雙散射光式水質(zhì)濁度測量及非線性補(bǔ)償方法的研究

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 汪學(xué)明

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雙散射光式水質(zhì)濁度測量及非線性補(bǔ)償方法的研究

天地（常州）自動化股份有限公司 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 汪學(xué)明

【摘要】本文在兩種光式90°散射法和表面散射法水質(zhì)濁度測量的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于90°散射與表面散射相結(jié)合的雙散射光式濁度測量技術(shù)方案，該技術(shù)設(shè)計(jì)方案可在滿足測量精度的同時(shí)顯著提高濁度傳感器的測量量程范圍。

【關(guān)鍵詞】濁度；雙散射法；非線性補(bǔ)償

0.引言

水的濁度是衡量水質(zhì)良好與否的重要標(biāo)準(zhǔn)，我國是一個(gè)水資源匱乏的國家，也是水污染嚴(yán)重的國家，每年都有大量的未經(jīng)處理的污水排入湖泊河流，面對日益嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢，為了更好的保護(hù)和改善水環(huán)境，國家正在大力發(fā)展水質(zhì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，因此，對水體濁度的在線檢測具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，濁度的測量大多基于光電的測量原理，這是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)的化學(xué)分析方法，光學(xué)測量具有測量速度快、精度高、成本低、實(shí)時(shí)在線檢測等諸多優(yōu)勢。常見的基于光學(xué)測量原理的方法有透射法和散射法。透射法通過測定水體的吸光度反映濁度，該方法易受到水體色度的干擾。散射法與透射法相比，在低濁度下具有檢測下限低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)并且90° 散射法也是ISO7027水質(zhì)濁度的測量中規(guī)定的濁度測量方法。但是90°散射法測量范圍較窄，因?yàn)樵诟邼岫认掳l(fā)生的多次散射現(xiàn)象，使散射光強(qiáng)度迅速下降，這時(shí)測得的散射光強(qiáng)度值已不能正確反映真實(shí)的濁度值。

本文提出了一種新型的濁度測量方法，即雙散射光式濁度檢測法。在測量90°散射光的基礎(chǔ)上，增加對表面散射光的測量。在低濁度范圍內(nèi)使用90°散射法的測量值，在高濁度使用表面散射法的測量值，通過對檢測濁度值進(jìn)行非線性補(bǔ)償處理，可顯著提高濁度測量值的精度和測量量程。

1.雙散色光檢測基本原理

圖1　雙散射光式測量原理

雙散射廣式測量原理如圖1所示，X軸下方充滿溶液，有一光強(qiáng)為I0的細(xì)平行光束沿θ角入射到溶液中，根據(jù)比爾—朗伯定律到達(dá)m 處的光強(qiáng)Ix 為：

（1）式中T為濁度，I0為入射光強(qiáng)，K1為吸收系數(shù)。光束傳播到m處，其90°方向的散射光，經(jīng)過溶液傳播衰減后，在x處的光強(qiáng)Is 為：

（2）式中Ks 為散射系數(shù)。將式（1）帶入式（2）得到：

在位置x 處取無窮小量dx，設(shè)通過該區(qū)域的散射光強(qiáng)dIs為：

在x1～x2 的范圍內(nèi)，即濁度檢測光電二極管的接收范圍內(nèi)，所能接收到的90°方向的散射光，經(jīng)過溶液傳播衰減后，總的散射光強(qiáng)Iss為：

式中Kss = KsSinθ，K11 = K1（sin θ+ cos θ），Δx = x2 - x1 ，可見總散射光強(qiáng)度與濁度T 不是線性關(guān)系。用泰勒級數(shù)將式（3）展開，略去二階無窮小量得到：

由此可見，散射光強(qiáng)Iss與濁度T和Δx呈正比。

表面散射法與90°散射法不同的是它測量樣品淺表層的散射光。在樣品濁度較高時(shí)，對90°方向上散射光起作用的樣品長度很小，只在表面薄薄的一層，可有效降低高濁度下的多次散射現(xiàn)象，其原理如圖1所示。此時(shí)表面散射的總散射光強(qiáng)Iss為：

（4）式中x3 為光電二極管的接收范圍，由此式可以得出表面散射光強(qiáng)I' ss-T 關(guān)系的非線性程度較式（3）有較大改善，通過泰勒級數(shù)將上式展開，略去二階無窮小量得：

由上式可知，表面散射光強(qiáng)I' ss與濁度T 和x3 呈正比。綜上可知，表面散射法可以有效彌補(bǔ)90°散射法的不足，在較大的濁度范圍內(nèi)進(jìn)行測量還能獲得較好的線性關(guān)系。

2.濁度傳感器檢測電路設(shè)計(jì)

濁度傳感器檢測電路主要包括光源與光電傳感器和信號檢測電路兩個(gè)部分。

2.1光源和光電傳感器

光源和光電傳感器的選擇直接決定了傳感器信號的精度和穩(wěn)定程度。濁度傳感器需要光源具有使用壽命長，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。由于濁度引起的散射光強(qiáng)的變化往往十分微弱，需要光電接收器件在與光源的頻率匹配的同時(shí)具有較高的靈敏度。

本系統(tǒng)采用850nm高亮度發(fā)光二極管作為光源，紅外發(fā)光二極管是電流型驅(qū)動器件，其亮度與電流近似成線性關(guān)系，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命，使用恒流源電路進(jìn)行供電。

圖2　發(fā)光二極管恒流源電路

圖3　檢測電路原理框圖

2.2信號檢測電路

濁度傳感器的輸出信號大多為模擬電壓信號或電流信號，光電傳感器輸出的模擬信號往往比較弱，而且常常伴有噪聲和突發(fā)性干擾脈沖，需采取若干措施，以實(shí)現(xiàn)信號的放大、濾波和抗干擾。為此信號抗干擾能力，檢測部分采用 V/F （LM331）轉(zhuǎn)換光電隔離。

3.測量的非線性補(bǔ)償

在實(shí)際測量中，測量也不是完全非線性的，需要采取一定的方法來改善線性程度。濁度測量的非線性度一般要求小于2%，隨著濁度的增大，不經(jīng)過補(bǔ)償是達(dá)不到這個(gè)要求的。因此可以采用以下兩種方法來實(shí)現(xiàn)散射光和濁度的線性關(guān)系。常用的采用分段折線補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行非線性補(bǔ)償。

3.1單片機(jī)查表法

通過實(shí)驗(yàn)或其他方法較準(zhǔn)確地得到光強(qiáng)和濁度值的逐點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，列表存入濁度測量的單片機(jī)內(nèi)部的 FLASH 中。標(biāo)定時(shí)，求出查表得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際濁度的比例系數(shù)。

測量時(shí)通過光強(qiáng)值 查得 對應(yīng)的濁度值，乘上比例系數(shù)，即為實(shí)際濁度值。理論上講，這種方法只要一個(gè)點(diǎn)標(biāo)定，使用很方便。但實(shí)際上由于光學(xué)系統(tǒng)加工、安裝上的誤差，每臺濁度傳感器的曲線都不完全一樣，用同一表格誤差太大，使用不同的表格在批量生產(chǎn)中又顯然是不可行的。改進(jìn)方法是分段多點(diǎn)標(biāo)定，每段通過標(biāo)定得到對應(yīng)的比例系數(shù)，各段比例系數(shù)都不相同。測量時(shí)由查表得到的數(shù)據(jù)乘上相應(yīng)段的比例系數(shù)，即為濁度值。當(dāng)光學(xué)參數(shù)誤差不太大時(shí)，這種方法能取得較好的效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡單，標(biāo)準(zhǔn)液的誤差，只影響其附近對應(yīng)小部分的值，且誤差總是小于等于標(biāo)準(zhǔn)液的誤差。

3.2分段折線補(bǔ)償法

具體的方法是使用不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，每兩個(gè)標(biāo)定值之間為一條直線，確定各條直線的斜率，連接成折線。實(shí)際測量時(shí)，可以根據(jù)測量值的大小確定落在哪條直線上，再根據(jù)斜率計(jì)算得到濁度值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方便，標(biāo)準(zhǔn)溶液的誤差只影響到其附近值，且誤差總是小于等于標(biāo)準(zhǔn)溶液誤差，對光學(xué)參數(shù)的誤差也無太高要求。實(shí)際測量中，由于分段折線補(bǔ)償計(jì)算方便，不像查表法需要數(shù)據(jù)表格，易于實(shí)現(xiàn)。對光學(xué)參數(shù)和標(biāo)定液的誤差也比多項(xiàng)式補(bǔ)償法小很多，是一種較常用的非線性補(bǔ)償方法。由于設(shè)計(jì)的濁度傳感器輸出脈沖信號，通過確定標(biāo)定點(diǎn)濁度與對應(yīng)的頻率值間的關(guān)系，計(jì)算出分段折線函數(shù)，就可得到濁度值。

圖4　分段式非線性補(bǔ)償

4.結(jié)語

本文通過對雙散射光式濁度傳感器測量原理進(jìn)行分析，對信號采集電路和非線性補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了分析探討。該濁度傳感器測量采用基于90°散射和表面散射相結(jié)合的雙散射光式測量方法，在低濁度范圍內(nèi)使用90°散射法，在高濁度使用表面散射法的測量法，并對幾種非線性補(bǔ)償方法進(jìn)行了具體分析，雙散射光式濁度檢測方法可顯著提高濁度傳感器的測量量程和測量精度。

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作者簡介：

汪學(xué)明（1983—），男，安徽安慶人，工程師，主要研究方向：礦山自動化及監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)常州研究院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號15SY002）。