过接收单元获取接收的光信号，并计算得出水质浊度数据。

基于上述浊度检测仪，本发明还提供一种浊度检测方法，方法包括：

检测光通过导光通路传导至水中；

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在水中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给电路模块；

根据捕获到的信号强度转化成相应的电流，通过i/v转换电路进行信号处理，再通过高通滤波钳位电路、有源检波电路、量程切换电路、放大电路以及ad转换电路处理后传输给控制单元；

控制单元获取接收的信号，并计算得出水质浊度数据；

控制单元将浊度值及温度值通过标准modbus标准协议以及预设的通信方式传输到上位机或者外接设备。

进一步需要说明的是，还包括对浊度检测仪的标定方法：

将浊度检测仪放置到浊度范围在0-400ntu之间的溶液中，

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在0-400ntu之间的溶液中中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给数据传输处理单元进行处理，处理后传输给控制单元；

控制单元通过下式进行运算得出水质浊度数据；

当前浊度值＝(当前模拟量)/400浊度值对应模拟量*400。

进一步需要说明的是，对浊度检测仪的标定方法还包括：

将浊度检测仪放置到浊度范围在400-1000ntu之间的溶液中，

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在400-1000ntu之间的溶液中中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给数据传输处理单元进行处理，处理后传输给控制单元；

控制单元通过下式进行运算得出水质浊度数据；

当前浊度值＝1.3*(当前模拟量-400对应模拟量)/(1000对应模拟量-400对应模拟量)*600+400。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

浊度检测仪及检测方法采用滤波片削减太阳光对传感器的干扰；发射方波信号，通过对信号的处理，减少太阳光中相同波长的光对接收信号的干扰；采用具有一定角度的收发光通路，扩大了光线辐射范围，增大传感器检测准确度；浊度检测仪具有标准modbus通讯协议，可在线进行水质浊度检测，支持在线标定，能够将检测数据及时上传，能够实时获取控制数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为浊度检测仪整体示意图；

图2为浊度检测仪爆炸图；

图3为数据传输处理单元示意图；

图4为探头立体图；

图5为探头主视图；

图6为探头侧视图；

图7为探头剖视图；

图8为探头俯视图；

图9为i/v转换电路图；

图10为放大电路图；

图11为温度测量电路图；

图12为激发光光源电路图；

图13为高通滤波钳位电路图；

图14为有源检波电路图；

图15为负压电路图；

图16为量程切换电路图；

图17为浊度检测方法流程图。

具体实施方式

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

应当理解，本发明在称某一元件或层在另一元件或层“上”，被“连接”或“耦合”至另一元件或层时，其可能直接在另一元件或层上，被直接连接或耦合至所述另一元件或层，也可能存在中间元件或层。相反，在称某一元件被“直接在”另一元件或层“上”，“直接连接”或“直接耦合”至另一元件或层时，则不存在中间元件或层。所有附图中类似的数字指示类似元件。如这里所用的，术语“和/或”包括相关所列项的一个或多个的任何和所有组合。

本发明提供一种浊度检测仪，如图1至16所示，包括：壳体1，壳体1内部安装有电路模块2和光学模块；电路模块2和光学模块3相互连接；

光学模块3设置在壳体1的第一端，且与壳体1第一端可拆卸连接；

具体的，壳体1为圆筒状结构，壳体1的第一端设有内螺纹；壳体1的第二端螺纹连接有防水护套接头6；外螺纹座51设有与所述内螺纹相适配的外螺纹；外螺纹座51与壳体1的内螺纹螺纹配合连接。

光学模块3设有包括接收单元31和发射单元32；接收单元31和发射单元32分别通过导光柱33连通壳体1外部，发射单元32根据检测控制指令发出检测光，接收单元31接收检测光，并将接收的光信号传输给电路模块2；

进一步的，光学模块3设有探头5；探头5设有外螺纹座51和支撑件52；外螺纹座51设有接收光通路53，发射光通路54，滤光安装孔55，导光安装孔56，紧固孔59，灌胶通气孔60以及感温安装孔57；支撑件52设有打胶通道58；打胶通道58与灌胶通气孔60连通；支撑件52的一端与外螺纹座51连接；支撑件52设有支撑面，支撑面上设有两个固定孔11；电路模块2安置到支撑件52的支撑面上，并通过固定孔11固定连接；

这样可以通过探头5将电路模块2推送到壳体1内部，再通过壳体1内螺纹与外螺纹座51螺纹连接。导光柱33与导光安装孔56的端口通过密封胶密封；滤光片34与滤光安装孔55的端口通过密封胶密封。对每个安装孔端口进行密封处理，还对探头5的外表面进行处理，使探头5的外表面平整，避免长期在水中浸泡由于探头5外表面不平整而造成藻类的滋生，影响仪器检测精度。

本发明设置三个灌胶通气孔60避免了因为只做了一个，胶体流通不畅。三个灌胶通气孔60使得内外压力一样，胶体流通通畅，便于打胶。

壳体1的第一端配置至少两段螺纹段63；每段螺纹段采用不同的螺纹标准设置，螺纹段与螺纹段之间配置有间距。

为了能够实现浊度检测仪与检测设备进行连接，使检测设备通过浊度检测仪获取当水的浊度信息。壳体1的第一端配置至少两段螺纹段63；每段螺纹段采用不同的螺纹标准设置，螺纹段与螺纹段之间配置有间距。螺纹段采用的螺纹标准可以采用英标，或国标。当然也可以采用不同尺寸的螺纹，这能够适配连接多种设备的连接口径，提升装置的使用便捷性。

接收单元31安装在接收光通路53内；发射单元32安装在发射光通路54内；导光柱33安装在导光安装孔56内；

滤光片34安装在滤光安装孔55内；温度测量电路4安装在感温安装孔57内；

紧固孔59为配置到外螺纹座51上的三个紧固孔，这三个紧固孔能够供紧固工具插入。由于外螺纹座51和壳体体积相对较小，无法直接用手进行紧固，这里借助紧固工具来协助外螺纹座51与外螺纹座51之间的螺纹连接。使外螺纹座51固定到壳体上。

本发明中，为了减少太阳光中相同波长的光对接收信号的干扰，接收单元31透过滤光片34接收检测光；滤光片34采用940nm窄带滤光片，截止深度od2-od3，透过率介于0.1％～1％优选的；采用两个滤光片叠置设置在接收单元31的接收端；可减少太阳光对接收器件的影响，

接收单元31的中心线与发射单元32的中心线相交，相交θ的角度范围为50-70度。

接收单元31采用红外接收二极管；发射单元32采用红外发射二极管。红外接收二极管，采用pd类型二极管，相对于硅光电池体积小，成本低，相对于pt二极管暗电流小，响应速度快，线性度更好，抗干扰性能强。

这里红外接收二极管和红外发射二极管之间的角度为50-70度，优选的为60度，扩大了光线辐射范围，可增大传感器接受准确度。红外接收二极管和红外发射二极管之间的角度越小，所辐射的范围就越大，但是随着范围的扩大，光的强度也会衰弱，综合分析，接收端和发射端之间的角度在50-70度，测量准确度最高，效果最好。这样具有一定角度的收发光通路，扩大了光线辐射范围，增大传感器检测准确度。

电路模块2包括：数据传输处理单元和控制单元；控制单元通过数据传输处理单元分别与接收单元31和发射单元32连接；控制单元向发射单元32发送检测控制指令；控制单元通过接收单元31获取接收的光信号，并计算得出水质浊度数据。

控制单元的计算方式为采用两点法校准；也就是在400ntu和1000ntu的两个设置区间进行计算。这是基于400ntu和1000ntu是两个水质的划分方式，也就是对水质污染情况的划分。

控制单元在400ntu浊度标准溶液或1000ntu浊度标准溶液中，发送相对应的指令，将采集当前浊度模拟量，通过下式进行运算；

0-400ntu时：当前浊度值＝当前模拟量/400浊度值对应模拟量*400；

400-1000ntu时：

当前浊度值＝1.3*当前模拟量-400对应模拟量/1000对应模拟量-400对应模拟量*600+400。

上述所揭露的仪器，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

作为本发明中的数据传输处理单元包括：如图2所示，激发光光源电路、i/v转换电路、高通滤波钳位电路、有源检波电路、放大电路、量程切换电路、ad转换电路、温度测量电路4以及用于给数据传输处理单元内部提供负电压的负压电路；

激发光光源电路与发射单元32连接，通过激发光光源电路使发射单元32按照预设频率向水中发射红外光，红外光在水中接触到颗粒物，经过反射散射，被接收单元31接收，根据捕获到的信号强度转化成相应的电流，通过i/v转换电路进行信号处理，再通过高通滤波钳位电路、有源检波电路、放大电路以及ad转换电路处理后传输给控制单元进行处理；控制单元通过温度测量电路4获取水质的温度值；控制单元通过预设的算法处理计算出水质的浊度值；量程切换电路与控制单元，控制单元通过量程切换电路获取量程切换控制指令，并执行。用户可以根据不同量程进行选择。

仪器支持12v-24v直流电供电，可自动进行太阳光补偿，温度补偿等。

数据传输处理单元还包括：数据传输电路；控制单元通过数据传输电路以及标准modbus标准协议连接外接设备及上位机，并基于外接设备进行读写操作，用于水质浊度值温度值读取，标定，修改设备id，可返回错误代码；这里的控制单元可以通过无线或有线的方式连接上位机或服务器或控制设备。

控制单元采用stm32f103c8t6单片机；数据传输电路采用485设备标准modbus标准协议。

可能以许多方式来实现本发明的方法以及装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法以及装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

控制单元包括一个或多个处理器执行，如一个或多个数字信号处理器(dsp)，通用微处理器，特定应用集成电路asics，现场可编程门阵列(fpga)，或者其它等价物把集成电路或离散逻辑电路。因此，术语“处理器，”由于在用于本文时可以指任何前述结构或任何其它的结构更适于实现的这里所描述的技术。另外，在一些方面，本公开中所描述的功能可以提供在软件模块和硬件模块。

上述各个电路的具体形式为:

i/v转换电路包括：运放器u1，电容c1，电阻r30，二极管d1；

运放器u1五脚和二极管d1阳极分别i/v转换电路输入端连接；二极管d1阴极，运放器u1六脚，电容c1第一端以及电阻r30第一端共同连接；运放器四脚接电源；运放器一脚接地；运放器二脚，电容c1第二端以及电阻r30第二端分别连接i/v转换电路输出端；

放大电路包括：电阻r32，电阻r33，电阻r31，电阻r35以及运放器u2；运放器u2的三脚和电阻r35第一端分别与放大电路输入端连接；电阻r35第二端和电阻r32第二端的放大电路输出端连接；运放器u2的二脚分别与电阻r31第二端和电阻r33第一端连接；电阻r31第一端接地；电阻r33第二端分别与运放器u2的一脚和电阻r32第一端连接；运放器u2的四脚接电源；运放器u2的五脚接地。

温度测量电路包括：感温元件u8，电阻r8，电阻r9和电容c2；电阻r8第一端接电源，电阻r8第二端接感温元件u8第一端；感温元件u8第二端分别与电阻r9第一端和电容c2第一端连接；电阻r9第二端和电容c2第二端分别接地；

激发光光源电路包括：电阻r15，电阻r16，电阻r17，电阻r18，场效应管q1以及发光二极管d2；电阻r17第一端和电阻r18第一端分别接电源；电阻r17第二端和电阻r18第二端分别连接发光二极管d2阳极；发光二极管d2阴极通过电阻r15连接场效应管q1的d极；场效应管q1的g极通过电阻r16连接激发光光源电路控制输入端；场效应管q1的s极接地。

高通滤波钳位电路包括：电阻r11，电阻r12，电阻r13，电阻r10，电容c3；电容c3第一端连接高通滤波钳位电路输入端；电容c3第二端分别与电阻r10第一端和电阻r12第一端连接；电阻r10第二端和电阻r11第一端分别接地；电阻r12第二端，电阻r12第二端，电阻r13第一端分别连接高通滤波钳位电路输出端；电阻r13第二端接电源；

有源检波电路包括：电阻r1，电阻r2，电阻r3，电阻r4，二极管d3，二极管d4以及运放器u3；电阻r1第一端连接有源检波电路输入端；电阻r1第二端分别与电阻r2第一端和运放器u3三脚连接；运放器u3二脚通过电阻r3接地；运放器u3五脚与二极管d3阳极连接；二极管d3阴极分别与电阻r2第二端和电阻r4第一端连接；电阻r4第二端分别与有源检波电路输出端和二极管d4阳极连接；二极管d4阴极接电源。

负压电路包括：ce7660芯片，电容c11，电容c12，电容c13以及电阻r8；ce7660芯片二脚通过电容c11接地；ce7660芯片三脚和四脚接地；八脚接正极电源，五脚为输出脚，五脚通过电阻r8分别连接电容c12第一端，电容c13第一端以及负压电路输出端；c12第二端和电容c13第二端分别接地。负压电路可以提供-3.3v的电压进而满足测量需要，使得检测更为精准，保证仪器工作正常。

发光光源电路、i/v转换电路、高通滤波钳位电路、有源检波电路、放大电路、量程切换电路、ad转换电路量程切换电路采用cd4052bcm。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等如果存在是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

上述各个电路的连接关系是相辅相成的，也就是激发光光源电路、i/v转换电路、高通滤波钳位电路、有源检波电路、放大电路、温度测量电路4以及ad转换电路是基于本仪器所涉及的测量方式来进行配合设置。是具有相互配合，相互衔接的电路方式。

基于上述浊度检测仪，本发明还提供一种浊度检测方法，如图17所示，

方法包括：

检测光通过导光通路传导至水中；

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在水中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给电路模块；

根据捕获到的信号强度转化成相应的电流，通过i/v转换电路进行信号处理，再通过高通滤波钳位电路、有源检波电路、量程切换电路、放大电路以及ad转换电路处理后传输给控制单元；

控制单元获取接收的信号，并计算得出水质浊度数据；

控制单元将浊度值及温度值通过标准modbus标准协议以及预设的通信方式传输到上位机或者外接设备。

本发明还包括对浊度检测仪的标定过程，标定过程是在检测前对仪器进行标定，使检测仪在检测时能够满足精度要求。

由于浊度检测仪通常是长期放置到液体中进行检测，如果在检测过程中出现数据偏差，精度无法到达预设要求。这时候，需要将检测仪从被测液体中取出，分别放置到0-400ntu之间的溶液中以及400-1000ntu之间的溶液中进行校准标定。

优选的本发明的标定溶液采用浊度为400ntu的水以及浊度为1000ntu的水。通过上述两种溶液来对检测仪进行标定校准，满足检测要求。

标定的具体过程为：

将浊度检测仪放置到浊度范围在0-400ntu之间的溶液中，

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在0-400ntu之间的溶液中中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给数据传输处理单元进行处理，处理后传输给控制单元；

控制单元通过下式进行运算得出水质浊度数据；

当前浊度值＝当前模拟量/400浊度值对应模拟量*400。

进一步来讲，对浊度检测仪的标定方法还包括：

将浊度检测仪放置到浊度范围在400-1000ntu之间的溶液中，

发射单元按照一定频率向水中发射红外光，产生方波信号；

红外光在400-1000ntu之间的溶液中中接触到颗粒物，经过反射散射，反射光透过滤光片滤除可见光和干扰光线，由接收单元接收；

接收单元接收检测光，并将接收的光信号传输给数据传输处理单元进行处理，处理后传输给控制单元；

控制单元通过下式进行运算得出水质浊度数据；

当前浊度值＝1.3*当前模拟量-400对应模拟量/1000对应模拟量-400对应模拟量*600+400。

这里400ntu和1000ntu是两个预设的标定点；可以不局限于400ntu和1000ntu，可以选择如500ntu，或600ntu，具体数据不做限定。采用两点法，校准方便，线性度好，测量更为精准，能够实现更为精细的测量值进行测量，保证测量要求。

浊度检测仪是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

浊度检测仪可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象和面向过程的程序设计语言—诸如java、c++、c等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。