在線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，如其粒度遠(yuǎn)小于入射光波長(約為入射光波長的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。

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

2.1發(fā)光光源的選擇
　　光源的穩(wěn)定性關(guān)系到儀器測量的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，直接決定了儀器的整機(jī)性能。
　　選用波長為800nm的紅外發(fā)光二極管作為光源，并以恒流源穩(wěn)定光源，以峰值波長為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、發(fā)射光強(qiáng)度穩(wěn)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(qiáng)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(jù)測量原理設(shè)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(gòu)成精密的匹配電路。由于兩個硅光電池特性相同，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(nèi)的交叉開關(guān)選通，調(diào)節(jié)增益后送ADC0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)場的濁度測量中，不可避免的有氣泡存在，當(dāng)氣泡通過測量光路時散射光強(qiáng)發(fā)生波動，造成虛假的高濁度讀數(shù)，影響了測量的準(zhǔn)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(shè)計了分析流程，如圖4所示。電磁閥開通注入待測水樣，啟動延時程序。延時結(jié)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(jié)束重新開通電磁閥，排出已測水樣并注入新水樣。C8051F020單片機(jī)的指令執(zhí)行速度是8051單片機(jī)的10倍，因此測量時間非常短，可以滿足在線實時測量的要求。濁度檢測器底部設(shè)有機(jī)械攪拌式清洗器，用于光窗的定期自動清洗。

　　在線間歇式濁度儀的軟件系統(tǒng)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。在沒有按鍵按下的情況下，進(jìn)樣閥開注入水樣，經(jīng)延時后，判斷定時器T2是否溢出。T2溢出，經(jīng)過一定時間，對檢測器光窗進(jìn)行自動清洗；反之，程序進(jìn)入測量子程序。儀器設(shè)有主菜單、增加、減少、確定、取消、復(fù)位共六個面板控制鍵。當(dāng)有鍵按下時程序進(jìn)入按鍵處理子程序，對鍵值進(jìn)行判斷處理。主菜單鍵按下時顯示主菜單界面，包括測量、歷史曲線查詢、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(biāo)準(zhǔn)水樣標(biāo)定出三段的斜率。

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　　儀器標(biāo)定后投入運行，測量結(jié)果穩(wěn)定，線性誤差±2%FS，表明基于間歇式靜態(tài)測量方法設(shè)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(jī)使得儀器結(jié)構(gòu)簡單，并以機(jī)械攪拌式清洗器定時清洗光窗，滿足了在線實時測量的要求，可供水廠、電廠、食品加工廠、制藥工業(yè)對水樣渾濁度的測定，也可用于監(jiān)測天然水，廢水處理終值測定，制酒行業(yè)EBC濁度測量。