基于Cygnal技术便携式浊度仪的设计与应用

基于Cygnal技术便携式浊度仪的设计与应用

便携式浊度测量仪是现场快速分析工业用水、废水处理、生活用水以及自然水体水质质量的重要检测手段之一。本文基于C8051F340单片机技术,应用冷光源技术及90°角接收散射光柱积分测量的方法,设计完成了便携式浊度测量仪。通过实验分析,仪器的稳定性和准确度在误差允许的范围内,达到了测试的要求

当水中的悬浮物受到光照射时,如其粒度远小于入射光波长时(约为入射光波长的1/10～1/20以下),悬浮物粒子对光的作用主要是散射。因此,根据国际ISO7027标准规定,采用国际90°角接收散射光的柱积分设计方法,完成光电信号的转换。由于在可见光区小于500 nm波长范围内,水中有机物对光的吸收能力较强,会给测量带来较大误差。因此,选择光源波长为860 nm进行测定,能将水中色度的干扰降到最低,达到测量浊度更加准确和稳定。传感器测量原理如图1所示。

当光强为I0的入射光通过厚度为dx的水样时,透射光衰减了dIX,则有：

式中:k———散射系数;h———样品的吸收系数。对式(1),

L积分得透射光强,公式为:

x从0到

散射光强公式为:

当水的色度为零时,h=0,式(3)变为:

式中:k———散射系数,与浊度T成比例关系;L———为光程长。

为提高测量的灵敏度和信号强度,采用了4片硅光电池柱积分法接收散射光信号,则在光源开通状态下光电流信号I总为:

式中:Id———光电池的暗电流,通过控制光源的开闭状态完成Id的测量,从而消除Id的干扰。

光源的稳定性直接影响仪器测量的准确性和重现性。以往浊度仪采用白炽灯、激光等作为浊度仪光源,其功耗较大,不适于便携式测量仪器的设计。本文采用860 nm发光二极管作为光源,以满足低功耗要求。如图2为红外线受光电路图与红外线发光电路。选用波长860 nm的红外发光二极管作为光源,并以恒流源稳定光源,以峰值波长为860 nm的硅光电池作为光电检测元件。

测量电路构成如图3所示。由于两个硅光电池特性相同,电路相匹配,因此消除了光源波动对测量带来的影响,同时,电路中的共模信号也得到了抑制,具有较高的共模抑制比,提高了测量的稳定性。

电路设计包括C8051F340单片机系统、信号转换及放大电路、一线制DS18B20温度传感器、实时时钟电路DS1302、Flash存储器AT45DB081B、USB接口等。C8051F340单片机系统具有低功耗、高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核。完成系统的数据采集预处理、数据输出控制等功能。信号转换电路应用低漂移,高输入阻抗AD620运算放大器,完成测量信号和参比信号的电流电压转换及放大功能。温度传感器DS18B20主要测量水样温度,完成温度补偿功能。实时时钟DS1302完成测量数据的年、月、日、时的标记功能。应用非易失Flash存储器,可以即时存储当前和历史数据,以便对测量数据进行分析。USB接口的设置有利于与PC机进行通信,以快速、方便、可靠地进行数据传输。

采用模块设计,用C51语言编制而成,各个模块完成相应的功能。软件系统包括A/D转换子程序、测量子程序、标定子程序、按键处理子程序、液晶显示子程序、温度检测子程序、数据处理存储子程序、时钟芯片子程序、系统维护子程序、监控程序如系统自检、初始化、USB2. 0接口子程序。主程序流程如图4所示。在工作过程中,主控程序或服务程序分别调用相应的子程序以完成浊度信号的检测、参数的标定、各种信号处理以及数据的存储等功能。

仪器设有增加、减少、确定、标定、存储、复位共六个面板控制键。在仪器开启时,程序首先进行初始化和设置中断入口地址,然后刷新液晶显示屏,读出DS1302的时钟信号、被测温度值及显示的初始浓度值“0.00NTU”,送到显示屏。通过查询判断有无按键按下,若无键按下调用测量子程序,完成一个周期内操作。计算结果送液晶显示器显示,同时将测量结果存储到AT45DB081B作为历史记录保存。一个周期测量完毕,程序返回进入下一个测量周期。单片机在空闲时一直处于查询按键状态。当有键按下时程序进入按键处理子程序,对键值进行判断处理。标定时,按下标定键,再按下上翻、下翻键来调整初定的参数V0或K值(根据标准福马肼溶液标样一和标样二来求得公式中V=KT+V0的参数),使仪器显示值跟已知的浊度值相等,完成仪器的标定。使用仪器时,按下确定键开始进行测试。为节省电池,只有当按下确定键时,仪器灯才会亮。在显示读数后,仪器灯将关闭并继续显示读数。当需要对已测量的浊度值及相关的参数进行保存时,按下存储键,然后再按确定键,测量的数据会自动存进数据存储器AT45DB081B。仪器上电后,按上翻键或下翻键可以查阅时间,当需要调整时间时,再按下确定键,对需要调整的地方再按上翻键和下翻键进行调整。仪器设置了浊度上、下限报警,

当测量结果超限时进行报警,以及电池不足时,屏幕上的电池标志就会不停地闪烁,进行电池不足报警。

零点漂移是对浊度测量0. 00NTU浊度的性能指标,实验数据如表1所示。

对0.00NTU浊度的水样进行连续测量,在一个小时的测量中,得到各个时刻的浊

度数据,仪器的最大漂移为0.07NTU,这一点满足仪器所要求的精度。

重复性实验是指浊度仪对浊度相同的水样进行重复检测的稳定性,反映了浊度仪工作的漂移。实验数据如表2所示

对同一浊度的水样测量可以分析出仪表的测量值变化满足3%测量误差

2009-01-07在吉林市水务集团有限公司第三供水厂进行了对比测试实验,实验结果见表3。

实验分析,基于C8051F340单片机技术,采用多级硅光电池的柱积分方法设计便携式浊度仪,其各项指标在误差允许范围内达到了设计要求。与目前在线浊度测量的区别在于分析流程及传感器设计不同;在硬件方面,突出低功耗模式、便于携带测量分析。通过文献检索分析国内未见基于低功耗C8051F340单片机技术设计,采用多级柱积分法便携式测量浊度分析的装置。便携式分析仪器结构简单、便于携带,满足了野外实时测量的要求,可供水厂、电厂、食品加工厂、制药工业对水样浑浊度的测定,也可用于监测天然水,废水处理浊度的分析。