比值法濁度測量的探討

來源:http://www.amormio929fm.com/ 作者:餘氯檢測儀 時間:2018-10-11

  摘 要:介紹了濁度的概念,分析了散射與透射比值法測量原理的理論依據,給出了測量信號與濁度的關係式。設計了比值法測量電路,包括紅外光源、紅外探測器、弱光檢測放大電路,通過實驗驗證了比值法在濁度測量中的優越性。

  【關鍵詞】濁度 比值法

  水中的泥沙、有機物和無機物等細微懸浮物能吸附大量細菌、病毒等致害物質,對人體健康造成威脅,濁度是表示水的清澈或渾濁程度的物理指標。實驗表明,自然沉降的水樣固體顆粒的含量為80mg/10L,而濁度為0.1度時的水樣未檢出固體顆粒。歐美發達國家飲用水的濁度普遍為0.1~0度。為保障人民飲用水質量,我國將濁度與餘氯、PH值等一並納入水質監測指標中。

  1 濁度測量方法

  對水質濁度的儀器測定目前有透射法和散射法兩種基本方法。

  1.1 透射法

  特性曲線證明了光電轉換信號與濁度成對數關係,並且S與T之間保持單調衰減關係,即濁度越高,透射光越弱。

  1.2 散射法

  入射光遇到水樣中微粒將引起光的散射,散射光的強度與水樣單位體積中微粒數量、直徑有關。通過測量散射光強可得到濁度信息。

  散射光到達光電接收器前,光強同樣會因為穿透一定光程的水樣而發生衰減,散射光衰減程度服從比爾-朗伯定律。采用線性光電元件作為接收器,獲得的電信號符合式(4):

  實驗曲線表明,散射法適用濁度範圍在0~T0之間的水樣測試。超過T0(取決於儀器幾何參數及懸浮顆粒分布),測量結果不再是濁度的單值函數,無法表征濁度值。因此,散射法隻適用於低濁度測量。

  1.3 散射光和透射光比值法

  光通過水樣,會同時發生透射與散射。散射光強度會隨著濁度的增加而增加,而透射光則反之。因此,通過散射光與透射光強度變化關係可以推算出水樣濁度值。

  2 實驗平台搭建

  2.1光源電路

  研究表明,入射光波長範圍在400~600nm時,散射光強度大,測試效果好。但與此同時,水樣中微粒對可見光的吸收波長也在這個區域。為避免吸收作用對測量結果準確性的影響,入射光光譜應該避開這個區域。由於水樣強製檢測項目--色度分析所使用的光源波長為500多nm,濁度測量所用光源光譜應避開可見光區。並且,在飲用水質檢測中,水樣顆粒粒度大多在0.1μm~20μm之間,光源波長選擇在紅外光區,散射光強度服從瑞利定律和米氏定律。實驗中按照ISO7027規定,選擇浜鬆公司的L7558紅外LED作為入射光源。光強的變化,會導致測量結果的不穩定性,因此,實驗中采用LM317構成穩流電路,確保電流穩定,光強穩定,如圖4所示:

  2.2 光電接收器

  光電接收器選用西門子的紅外接收管SFH214FA。其光譜響應波長範圍在750~1100nm,峰值波長900nm,與L7558紅外LED匹配。並且SFH214FA暗電流小,上升時間tr及下降時間tf小,適應於計算機高速采集。

  2.3 放大電路

  由於光敏二極管光電流小,為保障信號不被噪聲淹沒,實驗中采用ADI公司低輸入電流,低輸入補償的AD549作為電流電壓轉換電路;采用Intersil公司的ICL7650斬波穩零式高精度運放作為前置運放。濁度儀通常使用的環境比較惡劣,為提高傳感器信號的抗幹擾能力,將光電探測器SFH214FA與前置放大電路安裝在一起。

  3 實驗數據分析

  按照公式(6)將400NTU福馬肼儲備液加入按照國際標準ISO7027製備的零濁度水稀釋,選擇得到10個0-100NTU的樣品。

  測量數據顯示:散射信號與透射信號的比值隨濁度上升而增加。按照公式(7),以濁度作為X,比值為Y,對實驗數據進行相關性分析,R=0.97307,證明散射與投射信號的比值與濁度高度相關。

  以濁度作為X,比值為Y,對實驗數據進行回歸分析:

  推出描述濁度與傳感器輸出數學模型的一元線性回歸方程:

  實驗證明,采用比值法測量水樣濁度,能消除水樣色度、光源、元件參數、環境光等變化對測量值的影響,相對於透射法、散射法而言具有更強的抗幹擾能力。在中低濁度範圍,使用比值法測量的傳感器線性度好於其他方法,因此在外圍電路設計、信號處理等方麵易於實現,能降低係統軟硬件的投入,具有較好的經濟型。

  綜上所述,比值法測量濁度在中低濁度範圍具有很好的應用前景,具有較高的推廣價值。

  參考文獻

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  作者簡介

  康亞(1972-),女,重慶人,本科,講師,主要研究方向智能儀器儀表。

  作者單位

  1.重慶城市管理職業學院 重慶市 401331

  2.重慶科技學院 重慶市 401331

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