魏運(yùn)鋒 常季成 王忠輝/.瀘州市計(jì)量測試所；.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司

0 引言

飲用水水質(zhì)重要判定指標(biāo)就是渾濁度，它是水質(zhì)物理狀態(tài)代替參數(shù)[1]。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，居民日常疾病45%以上與飲用水渾濁度沒達(dá)標(biāo)有關(guān)，嚴(yán)重影響到人們的健康，而且會(huì)誘發(fā)一系列疾病。例如腸道疾病、皮膚疾病、慢性腫瘤、癌癥等。所以對(duì)飲用水渾濁度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測勢在必行。然而傳統(tǒng)的單點(diǎn)檢測飲用水渾濁度在數(shù)據(jù)信息方面不夠全面，不能及時(shí)反應(yīng)水體整體的技術(shù)指標(biāo)，給檢測數(shù)據(jù)的處理和判斷水質(zhì)等級(jí)帶來不便。本文設(shè)計(jì)了陣列傳感器方案，陣列傳感器的結(jié)構(gòu)有利于抵抗外界的干擾，耐腐蝕性強(qiáng)，并且突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測試、采集數(shù)據(jù)存在局限的瓶頸，有效地提升檢測數(shù)據(jù)的全面性，保證飲用水安全質(zhì)量。

1 渾濁度傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學(xué)部件對(duì)基座的信號(hào)進(jìn)行分析處理，處理后的信號(hào)通過出線電纜輸送到上端控制器[2]?；隙送ㄟ^聯(lián)桿與金屬外殼擋圈連接，下端與外殼通過密封圈緊固連接，傳感器光學(xué)部件基座連接方式有利于防水密封和內(nèi)部結(jié)構(gòu)器件的牢固可靠，保證了各個(gè)光學(xué)器件能夠固定于安裝位置，受外界環(huán)境干擾時(shí)相對(duì)尺寸位置穩(wěn)定，可以使傳感器有效地在高精度環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器集成控制部件安放至光學(xué)部件基座的上端，并通過信號(hào)傳輸線與相關(guān)部件連接。為減少外界環(huán)境對(duì)傳感器信號(hào)測試準(zhǔn)確度的影響，光電轉(zhuǎn)換信號(hào)采用密封屏蔽電纜輸出，并在集成控制部件模擬電路部件安裝屏蔽殼，有效提高傳感器抗電磁干擾能力[3]。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

此外，傳感器的外殼采用處理過的不銹鋼金屬外殼，能夠保證傳感器在正常工作中承受一定的機(jī)械壓力，還可以起到二次屏蔽的作用，使傳感器的可靠性和穩(wěn)定性得到保障，能夠保證傳感器測試準(zhǔn)確度。

2 渾濁度光電檢測原理

液體渾濁度檢測的基本原理：不同液體中含有的雜質(zhì)、灰塵顆粒大小、難溶顆粒的密度不同，所以透光性不同。在檢測液體中設(shè)置一定波長的紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光光源，發(fā)光光源被放置在液體中，紅外光線能穿透被測液體介質(zhì)，接收端的光電三極管能夠接受到相應(yīng)強(qiáng)度的投射光，產(chǎn)生近似為線性的變化光電流[4]。經(jīng)過帶通濾波電路處理后輸出，得到與渾濁度相對(duì)應(yīng)的檢測信號(hào)，檢測信號(hào)再經(jīng)過控制器的分析處理后換算成液體的渾濁程度。檢測電路的PWM輸出口可以持續(xù)對(duì)發(fā)光二極管施加方波脈沖。方波脈沖寬度可調(diào)，可以改變透光強(qiáng)度，通過光電三極管及信號(hào)處理電路得到相應(yīng)的輸出電壓。檢測電路中為了減少電源電壓波動(dòng)對(duì)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)功率的影響，本檢測電路采用恒流源供電。具體渾濁度檢測原理電路如圖2所示。

圖2 渾濁度檢測原理圖

傳感器紅外發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度為E0（單位：勒克斯，Lx），透射光穿透被測液體的直線距離為L（單位：mm），接收端光電三極管接受到的光強(qiáng)為E（單位：勒克斯，Lx），B為與液體性質(zhì)有關(guān)的介質(zhì)散射系數(shù)，由朗伯—比爾定律得到液體的渾濁度H，如式（1）所示：

根據(jù)渾濁度檢測的輸入輸出原理及特性，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的光強(qiáng)E0與驅(qū)動(dòng)電流I0成正比，光電三極管的接收光強(qiáng)E與輸出電流IL成正比。在驅(qū)動(dòng)電流I0恒定時(shí)，式（1）可改寫為式（5）

式中：α——正比系數(shù)；

C——發(fā)光強(qiáng)度常數(shù)

因此，液體的渾濁度測試結(jié)果轉(zhuǎn)為通過光電三極管的輸出電流或輸出電壓來表征。

3 陣列傳感器結(jié)構(gòu)

陣列傳感器設(shè)計(jì)構(gòu)想源于傳統(tǒng)渾濁度傳感器同一時(shí)間只能進(jìn)行單點(diǎn)區(qū)域檢測，單點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)有限，檢測數(shù)據(jù)不全面。如果進(jìn)行多點(diǎn)檢測需要重復(fù)進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)沒有在同時(shí)和同等外界環(huán)境下進(jìn)行，數(shù)據(jù)不能及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)當(dāng)時(shí)水質(zhì)渾濁度參數(shù)指標(biāo)。然而計(jì)量檢測中注重的是減少誤差，提供權(quán)威的檢測數(shù)據(jù)，所以同時(shí)同等條件下進(jìn)行各點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)更重要、更準(zhǔn)確、更權(quán)威[5]。為了能夠同時(shí)多點(diǎn)檢測被檢測液體渾濁度，保證計(jì)量檢測中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確全面，節(jié)省時(shí)間和人力，提高檢測的工作效率，設(shè)計(jì)了圖3所示的渾濁度陣列傳感器。

圖3 渾濁度陣列傳感器結(jié)構(gòu)圖

陣列傳感器由9根如圖3所示的傳感器組成，各傳感器分別固定在圓形絕緣耐腐蝕金屬板上。金屬板根據(jù)傳感器尺寸設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)格的3條圓形滑軌，檢測時(shí)根據(jù)不同水質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備開口面積的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各傳感器的排列距離。進(jìn)行單點(diǎn)檢測時(shí)，傳感器方便拆卸，用螺母進(jìn)行固定。傳感器外圍環(huán)形等距排列8根，傳感器之間屏蔽隔離防止電磁干擾，圓心處放置1根，有效形成對(duì)液體均勻檢測。各檢測點(diǎn)渾濁度數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和遠(yuǎn)端無人控制系統(tǒng)，進(jìn)行各點(diǎn)顯示和9點(diǎn)平均值顯示。平均值數(shù)據(jù)結(jié)果是計(jì)量檢測中的重要參數(shù)，傳感器采集數(shù)據(jù)的時(shí)間可以通過上位機(jī)自行設(shè)定。

陣列傳感器設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行測試驗(yàn)證，保證光電三極管輸入波長與紅外發(fā)光二極管光譜特性匹配，逐一測試使設(shè)計(jì)陣列傳感器準(zhǔn)確度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。測試液體的渾濁度分為10個(gè)等級(jí)，測試合格后將其傳感器組裝成陣列，繪制陣列傳感器的數(shù)據(jù)折線圖，如圖4所示。由測試得出輸出特性曲線基本呈線性變化，根據(jù)設(shè)定值的變化測試得到測試誤差在 2%左右。

4 陣列傳感器飲用水檢測原理

陣列傳感器飲用水檢測過程主要分為三部分：陣列傳感器數(shù)據(jù)采集、主控制器控制、飲用水處理。陣列傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行，飲用水處理是對(duì)渾濁度不合格的水進(jìn)行凈化處理，直到凈化水能夠達(dá)到法律規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn)。三部分模塊緊密配合，構(gòu)成有機(jī)閉環(huán)整體，具體的檢測原理如圖5所示。

圖4 陣列傳感器輸出電壓與渾濁度關(guān)系曲線圖

陣列傳感器數(shù)據(jù)采集應(yīng)用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測試，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮到電極腐蝕作用的發(fā)生，集成測控電路采用控制恒流源脈沖方式驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，在保證測量的基礎(chǔ)上減小二極管發(fā)光量、降低能耗、幅頻特性變化靈活。紅外光經(jīng)飲用水中懸浮微粒透射后進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生光電流信號(hào)。光電流信號(hào)經(jīng)過電纜傳輸?shù)街骺刂破骺刂撇糠?，光電信?hào)經(jīng)過調(diào)理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，主控芯片對(duì)陣列傳感器輸送多路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過RS-485接口實(shí)現(xiàn)通信，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)控制，同時(shí)采集數(shù)據(jù)通過LTE無線模塊傳到遠(yuǎn)端控制中心。上位機(jī)端、遠(yuǎn)程控制端同時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水渾濁度在線實(shí)時(shí)測試監(jiān)測目的。飲用水的渾濁度檢測合格，主控制器打開相應(yīng)閥門，使飲用水流入合格罐區(qū)[6-7]。如果飲用水檢測不合格，主控制器啟動(dòng)凈化裝置進(jìn)行水質(zhì)凈化，凈化完成后繼續(xù)檢測渾濁度，檢測合格打開相應(yīng)閥門使飲用水流入合格罐區(qū)，檢測不合格，主控制器繼續(xù)啟動(dòng)凈化裝置進(jìn)行凈化處理，多次重復(fù)上述步驟，最后使飲用水達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 陣列傳感器飲用水檢測原理圖

5 檢測凈化流程

多陣列傳感器數(shù)據(jù)采集的頻率可以在近端上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定，本設(shè)計(jì)采集傳時(shí)間設(shè)定120 s采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的需求自行設(shè)定。在整個(gè)凈化過程中（如圖6所示），先對(duì)渾濁度檢測系統(tǒng)初始化，在初始化的前提下進(jìn)行設(shè)備自檢，執(zhí)行無問題后按啟動(dòng)，根據(jù)陣列傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)飲用水渾濁度進(jìn)行檢測凈化處理。如果出現(xiàn)設(shè)備故障，報(bào)警器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)上位機(jī)會(huì)顯示相應(yīng)的設(shè)備故障報(bào)警信息，立即停止檢測、凈化工作，維修人員可以及時(shí)處理故障。保證整個(gè)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的有序進(jìn)行，為飲用水渾濁度檢測提供有力的支持。

圖6 檢測凈化流程圖

如果有多個(gè)相距較遠(yuǎn)的凈化區(qū)域，為了集中管控，采集的數(shù)據(jù)傳到近端上位機(jī)的同時(shí)也通過無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制中心，實(shí)行統(tǒng)一調(diào)控。完成近、遠(yuǎn)端交互式控制，有效地實(shí)現(xiàn)渾濁度檢測過程數(shù)據(jù)的全面、準(zhǔn)確、權(quán)威，為以后水質(zhì)的檢測開拓新的思路。

6 結(jié)語

本文重點(diǎn)論述了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，并且通過硬件的實(shí)際測試驗(yàn)證了傳感器設(shè)計(jì)思路的正確性和可行性。由于單傳感器檢測的局限性設(shè)計(jì)了陣列傳感器，并應(yīng)用于飲用水檢測，此方案的提出解決了單點(diǎn)檢測的弊端，通過遠(yuǎn)端上位機(jī)監(jiān)測和控制，證明了此方案適用于不同水質(zhì)的檢測，為今后的水質(zhì)檢測提供了寶貴思路。