基于阵列传感器饮用水浑浊度检测

2019-04-09魏运锋常季成王忠辉泸州市计量测试所中国石油化工股份有限公司东北油气分公司

上海计量测试 2019年1期

魏运锋常季成王忠辉/.泸州市计量测试所；.中国石油化工股份有限公司东北油气分公司

0 引言

饮用水水质重要判定指标就是浑浊度，它是水质物理状态代替参数[1]。据卫生部统计，居民日常疾病45%以上与饮用水浑浊度没达标有关，严重影响到人们的健康，而且会诱发一系列疾病。例如肠道疾病、皮肤疾病、慢性肿瘤、癌症等。所以对饮用水浑浊度进行实时检测势在必行。然而传统的单点检测饮用水浑浊度在数据信息方面不够全面，不能及时反应水体整体的技术指标，给检测数据的处理和判断水质等级带来不便。本文设计了阵列传感器方案，阵列传感器的结构有利于抵抗外界的干扰，耐腐蚀性强，并且突破传统单点测试、采集数据存在局限的瓶颈，有效地提升检测数据的全面性，保证饮用水安全质量。

1 浑浊度传感器结构

传感器具体结构如图1所示。光学部件对基座的信号进行分析处理，处理后的信号通过出线电缆输送到上端控制器[2]。基座上端通过联杆与金属外壳挡圈连接，下端与外壳通过密封圈紧固连接，传感器光学部件基座连接方式有利于防水密封和内部结构器件的牢固可靠，保证了各个光学器件能够固定于安装位置，受外界环境干扰时相对尺寸位置稳定，可以使传感器有效地在高精度环境下进行数据采集。传感器集成控制部件安放至光学部件基座的上端，并通过信号传输线与相关部件连接。为减少外界环境对传感器信号测试准确度的影响，光电转换信号采用密封屏蔽电缆输出，并在集成控制部件模拟电路部件安装屏蔽壳，有效提高传感器抗电磁干扰能力[3]。

图1 传感器结构示意图

此外，传感器的外壳采用处理过的不锈钢金属外壳，能够保证传感器在正常工作中承受一定的机械压力，还可以起到二次屏蔽的作用，使传感器的可靠性和稳定性得到保障，能够保证传感器测试准确度。

2 浑浊度光电检测原理

液体浑浊度检测的基本原理：不同液体中含有的杂质、灰尘颗粒大小、难溶颗粒的密度不同，所以透光性不同。在检测液体中设置一定波长的红外发光二极管作为发光光源，发光光源被放置在液体中，红外光线能穿透被测液体介质，接收端的光电三极管能够接受到相应强度的投射光，产生近似为线性的变化光电流[4]。经过带通滤波电路处理后输出，得到与浑浊度相对应的检测信号，检测信号再经过控制器的分析处理后换算成液体的浑浊程度。检测电路的PWM输出口可以持续对发光二极管施加方波脉冲。方波脉冲宽度可调，可以改变透光强度，通过光电三极管及信号处理电路得到相应的输出电压。检测电路中为了减少电源电压波动对发光二极管驱动功率的影响，本检测电路采用恒流源供电。具体浑浊度检测原理电路如图2所示。

图2 浑浊度检测原理图

传感器红外发光二极管发光强度为E0（单位：勒克斯，Lx），透射光穿透被测液体的直线距离为L（单位：mm），接收端光电三极管接受到的光强为E（单位：勒克斯，Lx），B为与液体性质有关的介质散射系数，由朗伯—比尔定律得到液体的浑浊度H，如式（1）所示：

根据浑浊度检测的输入输出原理及特性，在一定范围内，发光二极管的光强E0与驱动电流I0成正比，光电三极管的接收光强E与输出电流IL成正比。在驱动电流I0恒定时，式（1）可改写为式（5）

式中：α——正比系数；

C——发光强度常数

因此，液体的浑浊度测试结果转为通过光电三极管的输出电流或输出电压来表征。

3 阵列传感器结构

阵列传感器设计构想源于传统浑浊度传感器同一时间只能进行单点区域检测，单点检测的数据采样点有限，检测数据不全面。如果进行多点检测需要重复进行检测，检测数据没有在同时和同等外界环境下进行，数据不能及时准确的反应当时水质浑浊度参数指标。然而计量检测中注重的是减少误差，提供权威的检测数据，所以同时同等条件下进行各点检测数据更重要、更准确、更权威[5]。为了能够同时多点检测被检测液体浑浊度，保证计量检测中数据的准确全面，节省时间和人力，提高检测的工作效率，设计了图3所示的浑浊度阵列传感器。

图3 浑浊度阵列传感器结构图

阵列传感器由9根如图3所示的传感器组成，各传感器分别固定在圆形绝缘耐腐蚀金属板上。金属板根据传感器尺寸设计相关规格的3条圆形滑轨，检测时根据不同水质存储设备开口面积的不同，适当地调节各传感器的排列距离。进行单点检测时，传感器方便拆卸，用螺母进行固定。传感器外围环形等距排列8根，传感器之间屏蔽隔离防止电磁干扰，圆心处放置1根，有效形成对液体均匀检测。各检测点浑浊度数据分别传输到上位机和远端无人控制系统，进行各点显示和9点平均值显示。平均值数据结果是计量检测中的重要参数，传感器采集数据的时间可以通过上位机自行设定。

阵列传感器设计完成后，需要对关键元件进行测试验证，保证光电三极管输入波长与红外发光二极管光谱特性匹配，逐一测试使设计阵列传感器准确度达到标准要求。测试液体的浑浊度分为10个等级，测试合格后将其传感器组装成阵列，绘制阵列传感器的数据折线图，如图4所示。由测试得出输出特性曲线基本呈线性变化，根据设定值的变化测试得到测试误差在 2%左右。

4 阵列传感器饮用水检测原理

阵列传感器饮用水检测过程主要分为三部分：阵列传感器数据采集、主控制器控制、饮用水处理。阵列传感器负责数据的采集，主控制器进行数据分析处理和控制相关设备运行，饮用水处理是对浑浊度不合格的水进行净化处理，直到净化水能够达到法律规定的合格标准。三部分模块紧密配合，构成有机闭环整体，具体的检测原理如图5所示。

图4 阵列传感器输出电压与浑浊度关系曲线图

阵列传感器数据采集应用光学原理实现多点测试，设计过程中应考虑到电极腐蚀作用的发生，集成测控电路采用控制恒流源脉冲方式驱动红外发光二极管，在保证测量的基础上减小二极管发光量、降低能耗、幅频特性变化灵活。红外光经饮用水中悬浮微粒透射后进入光电转换器，产生光电流信号。光电流信号经过电缆传输到主控制器控制部分，光电信号经过调理后进行A/D转换，主控芯片对阵列传感器输送多路数据进行分析，并通过RS-485接口实现通信，传输到上位机控制，同时采集数据通过LTE无线模块传到远端控制中心。上位机端、远程控制端同时对接收到的数据进行存储，实现对饮用水浑浊度在线实时测试监测目的。饮用水的浑浊度检测合格，主控制器打开相应阀门，使饮用水流入合格罐区[6-7]。如果饮用水检测不合格，主控制器启动净化装置进行水质净化，净化完成后继续检测浑浊度，检测合格打开相应阀门使饮用水流入合格罐区，检测不合格，主控制器继续启动净化装置进行净化处理，多次重复上述步骤，最后使饮用水达到合格标准。

图5 阵列传感器饮用水检测原理图

5 检测净化流程

多阵列传感器数据采集的频率可以在近端上位机进行设定，本设计采集传时间设定120 s采集一次数据，根据不同的需求自行设定。在整个净化过程中（如图6所示），先对浑浊度检测系统初始化，在初始化的前提下进行设备自检，执行无问题后按启动，根据阵列传感器传输的数据对饮用水浑浊度进行检测净化处理。如果出现设备故障，报警器会发出声光报警，同时上位机会显示相应的设备故障报警信息，立即停止检测、净化工作，维修人员可以及时处理故障。保证整个过程中各个环节的有序进行，为饮用水浑浊度检测提供有力的支持。