比值法濁度測量的探討

來源：http://www.attrakmagnet.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：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(jù)，給出了測量信號與濁度的關(guān)系式。設(shè)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，通過實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、有機物和無機物等細(xì)微懸浮物能吸附大量細(xì)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(biāo)。實驗表明，自然沉降的水樣固體顆粒的含量為80mg/10L，而濁度為0.1度時的水樣未檢出固體顆粒。歐美發(fā)達(dá)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(jiān)測指標(biāo)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

　　特性曲線證明了光電轉(zhuǎn)換信號與濁度成對數(shù)關(guān)系，并且S與T之間保持單調(diào)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(shù)量、直徑有關(guān)。通過測量散射光強可得到濁度信息。

　　散射光到達(dá)光電接收器前，光強同樣會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。采用線性光電元件作為接收器，獲得的電信號符合式(4)：

　　實驗曲線表明，散射法適用濁度范圍在0～T0之間的水樣測試。超過T0(取決于儀器幾何參數(shù)及懸浮顆粒分布)，測量結(jié)果不再是濁度的單值函數(shù)，無法表征濁度值。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

　　光通過水樣，會同時發(fā)生透射與散射。散射光強度會隨著濁度的增加而增加，而透射光則反之。因此，通過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 實驗平臺搭建

　　2.1光源電路

　　研究表明，入射光波長范圍在400～600nm時，散射光強度大，測試效果好。但與此同時，水樣中微粒對可見光的吸收波長也在這個區(qū)域。為避免吸收作用對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，入射光光譜應(yīng)該避開這個區(qū)域。由于水樣強制檢測項目--色度分析所使用的光源波長為500多nm，濁度測量所用光源光譜應(yīng)避開可見光區(qū)。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，光源波長選擇在紅外光區(qū)，散射光強度服從瑞利定律和米氏定律。實驗中按照ISO7027規(guī)定，選擇浜松公司的L7558紅外LED作為入射光源。光強的變化，會導(dǎo)致測量結(jié)果的不穩(wěn)定性，因此，實驗中采用LM317構(gòu)成穩(wěn)流電路，確保電流穩(wěn)定，光強穩(wěn)定，如圖4所示：

　　2.2 光電接收器

　　光電接收器選用西門子的紅外接收管SFH214FA。其光譜響應(yīng)波長范圍在750～1100nm，峰值波長900nm，與L7558紅外LED匹配。并且SFH214FA暗電流小，上升時間tr及下降時間tf小，適應(yīng)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，實驗中采用ADI公司低輸入電流，低輸入補償?shù)腁D549作為電流電壓轉(zhuǎn)換電路;采用Intersil公司的ICL7650斬波穩(wěn)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 實驗數(shù)據(jù)分析

　　按照公式(6)將400NTU福馬肼儲備液加入按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7027制備的零濁度水稀釋，選擇得到10個0-100NTU的樣品。

　　測量數(shù)據(jù)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，對實驗數(shù)據(jù)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，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析：

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

　　實驗證明，采用比值法測量水樣濁度，能消除水樣色度、光源、元件參數(shù)、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性度好于其他方法，因此在外圍電路設(shè)計、信號處理等方面易于實現(xiàn)，能降低系統(tǒng)軟硬件的投入，具有較好的經(jīng)濟(jì)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(yīng)用前景，具有較高的推廣價值。

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　　作者簡介

　　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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