羅勇鋼，程鴻雨，鄒 君，劉冠軍

(國網(wǎng)電力科學研究院 南京南瑞集團公司，江蘇 南京211106)

0 引 言

濁度又稱渾濁度，指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度，是人感官對水體質(zhì)量狀況最直接的評價。從技術意義上講，濁度可以反映水體中泥沙、有機物、微生物等懸浮物的含量，從而作為一個水質(zhì)替代參數(shù)，對水體質(zhì)量評價和水環(huán)境污染控制具有重要意義［1］。

在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常用濁度傳感器對水的濁度進行測量。我國現(xiàn)行的GB 13200—1911《水質(zhì)濁度的測定》標準遠落后于國際先進標準，為實現(xiàn)濁度的準確測量，DL/T 809—2002《水質(zhì)—濁度的測定》等效采用了ISO 7027國際標準中的散射光測量法和衰減光測量法，為我國的測濁方法與國際方法接軌奠定了基礎［2～5］。本文根據(jù)ISO 7027 和DL/T 809—2002 標準中散射光測量法相關規(guī)范，結(jié)合地表水和污水渾濁度測量特點，研制了一種90°散射原理的浸入式在線濁度傳感器。傳感器具有測量重復性好、漂移量小、測量線性度高等優(yōu)點，可較好地適用于江河湖海等地表水和市政、工業(yè)污水等場合的渾濁度在線監(jiān)測。

1 測量原理

特定波長的平行光束通過水樣時，水樣中的懸浮微粒使光發(fā)生散射，其散射光強度分布與懸浮微粒直徑相關［6］，如圖1。

圖1 懸浮微粒對平行入射光散射分布Fig 1 Angular patterns of scattered intensity from suspended particles of different sizes

根據(jù)光學理論，當水樣中懸浮微粒的直徑小于入射光波長時，單位體積水樣產(chǎn)生的90°方向的散射光強度服從瑞利(Rayleigh)定律［7］

式中 I0為入射光強度;Is為散射光強度;n1和n2分別為懸浮微粒和水的折射率;λ 為入射光波長;v 為單個懸浮微粒體積;N 為單位體積水中的懸浮微粒數(shù);r 為懸浮微粒到散射光強測試點的距離。

其中，懸浮微粒到散射光強測試點的平均距離r、折射率n1和n2、入射光波長λ 和懸浮微粒體積v 均可視作常數(shù)，則上式可以簡化為

式中 Ka為比例系數(shù)

根據(jù)以上分析，一定波長的平行光通過水樣時，在90°方向的散射光強度與水樣渾濁度呈正比，即可根據(jù)90°方向散射光的強度實現(xiàn)水樣渾濁度的測量。

2 傳感器設計

濁度傳感器根據(jù)使用場合不同，對傳感器性能有不同要求。本傳感器旨在適用于普通地表水、工業(yè)及市政污水等中低渾濁度場合的濁度測量，傳感器設計量程為0 ～1 000 NTU，分辨率可隨測量示值變化而自動適應，且傳感器具有自動清洗功能。

2.1 光路設計

傳感器測量光路是傳感器測量的核心，本傳感器光路部件主要由發(fā)射端和接收端組成，如圖2 所示。發(fā)散端的發(fā)光二極管發(fā)出880 nm 紅外光，并經(jīng)準直透鏡和測量光窗后進入水樣。發(fā)射光的紅外特性使傳感器不易受到待測溶液色度的影響，提高傳感器測量的可靠性;準直透鏡可確保入射光角度發(fā)散角不大于±1.5°，提高傳感器響應線性程度和測量穩(wěn)定性。入射光進入水樣后經(jīng)懸浮微粒散射，90°方向的散射光進入接收端，并經(jīng)接收光學系統(tǒng)部件后進入光電轉(zhuǎn)換器。接收端光學系統(tǒng)部件可有效限制散射光進入接收器的孔徑角，減少外界可見光與環(huán)境雜散光對傳感器測量的干擾，提高測量的可靠性。

圖2 傳感器光路示意圖Fig 2 Optical path diagram of sensor

2.2 結(jié)構(gòu)設計

傳感器呈圓柱形設計，如圖3。傳感器主要由光學部件、結(jié)構(gòu)部件及清洗機構(gòu)組成，其中，結(jié)構(gòu)部件包括封裝殼體、密封部件、測控電路板和出線電纜等。

傳感器光學部件基座上端通過聯(lián)桿與外殼擋圈連接，下端與外殼通過密封圈緊固連接，確保傳感器防水密封和牢固可靠。各光學零件安裝于光學部件基座上，保證光學零件穩(wěn)固和尺寸相對位置穩(wěn)定，確保傳感器測量的可靠性和穩(wěn)定性。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure of sensor

傳感器測控電路板固定于光學部件基座上，并通過連接線與相關器件連接。為減少外界電磁干擾對測量的影響，傳感器光電轉(zhuǎn)換器采用屏蔽電纜輸出，并在測控電路模擬部分設計有屏蔽殼，提高傳感器抗電磁干擾能力。此外，傳感器外殼采用特殊處理的不銹鋼外殼，在保證傳感器機械強度的同時，還可作為二次屏蔽外殼，提高傳感器測量穩(wěn)定性。

由于傳感器長期浸泡于水中使用，測量光窗易被水中污染物附著污染，影響測量。為保證長期測量的可靠性，傳感器設計有機械清洗機構(gòu)。清洗機構(gòu)由測控電路驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，并通過聯(lián)軸器帶動清洗刷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)測量光窗的清洗?，F(xiàn)場可根據(jù)使用情況設定清洗時間間隔或通過控制器實現(xiàn)人工控制清洗。

2.3 測控電路設計

傳感器采用光學原理實現(xiàn)測量，測控電路通過單片機控制恒流源脈沖式驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，在保證測量的基礎上減小二極管發(fā)光量，降低能耗。紅外光經(jīng)水樣中懸浮微粒散射后進入光電轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生光電流信號，并經(jīng)信號調(diào)理后進入單片機進行A/D 轉(zhuǎn)換。單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理計算并通過RS—485 實現(xiàn)輸出。此外，測控電路通過單片機控制直流電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)傳感器測量光窗的清洗，并通過位置感應器件控制清洗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與?？课恢?。傳感器測控電路框圖如圖4 所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在低濁度范圍內(nèi)，90°方向的散射光強與被測溶液渾濁度呈良好的線性關系，但隨著濁度值逐漸增高時，由于二次散射等因素的影響，散射光強與渾濁度測量線性關系逐漸降低，對此，傳感器采用分段線性擬合的數(shù)據(jù)處理方式，并設計傳感器示值分辨率隨量程段自動適應，提高傳感器測量的可靠性。

圖4 測控電路框圖Fig 4 Block diagram of measurement and control circuit

3 實 驗

為檢驗傳感器的性能，參照國家相關標準測量方法與要求，對傳感器進行了驗證［8］。

3.1 實驗準備

配制4000 NTU 福爾馬肼標準濁度液，待用。根據(jù)傳感器設計指標，選定800 NTU 濁度液為傳感器量程校正液，經(jīng)0.2 μm 終端過濾制備的超純水為零點校正液，并完成傳感器校正。

3.2 實驗過程與結(jié)果

3.2.1 重復性誤差

將4 000 NTU 標準濁度液稀釋為800 NTU 作量程校正液(下同)，將傳感器置于量程校正液中，連續(xù)進行6 次。記錄各次測定值，并計算相對標準偏差，實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 重復性實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Data of repeatability experiment

實驗結(jié)果表明:傳感器重復性誤差為0.25%，滿足標準相關要求。

3.2.2 零點漂移

將傳感器置于零點校正液中，并作遮光防塵處理，連續(xù)測定24 h。選定最初3 次測量值得平均值為初期零值，計算最大變化幅度相對于量程值的百分率，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 零點漂移實驗數(shù)據(jù)Fig 5 Data of zero drift experiment

實驗結(jié)果表明:傳感器在零點校正液中24 h 內(nèi)漂移量小于0.01 NTU，相對于量程值可忽略不計。

3.2.3 量程漂移

采用量程校正液，于零點漂移實驗的前后分別測定3 次，計算平均值。由減去零點漂移成分后的最大變化幅度，計算相對于量程值的百分率，測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 量程漂移實驗數(shù)據(jù)Tab 2 Data of span drift experiment

實驗結(jié)果表明:傳感器量程漂移為1.2%，滿足標準相關要求。

3.2.4 線性誤差

分別用零點校正液校正零點，量程校正液校正量程后，將量程校正液稀釋1 倍，求出該測量值與供試溶液濁度值之差相對于量程值的百分率，測試數(shù)據(jù)如表3。

表3 線性誤差實驗數(shù)據(jù)Tab 3 Data of linearity error experiment

實驗結(jié)果表明:傳感器線性誤差為1.2%，滿足標準相關要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)濁度測量相關標準和中低濁度場合測量特點，設計了一種90°散射原理的在線式濁度傳感器。傳感器采用經(jīng)準直的880 nm 紅外光作為入射光束，提高了傳感器響應線性和測量精度;通過接收端光學系統(tǒng)部件的設計，減少了外界雜散光與可見光的影響，提高了傳感器測量的可靠性;通過對模擬電路進行多次屏蔽，提高了傳感器抗電磁干擾的能力;傳感器自動清洗機構(gòu)的設計，提高了傳感器測量的長期穩(wěn)定性。實驗表明:傳感器具有測量重復性好、時間漂移小、測量可靠性高等優(yōu)點。傳感器能較好地滿足水環(huán)境監(jiān)測和水質(zhì)污染控制等領域的渾濁度在線監(jiān)測要求，具有較好的實踐應用價值。

［1］ Sadar M，程 立.水濁度精確檢測技術［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 柴 穎，承海東.符合國際濁度測定標準的濁度分析儀［J］.科學儀器與裝置，2007(5):80－83.

［3］ 國家環(huán)境保護局.GB 13200—91 水質(zhì)—濁度的測定［S］.

［4］ ISO7027—1999 Water quality—Determination of turbidity［S］.

［5］ 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL/T 809—2002 水質(zhì)—濁度的測定［S］.

［6］ 楊家建，施正純.飲用水濁度測量技術及應用［J］.水工業(yè)市場，2010(6):25－29.

［7］ 吳星五，唐秀華.散射式濁度儀的改進和應用［J］.工業(yè)用水與廢水，2001(4):8－10.

［8］ 國家環(huán)境保護總局.HJ/T 98—2003 濁度水質(zhì)自動分析儀技術要求［S］.