散射透射比值法油分浓度传感器的研究和设计

钱贵军,王学磊,张小芹

(1.江苏远望仪器有限公司，江苏 泰州 225300；2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

散射透射比值法油分浓度传感器的研究和设计

钱贵军1,王学磊2,张小芹1

(1.江苏远望仪器有限公司，江苏 泰州 225300；2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

对用于测量船舶排放污水中的油分浓度传感器进行了研究。根据Lambert-Beer定律、瑞利散射以及散射-透射比值法等光学浊度法基本原理，采用直角双通道设计结构，测量油水混合物散射光和透射光的强度；利用散射-透射比值法，标定混合物的含量。分别对油分浓度传感器的软硬件电路和检测试验进行了设计。试验结果表明，散射透射比值法油分浓度传感器可以较好地满足船舶排油监控系统中相关指南、规范对油分计的规定。

船舶； 传感器； 监控系统； LabVIEW; 电路； 控制； 污水

0 引言

随着国际石油运量的日益增加，船舶作为海上运输工具，每年向海洋排放的含油污水量也随之增多；加上各种技术与人为的因素，每年的船舶溢油事件也层出不穷[1]。对此，国际海事组织(IMO)和海上环境保护委员会(MEPC)相继颁布了MEPC.108(49) 《油船排油监控系统的指南和技术条件》(2003年)和MEPC.240(65)《<经修订的油船排油监控系统指南和技术条件>2013年修正案》 规范。相关防污公约规定要求150 t及以上所有油船都应安装经海事主管机关认可的排油监控系统，而油分浓度传感器是排油监控系统的核心部分。

目前，国内外所采用的油分浓度传感器按原理划分，主要有荧光法油分浓度传感器、光学浊度法浓度传感器、紫外吸收法油分浓度传感器以及红外吸收法油分浓度传感器等。红外吸收法与紫外吸收法油分浓度传感器原理大致相同，主要利用石油中物质对近红外线波段或对紫外波段的特殊吸收原理，检测水中的油含量。但由于中红外吸收法需要萃取和绘制标准曲线，而紫外吸收法需根据不同油品绘制标准曲线，故目前在船上很少使用这种方法。荧光法则需要根据装载的不同油种，进行荧光强度重新标定[2]。而采用光学浊度法制成的船用油分浓度传感器，可以直接测定油污水的含油量，检测不同油类品种时无需逐一标定，适用于船舶污水排放的连续监控，是船舶污水含油浓度监测未来技术发展的主要趋势[3]。

1 设计基本原理

1.1 光学浊度法基本原理

光学浊度法的原理是使光线通过分散成乳化状的油水混合物，以测定其散射光和透射光的强度，从而标定油污水混合物的含量。

透射光强度的测定工作原理基于Lambert-Beer定律，当单色光照射在吸收介质上，吸收介质会吸收部分光能，透射光强度会减弱。吸收介质的浓度越大，介质的厚度就越大，则接收的光强度相对减弱。其数学表达式为：

(1)

式中:A为吸光度；c为吸光物质浓度；I0为入射光强度；It为透射光强度；K为吸光系数；l为吸收介质厚度；T为透射比。当l和K确定后，A与c成正比关系，即可通过吸光度A来计算介质的油分浓度。

混浊的含油污水会使一种分散成胶体状的非均匀介质产生散射现象。当乳浊液中的粒子数量等于或者小于入射光波时，水中的含油浓度可根据瑞利散射定律利用散射光强度测得。瑞利散射定律表达式为：

(2)

式中:Is为散射光强度；I0为入射光强度；λ为入射光波长；N为单位中体积内粒子数目；v为一个粒子的体积；m1为液体中悬浮粒子的折射率；m0为液体的折射率；θ为观察方向与入射方向的夹角；r为微粒到散射光强测试点的距离。当I0、λ、θ、N、m0、m1、r确定后，式(2)可简化为Is=k、N=KC，即Is与c成正比，从而计算c。

同时测量投射于水样光束的透射光与散射光强度，c由两者光强度的比值计算得出。散射-透射比值法公式为:

(3)

式中:k为比例常数。对散射光和透射光的同时测量，大大提高了浓度测量的稳定性，减少了水中色度等因素对油分浓度的影响[4]。

1.2 油分浓度传感器的工作原理

油分浓度传感器采用双通道设计，其光学器件测量示意图如图1所示。

图1 光学器件测量示意图

图1中，通道A、B的启闭可通过图2所示的双通道控制脉冲时序图进行控制。当红外发射二极管A开启时，由光敏三极管A′和B′分别同时测量透射光强度与散射光强度。当红外发射二极管B开启时，由光敏三极管A′和B′分别同时测量散射光强度与透射光强度。

图2 双通道控制脉冲时序图

透射法适用于一般浊度到超高浊度宽量程范围的油分浓度测量,散射法适用于低浊度甚至超低浊度的油分浓度测量。综合两者的优点，采用散射-透射比值法，同时测量90°散射光信号和透射光信号，既能消除光源老化对测量精度的影响，又继承了两个基本方法的优点。通过双通道结构设计，对两组散射透射光强比值取平均，进一步减小测量误差。散射透射光强比值的平均值RST为：

(4)

式中:ISA和ItA为通道A开启时测得的散射光和透射光强度；ISB和ItB为通道B开启时测得的散射光和透射光强度。

2 硬件设计

2.1 传感器电路结构

传感器以STM8L151K4单片机为核心，由电源模块、红外发射电路、光敏接收电路、信号调理电路及模数转换电路等模块构成。

2.2 红外发射电路

红外发射电路采用具有光强稳定、发光寿命长、发光光谱较窄等优点的890 nm红外二极管作为发光光源。

利用集成电源电路LM317中Vout和ADj端的压差提供恒流源驱动红外发光二极管，利用场效应管IRF7832的N型沟道FET特性作为电子开关，通过控制RED_CTR引脚端的高低电平，实现红外发射通道A/B的选择。

2.3 信号检测电路

信号检测电路主要由信号调理电路和光敏接收电路组成。调理电路则由前置放大电路、二阶低通滤波电路以及后置放大电路构成。光敏接收电路采用光敏三极管来接收透射光或者散射光，将光信号转换为电信号，且光敏三极管具有放大电流的作用，因此具有较高的灵敏度。电信号在前置放大器的作用下转换为电压信号，随后通过二阶低通滤波电路进行滤波，将滤波后的电压信号进行后置放大并送入A/D转换模块。

2.4 控制电路设计

由STM8L151K4构成的单片机系统是整个油分传感器的核心，其主要功能是通过脉冲控制发射通道的选择以及模数转换模块读取数据，将数据存储在片内Flash中并进行数据处理，计算出油分浓度，然后完成油分浓度的串口输出。

3 软件设计

单片机程序采用C语言编写，主要由系统初始化子程序、发射通道脉冲控制子程序、数据采集子程序、油分浓度计算子程序、串口通信子程序等组成。软件设计流程图如图3所示。

图3 软件设计流程图

检测开始时，首先，进入初始化程序，利用脉冲控制子程序选择开启发射通道A,利用电子开关的转换获取透射和散射光强，进而获得A通道的油分浓度。其次，将发射通道A关闭，选择开启发射通道B，同理获得油分浓度。最后，通过微处理器计算平均值得出油分浓度P,通过串口通信子程序将P值送出并返回进行下一次测量。

4 试验

为了检测所设计的基于散射透射比值法油分浓度传感器的使用效果，搭建了基于LabVIEW的油分浓度检测试验平台。试验平台由油污水乳化装置、基于散射透射比值法油分浓度传感器，以及基于LabVIEW的油分浓度检测上位机组成。油污水乳化装置采用的是超声波油污水乳化装置，具有体积小、乳化过程气泡少等优点，可以有效减少因乳化效果不明显、乳化气泡等外界因素影响试验效果。

4.1 基于LabVIEW的油分浓度检测上位机

油分浓度传感器检测上位机采用LabVIEW进行程序设计。和其他语言相比，LabVIEW具有独特的编程语言，可以完成多种编程任务[5]。利用LabVIEW数据流的思想，结合模块化设计思路开发软件编程[6-7],可实现对基于散射-透射比值法油分浓度传感器的散射光强和透射光强均值进行采集。

4.2 试验结果与分析

通过基于LabVIEW的油分浓度检测上位机，对油分浓度传感器中试验样品的散射光强和透射光强均值以及油分浓度进行实时采集。试验中采用型号为F2000-ⅡK的红外光度测油仪对试验样品进行测量，通过对比测量结果，修正油分浓度计算系数。经修正后，试验数据分析如表1所示。

表1 试验数据分析表

试验数据表明，本文设计的油分浓度计较好地满足了排油监控系统指南MEPC.108(49)中关于油分计的规定。

5 结束语

试验结果证明，基于散射透射比值法油分浓度传感器的设计，结合了透射法适用于一般浊度到超高浊度宽量程范围的油分浓度测量，以及散射法适用于低浊度甚至超低浊度的油分浓度测量的优点。本文设计的传感器采用了直角双通道结构设计，既有效减少了二次散射问题，又通过不同角度测量得到油分浓度，从而提高了测量精度和稳定性。该油分浓度传感器的设计，在大范围油分浓度测量下具有较高的准确性和可靠性，能够满足排油监控系统对油分浓度传感器的要求，适应国际海事组织对船舶含油污水排放的监控要求。该产品有利于提高我国船舶国产化设备的装船率，打破国外品牌对该领域的垄断。

[1] 张莉.油船排油监控系统简介[J].船舶设计通信，2008(1):44-47.

[2] 殷佩海.船舶防污染技术[M].大连：大连海事大学出版社，2000.

[3] 孙利强.大型油船防污和圧载监控系统研究[D].大连:大连理工大学，2005.

[4] 鄂学礼，张岚.评述浊度的测定[J].中国卫生检验杂志，2000,10(2):244-246.

[5] JEFFREY T,JIM K.LabVIEW for everyone graphical programming made easy and fun[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.

[6] 潘玉恒，鲁维佳，尹万疆.基于LabVIEW和单片机的温度监测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2014(7)：43-45.

[7] 周根明,何海洋,王晓春.一种新型船舶排油监控系统的研究[J].江苏科技大学学报(自然科学报)，2009(3):9-12.

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

钱贵军(1979—)，男，工程师，主要从事船舶设备的研究。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