【正文】 基于單片機(jī)的礦井油質(zhì)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1. 緒論水體和土壤中礦物油的檢測(cè)已引起各國(guó)相關(guān)部門的高度重視，目前常見(jiàn)的測(cè)定方法有重量法、紫外分光光度法、熒光分光光度法、紅外分光光度法和非分散紅外光度法。重量法是用有機(jī)萃取劑(石油醚或正己烷)提取酸化了的樣品中的油類，萃取劑通過(guò)氧化鋁柱(或佛羅里硅藻土)除去動(dòng)植物油類，將溶劑蒸發(fā)掉，稱重后計(jì)算石油類含量。重量法應(yīng)用范圍不受油品的限制，可測(cè)定含油量較高的含油污水。本方法不足之處是操作過(guò)程復(fù)雜，靈敏度低，分析時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)操作條件和操作者技能的依賴程度高。該方法不適于環(huán)境水質(zhì)和大批量樣品的測(cè)定。紫外分光光度法是利用石油及其產(chǎn)品中芳香族化合物和含共扼雙鍵化合物在215~260nm紫外區(qū)的特征吸收測(cè)定石油類含量。由于各種物質(zhì)的紫外吸收強(qiáng)度差異較大，對(duì)于組成變化較大的工業(yè)廢水和成分復(fù)雜的環(huán)境水體，采用紫外分光光度法，數(shù)據(jù)可比性和準(zhǔn)確性都較差，因此國(guó)外己不再使用。熒光分光光度法的測(cè)定原理為根據(jù)有機(jī)物吸收紫外光后發(fā)射出的熒光強(qiáng)度定量。同紫外法一樣，產(chǎn)生熒光的物質(zhì)主要為芳香族化合物和含共轆雙鍵化合物。由于不同物質(zhì)的熒光發(fā)射強(qiáng)度差異很大，測(cè)定結(jié)果受油品組成影響較大，其物理意義為物質(zhì)的熒光強(qiáng)度。但由于海洋監(jiān)測(cè)關(guān)注的是難降解的芳烴類石油，故在我國(guó)海水監(jiān)測(cè)中仍在使用。熒光光度法的優(yōu)點(diǎn)是不需要萃取劑，易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。另外，由于被檢測(cè)樣品與光學(xué)器件無(wú)直接接觸，所以不存在光學(xué)元器件的清洗問(wèn)題。缺點(diǎn)是僅能測(cè)定礦物油中苯系物的含量，無(wú)法測(cè)定礦物油中的直鏈烷烴。由于測(cè)定方法長(zhǎng)期沒(méi)有得到統(tǒng)一，因此一直存在方法與方法之間，以及數(shù)據(jù)之間的不可比性，從而影響了判斷油質(zhì)的準(zhǔn)確性?；诖耍?0年代開(kāi)始經(jīng)過(guò)10年的研究，我國(guó)于1996年根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的推薦標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了“GBT16488一1996水質(zhì)、石油類和動(dòng)植物的測(cè)定紅外光度法”，從而統(tǒng)一了油類測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。紅外光度法包括了紅外分光光度法和非分散紅外法(Non一DisPersivehifrared簡(jiǎn)稱NDIR)。這兩種方法都是基于油品中某些特性基團(tuán)對(duì)紅外光的特征吸收行為進(jìn)行測(cè)定的，符合最基本的光的吸收規(guī)律——“比爾定律”。烴類中C一H振動(dòng)的特征吸收波長(zhǎng)見(jiàn)表11。 表11烴類中C一H振動(dòng)的特定吸收波長(zhǎng) Table11 The Specific IR absorbing wavelengths of CH vibrationinhydroearboneomPounds 類別 波數(shù)() 波長(zhǎng)(nm)亞甲基(一CH2一) 29303413甲基(CH3一) 2960 3378芳烴(=CH一) 3030 3300紅外分光光度法，是用三氟三氯乙烷或四氯化碳萃取水體中的油類物質(zhì)，并通過(guò)硅酸鎂吸附，除去動(dòng)植物油，得到水中石油類物質(zhì)，在紅外光譜中的波數(shù)為2930，2960和3030 處的吸光度來(lái)計(jì)算其濃度，計(jì)算公式為: （1—1）式中: C一溶劑中石油類的含量A一對(duì)應(yīng)波數(shù)一下的吸光度X、Y、Z一與各種C一H鍵吸光值相對(duì)應(yīng)的系數(shù)F一脂肪烴對(duì)芳烴影響的校正系數(shù)上述3個(gè)波數(shù)對(duì)應(yīng)的特征吸收物質(zhì)分別為亞甲基(CH2)基團(tuán)中C一H鍵的伸縮振動(dòng)、甲基(CH3)基團(tuán)中C一H鍵的伸縮振動(dòng)和芳烴(H)中C一H鍵的伸縮振動(dòng)。紅外分光光度法可以在石油烴中芳烴占有很大比例的水樣中使用。 非分散紅外光度法(Non一DispersiveInfrared簡(jiǎn)稱NDIR)利用油中烷烴的、近紅外區(qū)()附近存在伸縮振動(dòng)吸收帶。此方法適用于樣品中芳香烴含量不高的情形。該方法為美國(guó)環(huán)境保護(hù)署對(duì)油的測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法[10]。因此開(kāi)展水中油檢測(cè)技術(shù)研究，不僅可以滿足國(guó)家科學(xué)制定油資源開(kāi)發(fā)、利用與保護(hù)規(guī)劃，保障國(guó)家油安全、糧食安全、生態(tài)環(huán)境安全的迫切需要。適應(yīng)國(guó)家制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、城市化發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)規(guī)劃的迫切需要。也是貫徹落實(shí)中央領(lǐng)導(dǎo)指示精神、維護(hù)國(guó)家法律尊嚴(yán)、實(shí)行和諧社會(huì)思想的具體體現(xiàn)，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本課題針對(duì)我國(guó)石油的勘探和監(jiān)測(cè)監(jiān)控情況，探索出一套檢測(cè)油的可行方案和方法，利用非光度技術(shù)，開(kāi)發(fā)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適合國(guó)情的適于野外礦物油監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有精度高、操作簡(jiǎn)便、一鍵測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出被測(cè)水樣中亞甲基、甲基物質(zhì)和動(dòng)植物油含量，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文水利、污水處理廠、發(fā)電廠、等行業(yè)及部門，滿足日常檢測(cè)及應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要。主要研究?jī)?nèi)容有:(l)研究紅外分光光度法和非分散紅外光度法的測(cè)油原理，找出兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)圍及比較、檢測(cè)精度、測(cè)量時(shí)間、投入成本等方面的異同。(2)設(shè)計(jì)最佳的分光系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)對(duì)光線的要求。(3)進(jìn)行整機(jī)硬件的合理性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定各參數(shù)。(4)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電信號(hào)的處理計(jì)算，包括模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)的參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的歸一化處理等。研究高精度、低消耗的測(cè)量算法。(5)研制與硬件相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有采集、控制、傳輸、運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示等功能。2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從鹵鎢燈發(fā)出的光調(diào)制為交變信號(hào)后，經(jīng)聚光鏡系統(tǒng)及樣品池場(chǎng)鏡、濾光片會(huì)聚到單/多色儀入射狹縫，經(jīng)準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄馔渡涞焦鈻派?，由光柵色散的光?jīng)聚焦鏡、柱面鏡將2930 、2960 ，和3030的單色光分別會(huì)聚到位于焦平面處的探測(cè)器上。探測(cè)器將接收到掃描后的三波長(zhǎng)紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)前置放大、同步檢波一放大后由A/D變換器送入單片機(jī)，計(jì)算出三波長(zhǎng)吸光度及樣品濃度，并在液晶顯示器上顯示或由打印機(jī)打出。 Optics Principlel聚光鏡 系統(tǒng)測(cè)量的基本原理非分散紅外光度法是基于光學(xué)中的朗伯一比爾定律。它描述了吸光度、液層厚度及溶液濃度之間的定量關(guān)系。1927年，朗伯(Lambert)指出:一束單色光通過(guò)透明溶液介質(zhì)時(shí)，光能被吸收一部分，被吸收的光能量與溶液介質(zhì)厚度有一定的比例關(guān)系。1852年，比爾(Beer)作了類似實(shí)驗(yàn)，指出光強(qiáng)度變化與溶液中溶液濃度也存在類似關(guān)系。朗伯一比爾定律的數(shù)學(xué)表示式為: (2—1)式中:k一被測(cè)物質(zhì)的吸光系數(shù)，與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)L一液層厚度C一物質(zhì)的濃度一入射光強(qiáng)度I一透射光強(qiáng)度上式就是光吸收定律，也稱朗伯一比爾(Lambert一Beer)定律，其不僅適用于溶液，也適用于氣體和固體。不僅適用于分子對(duì)可見(jiàn)光的吸收，也適用于原子吸收、紅外吸收，熒光、火焰發(fā)射光譜法中發(fā)射強(qiáng)度與分子原子濃度關(guān)系。至此，我們可以將朗伯一比爾定律用文字概括為:當(dāng)一束單色平行光垂直射入吸收介質(zhì)的溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸收物質(zhì)的濃度和液層厚度乘積成正比[1]。油分植物油和礦物油，都是由多種有機(jī)成分組成的復(fù)雜混合物。對(duì)于特定種類的油，其組分穩(wěn)定，且各組分的含量也一定，所以特定種類的油有穩(wěn)定的吸收光譜，對(duì)特定波長(zhǎng)的光有確定的吸收能力，即確定的吸光系數(shù)。本系統(tǒng)的研制是基于朗伯一比爾定律的，所以必須采取有效措施來(lái)保障這種線性、正比關(guān)系不被破壞。另外，也需引入一些方法來(lái)提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度，拓寬系統(tǒng)的測(cè)量范圍。 需要補(bǔ)充說(shuō)明的是:液層厚度在概念上有別于光路長(zhǎng)度和光程。根據(jù)GB8322一87的規(guī)定，液層厚度為吸收池的兩個(gè)平行且透光的內(nèi)表面之間的距離。而光路長(zhǎng)度是光通過(guò)吸收池內(nèi)物質(zhì)的入射面與出射面之間的路程。也就是說(shuō)，只有當(dāng)光束垂直入射時(shí)，液層厚度才與光路長(zhǎng)度的定義相同。在光吸收定律中這兩個(gè)名詞同義。通常，體現(xiàn)液層厚度的吸收池內(nèi)部透光面垂直距離也稱為吸收池的光徑。 Fluid thickenss and the length of Iight route 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)紅外測(cè)油系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、樣品系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成。油類中含有的甲基、亞甲基等官能團(tuán)。，有特征吸收峰，而用作從水樣中萃取油份的四氯化碳()，透過(guò)率在80%以上。這樣首先將萃取劑石放在參比池中作為本底樣品，萃取的油的混合溶液放入樣品池，光源發(fā)出的光經(jīng)紅外濾光片濾光。窄帶紅外光經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制后的復(fù)合脈沖光對(duì)稱的分為兩束，一束光通過(guò)吸收池，另一束光通過(guò)參比池，經(jīng)過(guò)分光系統(tǒng)單色儀進(jìn)行色散后，再經(jīng)過(guò)放大系統(tǒng)放大及信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換等最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)量得到入射光強(qiáng)度 和透射光強(qiáng)度I，再由單片機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)比爾定律通過(guò)MCS51匯編語(yǔ)言，運(yùn)用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算就可以得到油的濃度C。同時(shí)通過(guò)LCD顯示器顯示或打印機(jī)打印出測(cè)量結(jié)果。此系統(tǒng)是否能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，重復(fù)性、穩(wěn)定性是否很好，是否存在時(shí)間漂移和溫度漂移等問(wèn)題，我們選用了熱釋電紅外探測(cè)器作為此系統(tǒng)的傳感器。為了滿足熱釋電紅外探測(cè)器的線性范圍在3一10毫瓦，因此我們將使用的“6V，6W”。由于輸出電壓比較小，其值為幾毫伏，所以必須經(jīng)過(guò)前置放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換的規(guī)范值方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列處理故而我們選用低漂移、低失調(diào)的集成運(yùn)算放大器AD620作為前置放大電路的主要元件。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理、A/D轉(zhuǎn)換電路AD7705進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(此系統(tǒng)包括AT89C52單片機(jī)及外圍擴(kuò)展接口，如鍵盤、顯示器、時(shí)鐘、看門狗等接口電路)，并由此系統(tǒng)控制采樣，數(shù)據(jù)處理及濃度計(jì)算等[2]。 Prineiple of oil infrared measuring systerm3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 光源系統(tǒng)儀器的光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括光源、濾光片等關(guān)鍵部件的選擇。 光源的選擇(一)系統(tǒng)中選用的光源應(yīng)滿足以下條件:(l)在儀器的工作波段范圍內(nèi)能夠提供連續(xù)輻射，即光源可以發(fā)射連續(xù)光譜，以便記錄一個(gè)完全的吸收光譜。(2)選用的光源在工作波段內(nèi)有足夠的光能量，其能量隨波長(zhǎng)變化盡可能小。(3)具有良好的穩(wěn)定性。(4)有較長(zhǎng)的使用壽命。光源波長(zhǎng)范圍(nm)光子 輸出強(qiáng)度氫燈185～375 弱，360nm以上不能用氛燈 185～400 中等強(qiáng)度(是氫燈的3一5倍)鹵鎢燈 250～2000 用玻璃燈殼時(shí)，320nm以下無(wú)輸出鎢燈 320～2500最好輸出為400一1200nm能斯特?zé)?000～3500010000nm以上輸出弱碳化硅棒 1000～50000鹵素?zé)舻牟Ａ鈿ぶ谐溆幸恍u族元素氣體(通常是碘或澳)，其工作原理為:當(dāng)燈絲發(fā)熱時(shí)，鎢原子被蒸發(fā)后向玻璃管壁方向移動(dòng)，當(dāng)接近玻璃管壁時(shí)，鎢蒸氣被冷卻到大約800℃并和鹵素原子結(jié)合在一起，形成鹵化鎢(碘化鎢或漠化鎢)。鹵化鎢向玻璃管中央繼續(xù)移動(dòng)，又重新回到被氧化的燈絲上，由于鹵化鎢是一種很不穩(wěn)定的化合物，其遇熱后又會(huì)重新分解成鹵素蒸氣和鎢，這樣鎢又在燈絲上沉積下來(lái)，彌補(bǔ)被蒸發(fā)掉的部分。通過(guò)這種再生循環(huán)過(guò)程，燈絲的使用壽命不僅得到了大大延長(zhǎng)(幾乎是白熾燈的4倍)，同時(shí)由于燈絲可以工作在更高溫度下，從而得到了更高的亮度，更高的色溫和更高的發(fā)光效率[6]。 (二)透鏡聚光系統(tǒng)透鏡聚光系統(tǒng)將光源燈絲的像聚焦在分光系統(tǒng)的入射狹縫上。為了充分利用提高光源的能量，要求光源燈絲的尺寸大小、聚光系統(tǒng)透鏡的焦距、入射狹縫的尺寸應(yīng)盡量滿足成像關(guān)系，同時(shí)還應(yīng)考慮分光系統(tǒng)性能要求?？紤]儀器對(duì)光路的要求，采用單透鏡聚光系統(tǒng)。(三)光源機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)儀器的光源系統(tǒng)應(yīng)保證鹵鎢燈的燈絲準(zhǔn)確地成像在分光系統(tǒng)的入射狹縫上，同時(shí)還要考慮光源的散熱問(wèn)題。，由鹵鎢燈調(diào)節(jié)工作臺(tái)l、散熱支架聚焦透鏡及其安裝筒4等三個(gè)部分組成，均通過(guò)螺釘安裝固定。為了便于光源的散熱，l，2安裝在儀器外殼3的外部，4安裝在儀器外殼的內(nèi)部。考慮到儀器對(duì)光路的要求及有效地利用光源的能量，本儀器采用單透鏡聚光系統(tǒng)對(duì)其發(fā)出的光束進(jìn)行聚焦，使其輻射全部進(jìn)入紅外濾光片[8]。 Machine frame of the lamphouse 切光器將光源發(fā)出的直流光信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)以便于放大和抑制噪聲，光譜儀器對(duì)調(diào)制器的尺寸以及加工和安裝精度有嚴(yán)格要求【12】。切光器結(jié)構(gòu)，由直流電動(dòng)機(jī)、切光片(或調(diào)制盤)、軸套等組成。其切光尺寸以及光源象的大小影響調(diào)制信號(hào)的形狀和濾波信號(hào)的大小，如光源象為圓點(diǎn)，則通過(guò)切光器后的信號(hào)通常為梯形波，經(jīng)濾波后只剩下主頻信號(hào)，能量損失太多。從信號(hào)處理角度考慮，信號(hào)通道的帶寬越窄，信噪比越高，因此要求輸出為正弦波。要想得到精確的正弦波，就對(duì)切光片的葉片形狀和均勻性要求很高。通常取d/b=，可得到近似的正弦波，其中d為光源像點(diǎn)直徑，b為切光片扇形寬度。 The frame of the modulator 樣品系統(tǒng) 萃取劑的選擇水對(duì)紅外輻射具有較強(qiáng)的吸收作用，用紅外光度法測(cè)定水體中礦物油時(shí)需將礦物油萃取到對(duì)紅外輻射沒(méi)有吸收的溶劑(即特殊的萃取劑)中進(jìn)行測(cè)量。在水中石油類監(jiān)測(cè)技術(shù)中，四氯化碳()是傳統(tǒng)的萃取劑。由于屬于氟氯烷烴類，破壞臭氧層，是國(guó)際公約《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》限制生產(chǎn)和禁止大量使用的化學(xué)物質(zhì)。因此日本掘場(chǎng)制作所開(kāi)發(fā)了的替代物—氯化四氟乙烯聚合物(S316)，也稱為六氯四氟丁烷。四氯乙烯作為萃取劑，具有沸點(diǎn)高和毒性低的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)GRABNER公司生產(chǎn)的測(cè)油儀已在使用[13]。本系統(tǒng)選用四氯乙烯做樣品系統(tǒng)的萃取劑。樣品系統(tǒng)中的液體池設(shè)有兩個(gè)，一個(gè)作為吸收池，另一個(gè)作為參比池，液體池主要有石英池和玻璃池兩種，在紫外區(qū)必須采用石英池，可見(jiàn)和近紅外區(qū)最好用玻璃池，也可用石英池。經(jīng)調(diào)制器發(fā)過(guò)來(lái)的光束集中在可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)，因此本系統(tǒng)選用的是石英池，為了更加符合朗伯一比爾定律，要求吸收池應(yīng)具有