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摘要:介紹了一種內置混濁度傳感器、電導傳感器、溫度傳感器、A/D轉換器、微處理器(μ P)和單線I/O接口的智能混濁度傳感器APMS-10G,詳細闡述了其測量原理及使用注意事項。 <BR> 關鍵詞:混濁度;電導;溫度;APMS-KIT.exe軟件<BR><BR> 混濁度(turbidity)亦稱不透明度,主要用于表示水或其他液體的不透明程度。當單色光通過含有懸浮粒子的液體時,懸浮粒子引起的光散射會使單色光的強度被衰減,其衰減量即可用來代表液體的混濁度。混濁度是個比值,其單位用NTU來表示。測量混濁度對于環境保護和日常生活具有重要意義。我國早在1986年就制定了《生活飲用水衛生標準》(GB5749-85),規定城市供水企業出廠飲用水的混濁度不得超過3NTU。2001年衛生部制定的《生活飲用水衛生規范》又做出了更嚴格的規定,要求飲用水的混濁度必須達到1NTU才符合要求。測量混濁度的方法是采用濁度儀(turbimeter),又稱濁度計。傳統濁度儀的測試性能比較差而且功能單一,無法滿足現代測量的需要。近年來,從國外引進的在線濁度儀因價格昂貴也難以大量推廣(例如意大利哈納公司的產品售價就高達7萬元~12萬元人民幣)。最近,美國霍尼韋爾(Honeywell)公司推出了APMS-10G型帶微處理器和單線接口的智能化混濁度傳感器,該傳感器能同時測量液體的混濁度、電導和溫度,可用來設計多參數在線檢測系統,因而可廣泛應用于水質凈化,清洗設備及化工、食品、醫療衛生等部門中。<BR><BR>1 APMS-10G的性能特點<BR><BR> APMS-10G內含混濁度傳感器、電導傳感器、溫度傳感器、A/D轉換器、微處理器(μP)和單線I/O接口,能直接測量液體的混濁度、電導及溫度并轉換成數字輸出。它是基于軟件的虛擬傳感器,需要使用Honeywell公司的專用軟件來完成檢測任務(不包括控制)。APMS-10G的混濁度測量結果實際上是散射光強與發射光強之比,其輸出范圍是0~4000NTU(對應的輸出數據為0.03~10),響應時間為1.3s。測量電導的范圍是0.0001mS~15mS(所對應的輸出數據為4~255),mS表示毫西門子。由于電導與電阻呈倒數關系,故所對應的電阻值為10MΩ~1kΩ。測量電導的響應時間為0.85s。測量混濁度及電導的誤差均為±3個字。測量溫度范圍是+68°F~+140°F(即+20℃~+60℃),重復性誤差小于±4°F,響應時間為0.03s,達到穩定的時間為4min。<BR><BR> APMS-10G可通過9腳RS-232接口與計算機相連,計算機作為主機,傳感器工作在從機模式。通信速率為2400b/s。<BR><BR> APMS-10G采用8V~30V直流電源供電,電源電流為16mA(典型值)。最大外形尺寸為φ39.4mm×60.7mm。<BR><BR>2 APMS-10G的測量原理<BR><BR> APMS-10G的內部框圖如圖1所示,3個引出端分別為電源端(UCC)、地(GND)和單線輸入/輸出接口(I/O)。內部主要包括四部分:第一是混濁度傳感器部分,包括紅外LED驅動控制電路、紅外光源、發射光探測器、散射光探測器和A/D轉換器Ⅰ;第二是電導傳感器部分,含鍍鎳不銹鋼探針、電導測量電路和A/D轉換器Ⅱ;第三部分和第四部分分別是熱敏電阻溫度傳感器和微處理器(μP)部分。<BR><BR>2.1 混濁度測量原理<BR><BR> 測量混濁度的原理圖如圖2所示。測量時,將傳感器的正面浸入被測液體,使液體進入凹槽中。然后采用波長為925nm的紅外發光二極管(LED)做光源,并由紅外LED驅動控制電路使之發射紅外光,最后讓紅外光穿過液體射到散射光探測器上。由于散射光探測器與發射光探測器互相垂直,因此它只能接收被測液體中微小顆粒所散射來的光線。再把兩路光電信號分別送至Δ-Σ式A/D轉換器Ⅰ轉換成數字量,最后通過μP計算出散射光強與發射光強的比值,即為被測混濁度。<BR><BR> 在含有formazin(一種呈懸浮狀態并具有光學特性的化學聚合物顆粒)的標準體試樣中,實測APMS-10G的比率輸出特性曲線如圖3所示。測量應在室溫下進行,以作為傳感器的標定方法。<BR><BR>2.2 電導測量<BR><BR> 測量混濁度只能反映出液體中懸浮固體微粒的多少,導電性則取決于溶解于液體中離子數量的多少。例如當水中放入清潔劑時,其導電性將變好,電導值變大,因此測量出電導值即可判定液體的導電性。APMS-10G首先由兩個鍍鎳不銹鋼探針發出低壓交流電壓信號,然后通過檢測液體中的電流信號來計算電導值,計算公式為:<BR><BR>G=I/U<BR><BR> 該電導信號經過Δ-Σ式A/D轉換器Ⅱ轉換成數字量后即可送給μP。電導傳感器的輸出特性曲線圖4所示。<BR><BR>2.3 溫度測量<BR><BR> APMS-10G采用一只熱敏電阻來測量溫度,溫度脈沖信號被送到μP中,測溫范圍為+68°F~+140°F(對應值為+20℃~+60℃)。<BR><BR>2.4 微處理器<BR><BR> APMS-10G中的微處理器主要用于將4路信號(發射信號、散射信號、電導信號和溫度信號)轉換成數字信號,并通過RS-232串行接口將數據傳輸給外部主控制器。該傳感器沒有模擬信號輸出,必要時,用戶可通過外部Δ-Σ式D/A轉換器來獲得傳感器的模擬輸出。<BR><BR>3 APMS-KIT.exe軟件及通信協議<BR><BR> Honywell公司專門為APMS-10G設計了一套APMS-KIT.exe軟件,以作為傳感器與計算機進行通信的載體,其主要任務是完成測量和進行數據處理,而控制系統軟件則要由用戶自行設計。其字符格式首先是起始位,然后是8個數據位(數據0~數據7),最后是停止位。傳送一個字符需4.16ms。<BR><BR>表1 傳感器輸入的信息格式<BR><BR> 字符1 字符2 字符3 <BR>測量請求 信息目標 傳感器代碼 校驗和 <BR>混濁度 50 03 AD <BR>電導 50 00 B0 <BR>溫度 50 01 AF <BR><BR> 該傳感器的信息格式有兩種:一種是傳感器輸入信息,另一種是傳感器輸出信息。傳感器輸入的信息格式見表1所列。它只有3種有效的信息,字符1、字符2和字符3分別對應于信息目標、傳感器代碼和校驗和。<BR><BR>4 使用注意事項<BR><BR> APMS-10G通過9腳RS-232插座連到計算機,接線方式如圖5所示。I/O端應接一只下拉電阻,以使總線上無信號時為0V。傳感器的輸出阻抗為440Ω~540Ω。RS-232接口是用+5V代表邏輯1,用0V代表邏輯0的邏輯信號。<BR><BR>使用APMS-10G型混濁度傳感器時,需要注意以下幾點:<BR><BR>(1)該傳感器未加反向電壓保護措施,因此,電源電壓反接可能損壞傳感器。<BR><BR>(2)傳感器的背面沒有密封,因此,應避免水或其它雜質進入傳感器和連接器內部。進入傳感器的水分在傳感器的光學表面濃縮會改變混濁度讀數。進水嚴重時會造成永久性損害。另外,如果沒有對傳感器的電氣部分進行保護,就不要清洗或浸泡傳感器。<BR><BR>(3)在使用過程中,傳感器的光面應保持潮濕。<BR><BR>(4)該傳感器內含光學敏感元件,因而應避免與未加靜電放電(ESD)保護的終端相接觸。<BR><BR>(5)需要注意的是,液體中的氣泡也會產生光學散射效應,其作用效果與懸浮微粒相同。<BR><BR> 該混濁度傳感器對于氣泡、泡沫和肥皂泡相當敏感,大泡沫會引起輸出毛刺,使儀表嚴重跳數,即使小氣泡,也容易造成讀數誤差,因此應確保傳感器與外部環境的隔離,并不被泡沫影響,以免得到錯誤的混濁度讀數。清洗帶該傳感器的裝置時,必須小心地放置傳感器,必要時可增加泡沫分離器。另一種方法是將攪動系統關閉一段時間,使泡沫上升到傳感器上面。<BR><BR> 實際上,這種傳感器對于泡沫的敏感性也具有特殊用途。一種應用是測量流量,泡沫的存在就是一種很好的指示器,它能指示液體流動,因此,可省去流量表或者壓力傳感器。<BR><BR>(6)由于大量污物和外部物體能阻塞光線路徑,從而影響混濁度的測量,因此傳感器不要放在有沉淀物的地方。<BR><BR>(7)由于該混濁度傳感器采用的是紅外線光源,因此必須考慮傳感器的避光問題。因為太陽光或者其它外部雜散光都會影響傳感器的輸出。<BR><BR>(8)固體含量過高也會污染傳感器。偶爾使清潔過的水從傳感器流過幾分鐘,有助于保持傳感器的清潔。傳感器的光學表面成分是多磺酸鹽,這是一種在洗碗機中常用的非活性材料。多磺酸鹽在加熱、強堿性環境下,不會產生激烈的反應、裂痕或者褪色。<BR><BR>
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