在線間歇式濁度儀的研究

　　根據濁度測量理論推導出液體濁度的散射光測量公式，選用波長＞800nm的紅外發光管和硅光電池作為光電變換元件，并采用間歇式靜態測量方法設計了分析流程，消除了色度和氣泡對測量的影響。
　　
　　濁度測量原理
　　
　　水中的渾濁粒子受到光照射時，如其粒度遠小于入射光波長（約為入射光波長的1/10～1/20以下），粒子對光的作用主要是散射。與透射式不同，散射式濁度儀的檢測元件與入射光成90°，如圖1所示。
　　　　式中k為散射系數，h為樣品的吸收系數。對式（1），Ix從I0到IT，x從0到L積分得透射光強IT，公式為　　
　　散射光強公式為　　
　　從公式（4）可知，散射光與濁度并非嚴格的線性關系；要使儀器滿足2％的精度，需對儀器進行標定。先以零濁水調整儀器零點，再以100、400、1000NTU的標準水樣作三點標定，求出三段的斜率，存入微機。測量時以所測值乘以相應的斜率得出濁度值。
　　
　　發光光源的選擇
　　
　　光源的穩定性關系到儀器測量的準確性和重現性，直接決定了儀器的整機性能。
　　
　　選用波長為800nm的紅外發光二管作為光源，并以恒流源穩定光源，以峰值波長為820nm的硅光電池作為光電檢測元件，電路如圖2。紅外LED壽命長、發射光強度穩定，波峰值＞800nm，即使樣品濃度很低仍能保證有足夠的散射光強度，并且減少色度的干擾，可以測量各種顏色的樣品的濃度。　　
　　根據測量原理設計了測量電路如圖3所示。儀器放大電路選用了美信公司的MAX412芯片構成精密的匹配電路。由于兩個硅光電池特性相同，電路相匹配，使得測量光電池和參比光電池的漏電流在電路中相互抵消，電路中的共模信號也得到了抑制，具有較高的共模抑制比。
　　
　　中央處理器采用了C8051F020。測量信號經放大后由C8051F020片內的交叉開關選通，調節增益后送ADC0進行A/D轉換并存儲。UART0工作在方式3，UART0TX和RX分別接C8051F020的P0.0、P0.1，測量的濁度和溫度值以UART0串行方式送液晶顯示器顯示。
　　
　　在工業現場的濁度測量中，不可避免的有氣泡存在，當氣泡通過測量光路時散射光強發生波動，造成虛假的高濁度讀數，影響了測量的準確性。為了消除氣泡的影響，本儀器采用間歇式靜態測量法設計了分析流程，如圖4所示。電磁閥開通注入待測水樣，啟動延時程序。延時結束關閉電磁閥，靜置水樣使氣泡逸出，測量水樣的濁度。測量結束重新開通電磁閥，排出已測水樣并注入新水樣。C8051F020單片機的指令執行速度是8051單片機的10倍，因此測量時間非常短，可以滿足在線實時測量的要求。濁度檢測器底部設有機械攪拌式清洗器，用于光窗的定期自動清洗。　　
　　在線間歇式濁度儀的軟件系統包括測量子程序、按鍵處理子程序、串行通信子程序、量程校正子程序、主菜單處理子程序。主程序流程如圖5所示。在沒有按鍵按下的情況下，進樣閥開注入水樣，經延時后，判斷定時器T2是否溢出。T2溢出，經過定時間，對檢測器光窗進行自動清洗；反之，程序進入測量子程序。儀器設有主菜單、增加、減少、確定、取消、復位共六個面板控制鍵。當有鍵按下時程序進入按鍵處理子程序，對鍵值進行判斷處理。主菜單鍵按下時顯示主菜單界面，包括測量、歷史曲線查詢、暗電流校正和量程校正選擇。量程校正選擇分為0～100NTU、100～400NTU、400～1000NTU三段，以100NTU、400NTU、1000NTU標準水樣標定出三段的斜率。
　　
　　儀器標定后投入運行，測量結果穩定，線性誤差±2%FS，表明基于間歇式靜態測量方法設計的分析流程能夠消除氣泡對濁度測量的影響。采用C8051F020單片機使得儀器結構簡單，并以機械攪拌式清洗器定時清洗光窗，滿足了在線實時測量的要求，可供水廠、電廠、食品加工廠、制藥工業對水樣渾濁度的測定，也可用于監測天然水，廢水處理終值測定，制酒行業EBC濁度測量。