污水內(nèi)油分含量檢測(cè)系統(tǒng)的研究

張 鵬

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)不斷提升，特別是對(duì)水體內(nèi)油分含量的控制要求越來越嚴(yán)格。由于石化工業(yè)的飛速發(fā)展，在石油開采、運(yùn)輸、使用過程中均與水息息相關(guān)，極易導(dǎo)致石化產(chǎn)品對(duì)水體的污染，水體內(nèi)的油分含量超標(biāo)后會(huì)漂浮在水面上，形成一層密集的油膜，使空氣中的氧氣無法融入水體，導(dǎo)致大量的水生生物缺氧而亡，同時(shí)懸浮在水面上的顆粒狀油污也會(huì)進(jìn)入到魚類體內(nèi)，造成中毒，因此長期以來各國對(duì)水體內(nèi)的油污含量有明確的要求，并且隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的不斷增加，對(duì)污水內(nèi)油污含量的要求逐漸趨于嚴(yán)格，傳統(tǒng)的采用稱重法、微波-γ射線檢測(cè)的方法[1]均存在著檢測(cè)工藝繁瑣、周期長、受外界環(huán)境影響大、精度低的缺陷，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代對(duì)污水檢測(cè)快速、精確的要求。基于紅外線檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，本文提出了一種以近紅外光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的污水內(nèi)油分含量檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該檢測(cè)方案進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該新型檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、可靠性好，檢測(cè)周期短的優(yōu)勢(shì)，極大提升了油分檢測(cè)的精確性。

1 污水內(nèi)紅的近紅外光譜段設(shè)置

污水的近紅外吸收譜線如圖a)所示，油分的近紅外吸收譜線如圖b)所示。

由圖1可知，當(dāng)光線的波長為914 nm時(shí)污水對(duì)光線的吸光度約為0.132，此時(shí)污水內(nèi)油分對(duì)光線的吸光度約為0.215。當(dāng)光線波長為970 nm時(shí)，污水對(duì)光線的吸光度達(dá)到了最大，約為0.949，而此時(shí)污水內(nèi)油分對(duì)光線的吸光度則處于最小的狀態(tài)，約為0.114。由于光譜工作波段在850 nm～1 050 nm區(qū)間內(nèi)的波段為近紅外光波段，因此結(jié)合污水和油分對(duì)近紅外光的系數(shù)譜線可知，在對(duì)污水內(nèi)油分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選擇波段為914 nm的近紅外頻譜具有最佳的辨識(shí)度。

同時(shí)，為了進(jìn)一步提升對(duì)污水內(nèi)油分檢測(cè)的精確度和靈敏度，需要對(duì)檢測(cè)光源的波段進(jìn)行一個(gè)限制，盡可能地降低污水對(duì)于近紅外光線的吸收，降低污水和油分的吸收交叉區(qū)域，避免當(dāng)水溫變化時(shí)影響近紅外光譜的檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)控制能力及成本，本文選擇了一種920SF10濾光片[2]，確保光源通過該設(shè)備后的中心位置的波長保持在920 nm處，滿足對(duì)污水內(nèi)油分快速、精確的檢測(cè)需求。

2 檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)及光電接收器選擇依據(jù)

該油分含量檢測(cè)系統(tǒng)，主要是通過檢測(cè)近紅外光通過污水后的衰減量來對(duì)污水內(nèi)的油分含量進(jìn)行檢測(cè)，由于實(shí)際情況下近紅外光通過污水后的衰減較大，對(duì)污水內(nèi)油分的檢測(cè)結(jié)果還需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的運(yùn)算控制邏輯對(duì)光線進(jìn)行分析后得出油分含量數(shù)值。為了提升系統(tǒng)的運(yùn)算速度和計(jì)算精度，本文在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了一個(gè)信號(hào)放大器，該信號(hào)放大器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 信號(hào)放大器結(jié)構(gòu)示意圖

該信號(hào)放大器包括前置電路、主放電路和功放電路三個(gè)部分構(gòu)成，輸入的光源信號(hào)在經(jīng)過三級(jí)放大后，增強(qiáng)至能夠滿足檢測(cè)系統(tǒng)快速識(shí)別、處理的波長信號(hào)，從而滿足系統(tǒng)對(duì)近紅外光快速識(shí)別、快速分析、快速輸出的控制要求。

在該系統(tǒng)中，要確保對(duì)污水內(nèi)油分含量進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，就需要精確捕捉并無損轉(zhuǎn)換透過污水內(nèi)的光信號(hào)，進(jìn)行光信號(hào)轉(zhuǎn)換的核心元件為光電接收器，它主要用于將所有的光電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并與各個(gè)電子工作參數(shù)進(jìn)行匹配，確保在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此在對(duì)光電接收器進(jìn)行選擇時(shí)需要遵循以下規(guī)則。

1) 使用壽命長。所選擇的光電接收器必須具有高可靠性和長使用壽命，要針對(duì)所使用的環(huán)境進(jìn)行專業(yè)性的光電接收器的選擇，確保光電接收器在使用過程中能夠以較小的功耗滿足常規(guī)使用需求，最大限度地降低使用攻略，增強(qiáng)使用壽命、節(jié)約能耗。

2) 匹配性。要求根據(jù)使用條件針對(duì)性的旋轉(zhuǎn)調(diào)制形式、波形頻率與被測(cè)光信號(hào)完全吻合的接收器，確保在使用過程中光信號(hào)的轉(zhuǎn)換的完整性和微損耗性，最大限度地降低波形轉(zhuǎn)換時(shí)間和損耗，滿足光電信號(hào)轉(zhuǎn)換快速、準(zhǔn)確、清晰、可靠的要求。同時(shí)所選擇的光電接收器還必須和光線的光譜信號(hào)相匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非特定光譜的濾波處理，提高檢測(cè)精度，必須滿足于檢測(cè)電路的良好匹配性，確保能夠最大限度地對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和降噪處理。

3) 靈敏性。所選用的光電接收器在使用過程中的光電接收特性要求具有高度的靈敏性，能夠捕捉到輕微的光線變化情況，滿足在各種工況和條件下的快速檢測(cè)需求。這主要是由于當(dāng)入射光的光通量發(fā)生變化的時(shí)候，在光線折射情況下容易影響對(duì)光線的分析結(jié)果，因此需要高度靈敏性的光電接收器，能夠最大限度地降低光線折射對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)該油分含量監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文搭建了一個(gè)污水內(nèi)油分含量檢測(cè)控制模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[4]，對(duì)該污水內(nèi)的油分含量進(jìn)行檢測(cè)，該模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油分含量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在試驗(yàn)的過程中，在水箱上面設(shè)置一個(gè)可以人工控制的定量加油裝置，在試驗(yàn)過程中對(duì)滴油量進(jìn)行控制，可以滿足不同濃度油分的檢測(cè)要求，每次定量滴完后對(duì)污水內(nèi)的油分進(jìn)行一次檢測(cè)，然后再在水箱內(nèi)加入一定的油，進(jìn)行另一個(gè)濃度點(diǎn)的測(cè)量，不斷增加污水內(nèi)的油分含量，直到所有測(cè)點(diǎn)均測(cè)量完成為止，污水內(nèi)油分含量檢測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 油分含量檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際含量對(duì)比曲線

由實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可知，油分含量檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果和污水內(nèi)油分的實(shí)際含量相差較小，檢測(cè)結(jié)果緊跟油分濃度實(shí)際含量的變化，最大偏差約為0.2%，完全滿足污水監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的要求。同時(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)污水檢測(cè)時(shí)，單次檢測(cè)周期僅0.7 s，檢測(cè)速度極快，能滿足污水檢測(cè)實(shí)時(shí)性和快速性的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)目前污水檢測(cè)手段落后，檢測(cè)周期長，精度低的缺陷，本文提出了一種以近紅外光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的污水內(nèi)油分含量檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)驗(yàn)證情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1) 選擇了一種920SF10濾光片，確保光源通過該設(shè)備后的中心位置的波長保持在920 nm處，能夠確保對(duì)污水內(nèi)油分具有最佳的辨識(shí)度。

2) 信號(hào)放大器包括前置電路、主放電路和功放電路三個(gè)部分構(gòu)成，輸入的光源信號(hào)在經(jīng)過三級(jí)放大后，增強(qiáng)至能夠滿足檢測(cè)系統(tǒng)快速識(shí)別、處理的波長信號(hào)，從而滿足系統(tǒng)對(duì)近紅外光快速識(shí)別、快速分析、快速輸出的控制要求。

3) 油分含量檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果和污水內(nèi)油分的實(shí)際含量相差較小，檢測(cè)結(jié)果緊跟油分濃度實(shí)際含量的變化，最大偏差約為0.2%，完全滿足污水監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的要求。同時(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)污水檢測(cè)時(shí)，單次檢測(cè)周期僅0.7 s，檢測(cè)速度極快，能滿足污水檢測(cè)實(shí)時(shí)性和快速性的要求。