魏運鋒 常季成 王忠輝/.瀘州市計量測試所；.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司

0 引言

飲用水水質(zhì)重要判定指標就是渾濁度，它是水質(zhì)物理狀態(tài)代替參數(shù)[1]。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，居民日常疾病45%以上與飲用水渾濁度沒達標有關(guān)，嚴重影響到人們的健康，而且會誘發(fā)一系列疾病。例如腸道疾病、皮膚疾病、慢性腫瘤、癌癥等。所以對飲用水渾濁度進行實時檢測勢在必行。然而傳統(tǒng)的單點檢測飲用水渾濁度在數(shù)據(jù)信息方面不夠全面，不能及時反應水體整體的技術(shù)指標，給檢測數(shù)據(jù)的處理和判斷水質(zhì)等級帶來不便。本文設(shè)計了陣列傳感器方案，陣列傳感器的結(jié)構(gòu)有利于抵抗外界的干擾，耐腐蝕性強，并且突破傳統(tǒng)單點測試、采集數(shù)據(jù)存在局限的瓶頸，有效地提升檢測數(shù)據(jù)的全面性，保證飲用水安全質(zhì)量。

1 渾濁度傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學部件對基座的信號進行分析處理，處理后的信號通過出線電纜輸送到上端控制器[2]?；隙送ㄟ^聯(lián)桿與金屬外殼擋圈連接，下端與外殼通過密封圈緊固連接，傳感器光學部件基座連接方式有利于防水密封和內(nèi)部結(jié)構(gòu)器件的牢固可靠，保證了各個光學器件能夠固定于安裝位置，受外界環(huán)境干擾時相對尺寸位置穩(wěn)定，可以使傳感器有效地在高精度環(huán)境下進行數(shù)據(jù)采集。傳感器集成控制部件安放至光學部件基座的上端，并通過信號傳輸線與相關(guān)部件連接。為減少外界環(huán)境對傳感器信號測試準確度的影響，光電轉(zhuǎn)換信號采用密封屏蔽電纜輸出，并在集成控制部件模擬電路部件安裝屏蔽殼，有效提高傳感器抗電磁干擾能力[3]。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

此外，傳感器的外殼采用處理過的不銹鋼金屬外殼，能夠保證傳感器在正常工作中承受一定的機械壓力，還可以起到二次屏蔽的作用，使傳感器的可靠性和穩(wěn)定性得到保障，能夠保證傳感器測試準確度。

2 渾濁度光電檢測原理

液體渾濁度檢測的基本原理：不同液體中含有的雜質(zhì)、灰塵顆粒大小、難溶顆粒的密度不同，所以透光性不同。在檢測液體中設(shè)置一定波長的紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光光源，發(fā)光光源被放置在液體中，紅外光線能穿透被測液體介質(zhì)，接收端的光電三極管能夠接受到相應強度的投射光，產(chǎn)生近似為線性的變化光電流[4]。經(jīng)過帶通濾波電路處理后輸出，得到與渾濁度相對應的檢測信號，檢測信號再經(jīng)過控制器的分析處理后換算成液體的渾濁程度。檢測電路的PWM輸出口可以持續(xù)對發(fā)光二極管施加方波脈沖。方波脈沖寬度可調(diào)，可以改變透光強度，通過光電三極管及信號處理電路得到相應的輸出電壓。檢測電路中為了減少電源電壓波動對發(fā)光二極管驅(qū)動功率的影響，本檢測電路采用恒流源供電。具體渾濁度檢測原理電路如圖2所示。

圖2 渾濁度檢測原理圖

傳感器紅外發(fā)光二極管發(fā)光強度為E0（單位：勒克斯，Lx），透射光穿透被測液體的直線距離為L（單位：mm），接收端光電三極管接受到的光強為E（單位：勒克斯，Lx），B為與液體性質(zhì)有關(guān)的介質(zhì)散射系數(shù)，由朗伯—比爾定律得到液體的渾濁度H，如式（1）所示：

根據(jù)渾濁度檢測的輸入輸出原理及特性，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的光強E0與驅(qū)動電流I0成正比，光電三極管的接收光強E與輸出電流IL成正比。在驅(qū)動電流I0恒定時，式（1）可改寫為式（5）

式中：α——正比系數(shù)；

C——發(fā)光強度常數(shù)

因此，液體的渾濁度測試結(jié)果轉(zhuǎn)為通過光電三極管的輸出電流或輸出電壓來表征。

3 陣列傳感器結(jié)構(gòu)

陣列傳感器設(shè)計構(gòu)想源于傳統(tǒng)渾濁度傳感器同一時間只能進行單點區(qū)域檢測，單點檢測的數(shù)據(jù)采樣點有限，檢測數(shù)據(jù)不全面。如果進行多點檢測需要重復進行檢測，檢測數(shù)據(jù)沒有在同時和同等外界環(huán)境下進行，數(shù)據(jù)不能及時準確的反應當時水質(zhì)渾濁度參數(shù)指標。然而計量檢測中注重的是減少誤差，提供權(quán)威的檢測數(shù)據(jù)，所以同時同等條件下進行各點檢測數(shù)據(jù)更重要、更準確、更權(quán)威[5]。為了能夠同時多點檢測被檢測液體渾濁度，保證計量檢測中數(shù)據(jù)的準確全面，節(jié)省時間和人力，提高檢測的工作效率，設(shè)計了圖3所示的渾濁度陣列傳感器。

圖3 渾濁度陣列傳感器結(jié)構(gòu)圖

陣列傳感器由9根如圖3所示的傳感器組成，各傳感器分別固定在圓形絕緣耐腐蝕金屬板上。金屬板根據(jù)傳感器尺寸設(shè)計相關(guān)規(guī)格的3條圓形滑軌，檢測時根據(jù)不同水質(zhì)存儲設(shè)備開口面積的不同，適當?shù)卣{(diào)節(jié)各傳感器的排列距離。進行單點檢測時，傳感器方便拆卸，用螺母進行固定。傳感器外圍環(huán)形等距排列8根，傳感器之間屏蔽隔離防止電磁干擾，圓心處放置1根，有效形成對液體均勻檢測。各檢測點渾濁度數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)缴衔粰C和遠端無人控制系統(tǒng)，進行各點顯示和9點平均值顯示。平均值數(shù)據(jù)結(jié)果是計量檢測中的重要參數(shù)，傳感器采集數(shù)據(jù)的時間可以通過上位機自行設(shè)定。

陣列傳感器設(shè)計完成后，需要對關(guān)鍵元件進行測試驗證，保證光電三極管輸入波長與紅外發(fā)光二極管光譜特性匹配，逐一測試使設(shè)計陣列傳感器準確度達到標準要求。測試液體的渾濁度分為10個等級，測試合格后將其傳感器組裝成陣列，繪制陣列傳感器的數(shù)據(jù)折線圖，如圖4所示。由測試得出輸出特性曲線基本呈線性變化，根據(jù)設(shè)定值的變化測試得到測試誤差在 2%左右。

4 陣列傳感器飲用水檢測原理

陣列傳感器飲用水檢測過程主要分為三部分：陣列傳感器數(shù)據(jù)采集、主控制器控制、飲用水處理。陣列傳感器負責數(shù)據(jù)的采集，主控制器進行數(shù)據(jù)分析處理和控制相關(guān)設(shè)備運行，飲用水處理是對渾濁度不合格的水進行凈化處理，直到凈化水能夠達到法律規(guī)定的合格標準。三部分模塊緊密配合，構(gòu)成有機閉環(huán)整體，具體的檢測原理如圖5所示。

圖4 陣列傳感器輸出電壓與渾濁度關(guān)系曲線圖

陣列傳感器數(shù)據(jù)采集應用光學原理實現(xiàn)多點測試，設(shè)計過程中應考慮到電極腐蝕作用的發(fā)生，集成測控電路采用控制恒流源脈沖方式驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，在保證測量的基礎(chǔ)上減小二極管發(fā)光量、降低能耗、幅頻特性變化靈活。紅外光經(jīng)飲用水中懸浮微粒透射后進入光電轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生光電流信號。光電流信號經(jīng)過電纜傳輸?shù)街骺刂破骺刂撇糠?，光電信號?jīng)過調(diào)理后進行A/D轉(zhuǎn)換，主控芯片對陣列傳感器輸送多路數(shù)據(jù)進行分析，并通過RS-485接口實現(xiàn)通信，傳輸?shù)缴衔粰C控制，同時采集數(shù)據(jù)通過LTE無線模塊傳到遠端控制中心。上位機端、遠程控制端同時對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對飲用水渾濁度在線實時測試監(jiān)測目的。飲用水的渾濁度檢測合格，主控制器打開相應閥門，使飲用水流入合格罐區(qū)[6-7]。如果飲用水檢測不合格，主控制器啟動凈化裝置進行水質(zhì)凈化，凈化完成后繼續(xù)檢測渾濁度，檢測合格打開相應閥門使飲用水流入合格罐區(qū)，檢測不合格，主控制器繼續(xù)啟動凈化裝置進行凈化處理，多次重復上述步驟，最后使飲用水達到合格標準。

圖5 陣列傳感器飲用水檢測原理圖

5 檢測凈化流程

多陣列傳感器數(shù)據(jù)采集的頻率可以在近端上位機進行設(shè)定，本設(shè)計采集傳時間設(shè)定120 s采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的需求自行設(shè)定。在整個凈化過程中（如圖6所示），先對渾濁度檢測系統(tǒng)初始化，在初始化的前提下進行設(shè)備自檢，執(zhí)行無問題后按啟動，根據(jù)陣列傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對飲用水渾濁度進行檢測凈化處理。如果出現(xiàn)設(shè)備故障，報警器會發(fā)出聲光報警，同時上位機會顯示相應的設(shè)備故障報警信息，立即停止檢測、凈化工作，維修人員可以及時處理故障。保證整個過程中各個環(huán)節(jié)的有序進行，為飲用水渾濁度檢測提供有力的支持。

圖6 檢測凈化流程圖

如果有多個相距較遠的凈化區(qū)域，為了集中管控，采集的數(shù)據(jù)傳到近端上位機的同時也通過無線傳輸?shù)竭h端控制中心，實行統(tǒng)一調(diào)控。完成近、遠端交互式控制，有效地實現(xiàn)渾濁度檢測過程數(shù)據(jù)的全面、準確、權(quán)威，為以后水質(zhì)的檢測開拓新的思路。

6 結(jié)語

本文重點論述了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，并且通過硬件的實際測試驗證了傳感器設(shè)計思路的正確性和可行性。由于單傳感器檢測的局限性設(shè)計了陣列傳感器，并應用于飲用水檢測，此方案的提出解決了單點檢測的弊端，通過遠端上位機監(jiān)測和控制，證明了此方案適用于不同水質(zhì)的檢測，為今后的水質(zhì)檢測提供了寶貴思路。