具体实施方式

承如背景技术所述，水在工业、农业、乃至人们日常生活中起着至关重要的作用，随着生活水平的提高，人们对水质浊度测量的要求越来越高，但由于各种人为污染和自然因素，使得水质发生了改变，水质的优劣决定水源能否被利用。浊度是评价水质的一个重要指标，它是判断水源是否被污染的最简单的方法之一，浊度测量是饮用水安全、水体污染监控方面的重要手段。因此水质浊度的准确测定对水质的评价尤为重要，操作简单、灵敏度高、阈值低、在线式监测是其发展方向。总有机碳是反映水质受到有机物污染的重要水质指标之一，是指水体中溶解性和悬浮有机物含碳总量，作为有机物综合指标，比BOD与COD更能代表有机污染程度，是多种污染事件的特征指标，例如：赤潮、生活污染水和化工产污水。总有机碳是近年新发展起来的水环境有机物污染评价指标，目前已经广泛应用在江河、湖泊、海洋和生活供水，以及石油化工，发电冶金行业的水质监测。

目前，多数浊度测量装置存在测量精度低，灵敏度差，容易引入二次污染的问题，同时一次样本不能同时检测多种参数。另外，测量总有机碳的方法有差减法，NPOC法，光谱法，紫外光强法。其中差减法，NPOC法不存在实时性，需要取样至实验室或者通过大型设备完成检测，光谱法容易受到其他物质影响，从而影响分析结果。

为此，本发明提供了一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法及装置，可提高水质参数的测量精度、灵敏度，并可实现水质参数的实时在线检测，不容易受到其它物质影响，抗干扰性较强，以及可一次性检测水质浊度和总有机碳多种水质参数，提高了检测效率。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供了一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法及装置。下面参考附图1-3描述本实施例的新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法及装置。

参考图1所示，本实施例提供的一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳装置1，包括：激光光源模块10、水路模块20、光路折返模块30、探测器模块40和数据反演模块50。参考图2所示，所述水路模块20包括比色皿21；所述光路折返模块30包括第一反射棱镜31、第二反射棱镜32、反光罩33和石英透镜34；所述探测器模块40包括第一光电探测器41和第二光电探测器42；所述数据反演模块50分别与第一光电探测器41和第二光电探测器42通信连接。

其中，所述比色皿21中装有样本水；所述激光光源模块10、第一反射棱镜31、比色皿21、反光罩33、第二反射棱镜32和石英透镜34沿光路依次布设，且所述激光光源模块10发射的激光光束经第一反射棱镜31反射至所述样本水，所述样本水透射的激光光束依次经第二反射棱镜32的反射、所述样本水的再次透射以及第一反射棱镜31的反射而传输至第二光电探测器42，所述样本水散射的激光光束依次经反光罩33的反射以及石英透镜34的汇聚而传输至第一光电探测器41。

本实施例中的所述比色皿21、所述第一反射棱镜31、所述第二反射棱镜32、所述反光罩33和所述石英透镜34的中心轴线重合。

可以理解的是，本实施例中所述第一光电探测器41设置在所述石英透镜34的焦点位置，用于接收所述样本水散射的激光光束，所述第二光电探测器42设置在第一反射棱镜31第二次反射所述样本水透射的激光光束的反射路径上，用于接收所述样本水透射的激光光束。所述第一光电探测器41和第二光电探测器42分别对所述样本水散射的激光光束和透射的激光光束所分别对应的散射光信号和透射光信号进行光电转换，得到与所述散射光信号和透射光信号分别对应的电信号，再通过数据反演模块50根据所述电信号反演得到所述样本水的浊度值和总有机碳值。

请继续参考图2所示，所述激光光源模块10包括激光光源发射口，所述激光光源发射口正对所述第一反射棱镜31的一直角侧面的外壁；所述激光光源发射口发射的激光光束经过所述光路折返模块30多次折返后得到第一反射路径a、第二反射路径b、第三反射路径c和第四反射路径d。

其中，所述第一反射棱镜31为直角棱镜，所述第一反射棱镜31的构成直角的两侧表面均镀有宽带反射膜。所述第一反射棱镜31对激光光源模块10发出的激光光束进行反射得到第一反射路径a。所述第二反射棱镜32的一直角侧面的内壁对所述第一反射路径a上的所述激光光束进行反射得到所述第二反射路径b，所述第二反射路径b上的所述激光光束经过所述第二反射棱镜32的另一直角侧面的内壁的反射得到所述第三反射路径c，所述第三反射路径c上的所述激光光束经过所述第一反射棱镜31的另一直角侧面的外壁的反射得到所述第四反射路径d。

本实施例中，所述第二反射棱镜32和所述第一反射棱镜31的尺寸、形状和材质均相同。本实施例中的第一反射棱镜31和第二反射棱镜32用于多次反射激光光束，使得激光光束多次经过样本水，并增强激光光束经过样本水后得到的散射光的强度。

需要说明的是，所述激光光源模块10包括沿光路依次布设的光源、合束镜11和整形透镜组12，所述光源输出至少两种不同波长的激光光束，所述合束镜11将所述光源输出的不同波长的激光光束合束并输出至所述整形透镜组12，所述整形透镜组12对所述合束镜11输出的激光光束进行准直处理。

本实施例中的激光光束可包括紫外激光、近红外激光和蓝光激光，所述多种激光可在激光光源模块10中准直合束输出，多种激光合束后的光束路径相同。本实施例中激光光源模块10输出的激光光束波长可为850nm、650nm和275nm，上述三种波段的光源可单独使用，也可组合使用，当组合使用时，即可采用上述的合束镜11进行合束输出。

本实施例中，所述比色皿21的形状为圆柱形，且采用石英材料制备，所述比色皿21的高度与自身的横截面直径的比值大于4。本实施例中的比色皿21为圆柱形空心比色皿，用于装载样本水或标定溶液。所述比色皿21采用石英材料制备可对经过所述比色皿21的激光光束具有较好的透射率。

所述反光罩33的高度与所述比色皿21的高度相等，且360°罩设在所述比色皿21顶面上，以环绕所述比色皿21设置，所述反光罩33的顶端设有一正对所述比色皿21的开口，所述样本水透射的激光光束从所述开口直射到所述第二反射棱镜32上。所述反光罩33的底端完全打开，且反光罩33的底端的开口直径至少等于所述比色皿21的高度的4倍，所述反光罩33的顶端的开口与所述比色皿21侧壁相接的位置的切线方向相对于水平方向的夹角范围为25～40°，所述反光罩33的底端的边沿位置的切线方向相对于水平方向的夹角范围为50～65°。

可选的，本实施例中的反光罩33的顶端开口可为圆形，所述开口尺寸可略大于所述比色皿21的截面直径，以与所述比色皿21截面匹配安装。所述反光罩33在高度一半时的曲面斜率绝对值为1，且所在位置弧面切线夹角为45°。当激光光束穿过样本水时，在经过样本水的路径上均可环绕反光罩33或比色皿21的中心轴线360°散射不同方向的光线，经过反光罩33反射收集入射至石英透镜34。其中，反光罩33的设计会影响不同方向散射光的收集，即不同方向的散射光在反光罩33的作用下进行加权，既可以实现在线测量的参数量程的扩大，又可以标定数据拟合的线性度。

当对水质进行在线实时检测时，所述水路模块20还包括给排水单元22，所述比色皿21的侧壁的上下两端上分别开设有进水口和溢水口，所述给排水单元22连通进水口和溢水口，以对所述比色皿21进行充放水。

所述给排水单元22包括微流泵221、第一折流装置222、排水泵223、第二折流装置224和水位检测装置225；所述第一折流装置222设置在所述比色皿21和所述微流泵221之间，所述比色皿21的进水口分别与所述第一折流装置222和所述排水泵223连接；所述比色皿21的溢水口通过所述第二折流装置224与所述水位检测装置225连接。

具体的，所述微流泵221用于实时抽取待测水源的样本水，所述第一折流装置222对抽取的样本水进行去气泡处理，然后将去气泡处理后的样本水输送至比色皿21。当样本水从比色皿21的上部溢出时，溢出的样本水通过所述第二折流装置224去气泡处理后，输送至所述水位检测装置225。若水位检测装置225检测到溢出的样本水水位达到预设阈值，则触发所述微流泵221停止工作。可选的，当检测工作完成后，还可通过连接在进水口的所述排水泵223排除所述比色皿21中装载的样本水或用于测试标定的溶液。

进一步的，基于上述的新型在线高精度测量浊度与总有机碳装置，本发明还提供了一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法，参考图3所示，所述新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法包括以下步骤：

S1，激光光源模块为高精度浊度和总有机碳测量提供激光光束；

S2，水路模块提供样本水，并对所述样本水进行样本处理；

S3，光路折返模块按照预设光路对所述激光光束进行折返处理，使所述激光光束经过所述样本水，并得到经过所述样本水的散射光信号和透射光信号；

S4，探测器模块对所述散射光信号和透射光信号进行光电转换处理，得到与所述散射光信号和透射光信号分别对应的电信号；

S5，数据反演模块根据所述电信号反演得到所述样本水的浊度值和总有机碳值。

在本发明提供了的一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法中，采用激光光源模块发出的激光光束对样本水进行检测，使得光强与光谱特性稳定，不受测试环境的影响，可有效提高水质参数测量的灵敏度和抗干扰性，并且将激光光源模块、第一反射棱镜、比色皿、反光罩、第二反射棱镜和石英透镜沿光路依次布设，可使激光光束能够按照预设光路进行多次折返，从而可增大光束与待测水样本的作用有效长度，进而降低测量阈值下限，提高水质参数测量的灵敏度。

在步骤S1中，激光光源模块可为高精度浊度和总有机碳测量提供激光光束。所述S1中的激光光束可包括第一波长光束、第二波长光束和第三波长光束中的一种，或，所述第一波长光束、所述第二波长光束和所述第三波长光束中的至少两种光束合束得到的组合光束。即，所述激光光束可为单独使用的激光光束，也可为至少两种激光光束合束得到的组合光束。

可选的，在对所述样本水进行水质浊度和总有机碳测量之前，当所述激光光束为所述第一波长光束和所述第二波长光束合束得到的组合光束时，所述方法还包括：

S6，在所述比色皿中装载多种不同浓度的第一标液，分别进行多组实验标定，得到每一种第一标液浓度对应的电压值，所述数据反演模块根据每一种第一标液的浓度以及每一种第一标液浓度对应的电压值，进行数据拟合得到所述散射光信号中第一波长光束的加权数值d1和所述透射光信号中第一波长光束的加权数值d2，以得到通过所述第一波长光束对所述样本水水质浊度进行测量的第一标定关系式。

当然，在比色皿21装载标定溶液之前，所述方法还包括：

S7，在所述比色皿处于空腔状态时，所述第二光电探测器对所述透射光信号中的所述第二波长光束进行光电转换，得到所述第二波长光束对应的第一电压值U1。

具体的，所述第一波长光束可为650nm的激光光束，所述第二波长光束可为275nm的激光光束。本实施例中，所述650nm的激光光束用于测量水质浊度，所述275nm的激光光束用于测量水质总有机碳值。

需要说明的是，在对水质浊度进行测量之前，需要对上述的第一标定关系式进行标定。所述第一标定关系式如下：

T＝U2/(d1*U2+d2*U3)

其中，T为所述样本水的浊度值，U2为所述散射光信号中第一波长光束即650nm的激光光束光电转换得到的第二电压值，U3为所述透射光信号中第一波长光束即650nm的激光光束光电转换得到的第三电压值，d2为所述散射光信号中第一波长光束的加权数值；d3为所述透射光信号中第一波长光束的加权数值。

本实施例中，为得到上述第一标定关系式，需获取上述第一标定关系式中的d1值和d2值。为此，可在比色皿21中装载福尔马肼溶液，以对水质浊度进行测量的第一标定关系式进行标定。当比色皿21中装满T1的浓度福尔马肼溶液后，激光光源模块发出由650nm的激光光束和275nm的激光光束合束得到的组合光束。第一光电探测器接收散射的激光光束，并将散射的激光光束中的650nm波长的激光信号转换为电压信号U21，然后第二光电探测器接收透射的激光光束，并将透射的激光光束中的650nm波长的激光信号转换为电压信号U31。

其中，U21＝K21*I21，U31＝K31*I31。K21和K31为第一光电探测器和第二光电探测器内部的放大电路的电路放大系数。I21和I31分别为散射光的光电流与透射光的光电流。其中，I21为不同散射方向且围绕轴线360°方向的激光经过反光罩加权叠加产生的光电流，其公式如下：式中，η为第一光电探测器的响度；R_θ由反光罩的设计特性决定，参数R_θ决定了不同散射方向光的加权数。

进一步的，反复在比色皿中装载不同浓度的福尔马肼溶液(如标液浓度在20NTU以上)以获取每一种标液浓度对应的电压值。如T2浓度的福尔马肼溶液，对应获取电压信号U22和U32，反复操作直至获取n组用于标定的映射数据，并通过所述n组映射数据进行拟合得到所述散射光信号中650nm波长光信号的加权数值d1和所述透射光信号中650nm波长光信号的加权数值d2，以获取第一标定关系式，从而构建第一标液浓度与光电压的关系：T＝U2/(d1*U2+d2*U3)。本实施例，通过多次标定获取的第一标定关系式可以排除掉光源波动对测量结果的影响。

当对水质总有机碳值进行测量时，还可预先通过标液标定方式建立光强与总有机碳的数值关系即第二标定关系式。但在获取第二标定关系式之前，需获取比色皿空腔光强基准值所对应的第一电压值U1。

具体的，可先打开光源，第二光电探测器持续采集第二波长即275nm波长的激光光束对应的光强数值，选取计算窗口，当光强数值标准差σ与RMS百分比小于3％时，方可以开始工作，然后保存此时空腔的光强数值，并更新空腔光强基准值对应的第一电压值U1，以及在此第一电压值U1基准值上根据当前测试时的光强数值进行总有机碳值的反演，并在实际过程中配合温度补偿算法，以提高总有机碳测量的准确度。

在获取比色皿空腔光强基准值所对应的第一电压值U1之后，所述方法还包括：

S8，在所述比色皿中装载多种不同浓度的第二标液，分别进行多组实验标定，得到每一种第二标液浓度对应的电压值，所述数据反演模块根据每一种第二标液的浓度、每一种第二标液浓度对应的电压值和所述第一电压值U1，进行数据拟合得到通过所述第二波长光束对所述样本水水质总有机碳值进行测量的第二标定关系式。

类似的，在比色皿中装载多种不同浓度的偏二磷酸钾溶液，激光光源模块输出组合光束，所述第二光电探测器接收透射光信号，并对透射光信号中的第二波长即275nm波长的光信号进行光电转换，以分别获取不同浓度的偏二磷酸钾溶液所对应的电压值，进而获取多组呈映射关系的标定数据，并根据该多组标定数据得到对所述样本水水质总有机碳值进行测量的第二标定关系式。

可选的，当所述激光光束为所述第一波长光束和所述第二波长光束合束得到的组合光束，且所述比色皿装载所述样本水时，所述S4包括：

S4.1，所述第一光电探测器对所述散射光信号中的所述第一波长光束进行光电转换得到所述第一波长光束对应的第二电压值U2。

S4.2，所述第二光电探测器对所述透射光信号中的所述第一波长光束和所述第二波长光束分别进行光电转换得到所述第一波长光束对应的第三电压值U3和所述第二波长光束对应的第四电压值U4。

可选的，所述S5包括：

S5.1，所述数据反演模块根据所述第二电压值U2和所述第三电压值U3以及所述第一标定关系式，反演得到所述样本水的浊度值；

S5.2，所述数据反演模块根据所述第四电压值U4和所述第二标定关系式反演得到所述样本水的总有机碳值。

具体的，当所述比色皿中装载样本水时，激光光源模块发出由650nm波长激光光束和275nm激光光束合束得到的组合光束，第一光电探测器对所述散射光信号中的650nm波长光信号进行光电转换得到与650nm波长光信号对应的第二电压值U2，第二光电探测器对所述透射光信号中的所述650nm波长光信号进行光电转换得到与650nm波长光信号对应的第三电压值U3。所述数据反演模块将所述第二电压值U2和所述第三电压值U3代入所述第一标定关系式，以反演得到所述样本水的浊度值。

可选的，第二光电探测器还对所述透射光信号中的所述275nm波长光信号进行光电转换得到与275nm波长光信号对应的第四电压值U4。所述数据反演模块将所述第四电压值U4代入所述第二标定关系式中，反演得到所述样本水的总有机碳值。

综上所述，在本发明提供了的一种新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法及装置中，采用激光光源模块发出的激光光束对样本水进行检测，使得光强与光谱特性稳定，不受测试环境的影响，可有效提高水质参数测量的灵敏度和抗干扰性，并且将激光光源模块、第一反射棱镜、比色皿、反光罩、第二反射棱镜和石英透镜沿光路依次布设，可使激光光束能够按照预设光路进行多次折返，从而可增大光束与待测水样本的作用有效长度，进而降低测量阈值下限，提高水质参数测量的灵敏度。

进一步地，在本发明提供的新型在线高精度测量浊度与总有机碳方法及装置中，可通过反光罩对收集到的不同角度的散射光信号进行自动加权，从而扩展了水质浊度测量的量程，提高了水质测量的精确度，并且通过设置的两个光电探测器以及数据反演模块可完全剔除光强对于测量结果的影响，以及本发明的测量装置和测量方法还可一次性检测水质浊度和总有机碳多种水质参数，有效提高了检测效率，节约了时间成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明保护范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。