现代计量测试1998年第2期散射式浊度测量仪陆明刚 宋启敏(上海大学机械电子工程学院,上海　200072)摘要:浊度是一项评定水质的重要技术指标。

如何提高测量浊度的精度是国内外一直在研究的问题之一。

文章介绍了作者在散射式浊度测量仪设计过程中,为提高浊度的测量精度和稳定性所做的工作。

在测量仪的部件(光学系统,电路系统等)设计中,采取了许多特殊方法,使浊度测量的各项精度指标都得到了较大的提高。

关键词:浊度;散射光;测量精度;稳定性 一、引言浊度是水中不同大小、比重、形状的悬状物、胶体物质和微生物等杂质对光所产生效应的反映。

浊度不仅是表达水质最重要的物理外观指标,也是考核水处理设备净化效率和评价出厂水水质的重要指标之一。

由于供水水质对人民健康生活水平和工业生产质量关系密切,国家建设部在《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中,对水质浊度测量提出了更高的目标要求,尤其要求推广使用测量精度较高的散射式浊度测量方法[1]。

近年来,国内制造厂家开发了几种散射式浊度仪,但是由于测量精度低以及不稳定等诸多因素的影响,因此一些经济条件较好的自来水公司都引进了国外浊度仪,以满足测定精度的要求。

目前美国HA CH公司所生产的RA T I O XR型和2100型浊度测量仪在质量、性能和自动化程度等各项指标上都代表着国际先进水平。

为了赶超国际先进水平,我们所研制的散射式浊度测量仪各项技术指标都接近或超过了HA CH公司的同类产品。

二、仪器原理散射式浊度测量仪的工作原理如图1所示,光源发出的光线经聚光镜1使光源成象于光栏1上,再经聚光镜组2使光线照明水样管。

在聚光镜组2和水样管之间放置了一块半透半反镜,以得到一束参考光线,在光轴的垂直位置安放了参考光光电池和散射光光电池。

当一束光照射到被测水样时,在90°方向所接受到的散射光强度可用下式来表示[2]:I R=KN V2Κ4I0(1)式中,I0为入射光强度;V为微粒体积;Κ为入射光波长;N为单位容积微粒数;K为系数。

在满足一定的条件下,可假设Κ和V为常数,则I R和I0之比与单位容积微粒的总数成正比,即与浊度成正比:I RI0=K′T(2)式中,T为水的浊度,K′为另一系数。

为此在入射光光强I0不变的情况下,散射光的强度I R与浊度81T成正比,这样就可以通过测量散射光的强度I R来求得浊度的大小。

图1 三、仪器的设计散射式浊度测量仪是集发光元件、光学系统、光电转换和电子线路为一体的仪器,其中任一部分的不稳定性都将影响到整个仪器的测量精度。

11发光元件、光学系统的设计(1)采用参考光束来消除入射光光强变化对测量精度的影响照明光源光强变化会直接影响入射光的强度,从而使散射光的强度发生变化。

仪器所使用的卤素灯,其发光强度除了与电压有关外(可使用稳压电源来解决),还与灯泡的老化、积尘、供电回路的电阻等有关,环境温度也有微弱的影响,这些因素是很难控制的。

同时,灯泡、透镜、光栏等的安装位置也会影响入射光强度变化。

为了消除这些因素的影响,除了采用稳压电源外,还采用了将入射光分出一路作为参考光束,进行实时补偿。

如图1所示,在水样管前放置一块半透半反镜,产生一束与入射光光强成正比的参考光。

在信号处理时,用接受到的散射光强度与参考光强度之比作为散射信息,这样就与入射光强度没有直接关系,而只与水的浊度有关。

(2)光学系统的设计在光学系统设计中,首先要求通过非水样散射途径(如聚光镜和水样管壁的反射、散射等)能到达接受器件的杂散光尽可能少,这样有利于减小仪器的零点,并且可提高光源的利用率,降低功率消耗,减小仪器内部的温升。

由于白炽灯效率较低,其90◊以上的能量将转化为热能,从而使仪器内部的温度升高,而光电转换器件和电子元件对温度变化都是极其敏感的,因此,温度的变化将影响仪器的稳定性,光学系统须进行专门设计。

本仪器采用了多片镜片系统,以消除象差对测量精度的影响,并选用了大口径、短焦距镜头,这可使入射光的立体角8增大,光线能得到充分利用。

为了减小杂散光的影响,设计中还采用了柱镜系统,使入射光以片状光线照明水样管,光束聚焦于水样管的中心。

入射光光线垂直于水样管的管壁,使水样管管壁反射产生的杂散光最小。

片状光线照明还能使入射水样管的光线面积增大,即使实际测量水样的体积增大,有利于增强散射信号,提高测量灵敏度。

更重要的是水样中有少数粒子在飘动时(实际使用时常会碰到的问题),大的采样体积能起到一种平均作用,使测量数据飘动减小,提高测量稳定性和精度。

21光电转换器件的设计仪器所使用的光电转换器件是光电池。

其两端电压V D和电流I D的关系可写为:I D=K<<-I S e q V Dm K T-1(3)式中,K<为光电转换灵敏度;<为光通量;I S为反向饱和电流;q为<电子电量;K为波尔兹曼常数;91T 为绝对温度;m 为系数(1<m <2)。

硅光电池的输出电流除了与光通量有关外,还与漏电流有关,而漏电流与温度密切相关。

在反向偏置条件下,温度每上升6℃,漏电流增加一倍。

对于低浊度测量而言,其散射光的强度非常弱,因此温度的影响非常大,如不采取措施,仪器的稳定性就无法低于1N TU 。

从(3)式可见,当V D =0时,e q V Dm K T -1=0,此时温度的影响可消除。

为此在前置放大电路上采取了措施,保证在工作范围内V D <±2ΛV ,这样由温度变化引起的漏电流对测量精度影响就大大减小了。

另外,通过使接受散射光的光电池和接受参考光的光电池保持相同的温度,用两者之比作为散射信息,消除和减小了温度变化对仪器测量精度的影响。

31电路设计由散射光所产生的光电流是极其微小的,每1N TU 产生的光电流约为1nA (10-9A )。

要使稳定性满足0101N TU,则相应的电流为10pA (10-11A )。

这要求输入前置放大器的输入偏置电流的温漂图2(在工作温度范围内)和漏电流变化小于10pA 。

为此在印刷线路电路板的设计中,采取了一些特殊结构和方法,解决了漏电问题,并使用了偏置电流小于2pA 高性能运算放大器放大,基本满足了设计要求。

实际电路框图见图2。

测试光信号通过散射光光电池和参考光光电池转换为电流信号。

信号经放大、A D 转换后,单片微机对其进行采集、处理、显示。

微机能自动对测量量程进行转换,并能按需要打印测量结果、测量日期和时间。

时钟可提供日期和时间,关机由电池供电,使其能正常工作。

四、测试数据的处理和补偿由式(1)可知,在入射光强度I 0不变时,散射光强度应与水的浊度成正比。

这一关系对水样中的每一微观部分都是成立的,但实际测量中所接受到的散射光是在某一段内的散射光,因此所接受到的散射光强度并不与浊度成正比。

经分析可将散射光强度I R 写成:I R C 1T I 0e-C 2T(4)式中,I 0为入射光光强;T 为浊度;C 1,C 2为与光路结构和光程长有关的系数。

由式(4)可知,当T 较小时,e -C 2T 1,I R 与T 成正比。

随着T 的增大,I R (T )逐渐呈现非线性。

当d I Rd T=0时,I R 达到最大值;以后随着浊度T 的增大,I R 也随着减小。

实验结果见表1所示。

在2000N TU 范围内,其非线性性已非常严重。

仪器的非线性性与仪器的光路结构、光栏位置等因素密切相关,因此在测量过程中,必须对测试数据进行补偿,这样所测得的0-2000N TU ,才能满足测试精度的要求。

表1(浊度单位:N TU )浊度01002004006008001000150020002500300035004000I R (ΛA )0101013001591111116021062140310031253131313131213108对于非线性性的补偿,可以采用增加前向散射和后向散射两个接受光电池和相应的放大电路,然后对各路信号进行模拟运算来对测试数据进行补偿[3]。

但由于使用多路接受、多路放大电路,仪器的成本上升,因此我们采用了单路探头接受,并充分利用微电脑的功能,用全数字式进行补偿。

在数字补偿中,首先必须解出T(I R)的表达式,用测得散射光强度I来计算得到的浊度T的大小。

由于式(4)无法用显式来表示,因此需要一种实用的补偿方法。

补偿的方法可采用多项式逼近法和微机查表法。

微机查表法是通过逐点算出浊度T与散射光强度I R的关系,然后列表存入浊度仪内的存储器ROM中。

当浊度仪工作时,可通过查表方式由I R 查得T。

但是式(4)中的C1和C2系数对光路、光栏的结构是相当敏感的,零件加工、安装位置的误差都会引起C1、C2的较大变化,因此每一台浊度仪的C1、C2系数都不完全相同。

这对批量生产而言,显然是不大合适的。

为此在数据补偿中,我们采用了多项式逼近方法。

函数T(I R)可用一多项式来加以逼近:T(I R)=6∞i=0A i I i R=A0+A1I1R+A2I2R+A3I3R+ (5)式中,A0,A1,A2,A3…为常数(A0=0)。

多项式越多,越能接近真实的曲线。

现用一四阶多项式来近似T(I R)。

仪器在80、400、1000、2000N TU四点标定,求出A1、A2、A3、A4,存入具有断电保护的RA M中。

工作时可用I R和A1、A2、A3、A4来求得浊度T。

五、实测结果和仪器主要特点对仪器进行了稳定性和主要设计指标的检测,其中稳定性包括对零点稳定性、低浊度稳定性和高浊度稳定性的测试。

结果是相当理想的,见表2。

检测零点稳定性是在开机后30秒内进行的,以后每隔5分钟再测量一次;低浊度和高浊度则每隔3分钟测一次,每次测量前都摇匀水样,以避免沉淀。

表2(单位:N TU)次数123456789101112零点010000100001000010010100001000-01000-0100001000010000100001000低浊度311531133115311431143115311531153116311431153115高浊度366366366366366366366367367366367367仪器主要设计指标和有关国家城市供水水质监测站测试的结果列于表3。

表3测量范围3分辨率准确度%重复性%线性性%零漂%电压漂移%设计值自动转换01001211011011实测值自动转换0100101750122013801010　注:自动量程转换为0-1;0-10;0-100;0-1000;0-2000N TU。

仪器主要设计指标是参考了国外的同类产品(美国HA CH公司的2100型浊度仪等仪器)来制订的。

国家城市供水水质监测站测试所测得的实际精度都高于所列的设计指标,这给以后批量生产留有一定的余地。