散射式浊度仪的研究与设计

tuibidimerer[J].Food Chemisty，2000(7):563~566 [10] Jhon S.Bradley.A simple tuibidimeter[J].Journal of Sedimentary Petrology， 1956,26（1） ：61-63 [11] Steven A.Siano,A simple method of correction for forward Rayleigh scattering in turbidity measurement[J].Applied Optics，199332（34） ：4646~465 [12] N.S.Suk ， Q.Guo,N.P.Psuty.Feasibility of using a turbidimeter to quantify suspended solids concentration in a tidal saltmarsh creek[J].Estrarine Coastal and Shelf Science，1998（46） ：383~391 [13] 宋启敏，陆明刚。表面散射式在线浊度以测量[J].工业仪表与自动化装置，1998（2） ： 30~33 [14] 洪治.表面散射浊度在线性测量系统设计{J}。光线仪器，1992,21（20：34~46 [15] 朱泽昊，张扶人。浊度测量中两种基本方法的比较{J}，西南师范大学学报（自然科学 版） 。1995,20（2） ：148~153 [16] G.V.Middleton ， W.J.Neal.Experiments on the thickness of beds deposited by turbidity currents[J].Journal of Sedimentary Petrology，1989,59(2):297~307 [17] ISO07027 ， Water Quality-Determination of Turbidity[S].International
6. 结论 浊度测量技术是一个多学科交叉的工作，涉及到材料、光学、机械、电子、化学、信号 处理等学科。 在本系统的设计中提出了一种散射式液体浊度仪的解决方法， 并对系统的软硬 件进行了实现和测试， 基本完成了原型机的搭建。 在之后的工作中需要在信号处理电路和软 件算法上进行改进，进一步提高系统的测试精度和稳定性以满足实际应用场合的需求。
光检测器件
90o 散射光 透 射 光
入 射 光 光源
浊液试样
图2 垂直散射光式测浊法框图
目前国际上广泛使用福尔马肼溶液作为测量浊度的标准液， 该溶液的浓度即为浊度。 本 文采用的单位为散射浊度单位：NTU，即1L 水中含有1mg 的福尔马肼聚合物悬浮物质时， 称为一个散射浊度单位，用1NTU 表示。 综上所述， 一定波长范围的非相干光通过颗粒大小均匀的福尔马肼标准液， 在某一小区 域 dx 所产生的90 方向的散射光强度与颗粒浓度成正比
开始
初始化
是否按键 N 发光器的驱 动信号
Y
N 按键 1 Y
读 A/D
背光切换
按键 2 Y
N
N 按键 1 Y
计算
返回
保存数据
显示
返回
零水标定 按键次数加 1
满量程标定 按键次数清零
返回
图6 系统软件流程图
5. 浊度仪的测试与实验 在经过对 0NTU 和 200NTU 的标准溶液进行标定后， 分别对不同浊度值的标准溶液进行测 量，所得测试结果如表 1 所示，由测试结果可见系统重复精度较好，平均误差在 1%左右， 基本满足了液体浑浊度测量的需求。
附录：实物照片
参考文献 [1] 张宏陶等，生活饮用水标准检测方法注解。重庆：重庆大学出版社，1993 [2] Dag Hongve,Gunvor parison of nephelometeric turbidity measurements using wavelengths 400~600 and 860nm[J].Water Reseach,1998,32(10);3134~3145 [3] 刘建斌，吴建。球形粒子的散射特性分析[J].激光杂志，2004,25（6） ：39~41 [4] William F.Mccoy， Betty H.Olson.Relationship among turbidity,particle counts and bacteriological quality within water distribution lines[J].Water Research，1986， 20（8） ；1023~1029 [5] M.Raphael ， S.Rohani.On-line estimation of solids concenteations and mean particle size using a turbidimetry method[J].Power Technology，1996（89） ：157~163 [6] 谢沐风，高原，高鸿慈.浅议光的吸收原理[J].数理医药杂志，2004.17（4） ：359~360 [7] 孔斌，卢胜利.散射式智能液体浊度仪的研制[J].宁夏大学学报（自然科学版）1999,20 （4） ：332~334 [8] 李亦军.基于 Mie 散射的微粒浓度和粒度测试的理论与实验研究[学位论文].太原， 中北 大学，2005 [9] M.Colladl-Fernandez ， M,L,Gonzalez-Sanjose ， R.Pino-Navarro,Evaluation of turbidity correlation between Kerstez tuibidimerer and nephelometric
o [20]
。 （4）
dI s = K 2TI x dx
式中 K2为散射系数，T 为浊度，Ix 为 x 处的入射光强考虑浊液的厚度一定情况下，又考 虑到二次散射所引起的光强增强和浊液吸收所引起的光强衰减大体持平，其散射光在90 方 向的总散射光强可由式（5）表示。
o
I SS =
K2 I O e − K T ( x +ay ) (1 − e − K T∆x ) K1
硅光电池
前置放大电路 （76SOSCP02）
滤波放大电路 （OP07）
A/D 转换器
图5 检测电路原理图
4. 系统软件设计 系统的单片机软件可以分为以下几个部分： 1) A/D 采样程序：控制 A/D 采样的频率，将模拟量变为数字量； 2) 数据处理程序： 对采集的信号进行处理， 利用光强与浊度之间的关系及系统的标定数据， 计算出待测溶液的浑浊度； 3) 判键程序：判别当前按键输入，实现在当前状态下的按键功能。 4) 液晶显示程序：控制液晶上显示当前的状态或测量的浊度值。 在软件设计中，将系统划分为预热初始化状态、正常测量状态、标定零点0NTU 状态、 标定满量程200NTU 状态等，通过按键或定时器在上述几个状态间切换，在每个状态下给出 不同的控制功能，从而完成系统的测试需求。系统的软件流程图如图6所示：
1
I = gI 0 e − KtL
式中 I：浊度为 t 时透射光强度
(1)
Io：入射光强度 K：比例常数 t：浊度 L：试样厚度 g：测量仪器的几何参数
由（1）式可知如果能测量出入射光和透射光的光强，即可计算出液体的浊度值。透射 光式浊度仪的原理简单， 仪器的设计方面也比较简单， 采用透射式测量可以获得更大的浊度 测量范围，但是在测量较低浊度液体时，由于大部分的光直接透射了，微小的浊度变化引起 这样对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就非 的透射光的变化是相当小的 ， 常高，低浊度时不易满足，所以透射式测量方法不适合测量低浊度，更适合于测量高浊度水 样，其测量原理图如图 1 所示。
表 1 测试结果
标准溶液 测量值 1 浊度值（NTU） 30 50 100 150 30.2 50.6 100.8 151.1 30.6 50.4 101.1 148.9 29.7 50.2 99.6 147.5 29.5 49.5 99.5 150.6 30.3 50.3 100.7 148.4 1.27% 0.8% 0.7% 0.9% 测量值 2 测量值 3 测量值 4 测量值 5 平均误差
当水中悬浮颗粒直径大于等于光波波长时，根据 Mie 散射定理 ，某一方向上的散射光
[8]
IM 也与溶液的浓度成正比。
I M = K M ANI O
式中 A：微粒表面积 （3）
KM：Mie 散射的散射系数 N：单位体积水中的微粒数
以上的方法相比， 散射光浊度法灵敏度和准确度较高， 故在本设计中采用了垂直散射法 进行测量，其测量原理图如 2 所示：
1 1 1
（5）
式中 K1为吸收衰减系数，T 为浊度的浊度， ∆x 为测量光程长 式（5）按泰勒级数展开，并舍去二阶无穷小量，则式（5）可表示为：
I SS ≈ K 2 I 0T∆x
由式（6）可知，低浊度情况下，散射光强与浊度成正比（光程一定的情况下） 。
（6）
散 射 光 强
非线性区 线性区
盲区
0
200
[9]
入射光 光源
浊液试样
透射光
图 1 透射光式测浊法框图
在散射法中，根据瑞利定理，当液体中悬浮颗粒的大小小于入射光波长时，光线将发生 强烈的散射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定经水样的散射光强度，即可测出水样 的浊度
[10]
。散射光强 Ir、入射光强 Io 和悬浮粒子浓度等参数之间的关系由（2）式决定：
[21]
。
3. 浊度仪的硬件电路设计 浊度仪的硬件电路整体框图如图4所示： 电源
驱动模块 发 光 二51 F350
LCD 显示屏
待 测 溶 液
硅光 电池
键盘
图4 硬件设计总框图
系统中由单片机控制驱动模块输出稳定的电流送入发光二极管， 由硅光电池接收到经过 待测溶液的90度散射光信号，经过调理电路后进行 A/D 采样，采样后的数据存入单片机进 行运算处理，最终通过 LCD 显示测量出的溶液浑浊度。 对于光源， 首先要求的是光强稳定； 其次， 要求光源的寿命比较长， 故本系统采用850nm 高亮度发光二极管作为光源。 红外发光二极管是电流型驱动器件， 其亮度与电流近似成线性 关系，系统中使用 LM358构成的恒流源电路进行供电。由于散射光的强度很弱，光电接收器 件的灵敏度必须很高，能分辨出极小的光强变化，并且产生电流上的强弱变化。由于光电接 收器件本身不是线性元件，所以在选择时，要考虑满足一定的线性要求。硅光电池是一个大 面积的光电二极管，当有光照射时，硅光电池输出电压，本系统选择了型号为2DV10的硅光 电池。 浊度信号检测电路中， 接收到的散射光信号非常微弱， 系统中采用 76SOSCP02 构成前置 放大电路就近将硅光电池输出的信号进行放大后传输到后级电路，在后级电路中采用 OP07G 构成的滤波放大电路进一步对信号进行处理， 为使测量的数据能被 C8051 单片机构成的控制 系统采集和处理，还需要进行 A/D 变换。 本系统的检测电路框图如下：