基于线性回归法的余氯检测系统的研究

谷学汇，付志清

(长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022)

基于线性回归法的余氯检测系统的研究

谷学汇，付志清

(长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022)

设计了一种双波长光路自动检测余氯系统，该系统主要功能就是能够实时检测医疗污水中余氯的含量，以达到控制处理、达标排放的目的。本系统是通过光电传感器接收来自光源照射样品溶液后透射光的强度来确定样品溶液中余氯的浓度，以线性回归法为计算基础，配合双波长光路设计极大地减小了连续检测时出现的干扰和误差，达到了精确检测的目的。

线性回归法;双波长光路;余氯检测;光电检测

0 引言

目前，医院中主要用二氧化氯以及其他含氯消毒剂进行日常消毒，对医疗污水中余氯的含量进行精确在线监测是污水排放控制的一个重要环节［1］。而医疗消毒过程投放的氯气量是否适当，可以通过检测处理后的废水中余氯含量进行判断。由于废水中成份较为复杂，余氯在水中又很不稳定，要精确、适时跟踪检测余氯含量对采用的电路结构及传感器的精度要求较高，传统的余氯检测传感器经常受到其他成份干扰，造成测试数据不准确甚至损坏传感器本身，因此本文选用了非接触式的光电式传感器，以线性回归法为计算依据，通过双光路设计来减小测量余氯浓度时产生的误差，达到了精确测量的目的。

1 系统工作原理

本文设计的双波长光路如图1所示［2］，采用12V、20W碘钨灯作为光源，其稳定性较好、使用寿命较长，工作波长范围320～780nm。从光源发出的复色光分成两束，分别经过两个透光波长不同的滤光片形成λ1，λ2两束波长不同的单色光。λ1，λ2分别是样品波长和参考波长。借助切光器使这两束光以一定的时间间隔交替照射到流动池上，透射光再照到检测器上，通过光电传感器件接收入射的单色光，并通过放大电路及A/ D转换电路转换成数字信号，并送入后端控制系统进行处理。根据测得的电信号，求出对应波长的两个不同吸光度，在将这两个吸光度相减，就得到吸光度差值ΔA，根据ΔA与流动池中的待测液体浓度的关系，最终确定余氯的含量。

如图1所示，两个不同波长λ1、λ2以适当频率交替通过试液，可以减少因光源、检测器的不稳定性而引入的误差，消除了光散射和吸收光谱重叠的干扰，提高了测量的灵敏度和准确度。

图1 双波长光路系统示意图

1.1 应用原理

本设计是基于物质对光的选择性吸收原理，通过接收来自光源照射样品溶液后的透射光强度，来确定液体中余氯含量。当一束平行单色光照射到任何均匀、非散射的介质时，光的一部分被溶液吸收，一部分透过溶液，溶液中的物质在光的照射激发下，产生对光的吸收效应，这种效应是具有选择性的，不同物质的溶液对光的吸收程度与其浓度、透过的液层厚度及入射光的波长等因素有关，当入射光的波长一定时，其定量关系符合朗伯比尔定律，既吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正比［3］。

朗伯-比尔定律：

A-吸光度;T-透光率(I0/I);c-吸收物的摩尔浓度;I0-入射光强度;I-透射光强度;b-吸收层厚度(cm);ε-介质摩尔吸光系数。

1.2 计算原理

由Beer-Lambert定律可得：

ε1，ε2-分别为待测溶液在波长λ1，λ2处的摩尔吸光系数。对于同一待测溶液来说，(ε1-ε2)是一常数，在光程长度b不变的情况下，上式可简化为：

由简化式可知待测溶液在两个波长处测定的差吸光度ΔA 与待测组分浓度成正比。

2 光电系统

本文光电系统由光电传感器及相关电源组成。光电传感器是一种检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置，其应该满足以下条件：产生的光电流与照射在它上面的光的能量成正比、灵敏度高、响应速度快、相应波长范围宽和线性响应宽。

2.1 光电传感器

如图2为示，本文采用GD-5型光电管，该型号光电管光谱范围宽，灵敏度高，暗电流小，光谱响应范围200～625nm。其电流大小决定于入射光强度，对可见光范围内的入射光灵敏度比较高，由于有很高的内阻，可以把经过流动池后的微弱信号较好的转换成电信号，而且产生的电流更容易放大［4］。

图2 光电管电路示意图

2.2 信号处理器

信号处理器作用是将光电检测元件输出信号进行放大、A/D变换及处理。由于从光电管出来的信号很微弱，需要经过放大电路放大，本文选取为OP07型号放大器［5］，优点是低噪声、低偏置电流、转换速率快。如图3所示，将光电管输出信号经过放大电路放大后，送入A/D变换电路转换成相应的数字信号，将采集的数据信号在送给单片机，单片机将数据处理计算得到测量结果，并送LED显示器显示读取。

图3 放大电路原理图

3 复位系统及流程图

余氯检测系统的难点是准确的连续多次检测。由于流动池狭小，光程较短，检测后管壁上会留有残留，影响下次测量，因此设计一个精确复位系统尤为关键。原理如下：首先打开清水提取泵及清水开关，将洁净水经取样管道输入流动池后，进行测试及A/D转换，经过反复测量直至检测到的数据达到零位或初始值，则可确定流动池已经洗净。此后，关闭洁净水清洗阀，打开高压气阀，则气泵所产生的高压气体迅速进入流动池，并将流动池中的洁净水排出，待流动池内气压升至额定气压后，再打开该开关，高压气体迅速排出，如此反复多次，直至将流动池完全吹干，待流动池恢复到初始状态后，等待下一次检测。如图4所示为控制系统流程图。

图4 控制系统流程图

4 实验数据

首先进行系统标定，若比较电压用V表式，先配置一组精确的浓度样品，其浓度值用Ci表示，依次测出Ci相应的比较电压Vi，可以用下列公式进行线性回归计算：(i=1，2，……，N)

由公式可得归直线方程：V=a+bC;

a-是回归直线的截距;b-是回归系数;r-为相关系数。根据实验数据得出的余氯溶液标定曲线为：

标定曲线如图5所示，通过实验的结果可知，线性相关系数r=0.998，因r→1，则表明回归直线是线性相关的。将测试系统的标定数据存贮在计算机中，利用已标定的数据，对余氯溶液进行实测，通过双波长光路在最大吸收波长λmax处测量不同浓度的待测溶液所对应的电压值，通过和已标定的数据比较，最终得出待测溶液中余氯浓度。测量结果记录在表1中，从表1中可看出，实测误差在1%左右，可见通过此系统检测出的结果取得了良好的效果。

图5 余氯标定曲线

表1 余氯浓度测量值及误差

4 结语

本文以Beer-Lambert定律为理论基础，设计了一种双波长光路。通过检测样品波长和参考波长经流动池后的差吸光度ΔA，并利用线性回归法对溶液浓度进行计算，得出比较电压与浓度的关系，最终测得实际余氯的浓度。本系统的设计极大的减小了传统单路系统设计中存在的挂壁产生的误差，在光电检测系统和控制系统的紧密配合使余氯浓度的检测结果较为准确，达到了国家《医院污水类别排放标准》的要求，能够满足医院污水排放监测的要求。

［1］ 吴克宏，邓正栋，谢思桃.医院污水处理技术综述［J］.工业用水与废水，2001，32(1)：40-42.

［2］ 冯丽爽，祝连庆，董明利.双光路偏振测量系统的研究［J］.北京机械工业学院学报：2000，15(2)：31-34.

［3］ 殷海青.光度分析中工作曲线偏离朗伯-比尔定律的原因［J］.青海师专学报(教育科学)，2004，(5)：63-66.

［4］ 曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［5］ 孙余凯，吴鸣山，项绮鸣，等.集成运算放大器实用识图［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［6］ 张玥.一元线性回归法用于测定微量铝［J］.长沙电力学院学报(自然科学版)，1997，12(3)：260-265.

责任编辑：吴旭云

A study on the residual chlorine detection system based on linear regression

GU Xue-hui，FU Zhi-qing
(College of Electronic Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper designs an automatic residual chlorine detection system of dual-wavelength optical path，the function of which is to real-time detect the content of residual chlorine in medical wastewater so as to control and process wastewater and achieve standard discharge.The system receives the transmission light intensity from light source irradiation sample solution to determine the concentration of residual chlorine by photoelectric sensors，takes linear regression as computation basis，greatly reduces the interference and error with the aid of dual-wavelength optical design in continuous detection and achieves the purpose of accurate detection.

linear regression;dual-wavelength optical path;residual chlorine test;photoelectric detection

TP274.4

A

1009-3907(2010)08-0066-04

2010-06-22

谷学汇(1984-)，男，吉林长春人，硕士研究生，主要从事光电检测方面的研究。