一种散射式浊度传感器设计

罗勇钢，程鸿雨，邹 君，刘冠军

(国网电力科学研究院 南京南瑞集团公司，江苏 南京211106)

0 引 言

浊度又称浑浊度，指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是人感官对水体质量状况最直接的评价。从技术意义上讲，浊度可以反映水体中泥沙、有机物、微生物等悬浮物的含量，从而作为一个水质替代参数，对水体质量评价和水环境污染控制具有重要意义［1］。

在日常生活和工业生产中，常用浊度传感器对水的浊度进行测量。我国现行的GB 13200—1911《水质浊度的测定》标准远落后于国际先进标准，为实现浊度的准确测量，DL/T 809—2002《水质—浊度的测定》等效采用了ISO 7027国际标准中的散射光测量法和衰减光测量法，为我国的测浊方法与国际方法接轨奠定了基础［2～5］。本文根据ISO 7027 和DL/T 809—2002 标准中散射光测量法相关规范，结合地表水和污水浑浊度测量特点，研制了一种90°散射原理的浸入式在线浊度传感器。传感器具有测量重复性好、漂移量小、测量线性度高等优点，可较好地适用于江河湖海等地表水和市政、工业污水等场合的浑浊度在线监测。

1 测量原理

特定波长的平行光束通过水样时，水样中的悬浮微粒使光发生散射，其散射光强度分布与悬浮微粒直径相关［6］，如图1。

图1 悬浮微粒对平行入射光散射分布Fig 1 Angular patterns of scattered intensity from suspended particles of different sizes

根据光学理论，当水样中悬浮微粒的直径小于入射光波长时，单位体积水样产生的90°方向的散射光强度服从瑞利(Rayleigh)定律［7］

式中 I0为入射光强度;Is为散射光强度;n1和n2分别为悬浮微粒和水的折射率;λ 为入射光波长;v 为单个悬浮微粒体积;N 为单位体积水中的悬浮微粒数;r 为悬浮微粒到散射光强测试点的距离。

其中，悬浮微粒到散射光强测试点的平均距离r、折射率n1和n2、入射光波长λ 和悬浮微粒体积v 均可视作常数，则上式可以简化为

式中 Ka为比例系数

根据以上分析，一定波长的平行光通过水样时，在90°方向的散射光强度与水样浑浊度呈正比，即可根据90°方向散射光的强度实现水样浑浊度的测量。

2 传感器设计

浊度传感器根据使用场合不同，对传感器性能有不同要求。本传感器旨在适用于普通地表水、工业及市政污水等中低浑浊度场合的浊度测量，传感器设计量程为0 ～1 000 NTU，分辨率可随测量示值变化而自动适应，且传感器具有自动清洗功能。

2.1 光路设计

传感器测量光路是传感器测量的核心，本传感器光路部件主要由发射端和接收端组成，如图2 所示。发散端的发光二极管发出880 nm 红外光，并经准直透镜和测量光窗后进入水样。发射光的红外特性使传感器不易受到待测溶液色度的影响，提高传感器测量的可靠性;准直透镜可确保入射光角度发散角不大于±1.5°，提高传感器响应线性程度和测量稳定性。入射光进入水样后经悬浮微粒散射，90°方向的散射光进入接收端，并经接收光学系统部件后进入光电转换器。接收端光学系统部件可有效限制散射光进入接收器的孔径角，减少外界可见光与环境杂散光对传感器测量的干扰，提高测量的可靠性。

图2 传感器光路示意图Fig 2 Optical path diagram of sensor

2.2 结构设计

传感器呈圆柱形设计，如图3。传感器主要由光学部件、结构部件及清洗机构组成，其中，结构部件包括封装壳体、密封部件、测控电路板和出线电缆等。

传感器光学部件基座上端通过联杆与外壳挡圈连接，下端与外壳通过密封圈紧固连接，确保传感器防水密封和牢固可靠。各光学零件安装于光学部件基座上，保证光学零件稳固和尺寸相对位置稳定，确保传感器测量的可靠性和稳定性。

图3 传感器结构图Fig 3 Structure of sensor

传感器测控电路板固定于光学部件基座上，并通过连接线与相关器件连接。为减少外界电磁干扰对测量的影响，传感器光电转换器采用屏蔽电缆输出，并在测控电路模拟部分设计有屏蔽壳，提高传感器抗电磁干扰能力。此外，传感器外壳采用特殊处理的不锈钢外壳，在保证传感器机械强度的同时，还可作为二次屏蔽外壳，提高传感器测量稳定性。

由于传感器长期浸泡于水中使用，测量光窗易被水中污染物附着污染，影响测量。为保证长期测量的可靠性，传感器设计有机械清洗机构。清洗机构由测控电路驱动直流电机转动，并通过联轴器带动清洗刷转动，实现测量光窗的清洗。现场可根据使用情况设定清洗时间间隔或通过控制器实现人工控制清洗。

2.3 测控电路设计

传感器采用光学原理实现测量，测控电路通过单片机控制恒流源脉冲式驱动红外发光二极管，在保证测量的基础上减小二极管发光量，降低能耗。红外光经水样中悬浮微粒散射后进入光电转换器，产生光电流信号，并经信号调理后进入单片机进行A/D 转换。单片机对转换后的数据进行处理计算并通过RS—485 实现输出。此外，测控电路通过单片机控制直流电机转动实现传感器测量光窗的清洗，并通过位置感应器件控制清洗机构旋转圈数与停靠位置。传感器测控电路框图如图4 所示。

2.4 数据处理

在低浊度范围内，90°方向的散射光强与被测溶液浑浊度呈良好的线性关系，但随着浊度值逐渐增高时，由于二次散射等因素的影响，散射光强与浑浊度测量线性关系逐渐降低，对此，传感器采用分段线性拟合的数据处理方式，并设计传感器示值分辨率随量程段自动适应，提高传感器测量的可靠性。

图4 测控电路框图Fig 4 Block diagram of measurement and control circuit

3 实 验

为检验传感器的性能，参照国家相关标准测量方法与要求，对传感器进行了验证［8］。

3.1 实验准备

配制4000 NTU 福尔马肼标准浊度液，待用。根据传感器设计指标，选定800 NTU 浊度液为传感器量程校正液，经0.2 μm 终端过滤制备的超纯水为零点校正液，并完成传感器校正。

3.2 实验过程与结果

3.2.1 重复性误差

将4 000 NTU 标准浊度液稀释为800 NTU 作量程校正液(下同)，将传感器置于量程校正液中，连续进行6 次。记录各次测定值，并计算相对标准偏差，实验数据如表1。

表1 重复性实验数据Tab 1 Data of repeatability experiment

实验结果表明:传感器重复性误差为0.25%，满足标准相关要求。

3.2.2 零点漂移

将传感器置于零点校正液中，并作遮光防尘处理，连续测定24 h。选定最初3 次测量值得平均值为初期零值，计算最大变化幅度相对于量程值的百分率，测试结果如图5所示。

图5 零点漂移实验数据Fig 5 Data of zero drift experiment

实验结果表明:传感器在零点校正液中24 h 内漂移量小于0.01 NTU，相对于量程值可忽略不计。

3.2.3 量程漂移

采用量程校正液，于零点漂移实验的前后分别测定3 次，计算平均值。由减去零点漂移成分后的最大变化幅度，计算相对于量程值的百分率，测试数据如表2。

表2 量程漂移实验数据Tab 2 Data of span drift experiment

实验结果表明:传感器量程漂移为1.2%，满足标准相关要求。

3.2.4 线性误差

分别用零点校正液校正零点，量程校正液校正量程后，将量程校正液稀释1 倍，求出该测量值与供试溶液浊度值之差相对于量程值的百分率，测试数据如表3。

表3 线性误差实验数据Tab 3 Data of linearity error experiment

实验结果表明:传感器线性误差为1.2%，满足标准相关要求。

4 结束语

本文根据浊度测量相关标准和中低浊度场合测量特点，设计了一种90°散射原理的在线式浊度传感器。传感器采用经准直的880 nm 红外光作为入射光束，提高了传感器响应线性和测量精度;通过接收端光学系统部件的设计，减少了外界杂散光与可见光的影响，提高了传感器测量的可靠性;通过对模拟电路进行多次屏蔽，提高了传感器抗电磁干扰的能力;传感器自动清洗机构的设计，提高了传感器测量的长期稳定性。实验表明:传感器具有测量重复性好、时间漂移小、测量可靠性高等优点。传感器能较好地满足水环境监测和水质污染控制等领域的浑浊度在线监测要求，具有较好的实践应用价值。

［1］ Sadar M，程 立.水浊度精确检测技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］ 柴 颖，承海东.符合国际浊度测定标准的浊度分析仪［J］.科学仪器与装置，2007(5):80－83.

［3］ 国家环境保护局.GB 13200—91 水质—浊度的测定［S］.

［4］ ISO7027—1999 Water quality—Determination of turbidity［S］.

［5］ 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 809—2002 水质—浊度的测定［S］.

［6］ 杨家建，施正纯.饮用水浊度测量技术及应用［J］.水工业市场，2010(6):25－29.

［7］ 吴星五，唐秀华.散射式浊度仪的改进和应用［J］.工业用水与废水，2001(4):8－10.

［8］ 国家环境保护总局.HJ/T 98—2003 浊度水质自动分析仪技术要求［S］.