基于DSP技术的在线颗粒计数器

    1　引　言

    近年来,通过检测水中颗粒的大小及其分布来评价水质好坏的方法越来越受重视。众所周知,水中存在着一定数量的微粒状杂质,如细菌、病毒、孢囊等。其中最具代表性的是体长约为2~8μm的兰伯氏鞭毛虫和隐孢子虫的病原性孢囊,它们能够引发贾第虫症。颗粒计数法是通过测量水中颗粒直径大小以及颗粒数量来判断水的纯净度,看水质是否符合要求。水中颗粒的检测采用颗粒计数的方法比检测浊度的传统方法更加直观、科学。由于光学式颗粒计数法对流场没有干扰,而且能够和激光技术、计算机技术相结合,进行实时的在线测量,因而得到了迅速发展。光阻法是光学式测粒技术中具有代表性的一种方法,此方法能够有效的检测出纯净水中2μm以上的颗粒,完全符合纯净水水质检测的要求。

    2　基本原理

    光阻法原理如图1所示,含颗粒的水流过横断面很小的检测区域,细小的平行光线穿过检测区域被光电接收器所接收。若流过检测区域的水中没有颗粒,则光电接收器给出的信号保持为恒定不变;反之,若有一个颗粒流过检测区域,将会对光束产生一个“消光”作用,使光电接收器所接收到的信号产生一个负脉冲,引起此负脉冲信号的光能量变化值ΔE可写为:

式中:E₀为无颗粒时光电接收器输出恒定信号的光能量,a为颗粒的投影面积,A为平行光线的截面积,d为颗粒直径。

    式(1)表示了已经确定的颗粒尺寸和所产生的负脉冲幅度间的理论关系,但此公式只反映出了负脉冲信号的幅度与颗粒的几何投影面积之间的关系,从图1中可看出信号幅度的变化应该是由于颗粒对光的散射和吸收,即消光所引起的。因此,在光能量变化公式中应该包括折射率和光吸收系数。根据光的散射定律可得:

式(2)中,E_e为颗粒消光作用所消去的光能量,I₀为入射光光强,C_e为消光截面。消光截面C_e与消光系数Ke的关系式如下式所示:

    C_e= a-K_e               (3)

式(3)中,K_e为颗粒的消光系数,a为颗粒的投影面积。此时,光电接收器上输出负脉冲信号的光能量变化值ΔE可写为:

根据Mie散射理论,当颗粒直径大于2μ_m左右的时候,式(5)中的消光系数Ke一般取其近似值2。这样,只要检测出光电接收器上的光能量的变化值,就能根据式(5)计算出被测颗粒的大小了。

    3　传感器结构

    本系统的传感器设计部分主要由光源、检测管道和光电接收器组成(结构图如图2所示)。其中很关键的一个部分就是光路的设计,包括光源和光电接收器的选择