【正文】 .. 29 參考文獻 ........................................................................................................................ 30 致謝 ............................................................................................................................... 31 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 濁度的簡介 濁度的概念 在人們生活和生產(chǎn)中，常用濁度 (turbidity)來表征液體的清潔度，水的濁度是泥沙、粘土、微細的有機物和無機物、可溶的有色有機化合物以及浮游生物和其它微生物等懸浮 物質(zhì)所組成。這些懸浮物質(zhì)能吸附細菌和病毒，所以渾濁度低有利于水的消毒，對確保水質(zhì)指標有極重要的影響。國際標準化組織定義為：由于不溶解物質(zhì)的存在所引起的液體透明度降低，可見，濁度不等于固體懸浮物質(zhì)(Suspended—Solids)含量，固體懸浮物質(zhì)含量是水中可以用濾紙截留的物質(zhì)重量；而渾濁度則是一種光學(xué)效應(yīng)，它表現(xiàn)出光線透過水層時受到阻礙的程度。這種光學(xué)效應(yīng)與顆粒的大小及形狀有關(guān)，實踐證明渾濁度與懸浮物固體物質(zhì)的重量濃度沒有任何的相關(guān)關(guān)系。水的渾濁度越高，反射光和散射光就越強，而透射光就越弱；反之，水的渾濁 度越低，反射光和散射光就越弱，而透射光就越強。因此測定散射光與透射光強度間的變化，就可以測得水的濁度。 濁度測量方法 濁度的測定目前有化學(xué)分析法和儀器分析法兩種，化學(xué)分析法采用透明度試管法和透明度試驗圓盤法，適用于實驗室或野外作人工分析測定；儀器分析法利用 880nm 近紅外光源，采用光學(xué)透射或散射原理，將濁度轉(zhuǎn)換為光電信號，測出濁度數(shù)值大小。工業(yè)過程濁度儀可對各種工藝過程中水質(zhì)濁度進行長期、連續(xù)分析測量；而實驗室濁度儀為小型臺式或便攜式，適用于實驗室中或野外對水質(zhì)濁度進行間隔分析測量。儀器分析 法基本方法如下幾種： (1) 透光式測定法 光透過濁液被減弱的程度與濁度有一定函數(shù)關(guān)系，測量透過待測濁液的光的強度，來得到濁度值。透射光強度隨濁度的變化遵從朗伯特—比爾定律，即透射光隨濁度增加按指數(shù)形式衰減 IR=Io exp(KTL) 式中， Io為入射光的強度， L 為液體透光層厚度， K 為比例常數(shù)， IR為透射光的強度， T 為水的濁度。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 2 光 源試 樣 槽光 闌探 測 器I0IR 圖 透射法測量原理 (2) 散射測濁度法 由于液體中懸浮微粒引起光的散射，散射光的強度與濁度有關(guān)。通過測量散射光強，可得到濁度信息。在濁度不大的情況下 (2020FTU)，90186。方向所接受到的散射光強度可用下式來表示： IR=IO(KNV2/ 4? ) 式中， I0 為入射光的強度， K 為系數(shù)， N 為單位容積的微粒數(shù)， V 為微粒的體積， λ 為入射光波長。假設(shè) λ 和 V 為常數(shù)，則 KNV2∕λ4 與單位容積微粒的總數(shù)或總體積成正比，也就是與濁度成正比，則有： IR=KTIO 式中 T 為水的濁度， K‘為系數(shù)。按其測量方向的不同，又分為前散射式、垂直散射式和向后散射式三種方法。 (3) 透射光和散射光比較測定法 即透射光和 散射光比較測定法。它是以上兩種方法的綜合，采用透射光和散射光強比較的方法測量濁液的濁度，這種方法可以消除部分干擾，提高靈敏度。 (4) 表面散射法 表面散射法測量發(fā)生在水層的近表面層的散射光強度，來得到濁度值。表面散射濁度測量是一種非接觸測量法，即散射光接收光學(xué)系統(tǒng)及接收器與水樣是非接觸的，避免了光學(xué)接收窗口等的污泥、結(jié)垢現(xiàn)象。且其測量范圍寬、線性度好，因而常用于濁度較高的水源水測量中。 (5) 偏振法 對于粗大的顆粒，散射光為部分偏振光，而且偏振的程度與顆粒的大小和形狀有關(guān)。通過對偏振度的檢測，可測量濁度 。 探 測 器光 源式 樣 槽光 闌IOIR 圖 表面散射法測量原理 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 3 濁度儀的種類 測量濁度的儀器叫濁度儀。按照所測量濁度的范圍，可分為低濁度儀、中濁度儀、高濁度儀。基于測量濁度的方法，可分為透射式、散射式、透射光和散射光比值式、表面散射式、偏振光式濁度儀。當然，測量濁度的范圍和測量濁度的方法是有關(guān)系的。比如，透射式濁度儀一般也是中、高濁度儀。而透射式濁度儀也是低濁度儀。按濁度儀結(jié)構(gòu)不同，可分為窗口測定槽式、落流式、振動片式和積分球式。按濁度儀安裝結(jié)構(gòu)不同，有可分為流通式、沉入式、插入式、伸縮可拆卸帶球閥插入式濁度儀?？傊?， 選用濁度儀必須考慮測量的范圍、工作環(huán)境等因素。 國內(nèi)外濁度儀器的現(xiàn)狀 國外濁度儀器的現(xiàn)狀 從 20 世紀 90 年代開始，國外許多儀器儀表公司都推出了許多技術(shù)先進、性能優(yōu)良的濁度儀。進入 21 世紀后，市場上的濁度儀更是種類繁多、品種多樣。它主要分為供現(xiàn)場便攜使用和實驗室使用的便攜式或臺式濁度儀、工業(yè)現(xiàn)場中使用的在線檢測式濁度儀兩大類。 根據(jù)所用光源的不同，國外濁度儀可按 ISO 國際標準和美國 標準分為兩大類。目前，具有代表性的品牌有：美國 HACH 公司系列濁度 儀，英國 ABB Kent 公司系列濁度儀，德國 E+H 系列，美國 Rosemount 系列，日本橫河公司系列，等等。這些新型濁度儀都采用了單片微計算機技術(shù)，其中，許多儀器的單片機采用的是目前最新型的單片微機芯片。有些公司的產(chǎn)品，還將測定濁度和固體懸浮物等多種功能合成在一起，可用同一探頭、同一臺儀器操作，只需按一下功能轉(zhuǎn)換鍵即可，無需重新進行參數(shù)設(shè)定和更換測量探頭，大大擴展了儀器的應(yīng)用范圍，增強了儀器檢測的多元化功能。此外，幾乎所有的高濁度產(chǎn)品都帶有自動清洗裝置，許多低濁度產(chǎn)品可以選配自動清洗裝置或是自帶清 洗裝置，這樣，儀器就可以在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，如工業(yè)廢水處理、粘性較大的工業(yè)現(xiàn)場等。同時，可根據(jù)測量要求，對自動清洗程序自行重設(shè)定，從而可保證濁度儀長期穩(wěn)定地運行。 國內(nèi)濁度儀器的現(xiàn)狀 我國的工業(yè)過程濁度儀，從無到有，近幾年來得到較大發(fā)展。 70—80 年代，工業(yè)濁度在線測量儀表，在我國幾乎還是一個空白點 .即使后來有了濁度儀，也是指針顯示 .體積較大，只能進行流通式測量，可靠性和穩(wěn)定性都很差。經(jīng)過近 10 年的技術(shù)攻關(guān)和引進國外先進技術(shù)經(jīng)驗，國產(chǎn)的濁度儀已有很大變化，不但初具規(guī)模，有多家廠商生產(chǎn) ，而且有些技術(shù)指標還達到了較高水平。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 4 上海雷磁儀器廠的 WZT170 型高濁度儀，測量范圍 0—1000FTU；WZT—701 型低濁度儀，測量范圍為 0—25FTU，廣泛用于自來水廠、污水處理廠、廢水處理監(jiān)測等行業(yè)。這兩種濁度儀的外形尺寸相同，十分小巧，僅 200 x120 x75mm。 .傳感發(fā)送器為流通式，直接安裝在管路中進行連續(xù)測量，整套儀器安裝在一個支撐座架上，只要將樣水用管道直接接入傳感發(fā)送器即可測量。為防止 對傳感發(fā)送器污染，若需清洗，可選用超聲波清洗器進行定時清洗。 WZT 系列 高、低濁度儀均 有六種不同的測量量程可供選擇，根據(jù)用戶需要，在出廠時加 以確定。若不提要求，則按最大測量量程即高濁度 0—1000FTU、低濁度 0—25FTU供貨。國營 267 廠的 WGZl 型濁度儀是軍工廠軍轉(zhuǎn)民較成功的一個產(chǎn)品，儀器具有六種測量范圍可供選擇，從 02 至 0—1000FTU。儀器流程中裝有消泡器，使測量數(shù)值穩(wěn)定性好；為了防止對傳感器測量室的污染，可以選配自動清洗裝置，使用時應(yīng)根據(jù)儀器測量范圍調(diào)整清洗定時旋鈕 .確定自動清洗間隔時間，一般測量濁度值在 10FTU 以內(nèi)，清洗間隔 3—5h；測量濁度 值在 100FTU 以內(nèi)，清洗間隔時間 12h；測量濁度值在 100FTU 以上時，清洗間隔 1h 以內(nèi)。但由于 WGZ—1 傳感器與控制器組合在一個箱體內(nèi)，安裝只能從箱體水管連引入，安裝方法較單一，許多場合如江河湖塘、他槽、敞口箱等工況環(huán)境都較難使用，因此應(yīng)用工況受到較大局限性。 本文研究的目的和研究內(nèi)容 研究的目的 現(xiàn)代科技的進步以計算機的進步為代表 ， 不斷創(chuàng)新的計算機技術(shù) ， 正以不可逆轉(zhuǎn)之勢從各個層面上影響著各行各業(yè)的技術(shù)進步 ， 今天的測控儀器行業(yè)同樣經(jīng)歷著一場翻天覆地的變革。計算機 滲透到儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域并得到充分應(yīng)用的結(jié)果，在該領(lǐng)域出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器 ——智能儀器，從而開創(chuàng)了儀器儀表的一個嶄新的時代。 儀器儀表的發(fā)展可以簡單地劃分為三代。第一代為指針式儀器儀表，如指針式萬用表、功率表。它們的基本結(jié)構(gòu)是電磁式的，基于電磁測量原理使用指針來顯示最終結(jié)果。第二代為數(shù)字式儀器儀表，如數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計、數(shù)字頻率計等。它們的基本結(jié)構(gòu)中離不開模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并以數(shù)字方式顯示或打印測量結(jié)果。第二代儀表響應(yīng)速度較快，測量準確度較高。第三代就是本文要討論的智能式儀器儀表，這類儀器儀表 的主要特點是內(nèi)含微處理器，因此，通常具有信息采集、數(shù)據(jù)處理，輸出控制及測試過程和測試結(jié)果顯示、記錄、傳輸自動進行等功能。 本文的研究目的是將儀器儀表的智能化技術(shù)具體應(yīng)用于濁度測量中，解決濁度測量中的問題，采用軟件技術(shù)代替復(fù)雜的硬件電路，通過軟件的非線性校正、長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 濾波等技術(shù)修正和克服由傳感器、變換器、放大器等引入的誤差，從而提高儀器的精度和其他性能指標。特別是理論上證明和實際實現(xiàn)本人提出的調(diào)制光源光強技術(shù)，即將信號處理的方法應(yīng)用于濁度測量中排除環(huán)境光和雜散光對濁度測量的影響。為實現(xiàn)此技術(shù)又提出和驗證了軟硬件結(jié)合非 線性校正方法。也就是說，用軟件方法克服硬件本身的缺陷，從而提高儀器的性能價格比。 研究的內(nèi)容 本文首先從理論研究了調(diào)制光源光強技術(shù)測量濁度的原理及其可行性，在此原理的基礎(chǔ)上，采用以個人計算機為基礎(chǔ)的個人計算機儀器 (PCI)的形式來實現(xiàn)。用 VC++軟件開發(fā)平臺，利用 MATLAB 數(shù)學(xué)軟件的數(shù)學(xué)處理函數(shù)及其與 VC++接口，以及一些前人開發(fā)的控件制作儀器的軟件。軟件的功能包括采集數(shù)據(jù)、非線性校正、濾波、儀器標定及其操作界面，以及數(shù)據(jù)的顯示、存儲、統(tǒng)計等。硬件上，由于采用軟件技術(shù)，簡化了硬件的設(shè)計 。硬件以 AT89C51 單片機為中心，設(shè)計采樣電路、光源電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、與 PC 的接口電路以及測量探頭等。后文將對實現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)作一一介紹。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 第 2 章 調(diào)制光源光強技術(shù)的理論分析 引言 濁度測量中，一個需要解決的問題就是如何避免背景光對測量的干擾。常用的方法是完全封閉起來遮蔽背景光。然而對于沉入式、插入式結(jié)構(gòu)的在線濁度儀，為保證濁液自然暢通地進入探頭，就不能采用封閉結(jié)構(gòu)，必然有背景光的影響。本文介紹一種以調(diào)制光強為光源照射濁液用信號處理的方法來濾除背景光 的干擾。 采用調(diào)制光強測量濁度的原理 當一束光照射到被測水樣時，在濁度不大的情況下 (2020FTU)， 90186。方向所接受到的散射光強度可用下式來表示： IR=Io(KNV2/ 4? ) 式中， I0 為入射光的強度， K 為系數(shù)， N 為單位容積的微粒數(shù)， V 為微粒的體積， λ 為入射光波長。假設(shè) λ 和 V 為常數(shù)，則 KNV2∕λ4 與單位容積微粒的總數(shù)或總體積成正比，也就 是與濁度成正比，則有： IR=KTIO （ 1） 式中 T 為水的濁度， K‘為系數(shù)。透射光強度隨濁度的變化遵從朗伯特 —比爾定律，即透射光隨濁度增加按指數(shù)形式衰減： IR=IO exp(KTL) （ 2） L 為液體透光層厚度， K 為比例常數(shù)。以散射測濁度法為例，光探測器接收到的光強信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，假設(shè)轉(zhuǎn)化是線性的，電壓信號用下式表示： u=a1(K‘TIO+IB exp(KTL))+a0 （ 3） a1a0為與光敏元件和電路有關(guān)的常數(shù)， IB為背景光的光強信號，它主要通過透 射液體作用于光探測器上。根據(jù)現(xiàn)實情況，它可由一直流信號和一系列的階躍 信號來表示，其隨時間變化的函數(shù)為： IC= )(tIuAi? （ 4） 上式中 Ic 為直流信號，即一常數(shù)值， u(t)為階躍信號其表達式為： u(t)= ??? ??tit tit01