錢貴軍,王學(xué)磊,張小芹

(1.江蘇遠(yuǎn)望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

散射透射比值法油分濃度傳感器的研究和設(shè)計(jì)

錢貴軍1,王學(xué)磊2,張小芹1

(1.江蘇遠(yuǎn)望儀器有限公司，江蘇 泰州 225300；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

對(duì)用于測(cè)量船舶排放污水中的油分濃度傳感器進(jìn)行了研究。根據(jù)Lambert-Beer定律、瑞利散射以及散射-透射比值法等光學(xué)濁度法基本原理，采用直角雙通道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，測(cè)量油水混合物散射光和透射光的強(qiáng)度；利用散射-透射比值法，標(biāo)定混合物的含量。分別對(duì)油分濃度傳感器的軟硬件電路和檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，散射透射比值法油分濃度傳感器可以較好地滿足船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)中相關(guān)指南、規(guī)范對(duì)油分計(jì)的規(guī)定。

船舶； 傳感器； 監(jiān)控系統(tǒng)； LabVIEW; 電路； 控制； 污水

0 引言

隨著國(guó)際石油運(yùn)量的日益增加，船舶作為海上運(yùn)輸工具，每年向海洋排放的含油污水量也隨之增多；加上各種技術(shù)與人為的因素，每年的船舶溢油事件也層出不窮[1]。對(duì)此，國(guó)際海事組織(IMO)和海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)相繼頒布了MEPC.108(49) 《油船排油監(jiān)控系統(tǒng)的指南和技術(shù)條件》(2003年)和MEPC.240(65)《<經(jīng)修訂的油船排油監(jiān)控系統(tǒng)指南和技術(shù)條件>2013年修正案》 規(guī)范。相關(guān)防污公約規(guī)定要求150 t及以上所有油船都應(yīng)安裝經(jīng)海事主管機(jī)關(guān)認(rèn)可的排油監(jiān)控系統(tǒng)，而油分濃度傳感器是排油監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。

目前，國(guó)內(nèi)外所采用的油分濃度傳感器按原理劃分，主要有熒光法油分濃度傳感器、光學(xué)濁度法濃度傳感器、紫外吸收法油分濃度傳感器以及紅外吸收法油分濃度傳感器等。紅外吸收法與紫外吸收法油分濃度傳感器原理大致相同，主要利用石油中物質(zhì)對(duì)近紅外線波段或?qū)ψ贤獠ǘ蔚奶厥馕赵?，檢測(cè)水中的油含量。但由于中紅外吸收法需要萃取和繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，而紫外吸收法需根據(jù)不同油品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，故目前在船上很少使用這種方法。熒光法則需要根據(jù)裝載的不同油種，進(jìn)行熒光強(qiáng)度重新標(biāo)定[2]。而采用光學(xué)濁度法制成的船用油分濃度傳感器，可以直接測(cè)定油污水的含油量，檢測(cè)不同油類品種時(shí)無(wú)需逐一標(biāo)定，適用于船舶污水排放的連續(xù)監(jiān)控，是船舶污水含油濃度監(jiān)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)[3]。

1 設(shè)計(jì)基本原理

1.1 光學(xué)濁度法基本原理

光學(xué)濁度法的原理是使光線通過(guò)分散成乳化狀的油水混合物，以測(cè)定其散射光和透射光的強(qiáng)度，從而標(biāo)定油污水混合物的含量。

透射光強(qiáng)度的測(cè)定工作原理基于Lambert-Beer定律，當(dāng)單色光照射在吸收介質(zhì)上，吸收介質(zhì)會(huì)吸收部分光能，透射光強(qiáng)度會(huì)減弱。吸收介質(zhì)的濃度越大，介質(zhì)的厚度就越大，則接收的光強(qiáng)度相對(duì)減弱。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中:A為吸光度；c為吸光物質(zhì)濃度；I0為入射光強(qiáng)度；It為透射光強(qiáng)度；K為吸光系數(shù)；l為吸收介質(zhì)厚度；T為透射比。當(dāng)l和K確定后，A與c成正比關(guān)系，即可通過(guò)吸光度A來(lái)計(jì)算介質(zhì)的油分濃度。

混濁的含油污水會(huì)使一種分散成膠體狀的非均勻介質(zhì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)乳濁液中的粒子數(shù)量等于或者小于入射光波時(shí)，水中的含油濃度可根據(jù)瑞利散射定律利用散射光強(qiáng)度測(cè)得。瑞利散射定律表達(dá)式為：

(2)

式中:Is為散射光強(qiáng)度；I0為入射光強(qiáng)度；λ為入射光波長(zhǎng)；N為單位中體積內(nèi)粒子數(shù)目；v為一個(gè)粒子的體積；m1為液體中懸浮粒子的折射率；m0為液體的折射率；θ為觀察方向與入射方向的夾角；r為微粒到散射光強(qiáng)測(cè)試點(diǎn)的距離。當(dāng)I0、λ、θ、N、m0、m1、r確定后，式(2)可簡(jiǎn)化為Is=k、N=KC，即Is與c成正比，從而計(jì)算c。

同時(shí)測(cè)量投射于水樣光束的透射光與散射光強(qiáng)度，c由兩者光強(qiáng)度的比值計(jì)算得出。散射-透射比值法公式為:

(3)

式中:k為比例常數(shù)。對(duì)散射光和透射光的同時(shí)測(cè)量，大大提高了濃度測(cè)量的穩(wěn)定性，減少了水中色度等因素對(duì)油分濃度的影響[4]。

1.2 油分濃度傳感器的工作原理

油分濃度傳感器采用雙通道設(shè)計(jì)，其光學(xué)器件測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1 光學(xué)器件測(cè)量示意圖

圖1中，通道A、B的啟閉可通過(guò)圖2所示的雙通道控制脈沖時(shí)序圖進(jìn)行控制。當(dāng)紅外發(fā)射二極管A開啟時(shí)，由光敏三極管A′和B′分別同時(shí)測(cè)量透射光強(qiáng)度與散射光強(qiáng)度。當(dāng)紅外發(fā)射二極管B開啟時(shí)，由光敏三極管A′和B′分別同時(shí)測(cè)量散射光強(qiáng)度與透射光強(qiáng)度。

圖2 雙通道控制脈沖時(shí)序圖

透射法適用于一般濁度到超高濁度寬量程范圍的油分濃度測(cè)量,散射法適用于低濁度甚至超低濁度的油分濃度測(cè)量。綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用散射-透射比值法，同時(shí)測(cè)量90°散射光信號(hào)和透射光信號(hào)，既能消除光源老化對(duì)測(cè)量精度的影響，又繼承了兩個(gè)基本方法的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)兩組散射透射光強(qiáng)比值取平均，進(jìn)一步減小測(cè)量誤差。散射透射光強(qiáng)比值的平均值RST為：

(4)

式中:ISA和ItA為通道A開啟時(shí)測(cè)得的散射光和透射光強(qiáng)度；ISB和ItB為通道B開啟時(shí)測(cè)得的散射光和透射光強(qiáng)度。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路結(jié)構(gòu)

傳感器以STM8L151K4單片機(jī)為核心，由電源模塊、紅外發(fā)射電路、光敏接收電路、信號(hào)調(diào)理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等模塊構(gòu)成。

2.2 紅外發(fā)射電路

紅外發(fā)射電路采用具有光強(qiáng)穩(wěn)定、發(fā)光壽命長(zhǎng)、發(fā)光光譜較窄等優(yōu)點(diǎn)的890 nm紅外二極管作為發(fā)光光源。

利用集成電源電路LM317中Vout和ADj端的壓差提供恒流源驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，利用場(chǎng)效應(yīng)管IRF7832的N型溝道FET特性作為電子開關(guān)，通過(guò)控制RED_CTR引腳端的高低電平，實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射通道A/B的選擇。

2.3 信號(hào)檢測(cè)電路

信號(hào)檢測(cè)電路主要由信號(hào)調(diào)理電路和光敏接收電路組成。調(diào)理電路則由前置放大電路、二階低通濾波電路以及后置放大電路構(gòu)成。光敏接收電路采用光敏三極管來(lái)接收透射光或者散射光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，且光敏三極管具有放大電流的作用，因此具有較高的靈敏度。電信號(hào)在前置放大器的作用下轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，隨后通過(guò)二階低通濾波電路進(jìn)行濾波，將濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)行后置放大并送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

由STM8L151K4構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)油分傳感器的核心，其主要功能是通過(guò)脈沖控制發(fā)射通道的選擇以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash中并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出油分濃度，然后完成油分濃度的串口輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫，主要由系統(tǒng)初始化子程序、發(fā)射通道脈沖控制子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、油分濃度計(jì)算子程序、串口通信子程序等組成。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

檢測(cè)開始時(shí)，首先，進(jìn)入初始化程序，利用脈沖控制子程序選擇開啟發(fā)射通道A,利用電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換獲取透射和散射光強(qiáng)，進(jìn)而獲得A通道的油分濃度。其次，將發(fā)射通道A關(guān)閉，選擇開啟發(fā)射通道B，同理獲得油分濃度。最后，通過(guò)微處理器計(jì)算平均值得出油分濃度P,通過(guò)串口通信子程序?qū)值送出并返回進(jìn)行下一次測(cè)量。

4 試驗(yàn)

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)的基于散射透射比值法油分濃度傳感器的使用效果，搭建了基于LabVIEW的油分濃度檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)由油污水乳化裝置、基于散射透射比值法油分濃度傳感器，以及基于LabVIEW的油分濃度檢測(cè)上位機(jī)組成。油污水乳化裝置采用的是超聲波油污水乳化裝置，具有體積小、乳化過(guò)程氣泡少等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減少因乳化效果不明顯、乳化氣泡等外界因素影響試驗(yàn)效果。

4.1 基于LabVIEW的油分濃度檢測(cè)上位機(jī)

油分濃度傳感器檢測(cè)上位機(jī)采用LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。和其他語(yǔ)言相比，LabVIEW具有獨(dú)特的編程語(yǔ)言，可以完成多種編程任務(wù)[5]。利用LabVIEW數(shù)據(jù)流的思想，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思路開發(fā)軟件編程[6-7],可實(shí)現(xiàn)對(duì)基于散射-透射比值法油分濃度傳感器的散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)均值進(jìn)行采集。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)基于LabVIEW的油分濃度檢測(cè)上位機(jī)，對(duì)油分濃度傳感器中試驗(yàn)樣品的散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)均值以及油分濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)中采用型號(hào)為F2000-ⅡK的紅外光度測(cè)油儀對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)比測(cè)量結(jié)果，修正油分濃度計(jì)算系數(shù)。經(jīng)修正后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的油分濃度計(jì)較好地滿足了排油監(jiān)控系統(tǒng)指南MEPC.108(49)中關(guān)于油分計(jì)的規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果證明，基于散射透射比值法油分濃度傳感器的設(shè)計(jì)，結(jié)合了透射法適用于一般濁度到超高濁度寬量程范圍的油分濃度測(cè)量，以及散射法適用于低濁度甚至超低濁度的油分濃度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的傳感器采用了直角雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既有效減少了二次散射問(wèn)題，又通過(guò)不同角度測(cè)量得到油分濃度，從而提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。該油分濃度傳感器的設(shè)計(jì)，在大范圍油分濃度測(cè)量下具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠滿足排油監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)油分濃度傳感器的要求，適應(yīng)國(guó)際海事組織對(duì)船舶含油污水排放的監(jiān)控要求。該產(chǎn)品有利于提高我國(guó)船舶國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的裝船率，打破國(guó)外品牌對(duì)該領(lǐng)域的壟斷。

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[3] 孫利強(qiáng).大型油船防污和圧載監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2005.

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Research and Design of the Oil Content Concentration Sensor Based on Scattering-Transmission Ratio Method

QIAN Guijun1,WANG Xuelei2,ZHANG Xiaoqin1

(1.Jiangsu Yuanwang Instruments Co.,Ltd.,Taizhou 225300,China; 2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The sensors used for measuring the oil concentration of the sewage discharged from ships are studied.The research is conducted based on Lambert Beer's law,and the basic principles of Rayleigh scattering and scattering-transmission ratio method,and optical turbidity method.By using the right angle dual channel structure design,to determine the intensity of the scattered light and transmitted light in mixture of oil and water; and by adopting the scattering - transmission ratio method to calibrate the content of mixture.The design includes hardware circuitry of the oil concentration sensor,software,and experimental and detection test devices.The experimental results show that the sensor using scattering-transmission ratio method can well meet the regulations about oil content metering specified in guide specifications related to ships oil discharge monitoring and control systems.

Ship； Sensor； Monitoring and control system； LabVIEW； Circuit； Control; Sewage

錢貴軍(1979—)，男，工程師，主要從事船舶設(shè)備的研究。E-mail:13641580807@126.com。

TH89;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702022

修改稿收到日期:2016-05-24