散射透射比值法油分濃度傳感器的研究和設計

錢貴軍,王學磊,張小芹

(1.江蘇遠望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

散射透射比值法油分濃度傳感器的研究和設計

錢貴軍1,王學磊2,張小芹1

(1.江蘇遠望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

對用于測量船舶排放污水中的油分濃度傳感器進行了研究。根據Lambert-Beer定律、瑞利散射以及散射-透射比值法等光學濁度法基本原理，采用直角雙通道設計結構，測量油水混合物散射光和透射光的強度；利用散射-透射比值法，標定混合物的含量。分別對油分濃度傳感器的軟硬件電路和檢測試驗進行了設計。試驗結果表明，散射透射比值法油分濃度傳感器可以較好地滿足船舶排油監控系統中相關指南、規范對油分計的規定。

船舶； 傳感器； 監控系統； LabVIEW; 電路； 控制； 污水

0 引言

隨著國際石油運量的日益增加，船舶作為海上運輸工具，每年向海洋排放的含油污水量也隨之增多；加上各種技術與人為的因素，每年的船舶溢油事件也層出不窮[1]。對此，國際海事組織(IMO)和海上環境保護委員會(MEPC)相繼頒布了MEPC.108(49) 《油船排油監控系統的指南和技術條件》(2003年)和MEPC.240(65)《<經修訂的油船排油監控系統指南和技術條件>2013年修正案》 規范。相關防污公約規定要求150 t及以上所有油船都應安裝經海事主管機關認可的排油監控系統，而油分濃度傳感器是排油監控系統的核心部分。

目前，國內外所采用的油分濃度傳感器按原理劃分，主要有熒光法油分濃度傳感器、光學濁度法濃度傳感器、紫外吸收法油分濃度傳感器以及紅外吸收法油分濃度傳感器等。紅外吸收法與紫外吸收法油分濃度傳感器原理大致相同，主要利用石油中物質對近紅外線波段或對紫外波段的特殊吸收原理，檢測水中的油含量。但由于中紅外吸收法需要萃取和繪制標準曲線，而紫外吸收法需根據不同油品繪制標準曲線，故目前在船上很少使用這種方法。熒光法則需要根據裝載的不同油種，進行熒光強度重新標定[2]。而采用光學濁度法制成的船用油分濃度傳感器，可以直接測定油污水的含油量，檢測不同油類品種時無需逐一標定，適用于船舶污水排放的連續監控，是船舶污水含油濃度監測未來技術發展的主要趨勢[3]。

1 設計基本原理

1.1 光學濁度法基本原理

光學濁度法的原理是使光線通過分散成乳化狀的油水混合物，以測定其散射光和透射光的強度，從而標定油污水混合物的含量。

透射光強度的測定工作原理基于Lambert-Beer定律，當單色光照射在吸收介質上，吸收介質會吸收部分光能，透射光強度會減弱。吸收介質的濃度越大，介質的厚度就越大，則接收的光強度相對減弱。其數學表達式為：

(1)

式中:A為吸光度；c為吸光物質濃度；I0為入射光強度；It為透射光強度；K為吸光系數；l為吸收介質厚度；T為透射比。當l和K確定后，A與c成正比關系，即可通過吸光度A來計算介質的油分濃度。

混濁的含油污水會使一種分散成膠體狀的非均勻介質產生散射現象。當乳濁液中的粒子數量等于或者小于入射光波時，水中的含油濃度可根據瑞利散射定律利用散射光強度測得。瑞利散射定律表達式為：

(2)

式中:Is為散射光強度；I0為入射光強度；λ為入射光波長；N為單位中體積內粒子數目；v為一個粒子的體積；m1為液體中懸浮粒子的折射率；m0為液體的折射率；θ為觀察方向與入射方向的夾角；r為微粒到散射光強測試點的距離。當I0、λ、θ、N、m0、m1、r確定后，式(2)可簡化為Is=k、N=KC，即Is與c成正比，從而計算c。

同時測量投射于水樣光束的透射光與散射光強度，c由兩者光強度的比值計算得出。散射-透射比值法公式為:

(3)

式中:k為比例常數。對散射光和透射光的同時測量，大大提高了濃度測量的穩定性，減少了水中色度等因素對油分濃度的影響[4]。

1.2 油分濃度傳感器的工作原理

油分濃度傳感器采用雙通道設計，其光學器件測量示意圖如圖1所示。

圖1 光學器件測量示意圖

圖1中，通道A、B的啟閉可通過圖2所示的雙通道控制脈沖時序圖進行控制。當紅外發射二極管A開啟時，由光敏三極管A′和B′分別同時測量透射光強度與散射光強度。當紅外發射二極管B開啟時，由光敏三極管A′和B′分別同時測量散射光強度與透射光強度。

圖2 雙通道控制脈沖時序圖

透射法適用于一般濁度到超高濁度寬量程范圍的油分濃度測量,散射法適用于低濁度甚至超低濁度的油分濃度測量。綜合兩者的優點，采用散射-透射比值法，同時測量90°散射光信號和透射光信號，既能消除光源老化對測量精度的影響，又繼承了兩個基本方法的優點。通過雙通道結構設計，對兩組散射透射光強比值取平均，進一步減小測量誤差。散射透射光強比值的平均值RST為：

(4)

式中:ISA和ItA為通道A開啟時測得的散射光和透射光強度；ISB和ItB為通道B開啟時測得的散射光和透射光強度。

2 硬件設計

2.1 傳感器電路結構

傳感器以STM8L151K4單片機為核心，由電源模塊、紅外發射電路、光敏接收電路、信號調理電路及模數轉換電路等模塊構成。

2.2 紅外發射電路

紅外發射電路采用具有光強穩定、發光壽命長、發光光譜較窄等優點的890 nm紅外二極管作為發光光源。

利用集成電源電路LM317中Vout和ADj端的壓差提供恒流源驅動紅外發光二極管，利用場效應管IRF7832的N型溝道FET特性作為電子開關，通過控制RED_CTR引腳端的高低電平，實現紅外發射通道A/B的選擇。

2.3 信號檢測電路

信號檢測電路主要由信號調理電路和光敏接收電路組成。調理電路則由前置放大電路、二階低通濾波電路以及后置放大電路構成。光敏接收電路采用光敏三極管來接收透射光或者散射光，將光信號轉換為電信號，且光敏三極管具有放大電流的作用，因此具有較高的靈敏度。電信號在前置放大器的作用下轉換為電壓信號，隨后通過二階低通濾波電路進行濾波，將濾波后的電壓信號進行后置放大并送入A/D轉換模塊。

2.4 控制電路設計

由STM8L151K4構成的單片機系統是整個油分傳感器的核心，其主要功能是通過脈沖控制發射通道的選擇以及模數轉換模塊讀取數據，將數據存儲在片內Flash中并進行數據處理，計算出油分濃度，然后完成油分濃度的串口輸出。

3 軟件設計

單片機程序采用C語言編寫，主要由系統初始化子程序、發射通道脈沖控制子程序、數據采集子程序、油分濃度計算子程序、串口通信子程序等組成。軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

檢測開始時，首先，進入初始化程序，利用脈沖控制子程序選擇開啟發射通道A,利用電子開關的轉換獲取透射和散射光強，進而獲得A通道的油分濃度。其次，將發射通道A關閉，選擇開啟發射通道B，同理獲得油分濃度。最后，通過微處理器計算平均值得出油分濃度P,通過串口通信子程序將P值送出并返回進行下一次測量。

4 試驗

為了檢測所設計的基于散射透射比值法油分濃度傳感器的使用效果，搭建了基于LabVIEW的油分濃度檢測試驗平臺。試驗平臺由油污水乳化裝置、基于散射透射比值法油分濃度傳感器，以及基于LabVIEW的油分濃度檢測上位機組成。油污水乳化裝置采用的是超聲波油污水乳化裝置，具有體積小、乳化過程氣泡少等優點，可以有效減少因乳化效果不明顯、乳化氣泡等外界因素影響試驗效果。

4.1 基于LabVIEW的油分濃度檢測上位機

油分濃度傳感器檢測上位機采用LabVIEW進行程序設計。和其他語言相比，LabVIEW具有獨特的編程語言，可以完成多種編程任務[5]。利用LabVIEW數據流的思想，結合模塊化設計思路開發軟件編程[6-7],可實現對基于散射-透射比值法油分濃度傳感器的散射光強和透射光強均值進行采集。

4.2 試驗結果與分析

通過基于LabVIEW的油分濃度檢測上位機，對油分濃度傳感器中試驗樣品的散射光強和透射光強均值以及油分濃度進行實時采集。試驗中采用型號為F2000-ⅡK的紅外光度測油儀對試驗樣品進行測量，通過對比測量結果，修正油分濃度計算系數。經修正后，試驗數據分析如表1所示。

表1 試驗數據分析表

試驗數據表明，本文設計的油分濃度計較好地滿足了排油監控系統指南MEPC.108(49)中關于油分計的規定。

5 結束語

試驗結果證明，基于散射透射比值法油分濃度傳感器的設計，結合了透射法適用于一般濁度到超高濁度寬量程范圍的油分濃度測量，以及散射法適用于低濁度甚至超低濁度的油分濃度測量的優點。本文設計的傳感器采用了直角雙通道結構設計，既有效減少了二次散射問題，又通過不同角度測量得到油分濃度，從而提高了測量精度和穩定性。該油分濃度傳感器的設計，在大范圍油分濃度測量下具有較高的準確性和可靠性，能夠滿足排油監控系統對油分濃度傳感器的要求，適應國際海事組織對船舶含油污水排放的監控要求。該產品有利于提高我國船舶國產化設備的裝船率，打破國外品牌對該領域的壟斷。

[1] 張莉.油船排油監控系統簡介[J].船舶設計通信，2008(1):44-47.

[2] 殷佩海.船舶防污染技術[M].大連：大連海事大學出版社，2000.

[3] 孫利強.大型油船防污和圧載監控系統研究[D].大連:大連理工大學，2005.

[4] 鄂學禮，張嵐.評述濁度的測定[J].中國衛生檢驗雜志，2000,10(2):244-246.

[5] JEFFREY T,JIM K.LabVIEW for everyone graphical programming made easy and fun[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.

[6] 潘玉恒，魯維佳，尹萬疆.基于LabVIEW和單片機的溫度監測儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2014(7)：43-45.

[7] 周根明,何海洋,王曉春.一種新型船舶排油監控系統的研究[J].江蘇科技大學學報(自然科學報)，2009(3):9-12.

Research and Design of the Oil Content Concentration Sensor Based on Scattering-Transmission Ratio Method

QIAN Guijun1,WANG Xuelei2,ZHANG Xiaoqin1

(1.Jiangsu Yuanwang Instruments Co.,Ltd.,Taizhou 225300,China; 2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The sensors used for measuring the oil concentration of the sewage discharged from ships are studied.The research is conducted based on Lambert Beer's law,and the basic principles of Rayleigh scattering and scattering-transmission ratio method,and optical turbidity method.By using the right angle dual channel structure design,to determine the intensity of the scattered light and transmitted light in mixture of oil and water; and by adopting the scattering - transmission ratio method to calibrate the content of mixture.The design includes hardware circuitry of the oil concentration sensor,software,and experimental and detection test devices.The experimental results show that the sensor using scattering-transmission ratio method can well meet the regulations about oil content metering specified in guide specifications related to ships oil discharge monitoring and control systems.

Ship； Sensor； Monitoring and control system； LabVIEW； Circuit； Control; Sewage

錢貴軍(1979—)，男，工程師，主要從事船舶設備的研究。E-mail:13641580807@126.com。

TH89;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702022

修改稿收到日期:2016-05-24