在線間歇式濁度儀的研究

Research of Intermittent Type Turbidimeter On-line

SUN Mojie1, MO Zongbao1, ZHAO Yanlei2, CUI Jiuli1

(1.Northeast China Institute of Electric Power Engineering, Jilin 132 012, China;
2.Institute of Electrical Engineering of CAS, Beijing 100080, China)

　　Key words: turbidimeter; on-line measurement; intermittent; sca tter light

1濁度測(cè)量原理
　　水中的渾濁粒子受到光照射時(shí)，如其粒度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)(約為入射光波長(zhǎng)的1/10～1/20以下)，粒子對(duì)光的作用主要是散射。與透射式不同，散射式濁度儀的檢測(cè)元件與入射光成90°，如圖1所示。

　　?
式中k為散射系數(shù)，h為樣品的吸收系數(shù)。對(duì)式(1)，Ix從I0到IT，x從0到L積分得透射光強(qiáng)IT，公式為
　　?
散射光強(qiáng)公式為
　　?
　　從公式(4)可知，散射光與濁度并非嚴(yán)格的線性關(guān)系；要使儀器滿足2％的精度，需對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。首先以零濁水調(diào)整儀器零點(diǎn)，再以100、400、1000NTU的標(biāo)準(zhǔn)水樣作三點(diǎn)標(biāo)定，求出三段的斜率，存入微機(jī)。測(cè)量時(shí)以所測(cè)值乘以相應(yīng)的斜率得出濁度值。?

2.1發(fā)光光源的選擇
　　光源的穩(wěn)定性關(guān)系到儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，直接決定了儀器的整機(jī)性能。
　　選用波長(zhǎng)為800nm的紅外發(fā)光二極管作為光源，并以恒流源穩(wěn)定光源，以峰值波長(zhǎng)為820nm的硅光電池作為光電檢測(cè)元件，電路如圖2。紅外LED壽命長(zhǎng)、發(fā)射光強(qiáng)度穩(wěn)定，波峰值＞800nm，即使樣品濃度很低仍能保證有足夠的散射光強(qiáng)度，并且減少色度的干擾，可以測(cè)量各種顏色的樣品的濃度。

　　根據(jù)測(cè)量原理設(shè)計(jì)了測(cè)量電路如圖3所示。儀器放大電路選用了美信公司的MAX412芯片構(gòu)成精密的匹配電路。由于兩個(gè)硅光電池特性相同，電路相匹配，使得測(cè)量光電池和參比光電池的漏電流在電路中相互抵消，電路中的共模信號(hào)也得到了抑制，具有較高的共模抑制比。
　　中央處理器采用了C8051F020。測(cè)量信號(hào)經(jīng)放大后由C8051F020片內(nèi)的交叉開(kāi)關(guān)選通，調(diào)節(jié)增益后送ADC0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。UART0工作在方式3，UART0 TX和RX分別接C8051F020的P0.0、P0.1，測(cè)量的濁度和溫度值以UART0串行方式送液晶顯示器顯示。

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的濁度測(cè)量中，不可避免的有氣泡存在，當(dāng)氣泡通過(guò)測(cè)量光路時(shí)散射光強(qiáng)發(fā)生波動(dòng)，造成虛假的高濁度讀數(shù)，影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了消除氣泡的影響，本儀器采用間歇式靜態(tài)測(cè)量法設(shè)計(jì)了分析流程，如圖4所示。電磁閥開(kāi)通注入待測(cè)水樣，啟動(dòng)延時(shí)程序。延時(shí)結(jié)束關(guān)閉電磁閥，靜置水樣使氣泡逸出，測(cè)量水樣的濁度。測(cè)量結(jié)束重新開(kāi)通電磁閥，排出已測(cè)水樣并注入新水樣。C8051F020單片機(jī)的指令執(zhí)行速度是8051單片機(jī)的10倍，因此測(cè)量時(shí)間非常短，可以滿足在線實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。濁度檢測(cè)器底部設(shè)有機(jī)械攪拌式清洗器，用于光窗的定期自動(dòng)清洗。

　　在線間歇式濁度儀的軟件系統(tǒng)包括測(cè)量子程序、按鍵處理子程序、串行通信子程序、量程校正子程序、主菜單處理子程序。主程序流程如圖5所示。在沒(méi)有按鍵按下的情況下，進(jìn)樣閥開(kāi)注入水樣，經(jīng)延時(shí)后，判斷定時(shí)器T2是否溢出。T2溢出，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，對(duì)檢測(cè)器光窗進(jìn)行自動(dòng)清洗；反之，程序進(jìn)入測(cè)量子程序。儀器設(shè)有主菜單、增加、減少、確定、取消、復(fù)位共六個(gè)面板控制鍵。當(dāng)有鍵按下時(shí)程序進(jìn)入按鍵處理子程序，對(duì)鍵值進(jìn)行判斷處理。主菜單鍵按下時(shí)顯示主菜單界面，包括測(cè)量、歷史曲線查詢、暗電流校正和量程校正選擇。量程校正選擇分為0～100NTU、100～400NTU、400～1000NTU三段，以100NTU、400NTU、1000NTU標(biāo)準(zhǔn)水樣標(biāo)定出三段的斜率。

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　　儀器標(biāo)定后投入運(yùn)行，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，線性誤差±2%FS，表明基于間歇式靜態(tài)測(cè)量方法設(shè)計(jì)的分析流程能夠消除氣泡對(duì)濁度測(cè)量的影響。采用C8051F020單片機(jī)使得儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并以機(jī)械攪拌式清洗器定時(shí)清洗光窗，滿足了在線實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，可供水廠、電廠、食品加工廠、制藥工業(yè)對(duì)水樣渾濁度的測(cè)定，也可用于監(jiān)測(cè)天然水，廢水處理終值測(cè)定，制酒行業(yè)EBC濁度測(cè)量。