比值法濁度測量的探討

                                                      來(lái)源:http://thesierramadre.com/ 作者:余氯檢測儀 時(shí)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(guān)系式。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(guò)實(shí)驗驗證了比值法在濁度測量中的優(yōu)越性。

                                                        【關(guān)鍵詞】濁度 比值法

                                                        水中的泥沙、有機物和無(wú)機物等細微懸浮物能吸附大量細菌、病毒等致害物質(zhì),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(shí)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(shí)的水樣未檢出固體顆粒。歐美發(fā)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(zhì)量,我國將濁度與余氯、PH值等一并納入水質(zhì)監測指標中。

                                                        1 濁度測量方法

                                                        對水質(zhì)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(xiàn)證明了光電轉換信號與濁度成對數關(guān)系,并且S與T之間保持單調衰減關(guān)系,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(guān)。通過(guò)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(huì )因為穿透一定光程的水樣而發(fā)生衰減,散射光衰減程度服從比爾-朗伯定律。采用線(xiàn)性光電元件作為接收器,獲得的電信號符合式(4):

                                                        實(shí)驗曲線(xiàn)表明,散射法適用濁度范圍在0~T0之間的水樣測試。超過(guò)T0(取決于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(wú)法表征濁度值。因此,散射法只適用于低濁度測量。

                                                        1.3 散射光和透射光比值法

                                                        光通過(guò)水樣,會(huì )同時(shí)發(fā)生透射與散射。散射光強度會(huì )隨著(zhù)濁度的增加而增加,而透射光則反之。因此,通過(guò)散射光與透射光強度變化關(guān)系可以推算出水樣濁度值。

                                                        2 實(shí)驗平臺搭建

                                                        2.1光源電路

                                                        研究表明,入射光波長(cháng)范圍在400~600nm時(shí),散射光強度大,測試效果好。但與此同時(shí),水樣中微粒對可見(jiàn)光的吸收波長(cháng)也在這個(gè)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(kāi)這個(gè)區域。由于水樣強制檢測項目--色度分析所使用的光源波長(cháng)為500多nm,濁度測量所用光源光譜應避開(kāi)可見(jiàn)光區。并且,在飲用水質(zhì)檢測中,水樣顆粒粒度大多在0.1μm~20μm之間,光源波長(cháng)選擇在紅外光區,散射光強度服從瑞利定律和米氏定律。實(shí)驗中按照ISO7027規定,選擇浜松公司的L7558紅外LED作為入射光源。光強的變化,會(huì )導致測量結果的不穩定性,因此,實(shí)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(mén)子的紅外接收管SFH214FA。其光譜響應波長(cháng)范圍在750~1100nm,峰值波長(cháng)900nm,與L7558紅外LED匹配。并且SFH214FA暗電流小,上升時(shí)間tr及下降時(shí)間tf小,適應于計算機高速采集。

                                                        2.3 放大電路

                                                        由于光敏二極管光電流小,為保障信號不被噪聲淹沒(méi),實(shí)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(huán)境比較惡劣,為提高傳感器信號的抗干擾能力,將光電探測器SFH214FA與前置放大電路安裝在一起。

                                                        3 實(shí)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制備的零濁度水稀釋?zhuān)x擇得到10個(gè)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(shí)驗數據進(jìn)行相關(guān)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(guān)。

                                                        以濁度作為X,比值為Y,對實(shí)驗數據進(jìn)行回歸分析:

                                                        推出描述濁度與傳感器輸出數學(xué)模型的一元線(xiàn)性回歸方程:

                                                        實(shí)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(huán)境光等變化對測量值的影響,相對于透射法、散射法而言具有更強的抗干擾能力。在中低濁度范圍,使用比值法測量的傳感器線(xiàn)性度好于其他方法,因此在外圍電路設計、信號處理等方面易于實(shí)現,能降低系統軟硬件的投入,具有較好的經(jīng)濟型。

                                                        綜上所述,比值法測量濁度在中低濁度范圍具有很好的應用前景,具有較高的推廣價(jià)值。

                                                        參考文獻

                                                        [1]岳舜琳.水的濁度問(wèn)題[J].中國給水排水,2003(04).

                                                        [2]朱澤昊,張扶人.濁度測量中兩種基本方法的比較[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1995(02).

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                                                        [6]李常青,梅麗明.微弱光信號檢測電路的實(shí)現[J].應用光學(xué),2010(4).

                                                        作者簡(jiǎn)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(yè)學(xué)院 重慶市 401331

                                                        2.重慶科技學(xué)院 重慶市 401331

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