基于顏色傳感器的酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量裝置

黃大昌，史寶庫(kù)，劉 冰，馬汝?yáng)|

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

0 引言

堿度是指水中能與強(qiáng)酸發(fā)生中和作用的物質(zhì)的總量，這類物質(zhì)包括強(qiáng)堿、弱堿、強(qiáng)堿弱酸鹽等［1-2］。在工業(yè)水處理領(lǐng)域，堿度是衡量循環(huán)冷卻水和鍋爐用水質(zhì)量的指標(biāo)之一。水中的堿度和硬度在很大程度上決定了水中結(jié)垢傾向和腐蝕傾向，而水處理配方也是主要針對(duì)水中的堿度而配制的［3］。因此，對(duì)堿度的分析測(cè)定是水質(zhì)分析中的基礎(chǔ)項(xiàng)目。

堿度測(cè)量的方法主要有目視比色法、電位滴定法和分光光度法。目視比色法分析原理比較簡(jiǎn)單，但易引入人為誤差。電位滴定法依靠電極電位的突躍來(lái)指示滴定終點(diǎn)，精確度較高，即使水體渾濁或者自帶顏色也不影響滴定終點(diǎn)的判斷［4］，但是滴定過(guò)程長(zhǎng)，操作繁瑣費(fèi)時(shí)，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜［5-6］。分光光度法是根據(jù)朗伯-比耳定律計(jì)算溶液中物質(zhì)濃度，這種方法設(shè)備復(fù)雜，測(cè)量中信號(hào)靈敏度受多個(gè)環(huán)節(jié)影響，被測(cè)物質(zhì)溶液顏色與測(cè)量的吸光度值之間由于光源的復(fù)色也會(huì)造成偏差。因此，本文利用顏色檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量裝置。它以目視比色法原理為基礎(chǔ)，利用TCS230傳感器替代人類視覺(jué)，結(jié)合圖像檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)識(shí)別滴定終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量。

1 測(cè)量裝置工作原理

該裝置硬件主要包括計(jì)算機(jī)、蠕動(dòng)泵、圖像采集與磁力攪拌器控制模塊、數(shù)字圖像傳感器、無(wú)影穩(wěn)壓光源等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

蠕動(dòng)泵采用保定蘭格恒流泵BQ50-1J，具有RS485通信功能，可通過(guò)上位機(jī)控制其啟、停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。圖像采集和磁力攪拌器控制模塊將采集顏色數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)要求控制磁力攪拌器轉(zhuǎn)速;無(wú)影穩(wěn)壓光源是大恒圖像系列背景光源，它將LED環(huán)繞在擴(kuò)展板周圍，高密度排列在一起，且通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可發(fā)出均勻穩(wěn)定的光線;光線從有色溶液后面照射，為攝像頭提供穩(wěn)定的溶液顏色信息;暗室采用自制的不透明金屬盒，以排除外界光線對(duì)溶液圖像產(chǎn)生的干擾。

圖1 堿度測(cè)量裝置示意圖

圖2為整套測(cè)量裝置的原理框圖。在整套裝置中，TCS230顏色傳感器和單片機(jī)組成顏色采集單元;直流電動(dòng)機(jī)、信號(hào)放大器、光電耦合電路和單片機(jī)組成磁力攪拌器控制單元;單片機(jī)、RS232串口以及上位機(jī)LabVIEW組成通信單元;以恒流泵為主組成的自動(dòng)加藥單元。首先，上位機(jī)開(kāi)啟恒流加藥泵加藥，以PIC單片機(jī)為核心的下位機(jī)采集和控制單元根據(jù)上位機(jī)的指令實(shí)時(shí)采集加藥過(guò)程中待測(cè)樣本的顏色，然后上位機(jī)對(duì)顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、保存，自動(dòng)判斷酚酞堿度的滴定終點(diǎn)。滴定過(guò)程中，上位機(jī)依據(jù)顏色的變化，發(fā)送指令至單片機(jī)以控制磁力攪拌器轉(zhuǎn)速。

2 硬件結(jié)構(gòu)

主要介紹顏色采集單元和磁力攪拌器控制單元。

2.1 顏色采集

圖2 酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

TCS230是TAOS公司推出的光電頻率的轉(zhuǎn)換器，它在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)三種濾光器，把可配置的硅光二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上。當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，TCS230只允許某種特定的顏色通過(guò)，阻止其他原色通過(guò)。TCS輸出的信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL和CMOS邏輯輸入，也可以直接與微處理器或者其他邏輯電路連接。TCS230具有每個(gè)顏色通道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，且輸出為數(shù)字量，所以不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單，TCS230的引腳和原理框圖如圖3所示。

圖3 TCS230引腳封裝和功能框圖

2.2 磁力攪拌器控制單元

磁力攪拌器利用磁性物質(zhì)同性相斥的特性，通過(guò)不斷變換基座的兩端的極性來(lái)推動(dòng)磁性攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)。本裝置利用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)條形永磁體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)推動(dòng)攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定磁場(chǎng)的變化速度，進(jìn)而決定了磁力攪拌子的轉(zhuǎn)速。本單元的的核心就是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小型直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

單片機(jī)采用Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)產(chǎn)品PIC16F877。芯片采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)和哈佛總線結(jié)構(gòu)。該單片機(jī)集成了多個(gè)外圍模塊，有3個(gè)定時(shí)器(TMR0、TMR1、TMR2);2個(gè)輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制模塊(CCP1、CCP2);10位A/D轉(zhuǎn)換器;通用同步/異步收發(fā)器(USART);以及5個(gè)雙向I/O端口等。

改變直流電動(dòng)機(jī)的方法主要有勵(lì)磁控制法和電樞電壓控制法。在電樞電壓控制法中，脈寬調(diào)制技術(shù)需用的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，功率因數(shù)高，電流波形好，附加損失小，因此得到廣泛應(yīng)用［7］。CCP1模塊和 CCP2模塊是PIC16F877芯片的重要組成部分，它們有3種工作方式(捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調(diào)制方式)。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時(shí)，可以在兩個(gè)引腳(RC1、RC2)輸出兩路分辨率高達(dá)10位的PWM信號(hào)，用程序語(yǔ)句控制PWM信號(hào)的周期和高電平持續(xù)時(shí)間，從而控制電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速目的。

在磁力攪拌器控制單元中，為提高系統(tǒng)的抗干擾性，在單片機(jī)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大電路之間用光電耦合器(TLP521)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。放大單片機(jī)輸出信號(hào)采用集成電路L298，在其內(nèi)部集成了2個(gè)H橋以及橋臂上開(kāi)關(guān)管的推動(dòng)電路、防止橋臂直通的控制邏輯電路。L298芯片內(nèi)有兩個(gè)相同的模塊，可以控制兩個(gè)直流電機(jī)，使用兩路PWM信號(hào)對(duì)其施加調(diào)速控制。每個(gè)模塊有3個(gè)控制輸入端:一個(gè)使能端和兩個(gè)方向控制端。3個(gè)輸入端的控制電平與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系如表1所示。其中H表示高電平，L表示低電平，X表示高電平或低電平。

表1 L298控制信號(hào)與直流電機(jī)轉(zhuǎn)向關(guān)系表

3 實(shí)驗(yàn)方法

以酚酞為指示劑測(cè)量水的酚酞堿度，當(dāng)pH大于8.3時(shí)，溶液呈粉紅色，pH值越高，顏色越深。滴定過(guò)程中，隨著pH值不斷降低，粉紅色的溶液其顏色逐漸變淺，最終變?yōu)闊o(wú)色，即在白色背景光源下，同一樣本在滴加酚酞之前和達(dá)到滴定終點(diǎn)之后的所呈現(xiàn)的顏色應(yīng)該是基本一致的。

在RGB顏色空間中，歐氏距離是描述顏色相似性的簡(jiǎn)單度量之一［8］。設(shè)有兩個(gè)顏色值(r1，g1，b1)、(r2，g2，b2)它們的歐氏距離由下式給出:

D越小表明顏色相似性越高。加藥過(guò)程中，如果磁力攪拌器攪拌速度太快，測(cè)定池中間會(huì)形成較大漩渦，影響采集到顏色值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性;如果攪拌速度過(guò)慢，滴定速度太快，就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不夠充分，出現(xiàn)較長(zhǎng)延遲;如果滴定速度較慢，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，儀器測(cè)量的快捷性較差。為了解決儀器準(zhǔn)確性與快捷性之間的矛盾，本裝置將蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速和攪拌器的速度分別設(shè)為高、中、低三檔，測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)顏色相似程度，自動(dòng)進(jìn)行檔位之間的切換。在開(kāi)始階段，由于堿度值較高，采集到顏色值穩(wěn)定性要求不高，可以快速加藥，快速攪拌。在快要接近滴定終點(diǎn)時(shí)，慢速加藥，慢速攪拌，以求獲得較為準(zhǔn)確穩(wěn)定的溶液顏色值。

酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量裝置的總體工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

測(cè)量的具體步驟如下:

1)取200 mL待測(cè)樣本加入測(cè)定池，采集顏色值作為參考。

2)手工加入酚酞指示劑。

3)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速50 r/s;滴加藥品;攪拌子高速旋轉(zhuǎn);采集顏色值每秒1次，計(jì)算顏色相似性。

4)如果顏色相似性小于 25，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速30 r/s;攪拌子中速旋轉(zhuǎn);采集顏色值每秒1次，計(jì)算顏色相似性。

5)如果顏色相似性小于 10，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速10 r/s;攪拌子低速旋轉(zhuǎn);采集顏色值每秒1次，計(jì)算顏色相似性。

6)顏色相似性小于3，停止加藥，停止攪拌，停止采樣。

7)計(jì)算酚酞堿度，顯示結(jié)果。

裝置以0.05 mol/L的H+(HCl)溶液作為滴加藥品，在實(shí)驗(yàn)之前分別標(biāo)定蠕動(dòng)泵高、中、低速下的滴加速度。酚酞堿度計(jì)算公式為

式中:(JD)酚酞為酚酞堿度，mmol/L;CH+為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的氫離子濃度，mol/L;V為滴定終點(diǎn)酸溶液消耗的體積，mL;單位V樣為所取水樣的體積，mL。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以TCS230顏色傳感器檢測(cè)前端的酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量裝置，通過(guò)對(duì)被滴定溶液的顏色值與初始值的相似性來(lái)判斷滴定終點(diǎn)。實(shí)踐表明，該裝置測(cè)量循環(huán)水酚酞堿度，方便快捷，準(zhǔn)確度高能夠取代目視比色法對(duì)工業(yè)冷卻循環(huán)水酚酞堿度自動(dòng)測(cè)量，提高了電廠循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度。

［1］鄭書忠.循環(huán)冷卻水水質(zhì)及水處理劑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003(10):15.

［2］王麗華，葉文紅，戴萬(wàn)紅.循環(huán)冷卻水中堿度、鈣和總硬快速測(cè)定法研究［J］.包鋼科技，2005，31(6):25-27.

［3］劉漢波.工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析中的硬度和堿度測(cè)定［J］.冶金動(dòng)力，2005(2):62-65.

［4］周曉平.淺議基于電位分析法的煤中氟氯含量測(cè)定算法［J］.中國(guó)儀器儀表，2008(10):81-83.

［5］姚小紅，張滌，柳莉.用電位滴定法測(cè)定工業(yè)用氫氧化鈉中氫氧化鈉和碳酸鈉的含量［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2006(4):96-97.

［6］馮俊賢，李素娟，郄文娟，等.兩點(diǎn)電位滴定法及其應(yīng)用［J］.分析化學(xué)，2002，30(3):337-341.

［7］張紅娟，李維.基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2005，22(2):10-12.

［8］Rafacel C.Gonzalez，Richard E.Woods.數(shù)字圖像處理［M］.阮秋琦，阮宇智等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2007，263.