一種散射式濁度傳感器設計

羅勇鋼，程鴻雨，鄒 君，劉冠軍

(國網電力科學研究院 南京南瑞集團公司，江蘇 南京211106)

0 引 言

濁度又稱渾濁度，指水中懸浮物對光線透過時所發生的阻礙程度，是人感官對水體質量狀況最直接的評價。從技術意義上講，濁度可以反映水體中泥沙、有機物、微生物等懸浮物的含量，從而作為一個水質替代參數，對水體質量評價和水環境污染控制具有重要意義［1］。

在日常生活和工業生產中，常用濁度傳感器對水的濁度進行測量。我國現行的GB 13200—1911《水質濁度的測定》標準遠落后于國際先進標準，為實現濁度的準確測量，DL/T 809—2002《水質—濁度的測定》等效采用了ISO 7027國際標準中的散射光測量法和衰減光測量法，為我國的測濁方法與國際方法接軌奠定了基礎［2～5］。本文根據ISO 7027 和DL/T 809—2002 標準中散射光測量法相關規范，結合地表水和污水渾濁度測量特點，研制了一種90°散射原理的浸入式在線濁度傳感器。傳感器具有測量重復性好、漂移量小、測量線性度高等優點，可較好地適用于江河湖海等地表水和市政、工業污水等場合的渾濁度在線監測。

1 測量原理

特定波長的平行光束通過水樣時，水樣中的懸浮微粒使光發生散射，其散射光強度分布與懸浮微粒直徑相關［6］，如圖1。

圖1 懸浮微粒對平行入射光散射分布Fig 1 Angular patterns of scattered intensity from suspended particles of different sizes

根據光學理論，當水樣中懸浮微粒的直徑小于入射光波長時，單位體積水樣產生的90°方向的散射光強度服從瑞利(Rayleigh)定律［7］

式中 I0為入射光強度;Is為散射光強度;n1和n2分別為懸浮微粒和水的折射率;λ 為入射光波長;v 為單個懸浮微粒體積;N 為單位體積水中的懸浮微粒數;r 為懸浮微粒到散射光強測試點的距離。

其中，懸浮微粒到散射光強測試點的平均距離r、折射率n1和n2、入射光波長λ 和懸浮微粒體積v 均可視作常數，則上式可以簡化為

式中 Ka為比例系數

根據以上分析，一定波長的平行光通過水樣時，在90°方向的散射光強度與水樣渾濁度呈正比，即可根據90°方向散射光的強度實現水樣渾濁度的測量。

2 傳感器設計

濁度傳感器根據使用場合不同，對傳感器性能有不同要求。本傳感器旨在適用于普通地表水、工業及市政污水等中低渾濁度場合的濁度測量，傳感器設計量程為0 ～1 000 NTU，分辨率可隨測量示值變化而自動適應，且傳感器具有自動清洗功能。

2.1 光路設計

傳感器測量光路是傳感器測量的核心，本傳感器光路部件主要由發射端和接收端組成，如圖2 所示。發散端的發光二極管發出880 nm 紅外光，并經準直透鏡和測量光窗后進入水樣。發射光的紅外特性使傳感器不易受到待測溶液色度的影響，提高傳感器測量的可靠性;準直透鏡可確保入射光角度發散角不大于±1.5°，提高傳感器響應線性程度和測量穩定性。入射光進入水樣后經懸浮微粒散射，90°方向的散射光進入接收端，并經接收光學系統部件后進入光電轉換器。接收端光學系統部件可有效限制散射光進入接收器的孔徑角，減少外界可見光與環境雜散光對傳感器測量的干擾，提高測量的可靠性。

圖2 傳感器光路示意圖Fig 2 Optical path diagram of sensor

2.2 結構設計

傳感器呈圓柱形設計，如圖3。傳感器主要由光學部件、結構部件及清洗機構組成，其中，結構部件包括封裝殼體、密封部件、測控電路板和出線電纜等。

傳感器光學部件基座上端通過聯桿與外殼擋圈連接，下端與外殼通過密封圈緊固連接，確保傳感器防水密封和牢固可靠。各光學零件安裝于光學部件基座上，保證光學零件穩固和尺寸相對位置穩定，確保傳感器測量的可靠性和穩定性。

圖3 傳感器結構圖Fig 3 Structure of sensor

傳感器測控電路板固定于光學部件基座上，并通過連接線與相關器件連接。為減少外界電磁干擾對測量的影響，傳感器光電轉換器采用屏蔽電纜輸出，并在測控電路模擬部分設計有屏蔽殼，提高傳感器抗電磁干擾能力。此外，傳感器外殼采用特殊處理的不銹鋼外殼，在保證傳感器機械強度的同時，還可作為二次屏蔽外殼，提高傳感器測量穩定性。

由于傳感器長期浸泡于水中使用，測量光窗易被水中污染物附著污染，影響測量。為保證長期測量的可靠性，傳感器設計有機械清洗機構。清洗機構由測控電路驅動直流電機轉動，并通過聯軸器帶動清洗刷轉動，實現測量光窗的清洗。現場可根據使用情況設定清洗時間間隔或通過控制器實現人工控制清洗。

2.3 測控電路設計

傳感器采用光學原理實現測量，測控電路通過單片機控制恒流源脈沖式驅動紅外發光二極管，在保證測量的基礎上減小二極管發光量，降低能耗。紅外光經水樣中懸浮微粒散射后進入光電轉換器，產生光電流信號，并經信號調理后進入單片機進行A/D 轉換。單片機對轉換后的數據進行處理計算并通過RS—485 實現輸出。此外，測控電路通過單片機控制直流電機轉動實現傳感器測量光窗的清洗，并通過位置感應器件控制清洗機構旋轉圈數與停靠位置。傳感器測控電路框圖如圖4 所示。

2.4 數據處理

在低濁度范圍內，90°方向的散射光強與被測溶液渾濁度呈良好的線性關系，但隨著濁度值逐漸增高時，由于二次散射等因素的影響，散射光強與渾濁度測量線性關系逐漸降低，對此，傳感器采用分段線性擬合的數據處理方式，并設計傳感器示值分辨率隨量程段自動適應，提高傳感器測量的可靠性。

圖4 測控電路框圖Fig 4 Block diagram of measurement and control circuit

3 實 驗

為檢驗傳感器的性能，參照國家相關標準測量方法與要求，對傳感器進行了驗證［8］。

3.1 實驗準備

配制4000 NTU 福爾馬肼標準濁度液，待用。根據傳感器設計指標，選定800 NTU 濁度液為傳感器量程校正液，經0.2 μm 終端過濾制備的超純水為零點校正液，并完成傳感器校正。

3.2 實驗過程與結果

3.2.1 重復性誤差

將4 000 NTU 標準濁度液稀釋為800 NTU 作量程校正液(下同)，將傳感器置于量程校正液中，連續進行6 次。記錄各次測定值，并計算相對標準偏差，實驗數據如表1。

表1 重復性實驗數據Tab 1 Data of repeatability experiment

實驗結果表明:傳感器重復性誤差為0.25%，滿足標準相關要求。

3.2.2 零點漂移

將傳感器置于零點校正液中，并作遮光防塵處理，連續測定24 h。選定最初3 次測量值得平均值為初期零值，計算最大變化幅度相對于量程值的百分率，測試結果如圖5所示。

圖5 零點漂移實驗數據Fig 5 Data of zero drift experiment

實驗結果表明:傳感器在零點校正液中24 h 內漂移量小于0.01 NTU，相對于量程值可忽略不計。

3.2.3 量程漂移

采用量程校正液，于零點漂移實驗的前后分別測定3 次，計算平均值。由減去零點漂移成分后的最大變化幅度，計算相對于量程值的百分率，測試數據如表2。

表2 量程漂移實驗數據Tab 2 Data of span drift experiment

實驗結果表明:傳感器量程漂移為1.2%，滿足標準相關要求。

3.2.4 線性誤差

分別用零點校正液校正零點，量程校正液校正量程后，將量程校正液稀釋1 倍，求出該測量值與供試溶液濁度值之差相對于量程值的百分率，測試數據如表3。

表3 線性誤差實驗數據Tab 3 Data of linearity error experiment

實驗結果表明:傳感器線性誤差為1.2%，滿足標準相關要求。

4 結束語

本文根據濁度測量相關標準和中低濁度場合測量特點，設計了一種90°散射原理的在線式濁度傳感器。傳感器采用經準直的880 nm 紅外光作為入射光束，提高了傳感器響應線性和測量精度;通過接收端光學系統部件的設計，減少了外界雜散光與可見光的影響，提高了傳感器測量的可靠性;通過對模擬電路進行多次屏蔽，提高了傳感器抗電磁干擾的能力;傳感器自動清洗機構的設計，提高了傳感器測量的長期穩定性。實驗表明:傳感器具有測量重復性好、時間漂移小、測量可靠性高等優點。傳感器能較好地滿足水環境監測和水質污染控制等領域的渾濁度在線監測要求，具有較好的實踐應用價值。

［1］ Sadar M，程 立.水濁度精確檢測技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］ 柴 穎，承海東.符合國際濁度測定標準的濁度分析儀［J］.科學儀器與裝置，2007(5):80－83.

［3］ 國家環境保護局.GB 13200—91 水質—濁度的測定［S］.

［4］ ISO7027—1999 Water quality—Determination of turbidity［S］.

［5］ 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 809—2002 水質—濁度的測定［S］.

［6］ 楊家建，施正純.飲用水濁度測量技術及應用［J］.水工業市場，2010(6):25－29.

［7］ 吳星五，唐秀華.散射式濁度儀的改進和應用［J］.工業用水與廢水，2001(4):8－10.

［8］ 國家環境保護總局.HJ/T 98—2003 濁度水質自動分析儀技術要求［S］.