一种测量非均相液体光学特性的结构及方法

技术领域

本发明适用于环境保护的水处理领域，尤其涉及一种测量非均相液体光学特性的结构及方法。

背景技术

混凝沉淀工艺在水处理中是一种广泛使用的工艺。它通过在水体中投加混凝剂，使原本分散在水中不易自然沉淀的胶体或细颗粒物形成较大的絮体(也称作矾花)，从而增加自重后利用重力沉淀从水中分离出来。

混凝沉淀的处理效果都表现为水体混浊度的显著降低。本发明中“非均相”指的就是液体中还含有固态的絮体、颗粒和气态的气泡。而“浊度”特指不含有絮体、颗粒或气泡的液体部分的浊度，在混凝沉淀工艺中通称为“间隙水”浊度。

为了评估效果的优劣并调节合适的混凝药剂投加量，可在实验室或现场可通过肉眼观察得到出水浊度描述性的结果，也有通过在线式取样分析或者通过在线式浊度传感器监测出水的浊度。

也有通过采样或原位，对水中的絮体进行脉动透光率捕捉或者图像捕捉，从而获取絮体尺寸、形态、分布、分型等参数信息。

混凝沉淀的过程是一个动态连续的过程，从进水到出水的时间称为水力停留时间，可以有短到几分钟，也有长到2小时。在水质变化时，水处理现场一般通过进水浊度和出水浊度的变化关系来进行药剂药剂调整，但是出水浊度往往有很大的滞后，使得这个调整过程缓慢而困难。如果能在混凝过程的中段，甚至前期，就监测浊度，会有效的提升药剂调整的效率和质量。

通过监测不同混凝阶段位置的水体浊度，能够提供大量的混凝有效性信息。在理想情况下，出水应该是没有絮体并且浊度较低。但很多情况下会出现出水浊度较低但有细小絮体跑出，也有浊度偏高但没有絮体等各种异常情况。这就需要一种既能够检测浊度，又能够检测絮体，并刻画絮体特性的方法和装置。

目前常见的在线式浊度传感器主要产采用端面设计，如图1(图片来源Krohne)所示，发射光与接收光的元件都在圆柱形外壳的顶端，发射光通过透明的视窗射到被测水体中，散射光角度垂直于发射光，再通过视窗进入感光接受元件。这一方案在测量均匀液体时，能工作得很好；但用于混凝监测时，由于絮体、颗粒或气泡产生的反射和散射，会给浊度传感器带来很多干扰的信号，不能有效的反映间隙水的浊度情况。当大于10um的絮体经过检测光路时，可能造成浊度检测数据大幅波动。如是絮体在发射光路上，通常产生过高的干扰信号；如在散射光路上，则造成过低的干扰信号。如图2所示，在混凝过程中，浊度分搅拌与沉降两个过程，其中的显著波动都是由于大小不同的絮体通过浊度传感器前方造成的干扰。如絮体、颗粒或气泡运动速度慢，甚至通过粘附而稳定在浊度监测光路上，可能造成长时间的稳定干扰，而非短期波动。

在文献《悬浊液透光率脉动值检测法》(《中国给水排水》1997.Vol13,p13)中，较早地在国内引入了利用透光率的脉动信号，来描述絮体特征信息。但这一方法仅对于絮体尺寸较大并较为紧实的水体比较有效。当絮体很细小又疏松，用透光率的变化极为微弱，无法很好的表征水体絮体特征。

ZL200410044132.0则公开的一种实现这一方案的结构，但由于水体中流速变化，絮体运动速度不一，脉动信号本身提供的信息很有限。另外，这一方法并不关注间隙水的浊度。

ZL20130010159.7和201510350350.5分别公开了一种通过摄像观测絮体的方法，但没有监测浊度，也不能实现原位测量，必须进行取样测试。这一类方式往往絮体在运过程中都会受到挤压、变形，大的絮体往往会破碎，从而丧失了很多信息。

ZL201610057062.5公开了一种原位监测矾花的方法和装置，但并没有测量间隙水的浊度，仅适用于沉淀的最后阶段。类似的原位摄像方案中，除了絮体本身的特征以外，其背景也部分反映了间隙水的混浊程度，但由于摄像头的对光强分辨率较低，通常采样通常为8bit，与专业测量浊度的传感器的12bit，甚至16bit差距甚远，从而很难兼顾较高或较低的浊度。

CN106471355B和CN104823037B都试图在测量含有絮体的非均相液体中的间隙水浊度，但都是完全依靠散射数据本身的处理来判断哪些信号是“干扰”，哪些是真正的浊度。这类方法必须有对于絮体的先验知识作为判断依据，而使得其适用领域受到限制。这些方法对于粘附造成的稳定干扰，也无能为力。

发明内容

本发明的目的在于提供在混凝过程的不同阶段，有较多的絮体体存在的情况下，能有效地监测絮体的图像特征，同时可靠地监测间隙水浊度信息的一种测量非均相液体光学特性的结构及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种测量非均相液体光学特性的结构包含光源，摄像装置和光电传感器，其中光源产生的平面光垂直于摄像装置所观察的的摄像捕捉面和接受水体散射光的光电传感器的安装方向。

优选的，所述的光源产生平面光，摄像装置用于对絮体成像，光电传感器用于浊度检测。

优选的，所述的摄像装置和光电传感器的安装方向平行，摄像装置和光电传感器的位置相对，并垂直于光源的平面，使摄像装置与浊度装置在光源面上观察的区域相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对非均匀的液体中，将检测均相散射的浊度与检测絮体、颗粒或气泡的成像方案结合在一起，并使用垂直于这两个传感器的方向的同一面状光源进行照明。在这样的条件下，不仅可以同时输出絮体成像信息和浊度信息，还可以利用絮体的图像，分析其尺寸、运动速度等信息，为采用何种浊度抗干扰的算法提供指导，以获得更为接近真实的间隙水浊度。

通过使用本结构，可以在混凝沉淀的不同工艺段对水体的混浊度和絮体特征同时进行捕捉，而不仅监测出水浊度。这样的检测手段可为更加充分的了解，混凝沉淀的效果提供了有效的信息。特别是可以有助于避免现场经常出现的絮体上浮、絮体漂移或者“翻池”等现象。

通过本结构安装在混凝工作不同位置和不同深度的多个监测点时，可将以前依赖于人工肉眼观察所感知的水面清亮、发混、絮体细小、零散分布等等描述性的判断，转化为可定量化、可重现、可比对的检测指标。通过这些数据，配合人工智能的技术可大幅度降低药剂的无效投放，让药剂投加跟随水质水量的变化，最大限度的实现混凝沉淀的处理目标。

附图说明

图1为背景技术中浊度传感器采用端面技术的结构示意图；

图2为本发明一种测量非均相液体光学特性的结构示意图。

图3为混凝过程中，浊度分搅拌与沉降两个过程，由于絮体的干扰出现显著波动的示意图；

图4为本发明实施例混凝过程中，不同形态与特点的絮体图像；

图中：光源1、平面光2、摄像装置3、摄像装置4、摄像捕捉面5、光电传感器、6散射光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，本实施例提供一种技术方案：一种测量非均相液体光学特性的结构包含光源1，摄像装置3和光电传感器5，其中光源1产生的平面光2垂直于摄像装置3所观观察的的摄像捕捉面4和接受水体散射光6的光电传感器5的安装方向，所述的光源1产生平面光2，摄像装置3用于对絮体成像，光电传感器5用于浊度检测。

将本实施例中所述的摄像装置3和光电传感器5的安装方向相对，并使得摄像装置3在平面光2上所观察到的区域能包含光电传感器5在平面光2上所观察到的区域。

一种测量非均相液体光学特性的结构的方法：在工作时，光源1可连续点亮，也可间歇性的工作，在摄像装置3和光电传感器5所捕捉的敏感位置在其前方交点产交点处，光电传感器5接收到的是在这个面积中总的细颗粒物和絮体散射光强，而摄像装置接收到的则是对这个光强的分布进行成像，其中由于絮体的散射强度要比细颗粒物大得多，絮体显示出较强的亮度；

如图4中所示，不同位置、不同混凝条件下，絮体的形态与数量各异，对浊度传感器造成的干扰也就有不同的特性。

光电传感器5的工作时连续采样一段时间，如5秒，并对采样过程中产生的数据漂移进行判断和分析，当通过摄像装置3发现絮体稀少和微小时，基本可判断浊度传感器的信息大致可信，此时仅需要对多次采样的数据进行数学平均即可；

而当摄像装置3发现絮体较多，特别是有相对体积较大的絮体时，如在图3中的7分钟处，则应该延长5的采样时间，通过时间序列获得更多的絮体信息，并采用巴特沃斯滤波和包络线补偿等方法对造成浊度漂移的信息给予补偿；如图3中的虚线显示了去除絮体干扰后的更接近真实的间隙水浊度结果。

优选的，可以由摄像装置3连续多次拍摄，通过识别没有絮体在光电传感器监测路径6时，所对应的散射信号作为间隙水浊度信号。

优选的，可以由摄像装置3间隔较短时间多次拍摄，计算视野中絮体的尺度与其运动速度，以此作为光电信号进行滤波和分类的依据。

当摄像装置3发现光电传感器有絮体、颗粒或气泡粘附，而造成稳定干扰时，可发出错误报警，而出发人工或自动的清洗动作以排除干扰。

本实施例一种测量非均相液体光学特性的结构主要的应用场景是在混凝过程中进行原位测量，此时光源1、摄像装置3和光电传感器5均密封在监测装置内部，并沉入水中到达目标检测位置，水体从监测装置周围流过时，即可有效的获取絮体和浊度的信息。

本实施例一种测量非均相液体光学特性的结构同样也可以用于实验室或现场测量场景下的取样测量，此时光源1、摄像装置3和光电传感器5均置于空气中，而水样则置于相应的容器或流通管道中，测量环境要有必要的遮光措施，以控制环境光的干扰。

当水体中含有相当量的气泡时，也会对浊度测量带来干扰，通过摄像头成像也可引导使用合适的算法对浊度信号进行处理这一类非均匀液体的浊度监测。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。