濁度傳感器及濁度測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種濁度傳感器，屬于液體參數測量【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壁內側，可向所述底面發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射平行光垂直的光線強度。本實用新型還公開了一種濁度測量裝置。本實用新型具有結構設計簡單、精度準確、測量范圍寬的優點。
【專利說明】濁度傳感器及濁度測量裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型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、微生物和膠體物質等雜質對光的 吸收和散射作用的一種反映，是水樣的一種光學性質。隨著人們生活水平的日益提高，以及 對生命健康、自然環境的日益關注，對于水質濁度的監測越來越受到人們的重視。濁度不僅 是衡量水質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。因此，對水體 濁度的在線檢測具有非常重要的現實意義。
[0003] 根據濁度的測量原理，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散射法及樣品表面散射法。濁度測 量國際標準IS07027和美國環保標準EPA180. 1就是利用樣品內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，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，表面散射法因其優點受到了人們的重視。現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。這種結構設計的優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生波動，散射光的位置會發生改變，這樣光電探測器接收 到的散射光強就會發生改變，影響測量準確性。整個裝置的結構安裝比較復雜，不能滿足小 型化、便攜性的要求。并且，上述缺陷在現有的基于表面散射法設計的濁度儀中普遍存在。 實用新型內容
[0005] 本實用新型所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種濁度傳感器及 濁度測量裝置，采用樣品內散射法和樣品表面散射法相結合的測量方式，具有結構設計簡 單、精度準確、測量范圍寬的優點。
[0006] 本實用新型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壁內側，可向所述底面發射 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射平行光垂直的光 線強度。
[0007] 優選地，光源所在的殼體側壁與所述底面間的夾角為70°，光源所發射的平行光 垂直于光源所在的殼體側壁。
[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] 本實用新型的濁度測量裝置，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] 相比現有技術，本實用新型技術方案及其進一步改進技術方案具有以下有益效 果：
[0012] 本實用新型采用獨特的結構設計，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構做成一體式結構，這樣就大大簡化了濁度儀的整體結構設計，無 需固定式安裝，具有小型化、便攜性的優勢；
[0013] 本實用新型采用樣品內散射法和表面散射法相結合的測量方式，在低濁度 ((T200NTU)測量時選用樣品內散射法，在高濁度（200 NTU 測量時選用表面散射法，能自 動切換量程，提高了測量結果的準確度，增大了測量裝置的量程；
[0014] 本實用新型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試。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型濁度測量裝置的一個實施例的結構示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型濁度測量裝置的另一個實施例的結構示意圖；
[0017] 圖中各標號含義如下：
[0018] 1 :殼體；2 :信號處理模塊；3 :支架；4 :光敏元件；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】
[0019] 下面結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明：
[0020] 圖1顯示了本實用新型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與殼體側壁垂直，殼 體1靠近底面16的側壁內側設置有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所示，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所發射并經準直透鏡8準直的平行光透過。殼體1的內部固定有支架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構成；匯聚透鏡5和匯聚透鏡10的鏡面均與LED光源 9所發射并經準直透鏡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，并將光強信號轉換為電信號輸出。為了防止光源發出的 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，本實用新型在 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據通信，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，例如可采用螺紋聯結的方式或其他方式。
[0021] 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所發射并經準直透鏡8準直的平行光透過窗鏡7射入液體，液體表面的90° 散射光經由窗鏡7進入殼體1內，經匯聚透鏡10匯聚后被光敏元件11接收；射入液體內部 的平行光繼續向前前進，液體內部的90°散射光經由窗鏡6進入殼體1內，經匯聚透鏡5匯 聚后被光敏元件4接收。根據散射光理論，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。
[0022] 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利用現有的樣品內散射法對 光敏元件4采集到的信號進行計算處理，即可得到基于內散射測量方法的濁度測量值。正 如【背景技術】中所介紹的，內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，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 圍內線性度也較好。因此，可以200NTU為信號通道選擇閾值，從而根據實際情況選擇最佳 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 機或設置于本實用新型測量裝置中的測量通道選擇開關直接選擇開啟并輸出結果的測量 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 (T100NTU范圍內，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，多數測量環境下無法預 知待測液體的濁度范圍，為此，本實用新型的信號處理模塊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。以上數據處理過程所涉及的樣品內散射法及樣品表面散射法均為現 有技術，為節省篇幅，此處不再贅述。
[0023] 本實施例中的窗鏡6、窗鏡7優選有機玻璃制成，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的發射波長優 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。
[0024] 圖1的濁度傳感器結構雖然實現了用簡單的結構實現樣品內散射法和樣品表面 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壁垂直，一方面， 當傳感器殼體豎直進入待測液體中時，殼體底面下會產生氣泡，這些氣泡的存在會影響兩 個測量通道的測量結果，導致最終的側量結果出現誤差；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。
[0025] 為此，本實用新型又提出了一種采用斜面殼體設計的優選方案，其結構如圖2 所示。該方案與圖1的不同之處在于，LED光源9所發射并經準直透鏡8準直的平行 光方向垂直于殼體1的側壁，同時殼體1的底面16與LED光源9所在側壁間的夾角 ?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。
[0026] 采用本實施例的結構設計，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，采用此種結構設計，內部的光源部件和光 接收部件的安裝維護也更方便。
[0027] 本實用新型采用了獨特的結構設計，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構做成一體式結構，這樣就大大簡化了濁度儀的整體結構 設計，無需固定式安裝，具有小型化、便攜性的優勢；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；本實用新型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，散射光的位置會發生改變，這樣光電探測器接收到的散射光強就會發生改變，測得的 濁度值就不能正確表示待測液體的濁度值；并且本實用新型優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，本實用新型實現了樣品內散射法和表面散射法相結合的測量方式，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壁內側，可向所 述底面發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，光源所在的殼體側壁與所述底面間的 夾角為70°，光源所發射的平行光垂直于光源所在的殼體側壁。
3. 如權利要求1或2所述濁度傳感器，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，所述光源所發射光的波長為 860nm〇
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。
7. 如權利要求6所述濁度測量裝置，其特征在于，所述信號處理模塊集成于所述濁度 傳感器的殼體內部。
【文檔編號】G01N21/49GK204188525SQ201420684563
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】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