智能化便攜式水質(zhì)檢測儀的設(shè)計

劉園園

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系，廣東 韶關(guān)512126)

水是寶貴的自然資源，水的質(zhì)量既影響工業(yè)生產(chǎn)又影響人民的日常生活，受到越來越多的關(guān)注。因此，進行水質(zhì)檢測以保證各行業(yè)用水的質(zhì)量既有重大的經(jīng)濟意義，又有重要的社會意義。目前對水質(zhì)指標的檢測主要依靠檢測室的分析設(shè)備，這些設(shè)備體積約為600 mm×500 mm×400 mm，檢測耗時較長、且價格昂貴，不適于目前水質(zhì)檢測廣泛應(yīng)用的需要［1］。飲用水水質(zhì)監(jiān)測和污染物排放總量控制的實施，對水質(zhì)檢測儀器質(zhì)量提出了更高要求，迫切需要開發(fā)自動化程度高、快速、準確、攜帶方便的小型檢測儀器。根據(jù)上述要求，文中研制了一種便攜式水質(zhì)檢測儀，該設(shè)備體積大小為195 mm×150 mm×60 mm，具有操作簡單、準確度高、攜帶方便等特點。

1 水質(zhì)檢測理論分析

1.1 檢測理論分析

光度分析技術(shù)是利用物質(zhì)具有對光的選擇性吸收特征而建立的一種定量和定性分析方法，又稱分光光度法或吸收光度法。光度分析技術(shù)作為一種常見的儀器分析方法，以其操作簡便、準確快速、靈敏穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域［2］。

吸收光譜用于定量分析的基本方法是:用選定波長的光照射被測物質(zhì)，測定其吸光度，再根據(jù)吸光度計算被測組分的含量。計算吸光度的理論依據(jù)是郎伯－比爾定律:當一束平行單色光通過均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時，溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。由此可得到如下公式

其中，A為吸光度;T為透射比;It為透射光強度;Io為入射光強度;L為吸收介質(zhì)厚度，一般以cm為單位;C為吸光物質(zhì)的濃度，單位可以是g/L或mol/L，系數(shù)K可以是吸收系統(tǒng)或摩爾吸收系數(shù)。

吸光度A具有可加性，即在含有兩種或多種吸收物質(zhì)的混合物中，某一波長處的總吸光度等于其中各組分分別在該波長處吸光度的算術(shù)和，可表示為

1.2 水質(zhì)參數(shù)檢測

本文采用光度法原理進行水質(zhì)參數(shù)的檢測。以光電傳感器作為檢測器件，將照射光強度轉(zhuǎn)化為電流強度，產(chǎn)生的光電流與照射光強度成正比，所以光電傳感器的光電流大小可反映待檢測參數(shù)濃度的大?。?］。然而，實際測量時，因電流信號較小，需將其放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號

則透射光強度與待測電壓的關(guān)系為

將上式帶入式(2)，從而推導(dǎo)出溶液濃度與待測電壓的關(guān)系為

由上式可知，可先測出溶液濃度為零時的電壓值U0，可在純凈水條件下測得;再檢測待測溶液，根據(jù)實時測量的電壓值Ut，計算出待測水質(zhì)參數(shù)濃度值C。

2 系統(tǒng)設(shè)計

綜合分析各種水質(zhì)測量方法，本文采用光度法原理進行檢測，利用單色LED產(chǎn)生特定波長的光，光源透過測試的樣品后，部分光源被吸收，計算樣品的吸光值，根據(jù)樣品的吸光值與濃度成正比，針對誤差修正分析，采用綜合數(shù)字濾波、曲線擬合算法，經(jīng)由DSP處理器進行數(shù)據(jù)處理，可測得高精度的溶液濃度，同時該水質(zhì)檢測儀具有可存儲、實時性強的功能。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由LED單色光源、光槽、光電傳感器、測量放大電路、濾波電路、顯示電路、報警指示、按鍵電路、電源電壓檢測電路、USB接口電路及DSP處理器TMS320LF2407等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用TMS320LF2407處理器作為控制核心。選用可產(chǎn)生特定波長的LED作為單色光源，透過光槽中安裝定量水的透明玻璃瓶，經(jīng)光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大濾波電路對電信號進行處理，將放大濾波處理后的信號經(jīng)DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對采集的信號進行處理、存儲和顯示，還可根據(jù)情況進行報警輸出［4］。另外，還設(shè)計了雙模式USB接口電路，在主動模式下，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的U盤快速存儲。并在從動模式下與計算機USB接口相連，將水質(zhì)測量數(shù)據(jù)上傳到計算機進行存儲管理［5］。

2.2 光源選擇

由于不同的水質(zhì)參數(shù)對光源波長的吸光度不同，且光源的單色性直接影響到測量的精度和穩(wěn)定度。因此，需選用單色性較好的微型光源。由于本文主要對水質(zhì)中的5種參數(shù)進行檢測，分別為臭氧、余氯/總氯、六價鉻、氨氮、濁度。其中臭氧和余氯/總氯對波長為510 nm的光吸收性較好，六價鉻對波長為540 nm的光吸收性較好，氨氮對波長為700 nm的光吸收性較好，而濁度對波長為640 nm的光吸收性較好［6］。根據(jù)這5種水質(zhì)參數(shù)對相應(yīng)光波長的吸收特性，文中選用波長為510 nm的LED作為測定臭氧、余氯/總氯的光源，選用波長為540 nm的LED作為測定六價鉻的光源，選用波長為700 nm的LED作為測定氨氮的光源，選用波長為640 nm的LED作為測定濁度的光源。利用這4個LED構(gòu)成光源組，根據(jù)測試參數(shù)的不同，通過DSP處理器選通相應(yīng)的LED，如圖2所示。

3 吸光度與溶液濃度關(guān)系的算法分析

應(yīng)用郎伯－比爾定律定量分析溶液時，其基本條件是必須為稀溶液。在高濃度時，可能會有如下兩種原因造成吸光度與濃度關(guān)系不成線性［7］。

第一種原因是溶液的濃度高，可能會影響溶液中微粒間的電荷分布，這種相互影響的程度與濃度有關(guān)，濃度越大微粒數(shù)量越多，而微粒間電荷影響也越大。從而會影響吸光度與濃度的線性關(guān)系。

第二種原因是折射率問題。物質(zhì)的吸收系數(shù)與溶液的折射率有如下關(guān)系

式中，k為物質(zhì)的吸光系數(shù);a為常數(shù);n為溶液的折射率。

低濃度時，折射率可視為常數(shù)，式(2)的k值為常數(shù)，溶液才遵從郎伯－比爾定律。濃度較高時，折射率隨濃度增高而增高，k值隨之增大，由式(2)和式(8)可知，吸光度與濃度關(guān)系為

根據(jù)式(9)中吸光度與濃度的曲線關(guān)系，采用最小二乘法擬合成直線，求出擬合系數(shù)，此處采用最常用的線性函數(shù)。

圖2 光源切換電路圖

則吸光度和溶液濃度的關(guān)系表達式為

其中，k為一次項系數(shù);b為常數(shù)，再根據(jù)式(11)編寫模塊化程序，運行中直接調(diào)用即可求出線性函數(shù)的擬合系數(shù)k、b。

4 實驗結(jié)果及分析

本文主要對水質(zhì)參數(shù)檢測進行了研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了便攜式水質(zhì)檢測儀。作為一種實用型儀器，其測量數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)的精度是極為重要的，這里選用水質(zhì)參數(shù)中的余氯數(shù)據(jù)進行分析論證。

表1 樣機余氯原始數(shù)據(jù)

以上是對不同濃度的標準樣品，采用自制的水質(zhì)檢測儀測量得到的AD采樣值、吸光度，以及利用郎伯－比爾定律和曲線擬合算法計算得出的樣機余氯濃度值原始數(shù)據(jù)。為了對樣機濃度進行修正，采用最小二乘法算法并用大量實驗數(shù)據(jù)計算得出余氯濃度修正函數(shù)為

根據(jù)所得的余氯濃度修正函數(shù)，繪制出其修正圖，如圖3所示。

圖3 余氯濃度修正函數(shù)圖

其中灰線表示實際值，黑線表示采用最小二乘法算法修正后的函數(shù)值。從圖中可以看出，修正后的函數(shù)值與實際值接近，符合測量要求。

5 結(jié)束語

本文研制的智能化便攜式水質(zhì)檢測儀著重的提高了系統(tǒng)測量精度，通過對吸光度在溶液中、高濃度非線性度的分析，采用最小二乘法建立吸光度和溶液濃度之間的關(guān)系，簡化了數(shù)學模型，并在其實際應(yīng)用中，展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和線性度，對中、高濃度的測量結(jié)果則更加精確，不但增加了用戶的可信度，且具有較高的性價比，可滿足不同行業(yè)對水質(zhì)快速檢測的要求。

［1］ 王奎蘭，吳清平等.水質(zhì)快速分析技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代儀器，2005(5):54－56

［2］ 齊文啟，陳光，孫宗光.水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和儀器的發(fā)展［J］.現(xiàn)代科學儀器，2003(6):8－12

［3］周夢然.分布式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)，2000(8):36－38.

［4］ 盧文華，范新明，景旭.水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)［J］.鹽城工學院學報，2002，15(1):50－52.

［5］ 崔學雷.水質(zhì)分析儀在城市垃圾污水處理中的應(yīng)用［J］.傳感器世界，2000(12):27－29.

［6］VAILLANT S，POUET M F，THOMAS O.Basic handlinn of UV Spectra for urban water quality monitorinn［J］.Urban Water，2002，4(3):273－278.

［7］FRANKOVICH T A，JONES R D.A rapid，precise and sensitive method for the determination of total nitrogen in natural waters［J］.Marine Chemistry，1998，60(3):227－234.