比值法浊度测量的探讨

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2018-10-11

  摘 要:介绍了浊度的概念,分析了散射与透射比值法测量原理的理论依据,给出了测量信号与浊度的关系式。设计了比值法测量电路,包括红外光源、红外探测器、弱光检测放大电路,通过实验验证了比值法在浊度测量中的优越性。

  【关键词】浊度 比值法

  水中的泥沙、有机物和无机物等细微悬浮物能吸附大量细菌、病毒等致害物质,对人体健康造成威胁,浊度是表示水的清澈或浑浊程度的物理指标。实验表明,自然沉降的水样固体颗粒的含量为80mg/10L,而浊度为0.1度时的水样未检出固体颗粒。欧美发达国家饮用水的浊度普遍为0.1~0度。为保障人民饮用水质量,我国将浊度与余氯、PH值等一并纳入水质监测指标中。

  1 浊度测量方法

  对水质浊度的仪器测定目前有透射法和散射法两种基本方法。

  1.1 透射法

  特性曲线证明了光电转换信号与浊度成对数关系,并且S与T之间保持单调衰减关系,即浊度越高,透射光越弱。

  1.2 散射法

  入射光遇到水样中微粒将引起光的散射,散射光的强度与水样单位体积中微粒数量、直径有关。通过测量散射光强可得到浊度信息。

  散射光到达光电接收器前,光强同样会因为穿透一定光程的水样而发生衰减,散射光衰减程度服从比尔-朗伯定律。采用线性光电元件作为接收器,获得的电信号符合式(4):

  实验曲线表明,散射法适用浊度范围在0~T0之间的水样测试。超过T0(取决于仪器几何参数及悬浮颗粒分布),测量结果不再是浊度的单值函数,无法表征浊度值。因此,散射法只适用于低浊度测量。

  1.3 散射光和透射光比值法

  光通过水样,会同时发生透射与散射。散射光强度会随着浊度的增加而增加,而透射光则反之。因此,通过散射光与透射光强度变化关系可以推算出水样浊度值。

  2 实验平台搭建

  2.1光源电路

  研究表明,入射光波长范围在400~600nm时,散射光强度大,测试效果好。但与此同时,水样中微粒对可见光的吸收波长也在这个区域。为避免吸收作用对测量结果准确性的影响,入射光光谱应该避开这个区域。由于水样强制检测项目--色度分析所使用的光源波长为500多nm,浊度测量所用光源光谱应避开可见光区。并且,在饮用水质检测中,水样颗粒粒度大多在0.1μm~20μm之间,光源波长选择在红外光区,散射光强度服从瑞利定律和米氏定律。实验中按照ISO7027规定,选择浜松公司的L7558红外LED作为入射光源。光强的变化,会导致测量结果的不稳定性,因此,实验中采用LM317构成稳流电路,确保电流稳定,光强稳定,如图4所示:

  2.2 光电接收器

  光电接收器选用西门子的红外接收管SFH214FA。其光谱响应波长范围在750~1100nm,峰值波长900nm,与L7558红外LED匹配。并且SFH214FA暗电流小,上升时间tr及下降时间tf小,适应于计算机高速采集。

  2.3 放大电路

  由于光敏二极管光电流小,为保障信号不被噪声淹没,实验中采用ADI公司低输入电流,低输入补偿的AD549作为电流电压转换电路;采用Intersil公司的ICL7650斩波稳零式高精度运放作为前置运放。浊度仪通常使用的环境比较恶劣,为提高传感器信号的抗干扰能力,将光电探测器SFH214FA与前置放大电路安装在一起。

  3 实验数据分析

  按照公式(6)将400NTU福马肼储备液加入按照国际标准ISO7027制备的零浊度水稀释,选择得到10个0-100NTU的样品。

  测量数据显示:散射信号与透射信号的比值随浊度上升而增加。按照公式(7),以浊度作为X,比值为Y,对实验数据进行相关性分析,R=0.97307,证明散射与投射信号的比值与浊度高度相关。

  以浊度作为X,比值为Y,对实验数据进行回归分析:

  推出描述浊度与传感器输出数学模型的一元线性回归方程:

  实验证明,采用比值法测量水样浊度,能消除水样色度、光源、元件参数、环境光等变化对测量值的影响,相对于透射法、散射法而言具有更强的抗干扰能力。在中低浊度范围,使用比值法测量的传感器线性度好于其他方法,因此在外围电路设计、信号处理等方面易于实现,能降低系统软硬件的投入,具有较好的经济型。

  综上所述,比值法测量浊度在中低浊度范围具有很好的应用前景,具有较高的推广价值。

  参考文献

  [1]岳舜琳.水的浊度问题[J].中国给水排水,2003(04).

  [2]朱泽昊,张扶人.浊度测量中两种基本方法的比较[J].西南师范大学学报(自然科学版),1995(02).

  [3]白金纬,张德源,刘畅.浊度仪中两种不同光源对浊度测量的影响研究[J].光学仪器,2008(02).

  [4]湛丹,陈健.散射式红外浊度传感器的设计[J].微计算机信息,2009(01).

  [5]吴祖国.ICL7650斩波稳零运算放大器的原理及应用[J].国外电子元器件,2003(04).

  [6]李常青,梅丽明.微弱光信号检测电路的实现[J].应用光学,2010(4).

  作者简介

  康亚(1972-),女,重庆人,本科,讲师,主要研究方向智能仪器仪表。

  作者单位

  1.重庆城市管理职业学院 重庆市 401331

  2.重庆科技学院 重庆市 401331

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