檢測系統(tǒng)和方法以及水處理系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種檢測系統(tǒng)和方法以及水處理系統(tǒng)和方法。依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)可以檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。所述檢測系統(tǒng)包括：光學(xué)探頭，其包括至少一發(fā)射光纖，用于向介質(zhì)發(fā)射光；和至少兩接收光纖，用于接收介質(zhì)反射或反向散射的光，當(dāng)所述檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，至少光學(xué)探頭的端部位于介質(zhì)中；信號處理模塊，其與光學(xué)探頭連接，用于將來自光學(xué)探頭的接收光纖的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并基于該電信號確定介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。
【專利說明】檢測系統(tǒng)和方法以及水處理系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測系統(tǒng)和方法，特別涉及一種可以在線檢測介質(zhì)中所含顆粒的檢測系統(tǒng)和方法。本發(fā)明還涉及一種水處理系統(tǒng)和方法，特別涉及可以在線檢測水中所含顆粒的狀態(tài)并根據(jù)檢測的結(jié)果對水進(jìn)行處理的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]初級污水處理的目的在于，通過沉積或絮凝的沉淀過程以及物理-化學(xué)處理，去除或降低在原水或污水中的懸浮固體和其他可能的污染物。在眾多工業(yè)沉淀池(凈化池)中，加入化學(xué)試劑(混凝劑和絮凝劑)來促進(jìn)膠體凝結(jié)，從而加速固體沉積過程?；炷齽┖托跄齽┑倪x擇及其用量在沉淀池工藝中具有重要作用。廢水初級處理的常見問題是流動的水質(zhì)和水量持續(xù)變化，需要相應(yīng)地對化學(xué)試劑的添加量進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前，廣泛使用人工燒瓶試驗作為工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)方法，用來選擇化學(xué)試劑及確定劑量范圍。
[0003]但是，人工燒瓶試驗有很多問題，首先，不能快速響應(yīng)廢水流的質(zhì)量/數(shù)量的變化，其次，消耗人力和時間，而且響應(yīng)遲鈍，還需要有經(jīng)驗的人員進(jìn)行操作。如果未能及時調(diào)節(jié)化學(xué)試劑的劑量，會導(dǎo)致較差的排出水質(zhì)，并增加下游工藝出現(xiàn)問題的風(fēng)險。因此，在污水處理工藝中急需一種可靠的在線檢測系統(tǒng)，通過監(jiān)視混凝、絮凝過程并且最優(yōu)化化學(xué)試劑的劑量，從而保證凈化的一致性和有效性。
[0004]很多技術(shù)已經(jīng)用于污水凈化步驟中以檢測凝結(jié)效率，例如流動電流探測器(SCD)廣泛用于飲用水處理的混凝劑劑量控制。但是，在污水中，電荷中和不會是固體沉淀的唯一作用機(jī)制，其他例如聚合物架橋、疏水反應(yīng)、電荷通路中和等機(jī)制也是重要的。因此，使用SCD作為主要傳感器用于混凝劑和絮凝劑劑量控制，在污水處理的很多方面是無法勝任的。此外，導(dǎo)電性干擾、探頭污損以及高維護(hù)成本，阻礙了 SCD在污水處理中的應(yīng)用。
[0005]隨著計算機(jī)和數(shù)字影像的快速發(fā)展，數(shù)字顯微成像技術(shù)日漸成熟，使得通過圖像分析軟件來分析顆粒形態(tài)成為可能。數(shù)字顯微圖像處理技術(shù)，可以快速實現(xiàn)大量絮狀物尺寸的測量和絮狀物懸濁液的原位測量。數(shù)字顯微圖像處理技術(shù)通過聚焦在檢測容器內(nèi)很近距離(0.3?Icm)的平面上來捕捉攪拌懸濁液的圖像來監(jiān)視絮狀物。圖像處理通常是必要步驟，以提高圖像質(zhì)量并用于分析。這種方法的關(guān)鍵在于設(shè)定目標(biāo)和背景的清晰對比度，從而可以準(zhǔn)確地測量顆粒大小。
[0006]使用沉淀來判斷絮狀物的沉積速度是重要的，因為沉積速度直接影響沉淀池的表現(xiàn)，是優(yōu)化處理過程的重要參數(shù)。沉積作用取決于絮狀物的大小、有效密度和孔隙率。但是測量絮狀物沉淀需要非常精細(xì)的準(zhǔn)備和大量的樣品數(shù)目，才能獲得準(zhǔn)確結(jié)果。
[0007]顆粒計數(shù)是另一重要技術(shù)，通過電子檢測或光學(xué)檢測，測定一定尺寸范圍內(nèi)顆粒的數(shù)量，提供在凝絮過程中的顆粒信息。在電子檢測和光學(xué)檢測兩種技術(shù)中，測定顆粒大小的主要問題來自于絮狀物沉積在通過測量室時產(chǎn)生破碎。例如與光學(xué)圖像分析技術(shù)相比，庫特氏計數(shù)器顯著低估了絮狀物尺寸，因為其僅測量了絮狀物中固體的體積，而不是含有空隙和水的絮狀物的有效體積。另外，檢測區(qū)域的顆粒數(shù)量、位置和顆粒重疊都會顯著影響檢測的準(zhǔn)確度。綜上各種原因，顆粒計數(shù)技術(shù)需要所測污水具有較低顆粒濃度，因而限制了其在水處理特別是廢水處理過程中的應(yīng)用。
[0008]目前最常見的商用顆粒尺寸檢測設(shè)備都使用光散射技術(shù)。這些設(shè)備通過環(huán)狀檢測儀的陣列，記錄不同角度范圍內(nèi)散射光的強(qiáng)度來測量顆粒尺寸，較小顆粒對應(yīng)大角度散射光，較大顆粒對應(yīng)小角度散射光。但是，由于水樣過度渾濁導(dǎo)致激光散射的顯著損失，光散射技術(shù)僅僅適合用于低濁度的水樣品中。此外，基于該技術(shù)的在線測量進(jìn)度很大程度上依賴測量過程中水樣的穩(wěn)定流動，這對于實際應(yīng)用來說是一個問題。
[0009]透光率脈動檢測儀(Photometric Dispersion Analyser, PDA)是獨特的商用設(shè)備，用來測量顆粒凝聚狀態(tài)的改變。其使用一束光照射流動懸濁液，測量透射光學(xué)強(qiáng)度的波動，表示為絮凝指數(shù)。PDA根據(jù)該指數(shù),來評估化學(xué)試劑的有效性。John Gregory等在英國專利GB2182432A中公開了此項技術(shù)的測量原理與方法。其利用橫向窄光束照射流動懸浮物，透過懸浮物的光強(qiáng)度由檢測裝置所檢測并輸出。輸出信號由兩部分組成，其中直流信號(DC信號)表示透過光等效平均強(qiáng)度，而交流信號(RMS信號)表示樣品中顆粒數(shù)量的隨機(jī)變化。使用此種技術(shù)的分析儀具有從原始輸出信號分離直流與交流信號的功能。但是，在PDA技術(shù)中也有一些限制。例如，懸浮的固體在穿過PDA測量室時必須具有足夠的濃度才能提供可靠的信號。此外，懸浮固體的混合強(qiáng)度和設(shè)備校準(zhǔn)也會影響在線測量的準(zhǔn)確性。較小的取樣管會施加巨大的剪切力，可能會破碎絮狀物。PDA技術(shù)的另一問題是它不是在線檢測，樣品需要被導(dǎo)入到用于檢測的測量室中。由于絮狀物可能在取樣管中穿過時進(jìn)一步長大，該測量不能反映沉淀系統(tǒng)中的真實狀態(tài)。以上問題以及非常昂貴的價格限制了 PDA在污水處理工業(yè)中的應(yīng)用。
[0010]由于諸如可靠性、維護(hù)、復(fù)雜性、響應(yīng)時間、成本等各種問題，許多類似的技術(shù)都不適合直接用于污水處理。迄今為止，在污水市場中尚無一種廣泛使用的產(chǎn)品，來提供監(jiān)視和初級處理中化學(xué)試劑劑量測量的最優(yōu)化控制。
[0011]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，需要一種可靠、靈敏且廉價的在線檢測系統(tǒng)。自動最優(yōu)化劑量控制系統(tǒng)可以降低處理成本、更有效利用凈化池容積并有益于下游處理工序，提高整體的水處理能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種可靠和廉價的在線光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)和方法以及相應(yīng)的水處理系統(tǒng)和方法。
[0013]本發(fā)明的一方面在于提供一種檢測系統(tǒng)，用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)，其特征在于包括:光學(xué)探頭，其包括至少一發(fā)射光纖，用于向介質(zhì)發(fā)射光；和至少兩接收光纖，用于接收介質(zhì)反射或反向散射的光，當(dāng)所述檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，至少光學(xué)探頭的端部位于介質(zhì)中；信號處理模塊，其與光學(xué)探頭連接，用于將來自光學(xué)探頭的接收光纖的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并基于該電信號確定介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。
[0014]在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，光學(xué)探頭可以包括多條發(fā)射光纖，發(fā)射光纖以圍繞接收光纖的方式排布。所述光學(xué)探頭可以包括11條發(fā)射光纖和兩條接收光纖，每條接收光纖周圍等距排布6條發(fā)射光纖。所述光學(xué)探頭可以包括15條發(fā)射光纖和兩個接收光纖組，每個接收光纖組包括兩條并列排布的接收光纖，且每個接收光纖組周圍排布有10條光纖。所述光學(xué)探頭可以包括多條發(fā)射光纖和至少兩條接收光纖，所述多條發(fā)射光纖排布成兩個相連接的環(huán)狀，接收光纖分別位于環(huán)狀的中心位置。在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，所述光學(xué)探頭還可以包括多條填充光纖。
[0015]在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，所述光學(xué)探頭的一端可以包括一保護(hù)窗口。所述保護(hù)窗口可以為藍(lán)寶石或光學(xué)玻璃，且所述保護(hù)窗口上可以具有一對應(yīng)介質(zhì)的減反射膜或增透膜。
[0016]在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，光學(xué)探頭可以包括光纖接頭和適配器，所述發(fā)射光纖和所述接收光纖固定在光纖接頭中，所述光纖接頭與適配器通過螺紋連接。所述適配器可以具有一光纖接頭安裝孔，該孔的內(nèi)表面上具有螺紋，所述光纖接頭的外表面上具有螺紋。光纖接頭可以包括便于將光纖接頭擰入光纖接頭安裝孔中的頭部，所述頭部包括多條防滑凹槽。
[0017]在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，所述介質(zhì)可以為液體。顆粒的狀態(tài)可以包括顆粒大小的變化和顆粒濃度。
[0018]在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，所述信號處理模塊可以基于來自接收光纖的光信號獲得交流電信號和直流電信號，并基于交流電信號確定介質(zhì)中顆粒大小變化，基于直流電信號確定介質(zhì)的濃度。
[0019]本發(fā)明的另一方面在于提供一種水處理系統(tǒng)，其包括如上所述的檢測系統(tǒng)，用于檢測添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，所述水處理系統(tǒng)根據(jù)檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量，并向水中添加所述確定劑量的化學(xué)藥劑對水進(jìn)行處理。
[0020]在依照本發(fā)明的水處理系統(tǒng)中，所述水處理系統(tǒng)向水中多次添加化學(xué)藥劑，且每次添加的化學(xué)藥劑的劑量不同，所述檢測系統(tǒng)檢測每次添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，所述水處理系統(tǒng)根據(jù)添加的化學(xué)藥劑的劑量與顆粒大小變化之間的關(guān)系，確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量。
[0021]本發(fā)明的又一方面在于提供一種用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)的方法，其包括:通過至少一發(fā)射光纖在介質(zhì)中向介質(zhì)發(fā)射光；通過至少兩接收光纖在介質(zhì)中接收介質(zhì)反射或反向散射的光；將接收光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并基于該電信號確定介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。
[0022]在依照本發(fā)明的用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)的方法中，可以通過多條發(fā)射光纖向介質(zhì)發(fā)射光，發(fā)射光纖可以以圍繞接收光纖的方式排布。所述介質(zhì)可以為液體。所述顆粒的狀態(tài)可以包括顆粒的大小變化和顆粒濃度。
[0023]在依照本發(fā)明的用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)的方法中，可以將接收光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換為交流電信號和直流電信號，并基于交流電信號確定介質(zhì)中顆粒的大小變化，基于直流電信號確定顆粒濃度。在依照本發(fā)明的用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)的方法中，還可以將包括所述發(fā)射光纖的接收光纖的光纖接頭通過螺紋與適配器連接。
[0024]本發(fā)明的又一方面在于提供一種水處理方法，其包括:向水中添加化學(xué)藥劑，確定檢測添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，根據(jù)檢測到的添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量，并向水中添加所述確定劑量的化學(xué)藥劑對水進(jìn)行處理。
[0025]在依照本發(fā)明的水處理方法中，可以向水中多次添加化學(xué)藥劑，且每次添加的化學(xué)藥劑的劑量不同，檢測每次添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，根據(jù)添加的化學(xué)藥劑的劑量與顆粒大小變化之間的關(guān)系，確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量。
[0026]依照本發(fā)明的光學(xué)實時在線監(jiān)測探頭，采用多路照明設(shè)計與多路檢測通道，接收來自懸濁溶液的反射與反向散射光，浸入式檢測使探頭易于安裝于管路系統(tǒng)。依照本發(fā)明光學(xué)實時在線監(jiān)測探頭在污水處理中可以進(jìn)行沉積及絮凝狀態(tài)的監(jiān)測，從而實現(xiàn)最優(yōu)化化學(xué)試劑劑量的實時控制。在初級污水處理過程中，不需要詳細(xì)的顆粒參數(shù)(諸如濃度、尺寸或尺寸分布)來評價沉積及絮凝過程。多路照明設(shè)計能有效提高信噪比，而多路檢測通道能實質(zhì)性提高探頭檢測的精確性。本發(fā)明在線監(jiān)測探頭，雖然利用與PDA設(shè)備類似的計算原理，但是基于反射與反向散射的測量方法，成功地解決了測量過程中絮狀物破碎的問題，這也正是PDA設(shè)備的主要缺陷。本發(fā)明是一種基于光纖的緊湊的反射探頭，對反射及反向散射的光信號進(jìn)行探測，從而監(jiān)視流動或靜態(tài)介質(zhì)中顆粒凝聚的狀態(tài)。優(yōu)化的光纖排列確保對樣品的均勻照明，以及對反射及反向散射光信號采集的效率。光纖的靈活配置能實現(xiàn)各種應(yīng)用的樣品照明和光信號讀取要求，確保探頭可以滿足各種應(yīng)用需求，諸如溶液中顆粒尺寸監(jiān)視、氣體組分分析、基于光散射的固體基板的表面檢測、從紫外(UV)至近紅外(NIR)波長范圍的吸收和反射測量。本發(fā)明還采用特定電路系統(tǒng)用于該探頭，對所采集的多路光信號進(jìn)行采集，處理與分析。該電路系統(tǒng)能將探頭接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將原始電信號分解成交流信號(RMS信號)和直流信號(DC信號)，由此可進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及儀器標(biāo)定。
[0027]依照本發(fā)明，在初級污水處理中進(jìn)行原位檢測污染物的凝結(jié)和/或絮凝，從而有助于實現(xiàn)最優(yōu)化化學(xué)試劑劑量的控制。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)勢以及【具體實施方式】和相關(guān)優(yōu)選實施方式結(jié)合以下附圖進(jìn)行具體說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖2是依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的光學(xué)探頭的一個實施方式的分解圖。
[0031]圖3是圖2所示的光學(xué)探頭的組合圖。
[0032]圖4是依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的光學(xué)探頭的一個實施方式的分解圖。
[0033]圖5是依照本發(fā)明的光學(xué)探頭的一個實施方式的光纖排布示意圖。
[0034]圖6是依照本發(fā)明的光學(xué)探頭的一個實施方式的光纖排布不意圖。
[0035]圖7是依照本發(fā)明的光學(xué)探頭的一個實施方式的光纖排布示意圖。
[0036]圖8是依照本發(fā)明的信號處理示意圖。
[0037]圖9是依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)檢測介質(zhì)中顆粒的流程圖。
[0038]圖10是顯示溶液濁度值與探頭直流信號輸出值之間關(guān)系示意圖。
[0039]圖11是顯示交流RMS信號與上清液池度值以及混凝劑加藥量之間的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0040]如圖1所示，依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)包括包括兩部分，即光學(xué)探頭11和信號處理模塊12。光學(xué)探頭11包括發(fā)射(照明)光纖111和接收(讀取)光纖112。具有照明光纖111的分支可以通過機(jī)械適配器與光源連接，用于將光源發(fā)射的光發(fā)射至待檢測的介質(zhì)中。光源例如可以是中心波長為850nm的紅外發(fā)光二極管。接收光纖112用于接收介質(zhì)反射的光，并可以通過機(jī)械適配器與光敏二極管連接。在檢測端，光學(xué)探頭111可直接用于實際應(yīng)用，也可與具體的機(jī)械部件連接以實現(xiàn)特定的機(jī)械安裝。光學(xué)探頭111的具體結(jié)構(gòu)將在隨后進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0041]信號處理模塊12包括光電轉(zhuǎn)換部121、電信號處理部122和顯不部123。光電轉(zhuǎn)換部121將來自接收光纖112的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其可以是例如光敏二極管。電信號處理部122對來自光電轉(zhuǎn)換部121的電信號進(jìn)行處理，以確定檢測的介質(zhì)中顆粒的性質(zhì)。顯示部123將電信號處理的結(jié)果顯示給用戶(檢測者)。
[0042]圖2和3示出本發(fā)明探頭的一個實施方式的結(jié)構(gòu)。圖2顯示了探頭的分解圖。圖3顯示了圖2所示的各個部件組裝在一起的示意圖。在本實施方式中，探頭包括適配器23，光纖接頭24，O形密封圈22和保護(hù)窗口 21。適配器23的外形可以類似于螺釘，具有一體形成的一大一小兩個圓柱體233、234。在適配器23的中心具有一貫穿適配器23的孔231，用于固定光纖接頭24。適配器23可以由不銹鋼制成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，適配器23的形狀、結(jié)構(gòu)以及材料可以任意選擇，只要其可以固定光纖接頭24并具有符合需要的強(qiáng)度和針對待測介質(zhì)耐腐蝕的特性。光纖接頭24的光纖束241包括至少一發(fā)射光纖和至少兩接收光纖?？蛇x擇的，光纖束241還可以包括多路填充光纖和/或其它用于固定光纖的結(jié)構(gòu)。光纖接頭24還包括用于固定光纖241的安裝部242。安裝部242與適配器21的安裝孔231相配合，其形狀和大小大致與安裝孔231相對應(yīng)。在一優(yōu)選的實施方式中，安裝部241的外表面上以及安裝孔231的內(nèi)表面上具有螺紋，從而可以通過螺紋之間的干涉配合而使兩者固定連接。光纖接頭22還包括與安裝部241相連接的頭部243，以便于將光纖接頭24的安裝部241容易地擰入適配器21的安裝孔231中。優(yōu)選的，頭部243還包括多個防滑凹槽(在圖2的實施例中為四個凹槽)，以增加手與頭部之間的摩擦，從而更方便地將光纖接頭24的安裝部241擰入適配器21的安裝孔231中。
[0043]在光學(xué)探頭(或光纖束22)朝向介質(zhì)的端部具有一保護(hù)窗口 21。保護(hù)窗口 21可以通過膠粘等方式安裝在適配器23面向介質(zhì)的端部的凹陷232中。由于探頭可能會工作在各種惡劣環(huán)境中，安裝在探頭檢測端的外側(cè)的額外的保護(hù)窗口 21可以保護(hù)光纖端面不受破壞。因為本發(fā)明探頭為反射式探頭，而保護(hù)窗口的使用會引入界面光反射，部分界面反射光會直接進(jìn)入探頭的檢測通道，影響到探頭的動態(tài)監(jiān)測范圍。在這種情況下，優(yōu)選在保護(hù)窗口 21上鍍增透膜或高透射的帶通光學(xué)薄膜，以消除或減小界面反射光。常用的保護(hù)窗口21為藍(lán)寶石或經(jīng)表面加強(qiáng)處理的高致密度及高透過率的光學(xué)玻璃。光學(xué)探頭還可以包括密封圈22。當(dāng)光學(xué)探頭與其它機(jī)械部件(圖未顯示)配合時，密封圈22可以實現(xiàn)兩者的密封連接。
[0044]圖4示出了本發(fā)明探頭的另一個實施方式的結(jié)構(gòu)。圖4的探頭與圖2的探頭的不同之處在于適配器的形狀不同，圖4的光纖接頭的結(jié)構(gòu)與圖2中的光纖接頭的結(jié)構(gòu)相同。在圖4的探頭中，適配器33的形狀為圓柱形。類似于圖2中的探頭，適配器33的中心具有一光纖接頭安裝孔331，光纖接頭安裝孔331的內(nèi)表面具有螺紋。具有發(fā)射光纖和接收光纖341的光纖接頭34可以通過位于安裝部342上的螺紋擰入適配器33的光纖接頭安裝孔331中。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，圖2和圖4中給出的適配器結(jié)構(gòu)僅僅是一個例子，可以根據(jù)現(xiàn)場情況采用其它類型的適配器結(jié)構(gòu)。具有發(fā)射光纖和接收光纖的光纖接頭可以通過標(biāo)準(zhǔn)螺紋實現(xiàn)與適配器的穩(wěn)定連接，也可以采用其它任何連接方式來實現(xiàn)光纖接頭和適配器之間的連接。
[0045]依照本發(fā)明的光學(xué)探頭包括至少一路發(fā)射光纖和至少兩路接收光纖。優(yōu)選地，發(fā)射光纖和接收光纖集成在一光學(xué)探頭中。可選擇的，本發(fā)明的檢測系統(tǒng)還可以包括任意數(shù)量的填充光纖。填充光纖通常用來使得發(fā)射光纖和接收光纖牢固地固定在光學(xué)探頭中，或者用來降低成本。依照本發(fā)明的光學(xué)探頭的發(fā)射光纖的數(shù)量可以大于一路，接收光纖的數(shù)量可以大于兩路，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)所要達(dá)到的檢測要求，對光纖的數(shù)量以及光纖的排布位置進(jìn)行選擇和調(diào)配。
[0046]如圖5所不,在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，光學(xué)探頭包括19根石英光纖。其中照明光纖52共11根，安置于照明光纖分支；讀取(接收)光纖51共2根，分別安裝于兩根檢測光纖分支，用于提供兩路檢測信號；填補(bǔ)光纖53共6根，此類光纖不參與測量，僅作為加工輔助以實現(xiàn)全部光纖的穩(wěn)定安裝。在圖5中，帶有豎線的圓圈表示讀取光纖51，帶有左斜線的圓圈表示照明光纖52，帶有右斜線的圓圈53表示填充光纖。在圖5所示的實施方式中，發(fā)射光纖52分布于每路接收光纖51的四周，從而每路接收光纖51都可以很好地接收反射光。
[0047]本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式中，光學(xué)探頭的光纖排布如圖6所不。圖6所不的實施方式類似于圖5的實施方式，其不同點僅在于沒有填充光纖。發(fā)射光纖62和接收光纖61的排布和圖5相同。
[0048]在其他類型的應(yīng)用，如需要不同檢測通道數(shù)量或更強(qiáng)的照明光信號時，光纖的整體數(shù)量、三類光纖(發(fā)射光纖、接收光纖和填充光纖)的具體數(shù)量及排列方式等均可根據(jù)實際情況而做出改變。如需要更強(qiáng)的照明光信號且需四路檢測光信號時，本發(fā)明的探頭可采用如圖7所示的檢測端設(shè)計。圖7設(shè)計中，使用了 15根照明光纖72，4根檢測光纖71，且并未使用填補(bǔ)光纖。而且，15根照明光纖72分布在4根檢測光纖71的四周。
[0049]依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)采用多路(至少兩路)讀取光纖，其能夠有效排除因電子噪音和異常光信號所帶來的錯誤，特別是當(dāng)與電路系統(tǒng)一起工作時。
[0050]依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的信號處理模塊包括光電轉(zhuǎn)換部，用于將接收光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在一實施方式中，光電轉(zhuǎn)換部為與接收光纖連接的光敏二極管。光敏二極管由電路系統(tǒng)驅(qū)動，入射至光敏二極管的光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為模擬電信號。信號處理模塊還包括電信號處理部，用于基于來自光電轉(zhuǎn)換部的電信號進(jìn)行信號處理與計算分析介質(zhì)中顆粒的性質(zhì)。在一實施方式中，信號處理部可以由電路系統(tǒng)的硬件及軟件模塊實現(xiàn)。
[0051]在一實施方式中，原始檢測光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換與后續(xù)計算處理后，被轉(zhuǎn)化為交流信號(RMS信號)和直流信號(DC信號)，并以此完成對溶液中粒子懸浮顆粒聚集狀態(tài)的定量描述，以及溶液濁度信號值的測量。交流RMS信號表征溶液中懸浮顆粒聚集狀態(tài)，交流信號越大說明溶液中懸浮顆粒的有效粒徑越大；直流DC信號表征溶液的濁度值，直流信號越大說明溶液的濁度值越大。
[0052]圖8示意性地顯示了信號處理的系統(tǒng)框圖。光源82和探測器83分別與光學(xué)探頭81的發(fā)射光纖和接收光纖相連。探測器83將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，且通過電路系統(tǒng)的信號采集部84接收。通過對接收的兩路電信號進(jìn)行信號差分處理85和標(biāo)準(zhǔn)的信號處理87而獲得RMS信號。通過對接收的兩路電信號進(jìn)行信號疊加處理86和標(biāo)準(zhǔn)的信號處理87而獲得DC信號。圖9示出了依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的原理流程圖。在圖9中，步驟901至907為光學(xué)系統(tǒng)的處理，步驟908至912為電路系統(tǒng)的處理。
[0053]在步驟901中，近紅外光源照射光學(xué)探頭的照明光纖分支。在步驟902中，照明光纖分支傳輸照明光。在步驟903中，照明光從光學(xué)探頭的端面發(fā)射出，照明樣品(待檢測介質(zhì))。在步驟904中，介質(zhì)(可以是溶液或氣體)中的顆粒散射和反射來自照明光纖的照射光。在步驟905中，檢測光纖采集顆粒散射和反射的光。檢測光纖接收的光在步驟906中沿著檢測光纖傳輸，并在步驟907中到達(dá)光電檢測器。
[0054]在步驟908中，光電檢測器將來自檢測光纖的光轉(zhuǎn)換為電信號，并在步驟909中由信號處理電路讀取。在步驟910中，對來自光電檢測器的電信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，例如放大，去噪等處理。處理后的信號在步驟911中計算出RMS信號和DC信號。步驟911獲得的RMS信號和DC信號可以在步驟912中輸出至顯示設(shè)備或其它控制電路，從而可以人工或自動地確定需要對檢測介質(zhì)的處理。
[0055]實驗測試
[0056]本發(fā)明檢測系統(tǒng)輸出的直流DC信號用于表征溶液的濁度值，直流信號越大說明溶液的濁度值越高。對直流DC信號的驗證，實際測試中采用不同濃度的高嶺土溶液，且每個濃度溶液的濁度值由商用濁度計進(jìn)行標(biāo)定。分析不同溶液的實際濁度值與探頭對應(yīng)直流DC信號輸出之間的關(guān)系，驗證本發(fā)明探頭的直流DC信號能有效并準(zhǔn)確表征溶液的實際濁度值。表I所示為每種濃度溶液的濁度值與對應(yīng)的探頭直流DC信號輸出值，圖10表示兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，圖中的實線101表示探頭直流DC信號輸出與溶液的濁度值之間的關(guān)系。由圖10可知，兩者在數(shù)值上存在一一對應(yīng)關(guān)系，總體線性度良好，但是分段線性度如100NTU以下與100NTU以上具有不同的線性系數(shù)。此時可考慮使用分段線性定標(biāo)使探頭在全檢測范圍內(nèi)均能達(dá)到較高的測量精度。可選擇的，可以使用二次多項式擬合，從而可用一個定標(biāo)方程完成全檢測范圍內(nèi)的范圍標(biāo)定。在圖10中，顯示了利用二次項擬合和線性擬合而得到的曲線。圖10中的短虛線102表示二次項擬合曲線，二次多項式擬合方程為Y=-0.0007X2+1.3352X+10.083，其中X代表X坐標(biāo)軸，即濁度值，Y代表Y坐標(biāo)軸，即探頭DC信號輸出。圖10中的長虛線103表示線性擬合曲線，線性擬合方程為Y = 0.8662X+32.4，其中X代表X坐標(biāo)軸，即濁度值，Y代表Y坐標(biāo)軸，即探頭DC信號輸出。需要明確的是，這里給出的二次項擬合方程和線性擬合方程僅僅是一個例子，可以根據(jù)所需的曲線擬合準(zhǔn)確度采用不同的二次項擬合方程或線性擬合方程。本實驗中使用了固定的直流DC信號增益和光源輸出功率，實際應(yīng)用過程中可根據(jù)待測溶液不同的濁度值，使用不同的直流DC信號增益與光源輸出功率，配以對應(yīng)的線性或二次多項式擬合方程，可以使探頭的濁度值檢測范圍達(dá)到O?8000NTU。本實驗結(jié)果證明本發(fā)明探頭的直流DC信號能有效并準(zhǔn)確地檢測溶液的濁度值。
[0057]表I溶液濁度值與探頭直流信號輸出值
[0058]
溶液濁度值(NTU)探頭直流信號輸出值(mV)
OO
[0059]8.520
13303060
65100
165200
328380
719620
[0060]本發(fā)明探頭輸出的交流RMS信號用于表征溶液中懸浮顆粒的聚集狀態(tài)。懸浮顆粒的粒徑越大，相應(yīng)的交流RMS信號的輸出也越大。測量中對某種合成水樣或?qū)嶋H工業(yè)廢水加入不同量的混凝劑與絮凝劑，在不同程度上改變待測水樣中懸浮顆粒的大小與形態(tài)，從而獲得各對應(yīng)狀態(tài)下探頭交流RMS信號的輸出值。因為對于大多數(shù)溶液，其懸浮顆粒的聚集狀態(tài)直接影響沉降效果，所以通過對各種加藥量下溶液的上清液濁度值與對應(yīng)的探頭交流RMS信號輸出值之間關(guān)系的分析，驗證并評估本發(fā)明探頭交流RMS信號對溶液中懸浮顆粒聚集狀態(tài)描述的有效性與準(zhǔn)確性。
[0061]以某造紙廠實際廢水水樣為樣本，使用本設(shè)計探頭對不同化學(xué)藥劑投加量的情況進(jìn)行測量，測量各種情況下溶液懸浮顆粒的凝聚狀態(tài)，從而判斷何種化學(xué)藥劑以及投加量能使溶液中懸浮顆粒具有更好的沉降能力。本實驗中向廢水水樣中分別加入不同劑量的混凝劑(Nalco#8187)，以及固定劑量的絮凝劑(Nalco#7768)。各種加藥量的測量過程嚴(yán)格遵守同一標(biāo)準(zhǔn)，保證化學(xué)藥劑能充分地與水樣混合及反應(yīng)。實驗過程中探頭交流RMS信號實時輸出，待混合反應(yīng)穩(wěn)定后取一段時間的平均值為做最終輸出值。每次測量完畢都嚴(yán)格遵守相同的流程以檢測溶液上清液的濁度值，上清液濁度值由商品化的儀器進(jìn)行測量。圖11所示為交流RMS信號與上清液濁度值以及混凝劑加藥量之間的關(guān)系。在圖11中，曲線113表示交流RMS信號與混凝劑加藥量之間的關(guān)系，曲線114表示上清液濁度值以及混凝劑加藥量之間的關(guān)系。由此可知，本發(fā)明探頭的交流RMS信號能準(zhǔn)確表征溶液中懸浮顆粒的聚集狀態(tài)。
[0062]依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)可以直接將光學(xué)探頭插入待檢測介質(zhì)中并利用反射光來檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)，因此可以實現(xiàn)在線檢測。由于本發(fā)明的檢測系統(tǒng)采用多路(至少兩路)讀取光纖，能夠有效排除因電子噪音和異常光信號所帶來的錯誤。在依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)，通過將發(fā)射光纖分布在接收光纖的周圍，可以使得每路接收光纖都可以很好地接收反射光，從而實現(xiàn)更有效、更準(zhǔn)確的測量。
[0063]依照本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的在線監(jiān)測有助于實現(xiàn)在污水處理過程中化學(xué)品的給料自動化，對于回報的增長起顯著作用。在污水處理的許多處理過程中，包括初級處理、二級處理以及淤泥脫水，成功實施杯罐試驗自動化將帶來:高效、快速、低成本的處理。
[0064]本探頭可以擁有監(jiān)視在二級處理和污泥脫水的在第一階段和第二階段的初級處理步驟。潛在的應(yīng)用是乳化液破碎步驟，諸如在紙漿和造紙工藝的短工作周期中，采礦的煤/水分離等類似應(yīng)用中。
[0065]本發(fā)明還涉及一種水處理系統(tǒng)和方法，其采用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)對水中的顆粒進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果確定水處理所需的化學(xué)藥劑(例如混凝劑和絮凝劑)的劑量，并向水中添加確定劑量的化學(xué)藥劑以對水進(jìn)行處理。在一個實施方式中，首先向水中多次添加化學(xué)藥劑，每次添加的化學(xué)藥劑的劑量不同，檢測每次添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，根據(jù)添加的化學(xué)藥劑的劑量與顆粒大小變化之間的關(guān)系，確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量。
[0066]雖然本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例在此處詳細(xì)地公開，但是本發(fā)明并不僅限于該公開的實施例，這些公開的實施例只是示例。
【權(quán)利要求】
1.一種檢測系統(tǒng)，用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)，其特征在于包括: 光學(xué)探頭，其包括至少一發(fā)射光纖，用于向介質(zhì)發(fā)射光；和至少兩接收光纖，用于接收介質(zhì)反射或反向散射的光，當(dāng)所述檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，至少光學(xué)探頭的端部位于介質(zhì)中；和
信號處理模塊，其與光學(xué)探頭連接，用于將來自光學(xué)探頭的接收光纖的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并基于該電信號確定介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭包括多條發(fā)射光纖，發(fā)射光纖以圍繞接收光纖的方式排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭包括11條發(fā)射光纖和兩條接收光纖，每條接收光纖周圍等距排布6條發(fā)射光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭包括15條發(fā)射光纖和兩個接收光纖組，每個接收光纖組包括兩條并列排布的接收光纖，且每個接收光纖組周圍排布有10條光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭包括多條發(fā)射光纖和至少兩條接收光纖，所述多條發(fā)射光纖排布成兩個相連接的環(huán)狀，接收光纖分別位于環(huán)狀的中心位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭還包括多條填充光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)探頭的一端包括一保護(hù)窗□。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)窗口為藍(lán)寶石或光學(xué)玻璃，且所述保護(hù)窗口上具有一對應(yīng)介質(zhì)的減反射膜或增透膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于， 光學(xué)探頭包括光纖接頭和適配器，所述發(fā)射光纖和所述接收光纖固定在光纖接頭中，所述光纖接頭與適配器通過螺紋連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述適配器具有一光纖接頭安裝孔，該孔的內(nèi)表面上具有螺紋，所述光纖接頭的外表面上具有螺紋。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，光纖接頭包括便于將光纖接頭擰入光纖接頭安裝孔中的頭部，所述頭部包括多條防滑凹槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述介質(zhì)為液體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述顆粒的狀態(tài)包括顆粒大小的變化和顆粒濃度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理模炔基于來自接收光纖的光信號獲得交流電信號和直流電信號，并基于交流電信號確定介質(zhì)中顆粒大小變化，基于直流電信號確定介質(zhì)的濃度。
15.一種水處理系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1-14任一項所述的檢測系統(tǒng)，用于檢測添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化， 所述水處理系統(tǒng)根據(jù)檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量，并向水中添加所述確定劑量的化學(xué)藥劑對水進(jìn)行處理。
16.如權(quán)利要求15所述的水處理系統(tǒng)，其特征在于包括:所述水處理系統(tǒng)向水中多次添加化學(xué)藥劑，且每次添加的化學(xué)藥劑的劑量不同，所述檢測系統(tǒng)檢測每次添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，所述水處理系統(tǒng)根據(jù)添加的化學(xué)藥劑的劑量與顆粒大小變化之間的關(guān)系，確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量。
17.一種用于檢測介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)的方法，其特征在于包括: 通過至少一發(fā)射光纖在介質(zhì)中向介質(zhì)發(fā)射光； 通過至少兩接收光纖在介質(zhì)中接收介質(zhì)反射或反向散射的光；和 將接收光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并基于該電信號確定介質(zhì)中顆粒的狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，通過多條發(fā)射光纖向介質(zhì)發(fā)射光，發(fā)射光纖以圍繞接收光纖的方式排布。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述介質(zhì)為液體。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述顆粒的狀態(tài)包括顆粒的大小變化和顆粒濃度。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，將接收光纖接收的光信號轉(zhuǎn)換為交流電信號和直流電信號，并基于交流電信號確定介質(zhì)中顆粒的大小變化，基于直流電信號確定顆粒濃度。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括: 將包括所述發(fā)射光纖的接收光纖的光纖接頭通過螺紋與適配器連接。
23.一種水處理方法，其包括: 向水中添加化學(xué)藥劑， 根據(jù)如權(quán)利要求17-22任一項所述的方法檢測添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，以及 根據(jù)檢測到的添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量，并向水中添加所述確定劑量的化學(xué)藥劑對水進(jìn)行處理。
24.如權(quán)利要求23所述的水處理方法，其特征在于包括: 向水中多次添加化學(xué)藥劑，且每次添加的化學(xué)藥劑的劑量不同， 檢測每次添加了化學(xué)藥劑之后水中顆粒大小變化，以及 根據(jù)添加的化 學(xué)藥劑的劑量與顆粒大小變化之間的關(guān)系，確定水處理所需的化學(xué)藥劑的劑量。
【文檔編號】C02F1/00GK103712927SQ201210376904
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月29日
【發(fā)明者】程梁, 羅德尼·H·班克斯, 陳果, 李恒, 于春波, 徐健, 陳譜 申請人:?？迫R布美國股份有限公司