地下水原位監測濁度傳感器設計

羅勇鋼,吳 建,劉冠軍,鄒 君,孫穎奇

(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,江蘇 南京 211100)

0 引言

濁度指水體由于粘土、有機物、浮游生物等不溶性物質導致水體透明程度降低的量度[1],是水質評價的重要感官指標,也是地下水環境監測的重要指標[2-4]。通過對地下水濁度原位監測,可實現不同點位、不同深度的地下水濁度刻畫,輔助進行地下水污染羽遷移分析及水質評判[5-6]。傳統原位監測濁度傳感器主要針對地表水、市政污水等應用場合,在低濁度場合的測量精度較低,且傳感器體積普遍較大,在地下水監測井的適應性不足。此外,針對傳感器光源因使用發熱等原因導致的發光強度波動,傳統濁度傳感器雖然可以通過延長預熱時間等方式進行規避,但不利于在測點較多的地下水監測場合應用。

本文結合地下水原位監測需求,設計了一種基于90°散射光測量原理的地下水原位監測濁度傳感器。傳感器采用柔性玻璃光纖束作為導光介質,實現了傳感器內部光器件的立體設計。該設計縮小了傳感器外形尺寸,使傳感器外徑僅φ24 mm。同時,傳感器設計并實現了光源發光強度動態補償,避免了光源發光強度波動對測量的影響,縮短了傳感器預熱時間,并進一步提高了測量精度和穩定性。傳感器采用316不銹鋼和聚甲基作為主體材質,以多芯防水接頭作為對外接口,在方便應用的同時確保了良好的耐腐、防水性能,具有較高的推廣應用價值。

1 測量原理

濁度測量有散射法、透射法及散射-透射比值法等多種方法。散射法具有靈敏度高、準確性好等優點,較適用于地下水等濁度較低場合的水體原位監測[7-8]。

根據光學理論,一定波長的光束通過水樣時,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及光束波長相關。90°方向的散射光強度為[9-10]:

(1)

式中:Is為散射光強度;K為系數;N為單位體積水中的懸浮微粒數;V為懸浮微粒體積;λ為入射光波長;I0為入射光強度。

由于90°方向散射光強度受微粒的粒徑影響較小,當入射光波長確定時,式(1)可簡化為:

Is=K′TI0

(2)

式中:K′為系數;T為試樣的濁度。

據此,當入射光強度一定時,90°方向的散射光強度與水樣濁度成正比,即根據90°方向散射光的強度可實現水樣濁度的測量。

2 傳感器設計

根據地下水監測需求,傳感器設計量程為0～400 NTU。傳感器測量性能分為0～40 NTU和40～400 NTU兩個量程段。傳感器24 h漂移不大于2%,且耐水壓不小于0.5 MPa。

2.1 光路設計

測量光路是傳感器的核心。光路系統由光發射部件、發射光纖、接收光纖和光接收部件組成。

光發射部件的發光二極管發出中心波長為880 nm的紅外光。紅外光經透鏡耦合后進入發射光纖從而射入待測液體。接收光纖與發射光纖中心軸線互相垂直布置,確保接收光纖可接收與入射光呈90°方向的散射光。散射光經接收光纖導光后進入光接收部件。光接收部件內設計有濾光片和光接收器。濾光片采用可透過800 nm及以上波長的帶通濾光片制作而成,以減少外界光的干擾。光接收器將光信號轉換成電信號,并連接測量電路以實現散射光強度的測量。考慮到發光二極管發光強度可能受溫度變化、光強衰減等因素影響,傳感器在光發射部件上還設計有光源發光強度監測機構,可實現光源發光強度監測,并據此對發光強度變化進行補償及對傳感器故障進行判斷。

傳感器光路結構如圖1所示。

圖1 傳感器光路結構示意圖

導光光纖是傳感器設計實現和可靠測量的關鍵。本文設計選用柔性玻璃光纖束作為導光光纖。該設計利用玻璃光纖的良好柔韌性,提高了光電器件的布設自由程度,以減小器件布置所需空間尺寸;利用玻璃光纖材質的耐磨特性,以提高傳感器的長期穩定性。同時,通過毛細管對光纖進行束縛定型,可較好地控制光纖形狀和數量,從而提高產品的批次一致性。

2.2 結構設計

傳感器呈圓柱形設計,主體尺寸為φ24×150 mm,主要由測量部件主體和密封部件組成。

傳感器測量部件主體由導向座、安裝基座、光發射部件結構件、光接收部件結構件及光學零件組成。導向座上設計有兩個相互垂直的斜孔,用于光纖束導向,以確保入射光軸線與散射光接收軸線呈90°。斜孔上部設計有灌膠凹槽,用于灌膠以實現光纖束固定及密封防水。光纖束通過安裝基座分別與光發射部件和光接收部件連接,并通過上述部件結構設計與相互配合以滿足光學設計要求。

傳感器密封部件主要包括傳感器外殼、密封圈、堵頭等零件。導向座和堵頭分別通過兩道密封圈與傳感器外殼密封連接,以保證儀器耐水壓性能。傳感器堵頭上設計有多芯防水接頭,可作為傳感器供電及上位機通信接口。此外,考慮到傳感器整體質量較小,為便于現場使用,本文設計直接采用多芯電纜作為承重纜線,無需安裝其他附件。

傳感器結構如圖2所示。

圖2 傳感器結構示意圖

2.3 測控電路設計

傳感器基于光學原理實現測量。測控電路通過單片機控制恒流源脈沖驅動紅外發光二極管。脈沖激勵可在保證傳感器測量的基礎上減少二極管發光量,從而降低能耗。光發射部件和光接收部件的光電轉換器分別產生光電流信號,并各自經信號調理后進入模擬數字轉換器(analog-to-digital converter,ADC)實現模數(analog-to-digital,A/D)轉換。單片機對轉換后的數據進行處理和計算,并通過RS-485對外輸出。測控電路框圖如圖3所示。

圖3 測控電路框圖

2.4 數據處理

2.4.1 標準曲線設計

在低濁度條件下,90°方向散射光強與待測溶液濁度呈較好的線性關系。但濁度值較高時,由于二次散射等因素的影響,散射光強與濁度的線性關系逐漸降低[11]。經試驗測試,本文設計在0～40 NTU范圍內呈現良好的線性關系,在高于40 NTU時線性關系逐漸降低。結合本文設計要求,傳感器以0 NTU、40 NTU、100 NTU和400 NTU作為標定點,分別測量標定點濁度標準溶液的散射光強度,形成0～40 NTU、40～100 NTU和100～400 NTU三段折線式標準曲線。測量待測溶液時,通過插值法可實現濁度的測量。

2.4.2 光源補償設計

傳感器采用發光二極管作為光源。該光源的發光強度受溫度等因素影響。對此,本文設計在單次測量時,同時進行光源發光強度測量和散射光強度測量,并采用測量時光源發光強度與標定時光源發光強度的比值作為補償系數,對測量結果進行動態補償,從而避免光源發光強度對測量的影響。這在縮短傳感器預熱時間的同時能進一步提高傳感器的測量精度。

2.4.3 濾波設計

傳感器在實際工程應用時,待測液體中可能存在偶然出現的大顆粒懸浮物、氣泡等非目標測量物,從而干擾測量。對此,傳感器采用了中值濾波算法進行濾波,以減少測量時偶發干擾的影響、提高測量結果的可靠性。考慮到不同場合對傳感器應用需求不同,為提高傳感器的適應性,本文設計將中值濾波的采樣次數作為可調參數。該參數可在一定范圍內進行設置。

3 試驗

參考相關標準,本文通過試驗對傳感器性能進行了驗證[12]。試驗采用32 NTU和320 NTU的濁度液作為量程校正液,采用經0.2 μm終端過濾并防塵靜止12 h的超純水作為零點校正液,并采用內壁黑色的容器作為測量容器對傳感器進行測試。測試結果如下。

①重復性。重復性試驗將傳感器分別置于兩種量程校正液中,各連續進行六次測量,測得平均值分別為32.236 NTU和321.34 NTU、標準偏差分別為0.133 NTU和0.98 NTU。本文取相對標準偏差較大者作為重復性誤差,即傳感器重復性為0.41%。

②漂移。漂移試驗將傳感器置于零點校正液中,上電后開始連續測定24 h,并每10 min記錄一次數據。試驗選定最初三次測量值的平均值為初期零值,測得傳感器在零點校正液中24 h內最大漂移量為0.182 NTU,并計算該漂移量相對于傳感器量程(40 NTU)的百分率。傳感器零點漂移為0.46%。

③線性誤差。傳感器校正完成后,將量程校正液稀釋一倍,并測量該稀釋液濁度值。測量值分別為15.812 NTU和159.13 NTU。試驗計算測量值與理論值之差相對于量程值的百分率,并以取值大者為線性誤差,即傳感器線性誤差為0.47%。

④耐水壓。耐水壓試驗將已校正的傳感器置于壓力試驗容器內,并將容器內壓力調整至0.5 MPa,在保壓2 h后將傳感器取出。檢驗發現傳感器外觀無損壞、工作正常,各性能指標仍滿足設計要求。這表明傳感器可較好耐受0.5 MPa的水壓環境。

4 結論

本文結合地下水監測需求,設計了一種結構小巧、性能可靠的地下水原位監測濁度傳感器。該傳感器采用柔性玻璃光纖束作為導光介質,通過對測量器件立體布設,實現了傳感器的小型化設計;通過對傳感器光源發光強度動態補償,避免了光源發光強度變化導致的測量誤差,縮短了傳感器預熱時間、提高了傳感器的測量精度;通過參數可設的中值濾波算法,避免了氣泡等偶發干擾的影響。性能測試結果表明,該傳感器具有測量精度高、穩定性好、耐水壓強等優點。該傳感器能較好地滿足地下水等水環境監測場合對濁度的監測要求,具有較高的應用價值。