于洙海,鄧 琥,3,劉 偉,漆 雪,魏文卿

(1.西南科技大學信息工程學院,四川綿陽 621010;2.西南科大四川天府新區(qū)創(chuàng)新研究院,四川成都 610299;3.特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室,四川綿陽 621010)

0 引言

濁度是不溶性物質引起的液體透明度降低的一種量度,濁度儀作為測量液體濁度的儀器,在生活用水、醫(yī)藥、工業(yè)生產、大氣研究等各領域都有廣泛的應用[1-2]。

當前濁度的檢測方法主要為散射法、透射法和散射-透射比值法,其中散射法適合于中低濁度的測量,而透射法適合于中高濁度測量,散射-透射比值法是對2種方法的綜合運用,因此測量范圍會受限[3-4]。以上3種方法都是基于光強檢測來實現濁度測量,但是當濁度儀用于長時間在線測量時,其內部的光源由于屬于半導體器件,發(fā)光特性會受到發(fā)光時間和溫度的影響[5-6],造成系統(tǒng)的測量精度降低。此外,環(huán)境光和系統(tǒng)電路噪聲也會影響測量結果。針對上述問題,綦聲波等[7]提出加入溫度補償電路來抑制溫度對測量結果的影響,但會使儀器標定和校準變得復雜。鄭杰等[8]采用正交數字鎖相放大電路來消除上述因素的影響,但電路復雜且響應速度慢。

綜合上述分析,本文設計了一種基于電流-光強雙反饋控制光源的在線投入式濁度儀,利用電流反饋抑制電路電流波動對光源的影響。利用光強反饋消除光源老化和溫度帶來的影響,此外,采用低頻方波信號驅動光源,利用溫度不能突變的特點,通過計算光源開閉時采集到的電壓信號之差,來消除檢測電路受到的影響,同時在低濁度時采用90°散射法測量,在高濁度范圍采用透射法測量,使得系統(tǒng)測量精度進一步提高。

1 濁度檢測原理

當一束單色平行光穿過液體時,一部分光由于透射作用會直接透過液體,一部分光由于吸收作用被液體中不溶性物質吸收,還有一部分光會發(fā)生散射[9],其中,光的散射分為瑞利散射和米氏散射,這2個類型的散射衰減模型在90°方向可簡化為式(1)[10],而光的透射模型可以簡化為式(2)[11]。

Is=KsTsI0

(1)

It=I0exp(-KtTtL)

(2)

式中:Is為90°散射光強度;It為透射光強度;I0為入射光強度;Ts和Tt分別為散射法和透射法測得的液體濁度;Ks和Kt分別為散射系數和透射系數;L為透射光程。

在保證I0、L均不變的前提下,以上兩式可進一步簡化為:

Ts=ksIs

(3)

Tt=ktlnIt+b

(4)

由式(3)和式(4)可知,當采用散射法測量時,濁度與散射光強成正比;當采用透射法測量時,濁度與透射光強的自然對數成線性關系。

2 系統(tǒng)設計

2.1 濁度儀系統(tǒng)框架

濁度儀系統(tǒng)框架如圖1所示,主要分為投入式濁度傳感器和主控系統(tǒng)2部分,傳感器包含1個光源模塊和3個檢測模塊,光源模塊驅動光源發(fā)光,檢測模塊實現光電信號轉換。主控系統(tǒng)包含控制器和A/D轉換模塊2部分,控制器采用STM32F103VCT6單片機,其自帶12位DAC,同時內置有串口,可以實現與上位機的通信。A/D轉換模塊選用8通道24位的A/D轉換芯片ADS1256實現,其最高采樣頻率可達30 KSPS,能夠實現多通道信號的快速測量。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2.2 光源驅動

根據對濁度檢測原理的分析可知,要實現濁度的精確測量,需要保證光源的輸出光強穩(wěn)定。而濁度儀在實際測量時,光源的輸出光強會受到溫度、電流波動的影響,且長時間發(fā)光會使光源老化,造成發(fā)光效率降低[12]。以上影響因素中,電流波動變化快,幅值小,而溫度和老化的作用較慢,根據這兩類影響因素的特點,設計了電流與光強雙反饋環(huán)路來實現光源的穩(wěn)定輸出,其結構如圖2所示。

圖2 光源雙反饋環(huán)路結構框圖

為抑制驅動電流波動對光源輸出光強的影響,設計了帶有電流反饋環(huán)路的驅動電路來穩(wěn)定光源驅動電流。其電路如圖3所示,光源選用中心波長為850 nm的紅外LED作為光源,此波段的光能夠降低液體色度對測量的影響[13]。電路的第一級運放設計為電壓跟隨電路,以減小輸入信號損耗,第二級運放為比較器,通過將反饋電阻R16產生的電壓與上一級運放的輸出作比較,完成電流反饋,實現恒流驅動光源。

圖3 光源驅動電路

針對溫度和光源老化造成的影響,設計了光強反饋環(huán)路抑制其影響,環(huán)路采用探測器加轉換電路完成光強信號的采集,由控制器進行PI調節(jié)。由圖3可知,流經光源的電流I可以由式(5)表示。

(5)

由式(5)可知,電流I與驅動電路輸入電壓Vi成正比,而Vi由控制器的DAC產生,因此控制器可以通過DAC來調整光源的輸出光強,實現光源的穩(wěn)定輸出。

2.3 光電轉換電路

為實現光源穩(wěn)定控制和液體濁度檢測,設計了圖4所示的光電轉換電路,光電二極管(PD)在受到光照后產生微弱的電流信號,經過精密雙運放ADA4625搭建的第一級跨阻放大電路后,轉化成小電壓信號,再由第二級的低通濾波電路濾除電路中的高頻噪聲,然后由第三級儀用運放器AD623實現信號的進一步放大,同時濾除電路中的共模干擾,最后信號經主控系統(tǒng)中的A/D轉換芯片轉化為數字信號送入控制器,即可實現光強信號的測量。

圖4 光電轉換電路

2.4 傳感器設計

2.4.1 檢測光路

由于透射法和散射法適用的濁度檢測范圍并不相同,故設置2路光強檢測電路分別檢測散射光強和透射光強,根據濁度測量范圍選擇合適的測量方法。同時為實現光源光強反饋控制,利用分光鏡將光源發(fā)出的光一分為二,因此系統(tǒng)共需要實現3種光的強度檢測,設計的系統(tǒng)光路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)光路示意圖

由圖5可知,LED發(fā)出的光經過分光鏡后,被分為強度比固定的2路垂直光,其中一路光直接穿過分光鏡進入反饋PD中,產生光強反饋信號,以穩(wěn)定光源的輸出。另一路光作為濁度測量入射光進入被測液體,由散射PD和透射PD分別檢測90°散射光強和透射光強。為降低環(huán)境光干擾,在兩個PD與被測液體之間各自加入一塊中心波長為850 nm窄帶濾波片,濾除非紅外光[14]。

2.4.2 傳感器結構

為實現圖5所示光路,設計了如圖6所示的投入式濁度傳感器,由于傳感器需要投入被測液體,因此傳感器整體為密封方形環(huán)狀結構,由內外殼體、LED及驅動電路、PD及轉換電路、分光鏡和濾光片組成。光源及驅動電路、PD及轉換電路置于殼體內外層之間,且內殼體每面有4孔,用于固定電路板。環(huán)形殼體中部為液體流通區(qū)域,分光鏡及濾光片嵌入殼體內層,且所有光學元件位于同一高度,傳感器的信號均以線纜的形式通過外殼體上接口引出,與濁度儀主控系統(tǒng)相連。所有縫隙處均進行密封處理,傳感器殼體由黑色光敏樹脂采用3D打印技術制成。

圖6 濁度傳感器外觀示意圖

2.5 軟件優(yōu)化設計

濁度儀在進行長時間在線測量時,除光源外,光電檢測電路也會因溫度變化,使電路產生零點漂移[15],同時檢測電路存在噪聲,這類噪聲難以通過硬件電路濾除[16],這些因素都會對測量結果造成干擾。因此系統(tǒng)通過對光源開閉時檢測到的光強信號作差來消除其影響。

由于溫度的變化相對緩慢,而電路中的噪聲與電路本身的設計有關,其功率一般不會突變,故在短時間內,可以認為光電檢測電路受到的影響是不變的。假設在整個光電轉化過程,散射光和透射光檢測電路的信號放大倍數分別為Rs、Rt,檢測時干擾信號為N0,進一步分析如下:

當光源打開時,探測器同時檢測到干擾信號和有用信號,此時散射電壓Vs1與透射電壓Vt1分別為:

Vs1=Rs(Is+N0)

(6)

Vt1=Rt(It+N0)

(7)

當光源關閉時,探測器只能檢測到噪聲信號,此時散射電壓Vs2與透射電壓Vt2分別為:

Vs2=RsN0

(8)

Vt2=RtN0

(9)

將式(6)和式(8),式(7)和式(9)分別作差后,帶入式(3)和式(4)后,得到:

(10)

(11)

式中:k1、kt、b2均為常數。

由式(10)和式(11)可知:當采用散射法測量時,濁度與光源開閉時分別測得的電壓之差成正比;當采用透射法測量時,濁度與光源開閉時測得的電壓之差的自然對數成線性關系。

綜合考慮濁度測量的準確度和響應時間,系統(tǒng)選用1 Hz的低頻方波信號控制光源的開閉,以1 kHz的頻率采集3路光強信號,在光源開閉時各采樣500次。并對其進行數字濾波處理,降低電路噪聲的影響,軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實驗結果與數據分析

3.1 實驗標定

根據濁度的檢測國際標準ISO-7027,選用福爾馬肼標準液和零濁度水配制一系列不同濁度的標準樣品。記錄光源開閉時的散射電壓差與透射電壓差的自然對數,測量結果如圖8與圖9所示。

圖8 散射法測量結果

圖9 透射法測量結果

由圖8和圖9得出:低濁度范圍內,采用散射電壓差作為濁度測量依據的線性度較好,進行最小二乘算法擬合,在0～400 NTU范圍內,得到的擬合結果為式(12)。系統(tǒng)擬合度為99.52%,擬合效果較好。

y=211.5x-7.326

(12)

式中:y為液體濁度;x為散射電壓差。

在400～1 000 NTU范圍內,選用透射電壓差值的自然對數進行擬合,擬合結果為式(13)。系統(tǒng)的擬合度為99.53%,擬合效果較好。

y=-369.4x+541.4

(13)

式中:y為液體濁度;x為透射電壓差的自然對數。

3.2 重復性測試

將擬合得到的測量模型寫入控制器后,重新配置50、100、350、600、750、900 NTU的濁度液。將傳感器置于被測液體中,重復測量7次,測量周期為2 min。6個樣品的測量結果如表1所示。

表1 重復性實驗結果

由表1可知,最大測量示值誤差出現的數據點為909.45 NTU,其絕對誤差為9.45 NTU,但相對誤差僅1.05%。相對誤差最大的數據點為48.42 NTU,為3.16%,實驗測量重復性誤差最大為2.08%。這表明系統(tǒng)無論采用透射法還是散射法,在各自設定范圍內都能實現濁度的準確測量。

3.3 零點漂移測試

為了驗證測量系統(tǒng)穩(wěn)定性,將傳感器置于零濁度的去離子水中,持續(xù)測量24 h,每隔0.5 h記錄1次實驗數據,以該段時間內最初5次測量值的平均值作為初期零值,計算濁度最大變化幅度相對于滿量程值的百分數。相關測試結果如圖10所示,得出濁度儀在零濁度液中24 h內最大漂移量為1.88 NTU,零點漂移誤差小于1%。

圖10 系統(tǒng)零點漂移實驗結果圖

4 結束語

本文設計了一種新型的投入式在線濁度儀,通過光源驅動電路、光強檢測電路和控制器對光源采用電流與光強雙反饋控制,實現了光源的穩(wěn)定輸出控制,同時對光源采用低頻方波信號驅動,通過將光源開閉時測得的電壓值作差以降低檢測電路受到的干擾,有效地提升了系統(tǒng)的抗干擾能力。相關測試結果顯示:系統(tǒng)實現了0～1 000 NTU范圍液體濁度的精確測量,重復性誤差優(yōu)于2.08%,24 h內零點漂移最大值為1.88 NTU,表明其在水質檢測領域具有較好的應用前景。