直接投入式水質濁度儀的設計與實現

黃 鴻，陳 杰，黃云彪

(1.重慶大學光電技術及系統教育部重點試驗室，重慶 400044；2.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

水的濁度是由粘土、微小的無機物、有機物、浮游生物和其他微生物等懸浮物所引起的。很多疾病的傳播就是由于一些病毒以及細菌附著在這些細小的顆粒上，降低了臭氧、氯離子等對水的殺菌消毒作用所導致的。因此，水質的濁度測量有著非常重要的現實意義[1-2]。

濁度測量的歷史大致分為三個階段[3]。最開始濁度的測量是目視法，即靠人們的眼睛來觀測，其使用的光源也是原始的燭光，測量非常不準確。后來人們使用鎢燈代替燭光，使用光電轉換器件代替肉眼，使得測量變得精確。特別是進入20世紀90年代，出現了激光光源以及LED光源[4]，并且伴隨著光電探測器件的發展[5-6]，使得隨后出現的濁度儀測量精度以及測量范圍都得到了極大的提升。目前，國外的濁度測量技術較為領先，濁度儀的種類繁多，測量精度也較高。而國內濁度儀的研究相對國外起步較晚，技術還存在一定的差距。

本文采用福爾馬肼(Formazine)聚合物溶液作為標液校準儀器[7]，并將專用探頭直接插入測試溶液進行檢測，不必用傳統的取樣方法就可以得到待測水質的濁度值。

1 測量原理及方法

1.1 測量原理

當一束光射向待測液中，待測液中的物質會和光線相互作用，產生折射、散射等現象。光在液體中的光學現象如圖1所示。

圖1 光在液體中的光學現象

假設待測液中的介質是均勻的。入射光強度為I0；穿過水樣的透射光強度衰減到It；K為摩爾吸收系數，它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關；c為吸光物質的濃度;b為吸收層厚度。朗伯-比爾定律的數學表達式為：

It=I0exp(-Kbc)

(1)

由朗伯-比爾定律的表達式可知，當摩爾吸收系數和吸收層厚度一定時，輸入光的強度和透射光的強度呈線性關系[8]。

水樣中顆粒的大小決定與光線的相互作用，散射分為瑞利散射和米氏散射。當入射光I0與半徑小于光波長的1/10的顆粒相互作用，在所有方向上均勻散射；當與半徑為光波長1/4左右顆粒發生相互作用，前向散射強烈，會發生瑞利散射；米氏散射是指當入射光與半徑大于光波長的粒子相互作用時，在發生前向散射的同時，側向散射強烈。該濁度儀使用福爾馬肼聚合物溶液作為標液，其懸浮物顆粒的直徑大于波長，主要發生的是米氏散射。米氏散射的數學描述為：

IM=KMANI0

(2)

式中：IM為米氏散射光強;I0為入射光強度;A為微粒表面積;N為單位液體中的顆粒數;KM為散射系數，其中散射系數只與溶液的性質有關。

由米氏散射定理可知，當入射光強度一定時，散射光強跟溶液的濃度成線性關系。

1.2 測量方法

濁度測量發展到現在，分為以下三種方式：目視法、分光光度法、儀器測量法[9]。而儀器測量法一般分為透射法、散射法和散射-透射比值法三種。散射測量法以其靈敏度高、測量準確而著稱[10]，按照散射光接收器件和入射光之間的角度不同，又分為垂直散射(=90°)、前向散射(<90°)和后向散射(>90°)。散射測量法如圖2所示。

圖2 散射測量法

已有研究結果表明，測量90°角方向上的散射光，受到待測液中散射粒子大小的變化影響最小；同時，由于光束的不嚴格平行，接收到的雜散光也是最小的。垂直散射法是國際標準ISO 7027水質濁度測量中所規定的濁度測量方法[11]，各類濁度儀也是采用此方法進行液體的濁度測量。因此，采用垂直90°方向的散射法捕獲光信號。

2 濁度儀設計

濁度儀是一種直接投入待測液測量水樣濁度的儀器，主要由光源、光電探測器、I/V 轉換電路、濾波電路以及顯示電路構成。其選用的主控芯片為STM32F103系列[12]。它的內核Cortex-M3具有強大的異常響應功能，所有的菜單跳轉均由外部按鍵去觸發外部中斷執行。相比傳統的取樣測量，該濁度儀由專用探頭直接插入待測液中進行測量，特別適合對液體濁度的快速測量[13]。

濁度儀結構框圖如圖3所示。

圖3 濁度儀結構框圖

2.1 專用探頭設計

探頭內部結構如圖4所示。

圖4 探頭內部結構示意圖

光源選擇波長860 nm的紅外LED燈。LED具有壽命長、功耗低、發光穩定等優點[14]。光電接收器件選擇硅光電池，其優點是結構簡單、接收光照面積大，有較高的響應特性且在860 nm處有較好的靈敏度[15]。光源由恒壓源驅動電路驅動點亮后，透過透鏡[16]，然后打在待測液中，通過光闌，由光電池接收90°方向的散射光。透射光由一個黑屏吸收，以便最小化反射光對測量的影響。其中，透鏡的作用是匯聚光線，在光電池的前面安裝一個光闌，使得光電池接收到光的角度受到限制，基本上為90度，且可以減少雜散光的干擾。其次，兩個光闌以及透鏡都可以起到隔絕探頭內部器件與待測液的作用。

經過試驗數據驗證，光電池接收到的電信號會受到外界物理環境干擾，主要是光線變化的影響，導致信號的不穩定，最終會影響后期的信號處理。故需要在專用探頭上加一個遮光罩，其作用是減小外界光線的干擾。遮光罩由Solid Works2014繪制，并由試驗室的3D打印機Maker Bot ReplicatorTM打印。

2.2 穩壓電路

光源發光強度的穩定程度影響整個儀器的性能，選用LM317直流可調穩壓電源，作為LED的驅動電壓。可調恒壓源電路如圖5所示。它不僅具有簡單形式的三端穩壓電路，而且還具有可調節輸出電壓的特點。此外，它還具有較寬的調壓范圍、良好的穩壓性能、低噪聲以及高紋波抑制比等優點。

圖5 可調恒壓源電路

輸出電壓Uout的計算公式為：

(3)

因為IAdj小于100 μA，所以IAdjR6在大多數的應用中都可以忽略不計。

2.3 I/V轉換電路

I/V轉換電路的作用是將光電池產生微弱的電流信號轉換為供單片機采集的電壓信號。該濁度儀采用的運算放大器為AD795。它是一款低功耗、低噪聲的精密FET運算放大器。圖6是I/V轉換電路。圖6中：R1為反饋電阻;C1為抑制噪聲的濾波電容;R4為調節電位器，它的作用是調節輸出電壓，然后經過一階RC低通濾波器去除尖峰噪聲，輸出的電壓output供MCU采集并由MCU作數據處理。

圖6 I/V轉換電路

2.4 E2PROM電路

本濁度儀需要用標液標定。在標定過程中，參數的寫入需要E2PROM芯片為其保存必要的數據，同時歷史數據也需要E2PROM芯片來保存，以保證這些數據在掉電之后也不會消失。E2PROM芯片使用AT系列的AT24C02。該類器件通過I2C總線操作。AT24C02共有256個字節，其內存空間滿足本濁度儀數據存儲的需求。E2PROM電路如圖7所示。

圖7 E2PROM電路

3 軟件系統設計

該濁度儀的主菜單包括讀取測量值、標定以及查詢三個子菜單。讀取測量值包括一個數據保存子菜單，用來保存當前測量值。測量值采用比濁法濁度單位(nephelometric turbidity unit,NTU)。標定界面包含0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU四個標定點。查詢界面可以依次上、下循環查詢最近保存的20個歷史數據。整個系統的程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

儀器在使用和工作的過程中，隨著儀器的老化以及其使用環境的改變，濁度儀會發生零點偏移等問題，從而影響其可靠性以及精度。在使用一段時間之后，必須對儀器重新標定，更新各線段的斜率和截距寫入E2PROM芯片當中，保證測量的精度。

此外，由于溶液內部的不穩定和沒有完全消除的外界光線的干擾，最終在LCD屏顯示的測量結果會有一定的跳動。為了減小測量結果的跳動，采取在測量結果顯示模塊加上滑動窗口的方法減小跳動。具體做法如下：有一個數組buffer，其長度為5個數據大小；第一次顯示的數據是buffer的平均值；第二次顯示更新數組buffer第一個數據；去掉數組buffer的最后一個值，原來下標為0的數據往后移動一個位置存在下標為1的位置，原來下標為1的數據往后移動一個位置存在下標為2的位置。以此類推，再一次求取Buffer的平均值作為最后的測量值。

4 試驗

溶液的配置：溶液選取的是國際標準的福爾馬肼懸浮液作為標準溶液。將需要測試的溶液用4 000 NTU的福爾馬肼標液稀釋至指定的濃度。另外，零濁度水不能用蒸餾水去代替。因為其濁度值并不是0，需要嚴格按照規定，用孔徑不大于0.2 μm的微孔過濾蒸餾水2次以上，來獲得零濁度水。

4.1 穩定性試驗測試

不同濃度的探頭試驗結果如圖9所示。

圖9 不同濃度的探頭試驗結果

前期制作專用探頭直接試驗，若外界的物理環境發生變化，當手在探頭外圍晃動，通過RS-232串口打印在PC端，發現單片機所采集到的A/D值不夠穩定，最大差值達到10左右，最終會導致顯示的測量結果不夠穩定。故后期在專用探頭上加上了遮光罩，再重新用40 NTU、100 NTU、600 NTU以及1 000 NTU四種濁度液進行了試驗。從該測試結果中發現，即使用手在探頭外圍晃動，采集到的A/D值也趨于穩定，最大跳動僅為2個A/D值。

4.2 試驗結果及分析

根據配置好的溶液，分別對0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000一共15個點進行試驗。15個點的采樣A/D值如表1所示。

表1 15個點的采樣A/D值

根據表1中的試驗數據分析可知，把測量范圍分成0～100 NTU、100～400 NTU 以及400～1 000 NTU 這3段進行標定，可以得到比較理想的效果。標定時，只需要標定0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU 這4個點，即可得到這3段的斜率以及截距。對儀器進行校準后，就可以測量未知濃度的待測液。分段折線圖如圖10所示。

圖10 分段折線圖

在(0～100 NTU)范圍內，連接(20,0)和(478,100)兩個標定點；在(100～400 NTU)范圍內，連接(478,100)和(1 704,400)兩個標定點，在(400～1 000 NTU)范圍內，連接(1 704,400)和(3 606,1 000)兩個標定點。

在(0～100 NTU)范圍內，濁度值與采樣A/D值的關系表達式為：

y=0.218x-4.37

(4)

在(100～400 NTU)范圍內，濁度值與采樣A/D值的關系表達式為：

y=0.245x-16.97

(5)

在(400～1 000 NTU)范圍內，濁度值與采樣A/D值的關系表達式為：

y=0.315x-137.54

(6)

式中:y為濁度值;x為采樣A/D值。

根據式(4)、式(5)和式(6)可知，隨著濃度的增加，斜率k值也在變大。其原因是濃度過大時，光線在溶液內部發生多次散射，導致光電池接收到的光強度增加速度變緩。由此可知，隨著溶液的濃度不斷增加，濁度值與采樣A/D值將不會一直保持線性關系，故需要用分段的方法去標定儀器。儀器的誤差以及重復性是測量儀器非常重要的指標。重復性試驗如表2所示。

表2 重復性試驗

由表2可知，測量的最大示值誤差數據點為測量值1中的806.7 NTU，其示值誤差為6.7 NTU，但相對誤差僅為0.838%。相對誤差最大的數據點為測量值2中的19.3 NTU，其相對誤差為3.5%，重復性誤差最大為2.4%。

5 結束語

本文設計了一種基于近紅外LED的90°垂直散射式濁度儀。在0～1 000 NTU的測量范圍內，根據試驗結果可知，該濁度儀測量精度高、重復性好、性能穩定。與傳統型濁度儀相比，本濁度儀具有電路結構簡單、體積小、易于制造等優點。相比于一般的取樣測量，該濁度儀僅需將專用探頭直接插入待測液中就可進行測量，特別適合對液體濁度進行快速測量。