污水内油分含量检测系统的研究

张 鹏

(山西省煤炭建设监理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

随着科技的进步和经济社会的飞速发展，人类社会对环境保护的认识不断提升，特别是对水体内油分含量的控制要求越来越严格。由于石化工业的飞速发展，在石油开采、运输、使用过程中均与水息息相关，极易导致石化产品对水体的污染，水体内的油分含量超标后会漂浮在水面上，形成一层密集的油膜，使空气中的氧气无法融入水体，导致大量的水生生物缺氧而亡，同时悬浮在水面上的颗粒状油污也会进入到鱼类体内，造成中毒，因此长期以来各国对水体内的油污含量有明确的要求，并且随着科技的发展和人们环保意识的不断增加，对污水内油污含量的要求逐渐趋于严格，传统的采用称重法、微波-γ射线检测的方法[1]均存在着检测工艺繁琐、周期长、受外界环境影响大、精度低的缺陷，已经无法满足现代对污水检测快速、精确的要求。基于红外线检测技术的飞速发展，本文提出了一种以近红外光电检测技术为基础的污水内油分含量检测系统，对该检测方案进行了分析，结果表明该新型检测系统具有检测精度高、可靠性好，检测周期短的优势，极大提升了油分检测的精确性。

1 污水内红的近红外光谱段设置

污水的近红外吸收谱线如图a)所示，油分的近红外吸收谱线如图b)所示。

由图1可知，当光线的波长为914 nm时污水对光线的吸光度约为0.132，此时污水内油分对光线的吸光度约为0.215。当光线波长为970 nm时，污水对光线的吸光度达到了最大，约为0.949，而此时污水内油分对光线的吸光度则处于最小的状态，约为0.114。由于光谱工作波段在850 nm～1 050 nm区间内的波段为近红外光波段，因此结合污水和油分对近红外光的系数谱线可知，在对污水内油分进行检测时，选择波段为914 nm的近红外频谱具有最佳的辨识度。

同时，为了进一步提升对污水内油分检测的精确度和灵敏度，需要对检测光源的波段进行一个限制，尽可能地降低污水对于近红外光线的吸收，降低污水和油分的吸收交叉区域，避免当水温变化时影响近红外光谱的检测结果，根据实际生产控制能力及成本，本文选择了一种920SF10滤光片[2]，确保光源通过该设备后的中心位置的波长保持在920 nm处，满足对污水内油分快速、精确的检测需求。

2 检测系统信号放大器的设计及光电接收器选择依据

该油分含量检测系统，主要是通过检测近红外光通过污水后的衰减量来对污水内的油分含量进行检测，由于实际情况下近红外光通过污水后的衰减较大，对污水内油分的检测结果还需要将光信号转变为电信号，经控制系统按照预设的运算控制逻辑对光线进行分析后得出油分含量数值。为了提升系统的运算速度和计算精度，本文在监测系统内设置了一个信号放大器，该信号放大器的整体结构如图2所示[3]。

图2 信号放大器结构示意图

该信号放大器包括前置电路、主放电路和功放电路三个部分构成，输入的光源信号在经过三级放大后，增强至能够满足检测系统快速识别、处理的波长信号，从而满足系统对近红外光快速识别、快速分析、快速输出的控制要求。

在该系统中，要确保对污水内油分含量进行精确监测，就需要精确捕捉并无损转换透过污水内的光信号，进行光信号转换的核心元件为光电接收器，它主要用于将所有的光电信号进行转换并与各个电子工作参数进行匹配，确保在光电信号转换过程中的稳定性和准确性，因此在对光电接收器进行选择时需要遵循以下规则。

1) 使用寿命长。所选择的光电接收器必须具有高可靠性和长使用寿命，要针对所使用的环境进行专业性的光电接收器的选择，确保光电接收器在使用过程中能够以较小的功耗满足常规使用需求，最大限度地降低使用攻略，增强使用寿命、节约能耗。

2) 匹配性。要求根据使用条件针对性的旋转调制形式、波形频率与被测光信号完全吻合的接收器，确保在使用过程中光信号的转换的完整性和微损耗性，最大限度地降低波形转换时间和损耗，满足光电信号转换快速、准确、清晰、可靠的要求。同时所选择的光电接收器还必须和光线的光谱信号相匹配，能够实现对非特定光谱的滤波处理，提高检测精度，必须满足于检测电路的良好匹配性，确保能够最大限度地对数据信号进行转换和降噪处理。

3) 灵敏性。所选用的光电接收器在使用过程中的光电接收特性要求具有高度的灵敏性，能够捕捉到轻微的光线变化情况，满足在各种工况和条件下的快速检测需求。这主要是由于当入射光的光通量发生变化的时候，在光线折射情况下容易影响对光线的分析结果，因此需要高度灵敏性的光电接收器，能够最大限度地降低光线折射对检测结果的影响。

3 试验验证

为了对该油分含量监控系统的实际应用效果进行分析，本文搭建了一个污水内油分含量检测控制模拟试验系统[4]，对该污水内的油分含量进行检测，该模拟试验装置结构如图3所示。

图3 油分含量检测系统结构示意图

在试验的过程中，在水箱上面设置一个可以人工控制的定量加油装置，在试验过程中对滴油量进行控制，可以满足不同浓度油分的检测要求，每次定量滴完后对污水内的油分进行一次检测，然后再在水箱内加入一定的油，进行另一个浓度点的测量，不断增加污水内的油分含量，直到所有测点均测量完成为止，污水内油分含量检测曲线如图4所示。

图4 油分含量检测结果与实际含量对比曲线

由实际检测结果可知，油分含量检测系统的实际检测结果和污水内油分的实际含量相差较小，检测结果紧跟油分浓度实际含量的变化，最大偏差约为0.2%，完全满足污水监测准确性的要求。同时该检测系统对污水检测时，单次检测周期仅0.7 s，检测速度极快，能满足污水检测实时性和快速性的要求。

4 结论

针对目前污水检测手段落后，检测周期长，精度低的缺陷，本文提出了一种以近红外光电检测技术为基础的污水内油分含量检测系统，对该检测系统的检测原理、系统结构和试验验证情况进行了分析，结果表明：

1) 选择了一种920SF10滤光片，确保光源通过该设备后的中心位置的波长保持在920 nm处，能够确保对污水内油分具有最佳的辨识度。

2) 信号放大器包括前置电路、主放电路和功放电路三个部分构成，输入的光源信号在经过三级放大后，增强至能够满足检测系统快速识别、处理的波长信号，从而满足系统对近红外光快速识别、快速分析、快速输出的控制要求。

3) 油分含量检测系统的实际检测结果和污水内油分的实际含量相差较小，检测结果紧跟油分浓度实际含量的变化，最大偏差约为0.2%，完全满足污水监测准确性的要求。同时该检测系统对污水检测时，单次检测周期仅0.7 s，检测速度极快，能满足污水检测实时性和快速性的要求。