直接投入式水質(zhì)濁度儀的設(shè)計與實現(xiàn)

黃 鴻，陳 杰，黃云彪

(1.重慶大學光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點試驗室，重慶 400044；2.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

水的濁度是由粘土、微小的無機物、有機物、浮游生物和其他微生物等懸浮物所引起的。很多疾病的傳播就是由于一些病毒以及細菌附著在這些細小的顆粒上，降低了臭氧、氯離子等對水的殺菌消毒作用所導(dǎo)致的。因此，水質(zhì)的濁度測量有著非常重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

濁度測量的歷史大致分為三個階段[3]。最開始濁度的測量是目視法，即靠人們的眼睛來觀測，其使用的光源也是原始的燭光，測量非常不準確。后來人們使用鎢燈代替燭光，使用光電轉(zhuǎn)換器件代替肉眼，使得測量變得精確。特別是進入20世紀90年代，出現(xiàn)了激光光源以及LED光源[4]，并且伴隨著光電探測器件的發(fā)展[5-6]，使得隨后出現(xiàn)的濁度儀測量精度以及測量范圍都得到了極大的提升。目前，國外的濁度測量技術(shù)較為領(lǐng)先，濁度儀的種類繁多，測量精度也較高。而國內(nèi)濁度儀的研究相對國外起步較晚，技術(shù)還存在一定的差距。

本文采用福爾馬肼(Formazine)聚合物溶液作為標液校準儀器[7]，并將專用探頭直接插入測試溶液進行檢測，不必用傳統(tǒng)的取樣方法就可以得到待測水質(zhì)的濁度值。

1 測量原理及方法

1.1 測量原理

當一束光射向待測液中，待測液中的物質(zhì)會和光線相互作用，產(chǎn)生折射、散射等現(xiàn)象。光在液體中的光學現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 光在液體中的光學現(xiàn)象

假設(shè)待測液中的介質(zhì)是均勻的。入射光強度為I0；穿過水樣的透射光強度衰減到It；K為摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度;b為吸收層厚度。朗伯-比爾定律的數(shù)學表達式為：

It=I0exp(-Kbc)

(1)

由朗伯-比爾定律的表達式可知，當摩爾吸收系數(shù)和吸收層厚度一定時，輸入光的強度和透射光的強度呈線性關(guān)系[8]。

水樣中顆粒的大小決定與光線的相互作用，散射分為瑞利散射和米氏散射。當入射光I0與半徑小于光波長的1/10的顆粒相互作用，在所有方向上均勻散射；當與半徑為光波長1/4左右顆粒發(fā)生相互作用，前向散射強烈，會發(fā)生瑞利散射；米氏散射是指當入射光與半徑大于光波長的粒子相互作用時，在發(fā)生前向散射的同時，側(cè)向散射強烈。該濁度儀使用福爾馬肼聚合物溶液作為標液，其懸浮物顆粒的直徑大于波長，主要發(fā)生的是米氏散射。米氏散射的數(shù)學描述為：

IM=KMANI0

(2)

式中：IM為米氏散射光強;I0為入射光強度;A為微粒表面積;N為單位液體中的顆粒數(shù);KM為散射系數(shù)，其中散射系數(shù)只與溶液的性質(zhì)有關(guān)。

由米氏散射定理可知，當入射光強度一定時，散射光強跟溶液的濃度成線性關(guān)系。

1.2 測量方法

濁度測量發(fā)展到現(xiàn)在，分為以下三種方式：目視法、分光光度法、儀器測量法[9]。而儀器測量法一般分為透射法、散射法和散射-透射比值法三種。散射測量法以其靈敏度高、測量準確而著稱[10]，按照散射光接收器件和入射光之間的角度不同，又分為垂直散射(=90°)、前向散射(<90°)和后向散射(>90°)。散射測量法如圖2所示。

圖2 散射測量法

已有研究結(jié)果表明，測量90°角方向上的散射光，受到待測液中散射粒子大小的變化影響最??；同時，由于光束的不嚴格平行，接收到的雜散光也是最小的。垂直散射法是國際標準ISO 7027水質(zhì)濁度測量中所規(guī)定的濁度測量方法[11]，各類濁度儀也是采用此方法進行液體的濁度測量。因此，采用垂直90°方向的散射法捕獲光信號。

2 濁度儀設(shè)計

濁度儀是一種直接投入待測液測量水樣濁度的儀器，主要由光源、光電探測器、I/V 轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及顯示電路構(gòu)成。其選用的主控芯片為STM32F103系列[12]。它的內(nèi)核Cortex-M3具有強大的異常響應(yīng)功能，所有的菜單跳轉(zhuǎn)均由外部按鍵去觸發(fā)外部中斷執(zhí)行。相比傳統(tǒng)的取樣測量，該濁度儀由專用探頭直接插入待測液中進行測量，特別適合對液體濁度的快速測量[13]。

濁度儀結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 濁度儀結(jié)構(gòu)框圖

2.1 專用探頭設(shè)計

探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

光源選擇波長860 nm的紅外LED燈。LED具有壽命長、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定等優(yōu)點[14]。光電接收器件選擇硅光電池，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、接收光照面積大，有較高的響應(yīng)特性且在860 nm處有較好的靈敏度[15]。光源由恒壓源驅(qū)動電路驅(qū)動點亮后，透過透鏡[16]，然后打在待測液中，通過光闌，由光電池接收90°方向的散射光。透射光由一個黑屏吸收，以便最小化反射光對測量的影響。其中，透鏡的作用是匯聚光線，在光電池的前面安裝一個光闌，使得光電池接收到光的角度受到限制，基本上為90度，且可以減少雜散光的干擾。其次，兩個光闌以及透鏡都可以起到隔絕探頭內(nèi)部器件與待測液的作用。

經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)驗證，光電池接收到的電信號會受到外界物理環(huán)境干擾，主要是光線變化的影響，導(dǎo)致信號的不穩(wěn)定，最終會影響后期的信號處理。故需要在專用探頭上加一個遮光罩，其作用是減小外界光線的干擾。遮光罩由Solid Works2014繪制，并由試驗室的3D打印機Maker Bot ReplicatorTM打印。

2.2 穩(wěn)壓電路

光源發(fā)光強度的穩(wěn)定程度影響整個儀器的性能，選用LM317直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，作為LED的驅(qū)動電壓?？烧{(diào)恒壓源電路如圖5所示。它不僅具有簡單形式的三端穩(wěn)壓電路，而且還具有可調(diào)節(jié)輸出電壓的特點。此外，它還具有較寬的調(diào)壓范圍、良好的穩(wěn)壓性能、低噪聲以及高紋波抑制比等優(yōu)點。

圖5 可調(diào)恒壓源電路

輸出電壓Uout的計算公式為：

(3)

因為IAdj小于100 μA，所以IAdjR6在大多數(shù)的應(yīng)用中都可以忽略不計。

2.3 I/V轉(zhuǎn)換電路

I/V轉(zhuǎn)換電路的作用是將光電池產(chǎn)生微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為供單片機采集的電壓信號。該濁度儀采用的運算放大器為AD795。它是一款低功耗、低噪聲的精密FET運算放大器。圖6是I/V轉(zhuǎn)換電路。圖6中：R1為反饋電阻;C1為抑制噪聲的濾波電容;R4為調(diào)節(jié)電位器，它的作用是調(diào)節(jié)輸出電壓，然后經(jīng)過一階RC低通濾波器去除尖峰噪聲，輸出的電壓output供MCU采集并由MCU作數(shù)據(jù)處理。

圖6 I/V轉(zhuǎn)換電路

2.4 E2PROM電路

本濁度儀需要用標液標定。在標定過程中，參數(shù)的寫入需要E2PROM芯片為其保存必要的數(shù)據(jù)，同時歷史數(shù)據(jù)也需要E2PROM芯片來保存，以保證這些數(shù)據(jù)在掉電之后也不會消失。E2PROM芯片使用AT系列的AT24C02。該類器件通過I2C總線操作。AT24C02共有256個字節(jié)，其內(nèi)存空間滿足本濁度儀數(shù)據(jù)存儲的需求。E2PROM電路如圖7所示。

圖7 E2PROM電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

該濁度儀的主菜單包括讀取測量值、標定以及查詢?nèi)齻€子菜單。讀取測量值包括一個數(shù)據(jù)保存子菜單，用來保存當前測量值。測量值采用比濁法濁度單位(nephelometric turbidity unit,NTU)。標定界面包含0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU四個標定點。查詢界面可以依次上、下循環(huán)查詢最近保存的20個歷史數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

儀器在使用和工作的過程中，隨著儀器的老化以及其使用環(huán)境的改變，濁度儀會發(fā)生零點偏移等問題，從而影響其可靠性以及精度。在使用一段時間之后，必須對儀器重新標定，更新各線段的斜率和截距寫入E2PROM芯片當中，保證測量的精度。

此外，由于溶液內(nèi)部的不穩(wěn)定和沒有完全消除的外界光線的干擾，最終在LCD屏顯示的測量結(jié)果會有一定的跳動。為了減小測量結(jié)果的跳動，采取在測量結(jié)果顯示模塊加上滑動窗口的方法減小跳動。具體做法如下：有一個數(shù)組buffer，其長度為5個數(shù)據(jù)大??；第一次顯示的數(shù)據(jù)是buffer的平均值；第二次顯示更新數(shù)組buffer第一個數(shù)據(jù)；去掉數(shù)組buffer的最后一個值，原來下標為0的數(shù)據(jù)往后移動一個位置存在下標為1的位置，原來下標為1的數(shù)據(jù)往后移動一個位置存在下標為2的位置。以此類推，再一次求取Buffer的平均值作為最后的測量值。

4 試驗

溶液的配置：溶液選取的是國際標準的福爾馬肼懸浮液作為標準溶液。將需要測試的溶液用4 000 NTU的福爾馬肼標液稀釋至指定的濃度。另外，零濁度水不能用蒸餾水去代替。因為其濁度值并不是0，需要嚴格按照規(guī)定，用孔徑不大于0.2 μm的微孔過濾蒸餾水2次以上，來獲得零濁度水。

4.1 穩(wěn)定性試驗測試

不同濃度的探頭試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同濃度的探頭試驗結(jié)果

前期制作專用探頭直接試驗，若外界的物理環(huán)境發(fā)生變化，當手在探頭外圍晃動，通過RS-232串口打印在PC端，發(fā)現(xiàn)單片機所采集到的A/D值不夠穩(wěn)定，最大差值達到10左右，最終會導(dǎo)致顯示的測量結(jié)果不夠穩(wěn)定。故后期在專用探頭上加上了遮光罩，再重新用40 NTU、100 NTU、600 NTU以及1 000 NTU四種濁度液進行了試驗。從該測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，即使用手在探頭外圍晃動，采集到的A/D值也趨于穩(wěn)定，最大跳動僅為2個A/D值。

4.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)配置好的溶液，分別對0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000一共15個點進行試驗。15個點的采樣A/D值如表1所示。

表1 15個點的采樣A/D值

根據(jù)表1中的試驗數(shù)據(jù)分析可知，把測量范圍分成0～100 NTU、100～400 NTU 以及400～1 000 NTU 這3段進行標定，可以得到比較理想的效果。標定時，只需要標定0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU 這4個點，即可得到這3段的斜率以及截距。對儀器進行校準后，就可以測量未知濃度的待測液。分段折線圖如圖10所示。

圖10 分段折線圖

在(0～100 NTU)范圍內(nèi)，連接(20,0)和(478,100)兩個標定點；在(100～400 NTU)范圍內(nèi)，連接(478,100)和(1 704,400)兩個標定點，在(400～1 000 NTU)范圍內(nèi)，連接(1 704,400)和(3 606,1 000)兩個標定點。

在(0～100 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達式為：

y=0.218x-4.37

(4)

在(100～400 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達式為：

y=0.245x-16.97

(5)

在(400～1 000 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達式為：

y=0.315x-137.54

(6)

式中:y為濁度值;x為采樣A/D值。

根據(jù)式(4)、式(5)和式(6)可知，隨著濃度的增加，斜率k值也在變大。其原因是濃度過大時，光線在溶液內(nèi)部發(fā)生多次散射，導(dǎo)致光電池接收到的光強度增加速度變緩。由此可知，隨著溶液的濃度不斷增加，濁度值與采樣A/D值將不會一直保持線性關(guān)系，故需要用分段的方法去標定儀器。儀器的誤差以及重復(fù)性是測量儀器非常重要的指標。重復(fù)性試驗如表2所示。

表2 重復(fù)性試驗

由表2可知，測量的最大示值誤差數(shù)據(jù)點為測量值1中的806.7 NTU，其示值誤差為6.7 NTU，但相對誤差僅為0.838%。相對誤差最大的數(shù)據(jù)點為測量值2中的19.3 NTU，其相對誤差為3.5%，重復(fù)性誤差最大為2.4%。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于近紅外LED的90°垂直散射式濁度儀。在0～1 000 NTU的測量范圍內(nèi)，根據(jù)試驗結(jié)果可知，該濁度儀測量精度高、重復(fù)性好、性能穩(wěn)定。與傳統(tǒng)型濁度儀相比，本濁度儀具有電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于制造等優(yōu)點。相比于一般的取樣測量，該濁度儀僅需將專用探頭直接插入待測液中就可進行測量，特別適合對液體濁度進行快速測量。