比值法濁度測量的探討

來源：http://www.ssygc.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，給出了測量信號與濁度的關系式。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，通過實驗驗證了比值法在濁度測量中的優越性。

　　【關鍵詞】濁度比值法

　　水中的泥沙、有機物和無機物等細微懸浮物能吸附大量細菌、病毒等致害物質，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量，我國將濁度與余氯、PH值等一并納入水質監測指標中。

　　1 濁度測量方法

　　對水質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換信號與濁度成對數關系，并且S與T之間保持單調衰減關系，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。通過測量散射光強可得到濁度信息。

　　散射光到達光電接收器前，光強同樣會因為穿透一定光程的水樣而發生衰減，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及懸浮顆粒分布)，測量結果不再是濁度的單值函數，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這個區域。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避開可見光區。并且，在飲用水質檢測中，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，散射光強度服從瑞利定律和米氏定律。實驗中按照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，會導致測量結果的不穩定性，因此，實驗中采用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子的紅外接收管SFH214FA。其光譜響應波長范圍在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，選擇得到10個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，對實驗數據進行相關性分析，R=0.97307，證明散射與投射信號的比值與濁度高度相關。

　　以濁度作為X，比值為Y，對實驗數據進行回歸分析：

　　推出描述濁度與傳感器輸出數學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、環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，因此在外圍電路設計、信號處理等方面易于實現，能降低系統軟硬件的投入，具有較好的經濟型。

　　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，具有較高的推廣價值。

　　參考文獻

　　[1]岳舜琳.水的濁度問題[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].西南師范大學學報(自然科學版)，1995(02).

　　[3]白金緯，張德源，劉暢.濁度儀中兩種不同光源對濁度測量的影響研究[J].光學儀器，2008(02).

　　[4]湛丹，陳健.散射式紅外濁度傳感器的設計[J].微計算機信息，2009(01).