基于陣列傳感器飲用水渾濁度檢測

魏運鋒 常季成 王忠輝/.瀘州市計量測試所；.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司

0 引言

飲用水水質重要判定指標就是渾濁度，它是水質物理狀態代替參數[1]。據衛生部統計，居民日常疾病45%以上與飲用水渾濁度沒達標有關，嚴重影響到人們的健康，而且會誘發一系列疾病。例如腸道疾病、皮膚疾病、慢性腫瘤、癌癥等。所以對飲用水渾濁度進行實時檢測勢在必行。然而傳統的單點檢測飲用水渾濁度在數據信息方面不夠全面，不能及時反應水體整體的技術指標，給檢測數據的處理和判斷水質等級帶來不便。本文設計了陣列傳感器方案，陣列傳感器的結構有利于抵抗外界的干擾，耐腐蝕性強，并且突破傳統單點測試、采集數據存在局限的瓶頸，有效地提升檢測數據的全面性，保證飲用水安全質量。

1 渾濁度傳感器結構

傳感器具體結構如圖1所示。光學部件對基座的信號進行分析處理，處理后的信號通過出線電纜輸送到上端控制器[2]?；隙送ㄟ^聯桿與金屬外殼擋圈連接，下端與外殼通過密封圈緊固連接，傳感器光學部件基座連接方式有利于防水密封和內部結構器件的牢固可靠，保證了各個光學器件能夠固定于安裝位置，受外界環境干擾時相對尺寸位置穩定，可以使傳感器有效地在高精度環境下進行數據采集。傳感器集成控制部件安放至光學部件基座的上端，并通過信號傳輸線與相關部件連接。為減少外界環境對傳感器信號測試準確度的影響，光電轉換信號采用密封屏蔽電纜輸出，并在集成控制部件模擬電路部件安裝屏蔽殼，有效提高傳感器抗電磁干擾能力[3]。

圖1 傳感器結構示意圖

此外，傳感器的外殼采用處理過的不銹鋼金屬外殼，能夠保證傳感器在正常工作中承受一定的機械壓力，還可以起到二次屏蔽的作用，使傳感器的可靠性和穩定性得到保障，能夠保證傳感器測試準確度。

2 渾濁度光電檢測原理

液體渾濁度檢測的基本原理：不同液體中含有的雜質、灰塵顆粒大小、難溶顆粒的密度不同，所以透光性不同。在檢測液體中設置一定波長的紅外發光二極管作為發光光源，發光光源被放置在液體中，紅外光線能穿透被測液體介質，接收端的光電三極管能夠接受到相應強度的投射光，產生近似為線性的變化光電流[4]。經過帶通濾波電路處理后輸出，得到與渾濁度相對應的檢測信號，檢測信號再經過控制器的分析處理后換算成液體的渾濁程度。檢測電路的PWM輸出口可以持續對發光二極管施加方波脈沖。方波脈沖寬度可調，可以改變透光強度，通過光電三極管及信號處理電路得到相應的輸出電壓。檢測電路中為了減少電源電壓波動對發光二極管驅動功率的影響，本檢測電路采用恒流源供電。具體渾濁度檢測原理電路如圖2所示。

圖2 渾濁度檢測原理圖

傳感器紅外發光二極管發光強度為E0（單位：勒克斯，Lx），透射光穿透被測液體的直線距離為L（單位：mm），接收端光電三極管接受到的光強為E（單位：勒克斯，Lx），B為與液體性質有關的介質散射系數，由朗伯—比爾定律得到液體的渾濁度H，如式（1）所示：

根據渾濁度檢測的輸入輸出原理及特性，在一定范圍內，發光二極管的光強E0與驅動電流I0成正比，光電三極管的接收光強E與輸出電流IL成正比。在驅動電流I0恒定時，式（1）可改寫為式（5）

式中：α——正比系數；

C——發光強度常數

因此，液體的渾濁度測試結果轉為通過光電三極管的輸出電流或輸出電壓來表征。

3 陣列傳感器結構

陣列傳感器設計構想源于傳統渾濁度傳感器同一時間只能進行單點區域檢測，單點檢測的數據采樣點有限，檢測數據不全面。如果進行多點檢測需要重復進行檢測，檢測數據沒有在同時和同等外界環境下進行，數據不能及時準確的反應當時水質渾濁度參數指標。然而計量檢測中注重的是減少誤差，提供權威的檢測數據，所以同時同等條件下進行各點檢測數據更重要、更準確、更權威[5]。為了能夠同時多點檢測被檢測液體渾濁度，保證計量檢測中數據的準確全面，節省時間和人力，提高檢測的工作效率，設計了圖3所示的渾濁度陣列傳感器。

圖3 渾濁度陣列傳感器結構圖

陣列傳感器由9根如圖3所示的傳感器組成，各傳感器分別固定在圓形絕緣耐腐蝕金屬板上。金屬板根據傳感器尺寸設計相關規格的3條圓形滑軌，檢測時根據不同水質存儲設備開口面積的不同，適當地調節各傳感器的排列距離。進行單點檢測時，傳感器方便拆卸，用螺母進行固定。傳感器外圍環形等距排列8根，傳感器之間屏蔽隔離防止電磁干擾，圓心處放置1根，有效形成對液體均勻檢測。各檢測點渾濁度數據分別傳輸到上位機和遠端無人控制系統，進行各點顯示和9點平均值顯示。平均值數據結果是計量檢測中的重要參數，傳感器采集數據的時間可以通過上位機自行設定。

陣列傳感器設計完成后，需要對關鍵元件進行測試驗證，保證光電三極管輸入波長與紅外發光二極管光譜特性匹配，逐一測試使設計陣列傳感器準確度達到標準要求。測試液體的渾濁度分為10個等級，測試合格后將其傳感器組裝成陣列，繪制陣列傳感器的數據折線圖，如圖4所示。由測試得出輸出特性曲線基本呈線性變化，根據設定值的變化測試得到測試誤差在 2%左右。

4 陣列傳感器飲用水檢測原理

陣列傳感器飲用水檢測過程主要分為三部分：陣列傳感器數據采集、主控制器控制、飲用水處理。陣列傳感器負責數據的采集，主控制器進行數據分析處理和控制相關設備運行，飲用水處理是對渾濁度不合格的水進行凈化處理，直到凈化水能夠達到法律規定的合格標準。三部分模塊緊密配合，構成有機閉環整體，具體的檢測原理如圖5所示。

圖4 陣列傳感器輸出電壓與渾濁度關系曲線圖

陣列傳感器數據采集應用光學原理實現多點測試，設計過程中應考慮到電極腐蝕作用的發生，集成測控電路采用控制恒流源脈沖方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、幅頻特性變化靈活。紅外光經飲用水中懸浮微粒透射后進入光電轉換器，產生光電流信號。光電流信號經過電纜傳輸到主控制器控制部分，光電信號經過調理后進行A/D轉換，主控芯片對陣列傳感器輸送多路數據進行分析，并通過RS-485接口實現通信，傳輸到上位機控制，同時采集數據通過LTE無線模塊傳到遠端控制中心。上位機端、遠程控制端同時對接收到的數據進行存儲，實現對飲用水渾濁度在線實時測試監測目的。飲用水的渾濁度檢測合格，主控制器打開相應閥門，使飲用水流入合格罐區[6-7]。如果飲用水檢測不合格，主控制器啟動凈化裝置進行水質凈化，凈化完成后繼續檢測渾濁度，檢測合格打開相應閥門使飲用水流入合格罐區，檢測不合格，主控制器繼續啟動凈化裝置進行凈化處理，多次重復上述步驟，最后使飲用水達到合格標準。

圖5 陣列傳感器飲用水檢測原理圖

5 檢測凈化流程

多陣列傳感器數據采集的頻率可以在近端上位機進行設定，本設計采集傳時間設定120 s采集一次數據，根據不同的需求自行設定。在整個凈化過程中（如圖6所示），先對渾濁度檢測系統初始化，在初始化的前提下進行設備自檢，執行無問題后按啟動，根據陣列傳感器傳輸的數據對飲用水渾濁度進行檢測凈化處理。如果出現設備故障，報警器會發出聲光報警，同時上位機會顯示相應的設備故障報警信息，立即停止檢測、凈化工作，維修人員可以及時處理故障。保證整個過程中各個環節的有序進行，為飲用水渾濁度檢測提供有力的支持。

圖6 檢測凈化流程圖

如果有多個相距較遠的凈化區域，為了集中管控，采集的數據傳到近端上位機的同時也通過無線傳輸到遠端控制中心，實行統一調控。完成近、遠端交互式控制，有效地實現渾濁度檢測過程數據的全面、準確、權威，為以后水質的檢測開拓新的思路。

6 結語

本文重點論述了傳感器結構設計的思路，并且通過硬件的實際測試驗證了傳感器設計思路的正確性和可行性。由于單傳感器檢測的局限性設計了陣列傳感器，并應用于飲用水檢測，此方案的提出解決了單點檢測的弊端，通過遠端上位機監測和控制，證明了此方案適用于不同水質的檢測，為今后的水質檢測提供了寶貴思路。