張 鵬

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

隨著科技的進步和經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，人類社會對環(huán)境保護的認識不斷提升，特別是對水體內(nèi)油分含量的控制要求越來越嚴格。由于石化工業(yè)的飛速發(fā)展，在石油開采、運輸、使用過程中均與水息息相關(guān)，極易導致石化產(chǎn)品對水體的污染，水體內(nèi)的油分含量超標后會漂浮在水面上，形成一層密集的油膜，使空氣中的氧氣無法融入水體，導致大量的水生生物缺氧而亡，同時懸浮在水面上的顆粒狀油污也會進入到魚類體內(nèi)，造成中毒，因此長期以來各國對水體內(nèi)的油污含量有明確的要求，并且隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷增加，對污水內(nèi)油污含量的要求逐漸趨于嚴格，傳統(tǒng)的采用稱重法、微波-γ射線檢測的方法[1]均存在著檢測工藝繁瑣、周期長、受外界環(huán)境影響大、精度低的缺陷，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代對污水檢測快速、精確的要求。基于紅外線檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，本文提出了一種以近紅外光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的污水內(nèi)油分含量檢測系統(tǒng)，對該檢測方案進行了分析，結(jié)果表明該新型檢測系統(tǒng)具有檢測精度高、可靠性好，檢測周期短的優(yōu)勢，極大提升了油分檢測的精確性。

1 污水內(nèi)紅的近紅外光譜段設(shè)置

污水的近紅外吸收譜線如圖a)所示，油分的近紅外吸收譜線如圖b)所示。

由圖1可知，當光線的波長為914 nm時污水對光線的吸光度約為0.132，此時污水內(nèi)油分對光線的吸光度約為0.215。當光線波長為970 nm時，污水對光線的吸光度達到了最大，約為0.949，而此時污水內(nèi)油分對光線的吸光度則處于最小的狀態(tài)，約為0.114。由于光譜工作波段在850 nm～1 050 nm區(qū)間內(nèi)的波段為近紅外光波段，因此結(jié)合污水和油分對近紅外光的系數(shù)譜線可知，在對污水內(nèi)油分進行檢測時，選擇波段為914 nm的近紅外頻譜具有最佳的辨識度。

同時，為了進一步提升對污水內(nèi)油分檢測的精確度和靈敏度，需要對檢測光源的波段進行一個限制，盡可能地降低污水對于近紅外光線的吸收，降低污水和油分的吸收交叉區(qū)域，避免當水溫變化時影響近紅外光譜的檢測結(jié)果，根據(jù)實際生產(chǎn)控制能力及成本，本文選擇了一種920SF10濾光片[2]，確保光源通過該設(shè)備后的中心位置的波長保持在920 nm處，滿足對污水內(nèi)油分快速、精確的檢測需求。

2 檢測系統(tǒng)信號放大器的設(shè)計及光電接收器選擇依據(jù)

該油分含量檢測系統(tǒng)，主要是通過檢測近紅外光通過污水后的衰減量來對污水內(nèi)的油分含量進行檢測，由于實際情況下近紅外光通過污水后的衰減較大，對污水內(nèi)油分的檢測結(jié)果還需要將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)控制系統(tǒng)按照預設(shè)的運算控制邏輯對光線進行分析后得出油分含量數(shù)值。為了提升系統(tǒng)的運算速度和計算精度，本文在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了一個信號放大器，該信號放大器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 信號放大器結(jié)構(gòu)示意圖

該信號放大器包括前置電路、主放電路和功放電路三個部分構(gòu)成，輸入的光源信號在經(jīng)過三級放大后，增強至能夠滿足檢測系統(tǒng)快速識別、處理的波長信號，從而滿足系統(tǒng)對近紅外光快速識別、快速分析、快速輸出的控制要求。

在該系統(tǒng)中，要確保對污水內(nèi)油分含量進行精確監(jiān)測，就需要精確捕捉并無損轉(zhuǎn)換透過污水內(nèi)的光信號，進行光信號轉(zhuǎn)換的核心元件為光電接收器，它主要用于將所有的光電信號進行轉(zhuǎn)換并與各個電子工作參數(shù)進行匹配，確保在光電信號轉(zhuǎn)換過程中的穩(wěn)定性和準確性，因此在對光電接收器進行選擇時需要遵循以下規(guī)則。

1) 使用壽命長。所選擇的光電接收器必須具有高可靠性和長使用壽命，要針對所使用的環(huán)境進行專業(yè)性的光電接收器的選擇，確保光電接收器在使用過程中能夠以較小的功耗滿足常規(guī)使用需求，最大限度地降低使用攻略，增強使用壽命、節(jié)約能耗。

2) 匹配性。要求根據(jù)使用條件針對性的旋轉(zhuǎn)調(diào)制形式、波形頻率與被測光信號完全吻合的接收器，確保在使用過程中光信號的轉(zhuǎn)換的完整性和微損耗性，最大限度地降低波形轉(zhuǎn)換時間和損耗，滿足光電信號轉(zhuǎn)換快速、準確、清晰、可靠的要求。同時所選擇的光電接收器還必須和光線的光譜信號相匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)對非特定光譜的濾波處理，提高檢測精度，必須滿足于檢測電路的良好匹配性，確保能夠最大限度地對數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換和降噪處理。

3) 靈敏性。所選用的光電接收器在使用過程中的光電接收特性要求具有高度的靈敏性，能夠捕捉到輕微的光線變化情況，滿足在各種工況和條件下的快速檢測需求。這主要是由于當入射光的光通量發(fā)生變化的時候，在光線折射情況下容易影響對光線的分析結(jié)果，因此需要高度靈敏性的光電接收器，能夠最大限度地降低光線折射對檢測結(jié)果的影響。

3 試驗驗證

為了對該油分含量監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用效果進行分析，本文搭建了一個污水內(nèi)油分含量檢測控制模擬試驗系統(tǒng)[4]，對該污水內(nèi)的油分含量進行檢測，該模擬試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油分含量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在試驗的過程中，在水箱上面設(shè)置一個可以人工控制的定量加油裝置，在試驗過程中對滴油量進行控制，可以滿足不同濃度油分的檢測要求，每次定量滴完后對污水內(nèi)的油分進行一次檢測，然后再在水箱內(nèi)加入一定的油，進行另一個濃度點的測量，不斷增加污水內(nèi)的油分含量，直到所有測點均測量完成為止，污水內(nèi)油分含量檢測曲線如圖4所示。

圖4 油分含量檢測結(jié)果與實際含量對比曲線

由實際檢測結(jié)果可知，油分含量檢測系統(tǒng)的實際檢測結(jié)果和污水內(nèi)油分的實際含量相差較小，檢測結(jié)果緊跟油分濃度實際含量的變化，最大偏差約為0.2%，完全滿足污水監(jiān)測準確性的要求。同時該檢測系統(tǒng)對污水檢測時，單次檢測周期僅0.7 s，檢測速度極快，能滿足污水檢測實時性和快速性的要求。

4 結(jié)論

針對目前污水檢測手段落后，檢測周期長，精度低的缺陷，本文提出了一種以近紅外光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的污水內(nèi)油分含量檢測系統(tǒng)，對該檢測系統(tǒng)的檢測原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和試驗驗證情況進行了分析，結(jié)果表明：

1) 選擇了一種920SF10濾光片，確保光源通過該設(shè)備后的中心位置的波長保持在920 nm處，能夠確保對污水內(nèi)油分具有最佳的辨識度。

2) 信號放大器包括前置電路、主放電路和功放電路三個部分構(gòu)成，輸入的光源信號在經(jīng)過三級放大后，增強至能夠滿足檢測系統(tǒng)快速識別、處理的波長信號，從而滿足系統(tǒng)對近紅外光快速識別、快速分析、快速輸出的控制要求。

3) 油分含量檢測系統(tǒng)的實際檢測結(jié)果和污水內(nèi)油分的實際含量相差較小，檢測結(jié)果緊跟油分濃度實際含量的變化，最大偏差約為0.2%，完全滿足污水監(jiān)測準確性的要求。同時該檢測系統(tǒng)對污水檢測時，單次檢測周期僅0.7 s，檢測速度極快，能滿足污水檢測實時性和快速性的要求。