基于線性回歸法的余氯檢測系統(tǒng)的研究

谷學匯，付志清

(長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130022)

基于線性回歸法的余氯檢測系統(tǒng)的研究

谷學匯，付志清

(長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130022)

設(shè)計了一種雙波長光路自動檢測余氯系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能就是能夠?qū)崟r檢測醫(yī)療污水中余氯的含量，以達到控制處理、達標排放的目的。本系統(tǒng)是通過光電傳感器接收來自光源照射樣品溶液后透射光的強度來確定樣品溶液中余氯的濃度，以線性回歸法為計算基礎(chǔ)，配合雙波長光路設(shè)計極大地減小了連續(xù)檢測時出現(xiàn)的干擾和誤差，達到了精確檢測的目的。

線性回歸法;雙波長光路;余氯檢測;光電檢測

0 引言

目前，醫(yī)院中主要用二氧化氯以及其他含氯消毒劑進行日常消毒，對醫(yī)療污水中余氯的含量進行精確在線監(jiān)測是污水排放控制的一個重要環(huán)節(jié)［1］。而醫(yī)療消毒過程投放的氯氣量是否適當，可以通過檢測處理后的廢水中余氯含量進行判斷。由于廢水中成份較為復雜，余氯在水中又很不穩(wěn)定，要精確、適時跟蹤檢測余氯含量對采用的電路結(jié)構(gòu)及傳感器的精度要求較高，傳統(tǒng)的余氯檢測傳感器經(jīng)常受到其他成份干擾，造成測試數(shù)據(jù)不準確甚至損壞傳感器本身，因此本文選用了非接觸式的光電式傳感器，以線性回歸法為計算依據(jù)，通過雙光路設(shè)計來減小測量余氯濃度時產(chǎn)生的誤差，達到了精確測量的目的。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計的雙波長光路如圖1所示［2］，采用12V、20W碘鎢燈作為光源，其穩(wěn)定性較好、使用壽命較長，工作波長范圍320～780nm。從光源發(fā)出的復色光分成兩束，分別經(jīng)過兩個透光波長不同的濾光片形成λ1，λ2兩束波長不同的單色光。λ1，λ2分別是樣品波長和參考波長。借助切光器使這兩束光以一定的時間間隔交替照射到流動池上，透射光再照到檢測器上，通過光電傳感器件接收入射的單色光，并通過放大電路及A/ D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送入后端控制系統(tǒng)進行處理。根據(jù)測得的電信號，求出對應(yīng)波長的兩個不同吸光度，在將這兩個吸光度相減，就得到吸光度差值ΔA，根據(jù)ΔA與流動池中的待測液體濃度的關(guān)系，最終確定余氯的含量。

如圖1所示，兩個不同波長λ1、λ2以適當頻率交替通過試液，可以減少因光源、檢測器的不穩(wěn)定性而引入的誤差，消除了光散射和吸收光譜重疊的干擾，提高了測量的靈敏度和準確度。

圖1 雙波長光路系統(tǒng)示意圖

1.1 應(yīng)用原理

本設(shè)計是基于物質(zhì)對光的選擇性吸收原理，通過接收來自光源照射樣品溶液后的透射光強度，來確定液體中余氯含量。當一束平行單色光照射到任何均勻、非散射的介質(zhì)時，光的一部分被溶液吸收，一部分透過溶液，溶液中的物質(zhì)在光的照射激發(fā)下，產(chǎn)生對光的吸收效應(yīng)，這種效應(yīng)是具有選擇性的，不同物質(zhì)的溶液對光的吸收程度與其濃度、透過的液層厚度及入射光的波長等因素有關(guān)，當入射光的波長一定時，其定量關(guān)系符合朗伯比爾定律，既吸光度與吸光質(zhì)點的濃度和吸收層厚度的乘積成正比［3］。

朗伯-比爾定律：

A-吸光度;T-透光率(I0/I);c-吸收物的摩爾濃度;I0-入射光強度;I-透射光強度;b-吸收層厚度(cm);ε-介質(zhì)摩爾吸光系數(shù)。

1.2 計算原理

由Beer-Lambert定律可得：

ε1，ε2-分別為待測溶液在波長λ1，λ2處的摩爾吸光系數(shù)。對于同一待測溶液來說，(ε1-ε2)是一常數(shù)，在光程長度b不變的情況下，上式可簡化為：

由簡化式可知待測溶液在兩個波長處測定的差吸光度ΔA 與待測組分濃度成正比。

2 光電系統(tǒng)

本文光電系統(tǒng)由光電傳感器及相關(guān)電源組成。光電傳感器是一種檢測信號、測量單色光透過溶液后光強度變化的一種裝置，其應(yīng)該滿足以下條件：產(chǎn)生的光電流與照射在它上面的光的能量成正比、靈敏度高、響應(yīng)速度快、相應(yīng)波長范圍寬和線性響應(yīng)寬。

2.1 光電傳感器

如圖2為示，本文采用GD-5型光電管，該型號光電管光譜范圍寬，靈敏度高，暗電流小，光譜響應(yīng)范圍200～625nm。其電流大小決定于入射光強度，對可見光范圍內(nèi)的入射光靈敏度比較高，由于有很高的內(nèi)阻，可以把經(jīng)過流動池后的微弱信號較好的轉(zhuǎn)換成電信號，而且產(chǎn)生的電流更容易放大［4］。

圖2 光電管電路示意圖

2.2 信號處理器

信號處理器作用是將光電檢測元件輸出信號進行放大、A/D變換及處理。由于從光電管出來的信號很微弱，需要經(jīng)過放大電路放大，本文選取為OP07型號放大器［5］，優(yōu)點是低噪聲、低偏置電流、轉(zhuǎn)換速率快。如圖3所示，將光電管輸出信號經(jīng)過放大電路放大后，送入A/D變換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，將采集的數(shù)據(jù)信號在送給單片機，單片機將數(shù)據(jù)處理計算得到測量結(jié)果，并送LED顯示器顯示讀取。

圖3 放大電路原理圖

3 復位系統(tǒng)及流程圖

余氯檢測系統(tǒng)的難點是準確的連續(xù)多次檢測。由于流動池狹小，光程較短，檢測后管壁上會留有殘留，影響下次測量，因此設(shè)計一個精確復位系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。原理如下：首先打開清水提取泵及清水開關(guān)，將潔凈水經(jīng)取樣管道輸入流動池后，進行測試及A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過反復測量直至檢測到的數(shù)據(jù)達到零位或初始值，則可確定流動池已經(jīng)洗凈。此后，關(guān)閉潔凈水清洗閥，打開高壓氣閥，則氣泵所產(chǎn)生的高壓氣體迅速進入流動池，并將流動池中的潔凈水排出，待流動池內(nèi)氣壓升至額定氣壓后，再打開該開關(guān)，高壓氣體迅速排出，如此反復多次，直至將流動池完全吹干，待流動池恢復到初始狀態(tài)后，等待下一次檢測。如圖4所示為控制系統(tǒng)流程圖。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)

首先進行系統(tǒng)標定，若比較電壓用V表式，先配置一組精確的濃度樣品，其濃度值用Ci表示，依次測出Ci相應(yīng)的比較電壓Vi，可以用下列公式進行線性回歸計算：(i=1，2，……，N)

由公式可得歸直線方程：V=a+bC;

a-是回歸直線的截距;b-是回歸系數(shù);r-為相關(guān)系數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的余氯溶液標定曲線為：

標定曲線如圖5所示，通過實驗的結(jié)果可知，線性相關(guān)系數(shù)r=0.998，因r→1，則表明回歸直線是線性相關(guān)的。將測試系統(tǒng)的標定數(shù)據(jù)存貯在計算機中，利用已標定的數(shù)據(jù)，對余氯溶液進行實測，通過雙波長光路在最大吸收波長λmax處測量不同濃度的待測溶液所對應(yīng)的電壓值，通過和已標定的數(shù)據(jù)比較，最終得出待測溶液中余氯濃度。測量結(jié)果記錄在表1中，從表1中可看出，實測誤差在1%左右，可見通過此系統(tǒng)檢測出的結(jié)果取得了良好的效果。

圖5 余氯標定曲線

表1 余氯濃度測量值及誤差

4 結(jié)語

本文以Beer-Lambert定律為理論基礎(chǔ)，設(shè)計了一種雙波長光路。通過檢測樣品波長和參考波長經(jīng)流動池后的差吸光度ΔA，并利用線性回歸法對溶液濃度進行計算，得出比較電壓與濃度的關(guān)系，最終測得實際余氯的濃度。本系統(tǒng)的設(shè)計極大的減小了傳統(tǒng)單路系統(tǒng)設(shè)計中存在的掛壁產(chǎn)生的誤差，在光電檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的緊密配合使余氯濃度的檢測結(jié)果較為準確，達到了國家《醫(yī)院污水類別排放標準》的要求，能夠滿足醫(yī)院污水排放監(jiān)測的要求。

［1］ 吳克宏，鄧正棟，謝思桃.醫(yī)院污水處理技術(shù)綜述［J］.工業(yè)用水與廢水，2001，32(1)：40-42.

［2］ 馮麗爽，祝連慶，董明利.雙光路偏振測量系統(tǒng)的研究［J］.北京機械工業(yè)學院學報：2000，15(2)：31-34.

［3］ 殷海青.光度分析中工作曲線偏離朗伯-比爾定律的原因［J］.青海師專學報(教育科學)，2004，(5)：63-66.

［4］ 曾光宇，張志偉，張存林.光電檢測技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［5］ 孫余凱，吳鳴山，項綺鳴，等.集成運算放大器實用識圖［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［6］ 張玥.一元線性回歸法用于測定微量鋁［J］.長沙電力學院學報(自然科學版)，1997，12(3)：260-265.

責任編輯：吳旭云

A study on the residual chlorine detection system based on linear regression

GU Xue-hui，F(xiàn)U Zhi-qing
(College of Electronic Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper designs an automatic residual chlorine detection system of dual-wavelength optical path，the function of which is to real-time detect the content of residual chlorine in medical wastewater so as to control and process wastewater and achieve standard discharge.The system receives the transmission light intensity from light source irradiation sample solution to determine the concentration of residual chlorine by photoelectric sensors，takes linear regression as computation basis，greatly reduces the interference and error with the aid of dual-wavelength optical design in continuous detection and achieves the purpose of accurate detection.

linear regression;dual-wavelength optical path;residual chlorine test;photoelectric detection

TP274.4

A

1009-3907(2010)08-0066-04

2010-06-22

谷學匯(1984-)，男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事光電檢測方面的研究。