浊度在线检测设计与测试资料下载.pdf

1、采用 8 8 0 n m的近红外透射法检测水样浊度，对硬件电路中前置采样放大电路、A/D转换电路、单片机电路和数据传输电路进行设计,对信号进行采集和分析，并对设计方案进行了测试。关键词：浊度检测；透射光；红外光源中图分类号：T U 9 9 1.2 1文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-5 4 5 X（2 0 0 8）0 3-0 1 0 6-0 3为了提高给水净化技术和生产管理水平，实现水质的在线检测十分重要。浊度检测是水质检测的重要参数，在以往水厂的运行中，浊度的检测采用比色、比光等方法进行人工测定，得到的数据随机性和离散性比较大 1，现在采用在线连续测量，将数据立即转换为电信号，能保证检

2、测的稳定性和准确性。在国际标准（I S O 7 0 2 7-1 9 8 4）中，透射法和散射法定为浊度仪设计的两种标准测量方法。透射法是用一束光穿过一定厚度的水样体，通过测量水样中悬浮颗粒物对入射光的吸收和散射所引起的透射光强度的衰减量来确定水样的浊度。散射法则是通过测量穿过水样的入射光束被水样悬浮颗粒物散射所产生的散射光强来确定水样浊度。这两种检测方法在待测浊度与电信号之间的关系、仪器的校准方法、光源的选择和稳定性等方面都各有特点 2。透射法的原理和仪器的设计相对简单，能获得较大的浊度测量范围，但在测定低浊度时，由于微小的浊度变化所引起的透射光变化率很小，故对光电接收元件和放大器的分辨率和稳

3、定性要求比较高。而测量非常低的浊度时，散射法测量对光源及电路的稳定性要求相对较低，易于实现对仪器的稳定性要求 3，通常散射法只用于测量较低的浊度 4，若浊度范围较大时，光电转换得到的电信号将不再是浊度的单值函数。水样的浊度与对应的信号之间的关系取决于所采用的电路参数、测量结构的几何参数以及待测水样的水质，这种对应关系难于用模拟运算电路加以线性化，因此在确定各种电路参数、几何参数以及与悬浮微粒的光学特性有关的各种参数后，需要进行浊度测量系统的定标。通过对透射法和散射法的测试比较以及对透射法在线浊度检测的可行性的研究，本文根据透射法原理设计浊度的在线检测系统。1浊度检测系统浊度在线检测系统由采集信

4、号的光传感器、前置放大电路、A/D转换器、单片机控制、数据输出电路以及光源和比色皿等组成，如图 1 所示。图 1浊度检测的系统原理图1.1光源与传感器的选择光源与传感器的选择对系统的信号稳定性和灵敏度有很大的影响。浊度检测系统的光源通常有钨灯以及单色或狭带光源，钨灯具有较宽的波谱输出、耐用、价廉和可靠，但需要控制良好的供电源；单色或狭带光源有激光、汞灯、各种灯-滤光片组合以及发光二极管（L E D）等。由于 L E D的使用寿命长和性价比优良，本设计选用光源为近红外 L E D光源 V T E1 0 6 3，发射波长的峰值为 8 8 0 n m，最大连续功耗仅为 2 0 0 m W。光源的光谱

5、及传感器的光谱响应是影响浊度检测系统性能的关键因素，光源及传感器的组合决定了仪器的有效光谱性质以及对水样的响应实质。在选择光电传感器件时，需要根据光源的发射波长来选择响应值较好的传感器件，本设计选用近红外传感器 V T B5 0 5 1 H，其响应峰值为 9 2 0 n m，光谱响应的曲线如图 2 所示。图 2光谱响应的曲线1.2电路设计部分电路设计包含前置放大电路、A/D转换器 M C 1 4 4 3 3、单片机 A T 8 9 C 5 2 及稳压电源设计等，稳压供电电路把输入电压转换成稳定的输出给各个元件供电。稳压供电电路的-5 V是由基于 L M 2 5 7 6 的稳压电路 U 5 提供

6、，L M 2 5 7 6 是 3 A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（5 2 k H z）和基计量与检测!1 0 6装备制造技术 2 0 0 8 年第 3 期装备制造技术 2 0 0 8 年第 3 期准稳压器（1.2 3 V），具有完善的保护电路，利用外围期间构成高效稳压电路。稳压供电电路的+5 V由基于三端稳压集成电路L M 3 1 7的稳压电路 U 4提供，L M 3 1 7是常见的可调集成稳压器，最大输出电流为 2.2 A，输出电压范围为 1.2 5 3 7 V。供电电路还提供了模拟电路、数字电路接地端。8 8 0 n m近红外 L E D光源 V T E1 0 6

7、3 发出的光束透过水样到达传感器，光传感器 V T B5 0 5 1 H接受来自于水样的透射光，并转换成非常弱的电流信号，该信号须经过前置放大电路进行放大，预放大电路由 C A 3 4 2 0 A和增益控制开关 M H D R 2 X 4 组成。C A 3 4 2 0 A是把结型场效应管和双极晶体管集合在单一芯片中的集成运算放大器，该运算放大器为输入电路提供小于1 p A的输入电流（典型值 0.2 P A），极低的输入电流使 C A 3 4 2 0 A非常适合使用在皮安级电路。上一级放大电路的输出信号经过保护电阻进入差分放大电路后被进一步放大，放大后的信号作为 A/D转换器的输入信号。由于失调

8、电压的影响，当运算放大器输入为零时，输出可能不为零，因此本电路使用了外接调零电路，可以使运算放大器输入为零时，输出也为零，以减小误差，提高精度。前置放大电路放大的信号由双积分型 A/D转换器M C 1 4 4 3 3 的输入端 p i n 3（V x）输入，M C 1 4 4 3 3 集成了双积分式A/D转换器所有的 C M O S 模拟电路和数字电路，具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并具有自动校零和自动极性转换功能，在外接少量的电阻和电容器件即可构成一个完整的 A/D转换器。M C 1 4 0 3 基准电压源为A/D转换提供基准电压，M C 1 4 0 3

9、的准确度高、温漂低、采用激光修正的带隙基准电压源。电路使用的 A T 8 9 C 5 2 高性能 C M O S 8 位单片机，单片机的串口端 R X D、T X D经串口驱动芯片 M A X 2 3 2与计算机的R S 2 3 2 口相连。串口工作方式为 1 0 位异步接收发送方式，它的传送波特率由定时器的定时值决定。1.3数据传输接口电路及其它串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，可避免多条线路特性的不一致等特点。本设计采用 R S-2 3 2串行通讯接口，电路与计算机的数据交换接口使用M a x 2 3 2 C P E接口驱动芯片，M a x 2 3 2 包含 2 驱动

10、器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 T I A/E I A-2 3 2-F 电平，每一个接收器将 T I A/E I A-2 3 2-F 电平转换成 5-VT T L/C M O S 电平。每一个发送器将 T T L/C M O S 电平转换成 T I A/E I A-2 3 2-F 电平。电路中接口驱动芯片 M a x 2 3 2 C P E的 T 1 I N、R 1 O U T 引脚分别与单片机的串口输出和输入端 T X D、R X D连接，以实现单片机与计算机的数据交换。R S-2 3 2 接口连接器使用型号为 D B-9 的 9 芯插头座,通常插头在 D C E端,插座在 D T

11、E端.本电路与计算机连接的R S-2 3 2-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,所以只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用D B-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。此外，为了便于调试和观察单片机程序的运行，外接L E D发光指示电路。在电路系统上电后，L E D电源指示灯将发光。L E D单片机工作指示灯在单片机工作时 P 1 0 口的时钟输出信号经 R 2 1 输入，使 Q 1 导通，指示灯将发光。2浊度与吸光度的关系2.1实验方法按 I S O 7 0 2 7-1 9 8 4 国际标准单位（F N U）配制福尔马肼聚合物浊度标准液，用稀释法制备标准

12、浊度系列。利用浊度检测系统检测浊度标准溶液系列，得到输出结果。该实验在暗盒进行以最大限度的减小背景杂散光对浊度测量的影响。2.2实验步骤（1）配制 4 0 0 F N U标准浊度溶液，在干燥洁净的环境中保存于 1 0 0 m l 容量瓶以待用。（2）用移液管分别移取标准液 2.5 m l，5 m l，1 0 m l，2 0 m l 及3 0 m l 置于 5 0 m l 比色管中，加蒸馏水至标线。摇匀后即得到浊度为 2 0 F N U，4 0 F N U，8 0 F N U，1 6 0 F N U及 2 4 0 F N U的标准浊度系列。（3）利用 L o v i b o n d 的 E T

13、7 6 0 2 0 微电脑快速浊度测定仪测定浊度标准溶液系列的浊度，同时使用 7 2 1 分光光度计在不同波长下测定标准浊度系列，将测试结果拟合为标准曲线。（4）使用本设计的测量方法对标准浊度系列进行检测，获得测量结果。2.3实验结果（1）波长对吸光度的影响使用 7 2 1 分光光度计，选用不同波长的入射光穿过水样，测得在不同波长下对各已知浊度的吸光度的检测结果如图 3所示。图 3不同波长下浊度与吸光度的关系图 3 表明在 0 8 0 F N U范围内，不同波长下测得的浊度与吸光度的关系曲线有很好的线性关系，当浊度大于 8 0 F N U后将偏离原有的线性关系，不同波长下偏离程度明显不同。当波

14、长大于 8 0 0 n m后，曲线偏离程度相对较小，因此浊度测量时宜选用发射波长峰值大于 8 0 0 n m的光源。通过对标准浊度系列的研究发现，浊度与吸光度随波长变化的关系如图 4 所示。图 4波长对吸光度的影响1 0 7E q u i p m e n tM a n u f a c t r i n g T e c h n o l o g y N o.3，2 0 0 8E q u i p m e n tM a n u f a c t r i n g T e c h n o l o g y N o.3，2 0 0 8在不同的入射波长测量得到的吸光度曲线呈指数的形式变化，低浊度时因波长改变所引起的

15、吸光度的变化不明显；但高浊度时吸光度以指数衰减明显。因此高浊度水样检测中对光源的稳定性要求较高，光源的发射波长的范围应越窄越好，以减少吸光度测量结果的偏差。（2）标准曲线的确定利用 L o v i b o n d 的 E T 7 6 0 2 0 微电脑快速浊度测定仪测定浊度标准溶液系列的浊度，并用 7 2 1 分光光度计于 8 8 0 n m波长处，测定浊度标准溶液系列的吸光度，测定结果如表 1 所示：表 1浊度测量值与吸光度的关系浊度与吸光度的线性方程为 A=0.0 0 0 7 2 1 T-0.0 0 0 5 9 9，线性相关系数为 0.9 9 9 7。本浊度检测系统经过硬件调试后对浊度标准溶液系列进行测试，得到输出结果数据如表 2 所示。检测系统检测的吸光度值 A 与 7 2 1 分光光度计的检测值 A线性相关，其线性方程为 A=2 0.5 9 A-0.0 1 7 5 6，相关系数为 0.9 9 9 3，由标准曲线得出该检测系统的测试结果如表 3。表 2浊度检测系统测量结果表 3测试结果测量结果与标准值之间存在一定的偏差，平均偏