在线间歇式浊度仪的研究

　　1　浊度测量原理

　　水中的浑浊粒子受到光照射时,如其粒度远小于入射光波长(约为入射光波长的1/10~1/20以下),粒子对光的作用主要是散射。与透射式不同,散射式浊度仪的检测元件与入射光成90°,如图1所示。

　　当光强为I₀的入射光通过厚度为d_x的水样时,透射光衰减了dI_x,则有

式中k为散射系数,h为样品的吸收系数。对式(1),I_x从I₀到IT,x从0到L积分得透射光强I_T,公式为

散射光强公式为

当水的色度为零时,h=0,公式(3)变为

　　从公式(4)可知,散射光与浊度并非严格的线性关系;要使仪器满足2%的精度,需对仪器进行标定。首先以零浊水调整仪器零点,再以100、400、1000NTU的标准水样作三点标定,求出三段的斜率,存入微机。测量时以所测值乘以相应的斜率得出浊度值。

　　2　间歇式在线浊度仪的硬件设计

　　2.1　发光光源的选择

　　光源的稳定性关系到仪器测量的准确性和重现性,直接决定了仪器的整机性能。

　　选用波长为800nm的红外发光二极管作为光源,并以恒流源稳定光源,以峰值波长为820nm的硅光电池作为光电检测元件,电路如图2。红外LED寿命长、发射光强度稳定,波峰值>800nm,即使样品浓度很低仍能保证有足够的散射光强度,并且减少色度的干扰,可以测量各种颜色的样品的浓度。

　　2.2　测量电路的设计

　　根据测量原理设计了测量电路如图3所示。仪器放大电路选用了美信公司的MAX412芯片构成精密的匹配电路。由于两个硅光电池特性相同,电路相匹配,使得测量光电池和参比光电池的漏电流在电路中相互抵消,电路中的共模信号也得到了抑制,具有较高的共模抑制比。

　　中央处理器采用了C8051F020。测量信号经放大后由C8051F020片内的交叉开关选通,调节增益后送ADC0进行A/D转换并存储。UART0工作在方式3,UART0 TX和RX分别接C8051F020的P0.0、P0.1,测量的浊度和温度值以UART0串行方式送液晶显示器显示。

　　3　仪器分析流程

　　在工业现场的浊度测量中,不可避免的有气泡存在,当气泡通过测量光路时散射光强发生波动,造成虚假的高浊度读数,影响了测量的准确性。为了消除气泡的影响,本仪器采用间歇式静态测量法设计了分析流程,如图4所示。电磁阀开通注入待测水样,启动延时程序。延时结束关闭电磁阀,静置水样使气泡逸出,测量水样的浊度。测量结束重新开通电磁阀,排出已测水样并注入新水样。C8051F020单片机的指令执行速度是8051单片机的10倍,因此测量时间非常短,可以满足在线实时测量的要求。浊度检测器底部设有机械搅拌式清洗器,用于光窗的定期自动清洗。