比值法浊度测量的探讨
摘 要：介绍了浊度的概念，分析了散射与透射比值法测量原理的理论依据，给出了测量信号与浊度的关系式。设计了比值法测量电路，包括红外光源、红外探测器、弱光检测放大电路，通过实验验证了比值法在浊度测量中的性。【关键词】浊度 比值法
水中的泥沙、有机物和无机物等细微悬浮物能吸附大量细菌、病毒等致害物质，对人体健康造成威胁，浊度是表示水的清澈或浑浊程度的物理指标。实验表明，自然沉降的水样固体颗粒的含量为80mg/10L，而浊度为0.1度时的水样未检出固体颗粒。欧美发达国家饮用水的浊度普遍为0.1～0度。为保障人民饮用水质量，我国将浊度与余氯、PH值等一并纳入水质监测指标中。
1 浊度测量方法
对水质浊度的仪器测定目前有透射法和散射法两种基本方法。
1.1 透射法
特性曲线证明了光电转换信号与浊度成对数关系，并且S与T之间保持单调衰减关系，即浊度越高，透射光越弱。
1.2 散射法
入射光遇到水样中微粒将引起光的散射，散射光的强度与水样单位体积中微粒数量、直径有关。通过测量散射光强可得到浊度信息。
散射光到达光电接收器前，光强同样会因为穿透一定光程的水样而发生衰减，散射光衰减程度服从比尔-朗伯定律。采用线性光电元件作为接收器，获得的电信号符合式(4)：
实验曲线表明，散射法适用浊度范围在0～T0之间的水样测试。超过T0(取决于仪器几何参数及悬浮颗粒分布)，测量结果不再是浊度的单值函数，无法表征浊度值。因此，散射法只适用于低浊度测量。
1.3 散射光和透射光比值法
光通过水样，会同时发生透射与散射。散射光强度会随着浊度的增加而增加，而透射光则反之。因此，通过散射光与透射光强度变化关系可以推算出水样浊度值。
2 实验平台搭建
2.1光源电路
研究表明，入射光波长范围在400～600nm时，散射光强度大，测试效果好。但与此同时，水样中微粒对可见光的吸收波长也在这个区域。为避免吸收作用对测量结果准确性的影响，入射光光谱应该避开这个区域。由于水样强制检测项目--色度分析所使用的光源波长为500多nm，浊度测量所用光源光谱应避开可见光区。并且，在饮用水质检测中，水样颗粒粒度大多在0.1μm～20μm之间，光源波长选择在红外光区，散射光强度服从瑞利定律和米氏定律。实验中按照ISO7027规定，选择浜松公司的L7558红外LED作为入射光源。光强的变化，会导致测量结果的不稳定性，因此，实验中采用LM317构成稳流电路，确保电流稳定，光强稳定，如图4所示：
2.2 光电接收器
光电接收器选用西门子的红外接收管SFH214FA。其光谱响应波长范围在750～1100nm，峰值波长900nm，与L7558红外LED匹配。并且SFH214FA暗电流小，上升时间tr及下降时间tf小，适应于计算机高速采集。
2.3 放大电路
由于光敏二极管光电流小，为保障信号不被噪声淹没，实验中采用ADI公司低输入电流，低输入补偿的AD549作为电流电压转换电路;采用Intersil公司的ICL7650斩波稳零式高精度运放作为前置运放。浊度仪通常使用的环境比较恶劣，为提高传感器信号的抗干扰能力，将光电探测器SFH214FA与前置放大电路安装在一起。
3 实验数据分析
按照公式(6)将400NTU福马肼储备液加入按照国际标准ISO7027制备的零浊度水稀释，选择得到10个0-100NTU的样品。
测量数据显示：散射信号与透射信号的比值随浊度上升而增加。按照公式(7)，以浊度作为X，比值为Y，对实验数据进行相关性分析，R=0.97307，证明散射与投射信号的比值与浊度高度相关。
以浊度作为X，比值为Y，对实验数据进行回归分析：
推出描述浊度与传感器输出数学模型的一元线性回归方程：
实验证明，采用比值法测量水样浊度，能消除水样色度、光源、元件参数、环境光等变化对测量值的影响，相对于透射法、散射法而言具有更强的抗干扰能力。在中低浊度范围，使用比值法测量的传感器线性度好于其他方法，因此在外围电路设计、信号处理等方面易于实现，能降低系统软硬件的投入，具有较好的经济型。
综上所述，比值法测量浊度在中低浊度范围具有很好的应用前景，具有较高的推广价值。
参考文献
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作者简介
康亚(1972-)，女，重庆人，本科，讲师，主要研究方向智能仪器仪表。
作者单位
1.重庆城市管理职业学院 重庆市 401331
2.重庆科技学院 重庆市 401331
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