CN102362170A - 浊度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定在介质中的物质S_j的浓度K_j的浊度测量装置包括测量布置，在测量布置中处于不同角度的散射光的强度得以记录并且能够被转换成至少第一测量变量M₁和第二测量变量M₂的当前数值，它们关于物质S_j的浓度K_j具有不同的依赖性(M_i(K_j)＝f_i ^j(K_j))，其中该浊度测量装置为用于多种物质S_j的测量变量M_i存储了校准函数g_i ^j，利用该校准函数，在每一种情形中，物质S_j的浓度能够得以确定(K_j＝g_i ^j(M_i))，其中该浊度测量装置进一步包括计算单元，该计算单元适合于评估所探知的浓度数值g_a ^j(M_a)、g_b ^j(M_b)，其中关于它们的似然性，对于不同的物质S_j，a≠b，并且从而识别似乎可能的物质S_j或者检查较早识别或者预先确定的物质S_j的似然性。

Description

浊度测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定在液体中的物质特别是固体、胶体或者气泡的浓度的浊度测量装置。

背景技术

在浊度测量中，射入的光被散射并且以第一角度散射的光的强度与基准变量相比较，其中该基准变量能够是例如非散射光的强度或者以第二角度散射的光的强度。传统的浊度测量装置例如根据所谓的四束交变光方法工作。在美国专利No.5,140,168A中描述了它的实施例。能够例如按照标号/名称TURBIMAX CUS65从受让人获取使用四束交变光方法的浊度测量装置。

关于在其它方面恒定的条件的假设下探知在液体中的物质的浓度的测得数值，这种方法是超定的，因为该数值能够被实际上双重地探知。在双重测量的数值确定的情形中在测量结果之间偏差的情况下，能够使用四束交变光来识别在测量布置的光路中的形式为窗口的污垢的变化。

发明内容

本发明是基于如下观察的，即，散射光的强度的角度依赖性在不同的物质之间改变。据此，对于所确定的物质，测量布置在每一种情形中均将被校准。这对于使用者而言意味着在启动时是很费力的或者当例如将要测量另一种物质的浓度时缺乏灵活性。

因此，本发明的目的在于提供克服了现有技术缺点的一种浊度测量装置和一种利用浊度测量确定物质的浓度的方法。通过如在权利要求1中定义的浊度测量装置和如在权利要求8中定义的方法，根据本发明实现了该目的。

为了确定在介质中的物质S_j的浓度K_j，本发明的浊度测量装置包括：

第一测量布置，在该第一测量布置中，至少处于至少第一角度的散射光的强度得以记录并且能够被转换成第一测量变量M₁的当前数值，

至少第二测量布置，在该第二测量布置中，至少处于至少第二角度的散射光的强度得以记录并且能够被转换成第二测量变量M₂的当前数值，该第二角度不同于第一角度，其中测量变量M_i(i＝1，2，...)关于物质S_j的浓度K_j具有不同的依赖性(M_i(K_j)＝f_i ^j(K_j))，其中该浊度测量装置已经为用于至少两种物质S_j的测量变量M_i存储了校准函数g_i ^j，利用该校准函数，基于当前数值M_i，在每一种情形中，物质S_j的适当的浓度能够得以确定(K_j＝g_i ^j(M_i))，

其中该浊度测量装置进一步包括计算单元，该计算单元适合于评估所探知的浓度数值g_a ^j(M_a)、g_b ^j(M_b)，其中关于它们的似然性，对于不同的物质S_j，a≠b，并且从而识别似乎可能的物质S_j，或者检查较早识别或者预先确定的物质S_j的似然性。

在本发明的进一步的改进中，第一测量变量是经由第一和第二光路径记录的至少两个光强度的函数，并且第二测量变量是经由第三和第四路径记录的至少两个测得光强度的函数。

在本发明的进一步的改进中，第一测量变量是基于在第一配置中的四束交变光强度的，并且第二测量变量是基于在给定的第二配置中的四束交变光强度的，其中关于一个或者多个散射角度，第一配置不同于第二配置。

在本发明的这个进一步的改进的实施例中，第一配置包括第一光源和第二光源，以及第一接收器和第二接收器，其中第一光源到第一接收器的光路径和第二光源到第二接收器的光路径各自均包括处于第一角度的光散射，该第一角度例如具有在120°和150°之间的数值，特别是在130°和140°之间的数值。进而，根据本发明的这个实施例，第二配置包括第一光源和第二光源以及第三接收器和第四接收器，其中第一光源到第三接收器的光路径和第二光源到第四接收器的光路径各自均包括处于第二角度的光散射，该第二角度不同于第一角度，并且具有例如在80°和100°之间的数值，特别是在85°和95°之间的数值。

在本发明的这个实施例的一种变型中，光路径从第一光源延伸到第一接收器，基本平行于第二光源到第二接收器的光路径，并且从第一光源到第三接收器的光路径平行于第二光源到第四接收器的光路径地走向。这些光路径在以下还被称作直接光路径。将与之相区别的是所谓的间接路径，在此情形中，光源的光因此从第一光源到第二接收器或者到第四接收器，并且从第二光源到第一接收器或者到第三接收器到达平行光路径的接收器。

第一测量变量然后例如是具有第一散射角度的所接收的直接光路径强度的乘积除以所接收的相应的间接路径的强度的乘积。遵循这种方案，第二测量变量是具有第二散射角度的所接收的直接光路径强度乘积除以所接收的相应的间接路径的强度的乘积。

由于对于不同的物质散射行为的不同的角度依赖性，当在浓度数值K₁(M_a)和K₁(M_b)的计算的情形中采取的物质S₁实际上符合已经影响介质的浊度的物质S_j时，由于测量变量M_a的当前数值和测量变量M_b的当前数值导致的在所探知的物质S的浓度K之间的差值的平方的积分，

$\underset{0}{\overset{K_j^{\max }}{\∫}}{(g_a^l\left(M_a\right)-g_b^l\left(M_b\right))}^2{\mathrm{dK}}_j=\underset{0}{\overset{K_j^{\max }}{\∫}}{(g_a^l\left(f_a^j\left(K_j\right)\right)-g_b^l\left(f_b^j\left(K_j\right)\right))}^2{\mathrm{dK}}_j$

具有最小数值，当这样时采取正确的校准模型K_j＝g_i ^j(M_i)。

作为运行处理中的测量点，在该处理中没有干涉的情况下，几乎没有机会在现实期限内记录在最小浓度和最大浓度之间的积分。

在本发明的进一步的改进中，该浊度测量装置的计算单元被设置成特别地在测量操作中，基于比较当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的关于不同的物质S₁在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来识别作为浊度原因的影响了测量变量M_a和M_b的数值的那种物质S_j。

在本发明的另一种进一步的改进中，该浊度测量装置的计算单元被设置成特别地在测量操作中在预先确定的物质S₁的情形中，基于当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来检查预先确定的或者较早识别的物质S₁作为影响了测量变量M_a(t)和M_b(t)的数值的浊度原因实际上是否仍然是似乎可能的。

统计评估能够包括例如在例如从t_current-Δt延续到t_current的时间间隔上的差平方[g_a ¹(M_a(t))-g_b ¹(M_b(t))]²的积分或者和值，其中t_current是当前时间并且Δt是考虑下式的时间间隔的长度：

$D_1\left(t\right):=\underset{t_{\mathrm{current}}-\mathrm{\Δt}}{\overset{t_{\mathrm{current}}}{\∫}}{(g_a^l\left(M_a\left(t\right)\right)-g_b^l\left(M_b\left(t\right)\right))}^2\mathrm{dt}$

或者

$D_1\left(t\right):=\frac{1}{N}\·\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(g_a^l\left(M_a(t_{\mathrm{current}}-i\·\frac{\mathrm{\Δt}}{N})\right)-g_b^l\left(M_b(t_{\mathrm{current}}-i\·\frac{\mathrm{\Δt}}{N})\right))}^2$

D₁(t)是对于所探知的浓度的偏差的指示器，并且D₁(t)越大，则S₁是正确物质的似然性越小。

用于确定在介质中的物质S_j的浓度K_j的本发明的方法包括如下步骤：

确定第一测量变量M₁的当前数值，其依赖于在介质中被以至少第一角度在介质中散射的光的强度，

确定第二测量变量M₂的当前数值，其依赖于在介质中以至少第二角度散射的光的强度，该第二角度不同于第一角度，

其中测量变量M_i关于物质S_j的浓度K_j具有不同的依赖性(M_i(K_j)＝f_i ^j(K_j))，

其中，基于对于用于至少两种物质S_j的测量变量M_i可用的校准函数g_i ^j，浓度数值K_j＝g_i ^j(M_i)得以探知，

其中关于它们的似然性，所探知的浓度数值g_a ^j(M_a)、g_b ^j(M_b)得以评估，并且从而似乎可能的物质S_j得以识别，或者较早识别的或者预先确定的物质的似然性得以检查。

在本发明的方法的进一步的改进中，第一测量变量是经由第一和第二光路径记录的至少两个光强度的函数，其中第二测量变量是经由第三和第四路径记录的至少两个测得光强度的函数。

在本发明的方法的进一步的改进中，第一测量变量是基于在第一配置中的四束交变光强度确定的，并且第二测量变量是基于在第二配置中的四束交变光强度确定的，其中关于一个或者多个散射角度，第一配置不同于第二配置。

在本发明的方法的进一步的改进中，基于比较当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的关于不同的物质S₁在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差，作为浊度原因的已经影响了测量变量M_a和M_b的数值的物质S_j得以识别。

在本发明的方法的另一个进一步的改进中，在预先确定的物质S₁的情形中，基于当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来检查预先确定的或者较早识别的物质S₁作为影响了测量变量M_a(t)和M_b(t)的数值的浊度原因实际上是否仍然是似乎可能的。

附图说明

现在将基于在附图中给出的实施例的示例解释本发明，附图中的图如下地示出：

图1本发明的浊度测量装置的传感器表面的平面图；

图2作为使用四束交变光原理的测量变量的函数的关于活性污泥的固体含量的校准曲线的示例。

图3a-c  在应用各种校准模型的情况下基于在活性污泥中的测量的测量数据的固体含量，其中，补充性地，给出了参考测量的结果，校准模型是：

a：消化污泥校准模型

b：压缩污泥校准模型

c：活性污泥校准模型；

图4a-c  在应用各种校准模型的情况下基于在消化污泥中的测量的测量数据的固体含量，其中，补充性地，给出了参考测量的结果，校准模型是：

a：活性污泥校准模型

b：压缩污泥校准模型

c：消化污泥校准模型；并且

图5a-c  在应用各种校准模型的情况下在基于压缩污泥中的测量的测量数据的固体含量，其中，补充性地，给出了参考测量的结果，校准模型是：

a：活性污泥校准模型

b：消化污泥校准模型

c：压缩污泥校准模型。

具体实施方式

图1所示浊度传感器的端面包括第一光源的出口窗口(2)、第二光源的出口窗口(3)、第一接收器的进口窗口(4)、第二接收器的进口窗口(5)、第三接收器的进口窗口(6)和第四接收器的进口窗口(7)。第一光源(2)、第一接收器(4)和第三接收器(6)的窗口被布置在第一行中，而第二光源(3)、第二接收器(5)和第四接收器(7)的窗口被布置在平行于第一行延伸的第二行中。光源的光以光轴与浊度传感器的端面成45度的角度的情况下发射，其中从第一光源发射的光的光轴在浊度传感器外罩的端面上的投影与第一行对齐，并且其中从第二光源(3)发射的光的光轴在浊度传感器外罩的端面上的投影与第二行对齐。

从第一光源发射的光通过以135度的角度散射到达第一接收器，并且通过以90度的第二角度散射到达第三接收器，而相应地，从第二光源(3)发射的光通过以135度的第一角度散射到达第二接收器(5)，并且通过以90度的第二角度散射到达第四接收器(7)。在每一种情形中，在一行内从发射器延伸到接收器之一的刚才描述的测量路径是所谓的直接测量路径。将与之相区别的是间接测量路径，在此情形中，来自一行的光源的光通过散射到达在另一行中的探测器。

在本发明的浊度测量装置的实施例的示例中，两个测量变量得以探知，在每一种情形中，使用以90度散射到接收器和以35度散射到接收器的直接和间接路径的四束交变光测量和评估进行所述探知。

由此给出以下关于测量变量的定义：

M₁：＝(L1_R1*L2_R2)/(L1_R2*L2_R1)和

M₂：＝(L1_R3*L2_R4)/(L1_R4*L2_R3)，

其中Li_Rj是来自第i光源到达第j接收器的光的强度。

测量变量M₁相应地关联于所谓的90度通道，而测量变量M₂关联于所谓的135度通道。

图2示出对于90度通道和对于135度通道的用于活性污泥的校准曲线的示例，其中相对于所探知的四束交变光(FAL)测量变量绘出了以g/l为单位的固体含量。这些校准曲线对应于函数g₁ ¹(M₁)和g₂ ¹(M₂)，其中，在此情形中，物质S₁是活性污泥。

或者作为数值表格或者作为函数关系来存储这些曲线，从而它们可用于浊度测量装置的计算单元以进行评估。用于消化污泥M₁的g₁ ²和M₂的g₂ ²以及用于压缩污泥M₁的g₁ ³和M₂的g₂ ³的相应的校准模型同样地得以存储。

图3到5示出利用不同的物质，即活性污泥、消化污泥和压缩污泥的测量系列的结果，其中在子图a到c中，给出了利用不同校准模型的测量数据的评估。

在该系列中的图c示出在每一种情形中适当的校准模型的应用，其中清楚的是，由此能够实现90度通道和135度通道的结果彼此之间以及与独立基准很好的一致性，而利用其它校准模型探知的固体含量在每一种情形中给出不可接受的结果。

由此，通过应用不同的校准模型并且通过比较由此实现的在关于两个测量通道的结果之间的一致性，识别正确的校准模型和正确的物质是直接可能的。

所指出的角度当然是仅仅作为示例而选择的，并且还能够通过应用其它散射角度和在给定情形中其它光源或者接收器来构造该设备从而定义其它测量变量M₃，M₄，...。

同样地，能够利用在每一种情形中，在一行中的一个接收器和在该行中的两个光源来构造所描述类型的四束交变光布置。

Claims (12)

1.一种用于确定在介质中的物质S_j的浓度K_j的浊度测量装置，包括：

第一测量布置，在所述第一测量布置中，至少处于至少第一角度的散射光的强度得以记录并且能够被转换成第一测量变量M₁的当前数值，

至少第二测量布置，在所述第二测量布置中，至少处于至少第二角度的散射光的强度得以记录并且能够被转换成第二测量变量M₂的当前数值，所述第二角度不同于所述第一角度，其中所述测量变量M_i(i＝1，2，...)关于所述物质S_j的浓度K_j具有不同的依赖性(M_i(K_j)＝f_i ^j(K_j))，其中所述浊度测量装置已经为用于至少两种物质S_j的所述测量变量M_i存储了校准函数g_i ^j，利用所述校准函数，基于当前数值M_i，在每一个情形中，物质S_j的适当的浓度能够得以确定(K_j＝g_i ^j(M_i))，

其中所述浊度测量装置进一步包括计算单元，所述计算单元适合于评估所探知的浓度数值g_a ^j(M_a)、g_b ^j(M_b)，其中关于它们的似然性，对于不同的物质S_j，a≠b，并且从而识别似乎可能的物质S_j或者检查较早识别或者预先确定的物质S_j的似然性。

2.根据权利要求1所述的浊度测量装置，其中所述第一测量变量是经由第一和第二光路径记录的至少两个光强度的函数，并且其中所述第二测量变量是经由第三和第四路径记录的至少两个测得光强度的函数。

3.根据权利要求2所述的浊度测量装置，其中所述第一测量变量基于在第一配置中的四束交变光强度，并且所述第二测量变量基于在第二配置中的四束交变光强度，其中关于一个或者多个散射角度，所述第一配置不同于所述第二配置。

4.根据权利要求3所述的浊度测量装置，其中所述第一配置具有第一光源和第二光源以及第一接收器和第二接收器，其中所述第一光源到所述第一接收器的光路径基本平行于所述第二光源到所述第二接收器的光路径延伸，并且其中所述两个光路径的光轴包括处于第一角度的光散射，所述第一角度例如包括在120°和150°之间，特别是在130°和140°之间的数值。

5.根据权利要求4所述的浊度测量装置，其中所述第二配置具有所述第一光源和所述第二光源以及第三接收器和第四接收器，其中所述第一光源到所述第三接收器的光路径基本平行于所述第二光源到所述第四接收器的光路径延伸，并且其中所述两个光路径的光轴包括处于第二角度的光散射，所述第二角度不同于所述第一角度，并且例如包括在80°和100°之间，特别是在85°和95°之间的数值。

6.根据前述权利要求之一所述的浊度测量装置，其中所述计算单元被设置成基于比较当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的关于不同的物质S₁在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来识别作为所述浊度原因的影响了所述测量变量M_a和M_b的所述数值的那种物质S_j。

7.根据前述权利要求之一所述的浊度测量装置，其中所述计算单元被设置成在预先确定的物质S₁的情形中，基于当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来检查所述预先确定的或者较早识别的物质S₁作为影响了所述测量变量M_a(t)和M_b(t)的所述数值的所述浊度的原因实际上是否仍然是似乎可能的。

8.一种用于确定在介质中的物质S_j的浓度K_j的方法，包括如下步骤：

确定依赖于在介质中以至少第一角度在所述介质中散射的光的强度的第一测量变量M₁的当前数值，

确定依赖于以至少第二角度在所述介质中散射的光的强度的第二测量变量M₂的当前数值，所述第二角度不同于所述第一角度，

其中所述测量变量M_i对于物质S_j的所述浓度K_j具有不同的依赖性(M_i(K_j)＝f_i ^j(K_j))，

其中，基于对于用于至少两种物质S_j的所述测量变量M_i可用的校准函数g_i ^j，浓度数值K_j＝g_i ^j(M_i)得以探知，

其中关于它们的似然性，所探知的浓度数值g_a ^j(M_a)、g_b ^j(M_b)得以评估，并且从而似乎可能的物质S_j得以识别，或者较早识别的或者预先确定的物质的似然性得以检查。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一测量变量是经由第一和第二光路径记录的至少两个光强度的函数，并且其中所述第二测量变量是经由第三和第四路径记录的至少两个测得光强度的函数。

10.根据权利要求8或者9所述的方法，其中所述第一测量变量基于在第一配置中的四束交变光强度，并且所述第二测量变量基于在第二配置中的四束交变光强度，其中关于一个或者多个散射角度，所述第一配置不同于所述第二配置。

11.根据权利要求8到10之一所述的方法，其中，基于比较当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的关于不同的物质S₁在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差，作为浊度原因，影响了所述测量变量M_a和M_b的所述数值的物质S_j得以识别。

12.根据权利要求8到11之一所述的方法，其中，在预先确定的物质S₁的情形中，基于当前的、时间平均的、总和的、积分的或者以其它统计方式评估的在g_a ¹(M_a(t))和g_b ¹(M_b(t))之间的偏差来检查所述预先确定的或者较早识别的物质S₁作为影响了所述测量变量M_a(t)和M_b(t)的所述数值的所述浊度的原因实际上是否仍然是似乎可能的。

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