一種礦用高精度濁度傳感器

汪學明

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213015）

濁度是指溶液對光線通過時所產(chǎn)生的阻礙程度，是一種在用水企業(yè)生產(chǎn)過程中能夠間接反應設備使用情況的重要參數(shù)[1]。隨著近年來煤礦自動化水平不斷提高，相繼引入了井下水文監(jiān)測、井下水壩水質(zhì)在線監(jiān)測、礦井水質(zhì)在線監(jiān)測、井下設備/冷卻水在線監(jiān)測等系統(tǒng)[2]，所以亟需一種礦用水濁度檢測技術對井下用水的濁度進行檢測，從而間接了解設備的使用情況，采取不同的水處理措施，達到提供遠程監(jiān)控或提高自動化管理水平的目的。

1 礦用水質(zhì)濁度傳感器

光散射濁度檢測傳感器主要通過前端的硅電池接收光強度信號，硅電池將光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，再通過后級信號放大調(diào)理電路處理，再通過A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進入到內(nèi)部微處理器進行數(shù)據(jù)的運算和補償計算，再將最后計算的結(jié)果在液晶上進行數(shù)據(jù)顯示和信號輸出等。

1.1 水質(zhì)濁度傳感器硬件

傳感器硬件部分主要由4 個部分組成，包括電源電路模塊、光強電信號采集與調(diào)理電路模塊、顯示與輸出電路模塊和單片機微處理器模塊等。濁度傳感器硬件模塊主要組成圖如圖1。

圖1 濁度傳感器硬件模塊主要組成圖Fig.1 Main components of turbidity sensor hardware module

1）光源電路。紅外光發(fā)射部分采用進口紅外LED 反光二極管，波長為860 nm，發(fā)光二極管光強度與驅(qū)動電流成線性關系[3]，光強度的大小與穩(wěn)定性直接影響到接收的信號強弱，對傳感器測量精度影響較大，故設計時采用高精度恒流驅(qū)動電路，為保證參考電壓的穩(wěn)定，選用微功耗高精度電壓基準芯片LM285-2.5V，該芯片溫漂系數(shù)為20×10-6，大大提高了電壓基準隨環(huán)境波動的穩(wěn)定性，提高恒流源精度，減少溫度對濁度測量誤差的影響。

2）信號調(diào)理與處理電路。光電信號接收、放大與調(diào)理電路如圖2。硅電池將接收的光信號轉(zhuǎn)為微弱電信號[4]，后級對該微弱信號進行調(diào)理，主要采用電流I 到電壓U 轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，由于產(chǎn)生的光電流信號非常微弱，正常在pA 到μA 之間，所以要求后級集成運放芯片具有極低的偏置電流、超低噪聲、穩(wěn)定性高等特性[5]，采用高精度運算放大器TLV2372芯片做為信號調(diào)理放大芯片[6]，該運放在數(shù)據(jù)放大過程中存在一定的漂移和誤差，為了提高測量精度，在設計過程中設計了一補償電容C1，以減少漂移和抑制電流噪聲。通過放大調(diào)理輸出信號進入到后級模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，再進入到微處理器處理。電路中A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用16 位自校準高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，支持軟件可編程最大8 倍增益信號放大[7]，內(nèi)部放大器將前級差分信號進行放大后，將電壓信號調(diào)理到A/D 采集允許范圍內(nèi)，通過實驗測試轉(zhuǎn)換器的電壓測量有效精度可達到12 位以上。ADS1100 芯片和微處理器采用串行I2C 串行總線通信，抗干擾能力強[4]，微處理器采集模擬電壓數(shù)據(jù)后進行數(shù)字濾波，包括中值濾波、平均值濾波算法等，再對測量結(jié)果對數(shù)據(jù)進行軟件補償。

圖2 硅電池光信號接收轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Silicon cell optical signal receiving and converting circuit

3）顯示電路。為滿足煤礦井下光線較差的特殊環(huán)境要求，傳感器采用自發(fā)光OLED 點陣液晶屏，設計采用清達光電128×64 點陣液晶屏HGS128647，該液晶內(nèi)置SSD1305 控制器[8]，通過串行總線為微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫，實現(xiàn)簡單可靠，該液晶顯示屏工作溫度范圍較傳統(tǒng)普通液晶寬，工作環(huán)境溫度范圍為-40～+85 ℃，由于采用了自主發(fā)光顯示，顯示時需要點亮的點陣通電，其他部分不通電，液晶正常顯示時功耗為30 mA 左右，小功耗設計非常適合煤礦井下本質(zhì)安全供電和傳輸?shù)囊蟆?/p>

4）通訊電路。傳感器RS485 通訊總線接口電路采用MAX3072 芯片設計[9]，RS485 總線接口電路如圖3，電路中V7三極管電路主要是讓傳感器上電時處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，為提高總線通信抗電磁干擾能力，達到煤礦傳感器設計要求的2 級電磁輻射、2 級脈沖群抗和直流電源與信號端口2 級浪涌（沖擊）抗擾度試驗，實現(xiàn)接口的可靠保護，在總線A、B 線上選用3 個TVS 管SMBJ17CA 實現(xiàn)瞬變電壓抑制鉗位保護，采用共模扼流圈用于增強抑制共模干擾能力，放電管主要用作過壓、雷電和靜電保護[10]。傳感器設計1 路電流輸出接口，設計采用專用電流輸出芯片AD5410 集成電路設計，接口電路簡單信號輸出可靠。電流信號驅(qū)動輸出電路如圖4。

圖3 RS485 總線接口電路Fig.3 RS485 bus interface circuit

圖4 電流信號驅(qū)動輸出電路Fig.4 Current Signal Drive Output Circuit

5）微處理器及外圍電路。傳感器微處理器采用C805lF340，該芯片為美國Cygna 公司混合信號系統(tǒng)級芯SoC[11]，采用小型貼牌48 腳LQFP 封裝，供電電壓范圍為2.7～3.6 V，設計時采用3.3 V 電源供電。同時，該處理器芯片集成度高，I/O 端口支持可編程調(diào)整，在PCB 布線時可根據(jù)實際情況調(diào)整，該處理器支持在線C2 編程調(diào)試與在線仿真，也支持脫機下載程序，而且過程簡單、操作方便。處理器內(nèi)部FLASH 集成了掉電存儲可擦寫數(shù)據(jù)存儲單元[12]，為保證存儲數(shù)據(jù)可靠，外圍電路采用EEPROM 存儲芯片CAT24C02（N6），實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的雙備份，保證存儲的數(shù)據(jù)可靠與安全。微處理器及外圍接口電路如圖5。

圖5 微處理器及外圍接口電路Fig.5 Microprocessor and peripheral interface circuit

1.2 水質(zhì)濁度傳感器軟件

濁度傳感器總體軟件設計框圖如圖6。

水質(zhì)濁度傳感器軟件設計主要由單片機系統(tǒng)的基本參數(shù)配置、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換后信號的采集、信號的數(shù)字濾波處理、計算與補償、數(shù)據(jù)顯示、總線通訊和報警控制等部分組成。濁度傳感器上電后微處理器首先關內(nèi)部看門狗操作，初始化配置各種系統(tǒng)參數(shù)，如時鐘、輸入輸出口狀態(tài)、定時器和中斷源，另外還需對液晶驅(qū)動器進行初始化設置，濁度傳感器對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1100 通過I2C 串行總線讀寫數(shù)據(jù)，將讀取的串行總線數(shù)據(jù)進行軟件濾波處理，采用MATLAB 仿真計算出的公式對濾波后的數(shù)據(jù)進行擬合，最后將得出的數(shù)據(jù)進行比較判斷，如果大于傳感器內(nèi)部設定報警門限值，則驅(qū)動外部蜂鳴器報警提示，并且將運行處理的數(shù)據(jù)在OLED 液晶屏上顯示。

圖6 濁度傳感器總體軟件設計框圖Fig.6 Overall software design diagram of turbidity sensor

2 測量數(shù)據(jù)分析與MATLAB 曲線擬合

濁度傳感器通過配置福爾馬肼標準濁度溶液來標定與驗證其測量精度和誤差，在0～1 000 NTU 范圍內(nèi)配置了6 種濃度溶液，在測量前采用0 NTU 和1 000 NTU 2 種溶液對傳感器進行初始化2 點標定，再將標定后的傳感器放入其他濃度溶液中測量數(shù)據(jù)。理想狀況下光強電信號應與濁度濃度成線性關系，根據(jù)2 點標定法的關系式為：y=x/15.004（x 為光強電信號強度值；y 為濁度濃度）。試驗中發(fā)現(xiàn)測量誤差較大，其中最大測量誤差在400 NTU 濃度點，最大誤差值為44.68 NTU，為提高測量精度，減少測量誤差，通過MATLAB 軟件工具對在接收的光強信號值與標準溶液濃度值的關系曲線進行擬合，對標液濃度對應的光強信號值數(shù)據(jù)修正補償[13-14]，擬合公式為y=0.000 000 641 34x2+0.057 443x-1.98，濁度傳感器內(nèi)部處理器按照補償關系式處理后，再進行試驗測試驗證，傳感器濁度測量數(shù)據(jù)對比分析見表1。

根據(jù)試驗結(jié)果分析，通過曲線擬合后的傳感器測量誤差明顯減少，可大大提高濁度測量精度，原400 NTU 標液最大誤差點傳感器的測量數(shù)據(jù)為408.84 NTU，與標液相比誤差減少為8.84 NTU。設計的傳感器與美國HACH 濁度儀TSS Portable、某國產(chǎn)品牌濁度儀進行對比試驗測試，測試結(jié)果表明設計的傳感器測量精度和誤差明顯優(yōu)于被測的國產(chǎn)主流產(chǎn)品性能，但和進口HACH 等傳感器相比還有一定差距。

3 結(jié) 語

通過對光學濁度檢測工作原理等方面分析，設計了一種礦井水濁度傳感器，該傳感器前端采用硅光電池做為光電轉(zhuǎn)換部件，采用高精度運放電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器設計，人機交互方面采用低功耗OLED 液晶顯示，數(shù)字接口RS485 總線抗干擾設計，滿足煤礦井下復雜的電磁干擾環(huán)境，在數(shù)據(jù)補償方面采用MATLAB 軟件工具對測量曲線進行擬合，有效提高了濁度測量精度。