地下水原位監(jiān)測濁度傳感器設(shè)計

羅勇鋼,吳 建,劉冠軍,鄒 君,孫穎奇

(南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)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(zhì)導(dǎo)致水體透明程度降低的量度[1],是水質(zhì)評價的重要感官指標,也是地下水環(huán)境監(jiān)測的重要指標[2-4]。通過對地下水濁度原位監(jiān)測,可實現(xiàn)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(zhì)評判[5-6]。傳統(tǒng)原位監(jiān)測濁度傳感器主要針對地表水、市政污水等應(yīng)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(jiān)測井的適應(yīng)性不足。此外,針對傳感器光源因使用發(fā)熱等原因?qū)е碌陌l(fā)光強度波動,傳統(tǒng)濁度傳感器雖然可以通過延長預(yù)熱時間等方式進行規(guī)避,但不利于在測點較多的地下水監(jiān)測場合應(yīng)用。

本文結(jié)合地下水原位監(jiān)測需求,設(shè)計了一種基于90°散射光測量原理的地下水原位監(jiān)測濁度傳感器。傳感器采用柔性玻璃光纖束作為導(dǎo)光介質(zhì),實現(xiàn)了傳感器內(nèi)部光器件的立體設(shè)計。該設(shè)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(shè)計并實現(xiàn)了光源發(fā)光強度動態(tài)補償,避免了光源發(fā)光強度波動對測量的影響,縮短了傳感器預(yù)熱時間,并進一步提高了測量精度和穩(wěn)定性。傳感器采用316不銹鋼和聚甲基作為主體材質(zhì),以多芯防水接頭作為對外接口,在方便應(yīng)用的同時確保了良好的耐腐、防水性能,具有較高的推廣應(yīng)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(yōu)點,較適用于地下水等濁度較低場合的水體原位監(jiān)測[7-8]。

根據(jù)光學(xué)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(fā)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(guān)。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(shù);N為單位體積水中的懸浮微粒數(shù);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(shù);T為試樣的濁度。

據(jù)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(jù)90°方向散射光的強度可實現(xiàn)水樣濁度的測量。

2 傳感器設(shè)計

根據(jù)地下水監(jiān)測需求,傳感器設(shè)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(shè)計

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

光發(fā)射部件的發(fā)光二極管發(fā)出中心波長為880 nm的紅外光。紅外光經(jīng)透鏡耦合后進入發(fā)射光纖從而射入待測液體。接收光纖與發(fā)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(jīng)接收光纖導(dǎo)光后進入光接收部件。光接收部件內(nèi)設(shè)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(zhuǎn)換成電信號,并連接測量電路以實現(xiàn)散射光強度的測量。考慮到發(fā)光二極管發(fā)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(fā)射部件上還設(shè)計有光源發(fā)光強度監(jiān)測機構(gòu),可實現(xiàn)光源發(fā)光強度監(jiān)測,并據(jù)此對發(fā)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器光路結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)光光纖是傳感器設(shè)計實現(xiàn)和可靠測量的關(guān)鍵。本文設(shè)計選用柔性玻璃光纖束作為導(dǎo)光光纖。該設(shè)計利用玻璃光纖的良好柔韌性,提高了光電器件的布設(shè)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(zhì)的耐磨特性,以提高傳感器的長期穩(wěn)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(shù)量,從而提高產(chǎn)品的批次一致性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器呈圓柱形設(shè)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(dǎo)向座、安裝基座、光發(fā)射部件結(jié)構(gòu)件、光接收部件結(jié)構(gòu)件及光學(xué)零件組成。導(dǎo)向座上設(shè)計有兩個相互垂直的斜孔,用于光纖束導(dǎo)向,以確保入射光軸線與散射光接收軸線呈90°。斜孔上部設(shè)計有灌膠凹槽,用于灌膠以實現(xiàn)光纖束固定及密封防水。光纖束通過安裝基座分別與光發(fā)射部件和光接收部件連接,并通過上述部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與相互配合以滿足光學(xué)設(shè)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(dǎo)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(shè)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(zhì)量較小,為便于現(xiàn)場使用,本文設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 測控電路設(shè)計

傳感器基于光學(xué)原理實現(xiàn)測量。測控電路通過單片機控制恒流源脈沖驅(qū)動紅外發(fā)光二極管。脈沖激勵可在保證傳感器測量的基礎(chǔ)上減少二極管發(fā)光量,從而降低能耗。光發(fā)射部件和光接收部件的光電轉(zhuǎn)換器分別產(chǎn)生光電流信號,并各自經(jīng)信號調(diào)理后進入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)實現(xiàn)模數(shù)(analog-to-digital,A/D)轉(zhuǎn)換。單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理

2.4.1 標準曲線設(shè)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(guān)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(guān)系逐漸降低[11]。經(jīng)試驗測試,本文設(shè)計在0～40 NTU范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,在高于40 NTU時線性關(guān)系逐漸降低。結(jié)合本文設(shè)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(xiàn)濁度的測量。

2.4.2 光源補償設(shè)計

傳感器采用發(fā)光二極管作為光源。該光源的發(fā)光強度受溫度等因素影響。對此,本文設(shè)計在單次測量時,同時進行光源發(fā)光強度測量和散射光強度測量,并采用測量時光源發(fā)光強度與標定時光源發(fā)光強度的比值作為補償系數(shù),對測量結(jié)果進行動態(tài)補償,從而避免光源發(fā)光強度對測量的影響。這在縮短傳感器預(yù)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(shè)計

傳感器在實際工程應(yīng)用時,待測液體中可能存在偶然出現(xiàn)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(fā)干擾的影響、提高測量結(jié)果的可靠性。考慮到不同場合對傳感器應(yīng)用需求不同,為提高傳感器的適應(yīng)性,本文設(shè)計將中值濾波的采樣次數(shù)作為可調(diào)參數(shù)。該參數(shù)可在一定范圍內(nèi)進行設(shè)置。

3 試驗

參考相關(guān)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(jīng)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(nèi)壁黑色的容器作為測量容器對傳感器進行測試。測試結(jié)果如下。

①重復(fù)性。重復(fù)性試驗將傳感器分別置于兩種量程校正液中,各連續(xù)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(fù)性誤差,即傳感器重復(fù)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(xù)測定24 h,并每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。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(nèi)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(nèi),并將容器內(nèi)壓力調(diào)整至0.5 MPa,在保壓2 h后將傳感器取出。檢驗發(fā)現(xiàn)傳感器外觀無損壞、工作正常,各性能指標仍滿足設(shè)計要求。這表明傳感器可較好耐受0.5 MPa的水壓環(huán)境。

4 結(jié)論

本文結(jié)合地下水監(jiān)測需求,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)小巧、性能可靠的地下水原位監(jiān)測濁度傳感器。該傳感器采用柔性玻璃光纖束作為導(dǎo)光介質(zhì),通過對測量器件立體布設(shè),實現(xiàn)了傳感器的小型化設(shè)計;通過對傳感器光源發(fā)光強度動態(tài)補償,避免了光源發(fā)光強度變化導(dǎo)致的測量誤差,縮短了傳感器預(yù)熱時間、提高了傳感器的測量精度;通過參數(shù)可設(shè)的中值濾波算法,避免了氣泡等偶發(fā)干擾的影響。性能測試結(jié)果表明,該傳感器具有測量精度高、穩(wěn)定性好、耐水壓強等優(yōu)點。該傳感器能較好地滿足地下水等水環(huán)境監(jiān)測場合對濁度的監(jiān)測要求,具有較高的應(yīng)用價值。