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

　　?
式中k為散射系數，h為樣品的吸收系數。對式(1)，Ix從I0到IT，x從0到L積分得透射光強IT，公式為
　　?
散射光強公式為
　　?
　　從公式(4)可知，散射光與濁度并非嚴格的線(xiàn)性關(guān)系；要使儀器滿(mǎn)足2％的精度，需對儀器進(jìn)行標定。首先以零濁水調整儀器零點(diǎn)，再以100、400、1000NTU的標準水樣作三點(diǎn)標定，求出三段的斜率，存入微機。測量時(shí)以所測值乘以相應的斜率得出濁度值。?

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

　　根據測量原理設計了測量電路如圖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。測量信號經(jīng)放大后由C8051F020片內的交叉開(kāi)關(guān)選通，調節增益后送ADC0進(jìn)行A/D轉換并存儲。UART0工作在方式3，UART0 TX和RX分別接C8051F020的P0.0、P0.1，測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)現場(chǎng)的濁度測量中，不可避免的有氣泡存在，當氣泡通過(guò)測量光路時(shí)散射光強發(fā)生波動(dòng)，造成虛假的高濁度讀數，影響了測量的準確性。為了消除氣泡的影響，本儀器采用間歇式靜態(tài)測量法設計了分析流程，如圖4所示。電磁閥開(kāi)通注入待測水樣，啟動(dòng)延時(shí)程序。延時(shí)結束關(guān)閉電磁閥，靜置水樣使氣泡逸出，測量水樣的濁度。測量結束重新開(kāi)通電磁閥，排出已測水樣并注入新水樣。C8051F020單片機的指令執行速度是8051單片機的10倍，因此測量時(shí)間非常短，可以滿(mǎn)足在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量的要求。濁度檢測器底部設有機械攪拌式清洗器，用于光窗的定期自動(dòng)清洗。

　　在線(xiàn)間歇式濁度儀的軟件系統包括測量子程序、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，對檢測器光窗進(jìn)行自動(dòng)清洗；反之，程序進(jìn)入測量子程序。儀器設有主菜單、增加、減少、確定、取消、復位共六個(gè)面板控制鍵。當有鍵按下時(shí)程序進(jìn)入按鍵處理子程序，對鍵值進(jìn)行判斷處理。主菜單鍵按下時(shí)顯示主菜單界面，包括測量、歷史曲線(xiàn)查詢(xún)、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標準水樣標定出三段的斜率。

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　　儀器標定后投入運行，測量結果穩定，線(xiàn)性誤差±2%FS，表明基于間歇式靜態(tài)測量方法設計的分析流程能夠消除氣泡對濁度測量的影響。采用C8051F020單片機使得儀器結構簡(jiǎn)單，并以機械攪拌式清洗器定時(shí)清洗光窗，滿(mǎn)足了在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量的要求，可供水廠(chǎng)、電廠(chǎng)、食品加工廠(chǎng)、制藥工業(yè)對水樣渾濁度的測定，也可用于監測天然水，廢水處理終值測定，制酒行業(yè)EBC濁度測量。