基于物聯網技術的水質濁度散射實驗等解測量與分析

摘 要：為了確保物聯網水質監測系統的準確性和可靠性，選擇兩種不同的濁度測量儀器，分別是HI98703精密便攜式濁度計和濁度傳感器。通過實驗方法，反復進行測量，記錄了濁度值與測量儀器輸出的電壓值之間的關系。然后，通過MATLAB編程分析這些數據，找出濁度值與電壓之間的線性相關性，成功地推導出了一個新的電壓-濁度轉換公式，利用該公式可以更準確地將濁度傳感器的電壓輸出轉換為CaCO3溶液的實際濁度值。本研究在水質監測和其他相關應用中具有較大的價值。

關鍵詞：濁度計；物聯網；濁度傳感器；散射實驗；水質分析；水質監測系統

中圖分類號：TP181 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.015

0 引 言

水資源是地球上非常重要的自然資源之一[1-2]，對于維持生態平衡和支持人類的生存和發展至關重要。隨著社會的不斷發展和生活水平的提高，人們對水的需求量逐漸增加。然而，伴隨著工業化和城市化的迅猛發展，工業廢水和生活污水的排放量顯著增加，水質不斷受到污染。這使得原本有限的生活用水資源面臨更嚴峻的形勢[3]。工業廢水和生活污水是主要的水質污染源[4]。如果人們飲用了被污染的水，就有可能對健康產生不良影響。此外，如果水體污染達到一定程度[5]，還會嚴重影響水生動植物的生存，進而危害到人類的健康。在發展中國家，高達70%以上的疾病都與水污染有關[6]。

在水污染控制過程中，水質濁度的檢測起著至關重要的作用[7]。濁度是一種用于衡量液體透明度的參數，通常與不溶性顆粒物質的含量有關。水的濁度不僅是評估許多化學反應和變化過程的重要指標，還是多個行業中產品質量檢測的主要依據之一；此外，它還是判斷水源是否受到污染的重要依據，直接關系到自來水是否適合飲用。在工業、醫學和科學研究領域，濁度測量也具有至關重要的作用。

水質測量指標的研究歷史悠久，濁度作為其中之一也有著近百年的歷史。無論是在科研領域還是環境保護領域，濁度檢測一直倍受重視[8]。控制濁度不僅對安全供水至關重要，還直接影響著工業生產中產品質量和操作過程的穩定性。因此，需要不斷關注水質濁度，以便及時采取有效措施來減輕水污染，保護水資源，維護生態平衡，保障人類健康和生活質量[9]。物聯網[10]水質監測系統是當前非常流行的一種水質監測手段，它能夠實現水質的實時監測和云端數據訪問功能，為水質管理提供更大的便利性和可行性。

1 水質濁度散射實驗

水質濁度散射實驗是用于測量水體濁度（或渾濁度）的一種方法[11-12]。濁度是指水中存在懸浮顆粒物質而導致光線散射的程度，其單位通常用NTU（Nephelometric Turbidity Units）表示。該方法可以用于監測水體中懸浮顆粒物的含量變化，這對于飲用水處理、環境保護和水資源管理非常重要。濁度值的變化可以反映有關水質狀況的信息，例如水體中是否存在污染物質或沉積物[13]。

本次實驗使用的濁度儀是Hanna儀器公司出品的HI98703精密便攜式濁度計，如圖1所示。它擁有高精準度，測量誤差在±2%以內，固定誤差為0.02 NTU，根據光散射原理工作。HI98703的光學系統由鎢燈、90°散射光探測器和180°透射光探測器組成[14]。工作原理是基于光束穿過樣品時向四周散射的現象，通過分析散射光的角度分布和強度，進而推斷出樣品中顆粒的特征信息[15]。HI98703儀器內置微處理器，通過高效算法來校正和補償顏色干擾，從而準確地計算出濁度值。

根據朗伯比爾定律，入射光在通過一定濁度的溶液后，其強度會衰減，表達式為：

（1）

濁度值d為：

（2）

式中：I為散射光強度；I0為入射光強度；θ為散射光與入射光之間的角度；KR為散射系數；N為單位體積顆粒數。

2 系統核心載體及傳感器

本次實驗選用Arduino UNO WiFi Rev.2作為物聯網水質監測系統的核心載體[16]，搭載了水位傳感器、濁度傳感器、pH值傳感器[17]等對水質參數進行測量，如圖2所示。在整個實驗過程中，根據濁度變化評估該物聯網水質監測系統的能力。

3 水質濁度實驗

為了在實驗中獲得準確的濁度值[18]，使用不同重量的CaCO3粉末制備溶液，并用蒸餾水稀釋形成不同濁度的20種

溶液（見表1中溶液序號A～T）。將純蒸餾水（PW）作為參考樣品，以便進行濁度的比較。

3.1 濁度計測量

表1記錄了采用HI98703精密便攜式濁度計對不同濁度的溶液進行測量的結果。為了保證測量精度，每種溶液測量3次，求平均值。

通過表1數據可以觀察到：隨著溶液中CaCO3含量的增加，通過濁度儀測得的濁度值也逐漸增加[19-20]。這是因為CaCO3導致水體變得渾濁，濁度計通過測量在光檢測器處接收到的光量來評估濁度。CaCO3在溶液中的含量越多，意味著有更多的光被顆粒阻擋或散射，從而導致測得的濁度值上升。通過MATLAB編程，找出CaCO3濃度與溶液濁度值之間的關系，相關系數R2=0.994 7，說明二者之間呈線性正相關，如圖3所示。然后對二者之間關系進行擬合，所得擬合直線的表達式為：

（3）

式中：x表示CaCO3溶液的濃度；y表示濁度。

3.2 濁度傳感器測量

如圖4（a）所示，將濁度傳感器浸入CaCO3溶液中連續20 min進行濁度測量。每2 s記錄一次濁度傳感器測得的濁度值。圖4（b）所示為濁度傳感器輸出電壓的部分Arduino代碼。

為了推導濁度傳感器輸出電壓與濁度值之間的轉換公式，利用濁度傳感器來測量溶液濁度，并記錄濁度傳感器的輸出電壓。為獲得更為可靠的數據，分別使用3種不同的濁度傳感器（傳感器A、傳感器B和傳感器C）進行3次獨立的測量，并將這些數據記錄在表2中。

輸出電壓與溶液濃度的關系如圖5所示。由圖5可知，3種不同濁度傳感器的輸出電壓隨著溶液濃度的增加而下降。這是由于隨著溶液濃度的增加，更多的光線被散射或吸收，因此到達光電晶體管（光檢測器）基極的光線減少，導致輸出電壓隨著溶液濁度值的上升而呈現下降趨勢。由此證明了濁度與輸出電壓之間的關系呈線性變化。為了確保濁度傳感器的測量結果更準確，需要推導新的電壓-濁度轉換關系公式。根據得到的實驗結果，編寫MATLAB腳本來計算線性方程的斜率和截距，由此便可推導出新的電壓-濁度轉換公式如下：

d=853（4.46-V） （4）

式中：V為傳感器輸出電壓。濁度傳感器的極值電壓取4.46 V。

4 結 語

本文使用了兩種不同的濁度測量儀進行研究，即HI98703精密便攜式濁度計和濁度傳感器。在實驗過程中，通過不斷重復實驗并記錄實驗數據，獲得濁度值和傳感器電壓值之間的關系；并通過MATLAB編程，得到二者之間呈線性相關性。由此推導了新的濁度傳感器的電壓-濁度轉換公式。本文建立的新的電壓-濁度轉換公式，能夠為水質監測領域的科研和實踐提供參考，以確保水資源得到有效的保護和管理。這項研究的結果不僅對水質監測領域具有重要意義，還對環境保護和可持續發展目標的實現產生了積極影響。

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收稿日期：2023-09-21 修回日期：2023-10-19

基金項目：廣東省攀登計劃（pdjh2023b1132）

作者簡介：聶 影（1988—），女，碩士，高級工程師，研究方向為物聯網、人工智能。