地下水原位监测浊度传感器设计

罗勇钢,吴 建,刘冠军,邹 君,孙颖奇

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京 211100)

0 引言

浊度指水体由于粘土、有机物、浮游生物等不溶性物质导致水体透明程度降低的量度[1],是水质评价的重要感官指标,也是地下水环境监测的重要指标[2-4]。通过对地下水浊度原位监测,可实现不同点位、不同深度的地下水浊度刻画,辅助进行地下水污染羽迁移分析及水质评判[5-6]。传统原位监测浊度传感器主要针对地表水、市政污水等应用场合,在低浊度场合的测量精度较低,且传感器体积普遍较大,在地下水监测井的适应性不足。此外,针对传感器光源因使用发热等原因导致的发光强度波动,传统浊度传感器虽然可以通过延长预热时间等方式进行规避,但不利于在测点较多的地下水监测场合应用。

本文结合地下水原位监测需求,设计了一种基于90°散射光测量原理的地下水原位监测浊度传感器。传感器采用柔性玻璃光纤束作为导光介质,实现了传感器内部光器件的立体设计。该设计缩小了传感器外形尺寸,使传感器外径仅φ24 mm。同时,传感器设计并实现了光源发光强度动态补偿,避免了光源发光强度波动对测量的影响,缩短了传感器预热时间,并进一步提高了测量精度和稳定性。传感器采用316不锈钢和聚甲基作为主体材质,以多芯防水接头作为对外接口,在方便应用的同时确保了良好的耐腐、防水性能,具有较高的推广应用价值。

1 测量原理

浊度测量有散射法、透射法及散射-透射比值法等多种方法。散射法具有灵敏度高、准确性好等优点,较适用于地下水等浊度较低场合的水体原位监测[7-8]。

根据光学理论,一定波长的光束通过水样时,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及光束波长相关。90°方向的散射光强度为[9-10]:

(1)

式中:Is为散射光强度;K为系数;N为单位体积水中的悬浮微粒数;V为悬浮微粒体积;λ为入射光波长;I0为入射光强度。

由于90°方向散射光强度受微粒的粒径影响较小,当入射光波长确定时,式(1)可简化为:

Is=K′TI0

(2)

式中:K′为系数;T为试样的浊度。

据此,当入射光强度一定时,90°方向的散射光强度与水样浊度成正比,即根据90°方向散射光的强度可实现水样浊度的测量。

2 传感器设计

根据地下水监测需求,传感器设计量程为0～400 NTU。传感器测量性能分为0～40 NTU和40～400 NTU两个量程段。传感器24 h漂移不大于2%,且耐水压不小于0.5 MPa。

2.1 光路设计

测量光路是传感器的核心。光路系统由光发射部件、发射光纤、接收光纤和光接收部件组成。

光发射部件的发光二极管发出中心波长为880 nm的红外光。红外光经透镜耦合后进入发射光纤从而射入待测液体。接收光纤与发射光纤中心轴线互相垂直布置,确保接收光纤可接收与入射光呈90°方向的散射光。散射光经接收光纤导光后进入光接收部件。光接收部件内设计有滤光片和光接收器。滤光片采用可透过800 nm及以上波长的带通滤光片制作而成,以减少外界光的干扰。光接收器将光信号转换成电信号,并连接测量电路以实现散射光强度的测量。考虑到发光二极管发光强度可能受温度变化、光强衰减等因素影响,传感器在光发射部件上还设计有光源发光强度监测机构,可实现光源发光强度监测,并据此对发光强度变化进行补偿及对传感器故障进行判断。

传感器光路结构如图1所示。

图1 传感器光路结构示意图

导光光纤是传感器设计实现和可靠测量的关键。本文设计选用柔性玻璃光纤束作为导光光纤。该设计利用玻璃光纤的良好柔韧性,提高了光电器件的布设自由程度,以减小器件布置所需空间尺寸;利用玻璃光纤材质的耐磨特性,以提高传感器的长期稳定性。同时,通过毛细管对光纤进行束缚定型,可较好地控制光纤形状和数量,从而提高产品的批次一致性。

2.2 结构设计

传感器呈圆柱形设计,主体尺寸为φ24×150 mm,主要由测量部件主体和密封部件组成。

传感器测量部件主体由导向座、安装基座、光发射部件结构件、光接收部件结构件及光学零件组成。导向座上设计有两个相互垂直的斜孔,用于光纤束导向,以确保入射光轴线与散射光接收轴线呈90°。斜孔上部设计有灌胶凹槽,用于灌胶以实现光纤束固定及密封防水。光纤束通过安装基座分别与光发射部件和光接收部件连接,并通过上述部件结构设计与相互配合以满足光学设计要求。

传感器密封部件主要包括传感器外壳、密封圈、堵头等零件。导向座和堵头分别通过两道密封圈与传感器外壳密封连接,以保证仪器耐水压性能。传感器堵头上设计有多芯防水接头,可作为传感器供电及上位机通信接口。此外,考虑到传感器整体质量较小,为便于现场使用,本文设计直接采用多芯电缆作为承重缆线,无需安装其他附件。

传感器结构如图2所示。

图2 传感器结构示意图

2.3 测控电路设计

传感器基于光学原理实现测量。测控电路通过单片机控制恒流源脉冲驱动红外发光二极管。脉冲激励可在保证传感器测量的基础上减少二极管发光量,从而降低能耗。光发射部件和光接收部件的光电转换器分别产生光电流信号,并各自经信号调理后进入模拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)实现模数(analog-to-digital,A/D)转换。单片机对转换后的数据进行处理和计算,并通过RS-485对外输出。测控电路框图如图3所示。

图3 测控电路框图

2.4 数据处理

2.4.1 标准曲线设计

在低浊度条件下,90°方向散射光强与待测溶液浊度呈较好的线性关系。但浊度值较高时,由于二次散射等因素的影响,散射光强与浊度的线性关系逐渐降低[11]。经试验测试,本文设计在0～40 NTU范围内呈现良好的线性关系,在高于40 NTU时线性关系逐渐降低。结合本文设计要求,传感器以0 NTU、40 NTU、100 NTU和400 NTU作为标定点,分别测量标定点浊度标准溶液的散射光强度,形成0～40 NTU、40～100 NTU和100～400 NTU三段折线式标准曲线。测量待测溶液时,通过插值法可实现浊度的测量。

2.4.2 光源补偿设计

传感器采用发光二极管作为光源。该光源的发光强度受温度等因素影响。对此,本文设计在单次测量时,同时进行光源发光强度测量和散射光强度测量,并采用测量时光源发光强度与标定时光源发光强度的比值作为补偿系数,对测量结果进行动态补偿,从而避免光源发光强度对测量的影响。这在缩短传感器预热时间的同时能进一步提高传感器的测量精度。

2.4.3 滤波设计

传感器在实际工程应用时,待测液体中可能存在偶然出现的大颗粒悬浮物、气泡等非目标测量物,从而干扰测量。对此,传感器采用了中值滤波算法进行滤波,以减少测量时偶发干扰的影响、提高测量结果的可靠性。考虑到不同场合对传感器应用需求不同,为提高传感器的适应性,本文设计将中值滤波的采样次数作为可调参数。该参数可在一定范围内进行设置。

3 试验

参考相关标准,本文通过试验对传感器性能进行了验证[12]。试验采用32 NTU和320 NTU的浊度液作为量程校正液,采用经0.2 μm终端过滤并防尘静止12 h的超纯水作为零点校正液,并采用内壁黑色的容器作为测量容器对传感器进行测试。测试结果如下。

①重复性。重复性试验将传感器分别置于两种量程校正液中,各连续进行六次测量,测得平均值分别为32.236 NTU和321.34 NTU、标准偏差分别为0.133 NTU和0.98 NTU。本文取相对标准偏差较大者作为重复性误差,即传感器重复性为0.41%。

②漂移。漂移试验将传感器置于零点校正液中,上电后开始连续测定24 h,并每10 min记录一次数据。试验选定最初三次测量值的平均值为初期零值,测得传感器在零点校正液中24 h内最大漂移量为0.182 NTU,并计算该漂移量相对于传感器量程(40 NTU)的百分率。传感器零点漂移为0.46%。

③线性误差。传感器校正完成后,将量程校正液稀释一倍,并测量该稀释液浊度值。测量值分别为15.812 NTU和159.13 NTU。试验计算测量值与理论值之差相对于量程值的百分率,并以取值大者为线性误差,即传感器线性误差为0.47%。

④耐水压。耐水压试验将已校正的传感器置于压力试验容器内,并将容器内压力调整至0.5 MPa,在保压2 h后将传感器取出。检验发现传感器外观无损坏、工作正常,各性能指标仍满足设计要求。这表明传感器可较好耐受0.5 MPa的水压环境。

4 结论

本文结合地下水监测需求,设计了一种结构小巧、性能可靠的地下水原位监测浊度传感器。该传感器采用柔性玻璃光纤束作为导光介质,通过对测量器件立体布设,实现了传感器的小型化设计;通过对传感器光源发光强度动态补偿,避免了光源发光强度变化导致的测量误差,缩短了传感器预热时间、提高了传感器的测量精度;通过参数可设的中值滤波算法,避免了气泡等偶发干扰的影响。性能测试结果表明,该传感器具有测量精度高、稳定性好、耐水压强等优点。该传感器能较好地满足地下水等水环境监测场合对浊度的监测要求,具有较高的应用价值。