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帶微處理器的智能混濁度傳感器
摘要：介紹了一種內(nèi)置混濁度傳感器、電導(dǎo)傳感器、溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、微處理器（μP）和單線Ｉ／Ｏ接口的智能混濁度傳感器APMS-10G，詳細(xì)闡述了其測量原理及使用注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：混濁度；電導(dǎo)；溫度；APMS-KIT.exe軟件
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(dāng)單色光通過含有懸浮粒子的液體時(shí)，懸浮粒子引起的光散射會(huì)使單色光的強(qiáng)度被衰減，其衰減量即可用來代表液體的混濁度�；鞚岫仁莻�(gè)比值，其單位用ＮＴＵ來表示。測量混濁度對(duì)于環(huán)境保護(hù)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(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ５７４９－８５），規(guī)定城市供水企業(yè)出廠飲用水的混濁度不得超過３ＮＴＵ。２００１年衛(wèi)生部制定的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》又做出了更嚴(yán)格的規(guī)定，要求飲用水的混濁度必須達(dá)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(jì)。傳統(tǒng)濁度儀的測試性能比較差而且功能單一，無法滿足現(xiàn)代測量的需要。近年來，從國外引進(jìn)的在線濁度儀因價(jià)格昂貴也難以大量推廣（例如意大利哈納公司的產(chǎn)品售價(jià)就高達(dá)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(shí)測量液體的混濁度、電導(dǎo)和溫度，可用來設(shè)計(jì)多參數(shù)在線檢測系統(tǒng)，因而可廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化，清洗設(shè)備及化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等部門中。
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１ ＡＰＭＳ－１０Ｇ的性能特點(diǎn)
ＡＰＭＳ－１０Ｇ內(nèi)含混濁度傳感器、電導(dǎo)傳感器、溫度傳感器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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(dǎo)及溫度并轉(zhuǎn)換成數(shù)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(wù)（不包括控制）。ＡＰＭＳ－１０Ｇ的混濁度測量結(jié)果實(shí)際上是散射光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)之比，其輸出范圍是０～４０００ＮＴＵ（對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為０．０３～１０），響應(yīng)時(shí)間為１．３ｓ。測量電導(dǎo)的范圍是０．０００１ｍＳ～１５ｍＳ（所對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為４～２５５），ｍＳ表示毫西門子。由于電導(dǎo)與電阻呈倒數(shù)關(guān)系，故所對(duì)應(yīng)的電阻值為１０ＭΩ～１ｋΩ。測量電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間為０．８５ｓ。測量混濁度及電導(dǎo)的誤差均為±３個(gè)字。測量溫度范圍是＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（即＋２０℃～＋６０℃），重復(fù)性誤差小于±４°Ｆ，響應(yīng)時(shí)間為０．０３ｓ，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為４ｍｉｎ。
ＡＰＭＳ－１０Ｇ可通過９腳ＲＳ－２３２接口與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，傳感器工作在從機(jī)模式。通信速率為２４００ｂ／ｓ。
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。
２ ＡＰＭＳ－１０Ｇ的測量原理
ＡＰＭＳ－１０Ｇ的內(nèi)部框圖如圖１所示，３個(gè)引出端分別為電源端（ＵＣＣ）、地（ＧＮＤ）和單線輸入／輸出接口（Ｉ／Ｏ）。內(nèi)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(qū)動(dòng)控制電路、紅外光源、發(fā)射光探測器、散射光探測器和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器Ⅰ；第二是電導(dǎo)傳感器部分，含鍍鎳不銹鋼探針、電導(dǎo)測量電路和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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。
２．１ 混濁度測量原理
測量混濁度的原理圖如圖２所示。測量時(shí)，將傳感器的正面浸入被測液體，使液體進(jìn)入凹槽中。然后采用波長為９２５ｎｍ的紅外發(fā)光二極管（ＬＥＤ）做光源，并由紅外ＬＥＤ驅(qū)動(dòng)控制電路使之發(fā)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(fā)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(hào)分別送至Δ－Σ式Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器Ⅰ轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后通過μＰ計(jì)算出散射光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)的比值，即為被測混濁度。
在含有ｆｏｒｍａｚｉｎ（一種呈懸浮狀態(tài)并具有光學(xué)特性的化學(xué)聚合物顆粒）的標(biāo)準(zhǔn)體試樣中，實(shí)測ＡＰＭＳ－１０Ｇ的比率輸出特性曲線如圖３所示。測量應(yīng)在室溫下進(jìn)行，以作為傳感器的標(biāo)定方法。
２．２ 電導(dǎo)測量
測量混濁度只能反映出液體中懸浮固體微粒的多少，導(dǎo)電性則取決于溶解于液體中離子數(shù)量的多少。例如當(dāng)水中放入清潔劑時(shí)，其導(dǎo)電性將變好，電導(dǎo)值變大，因此測量出電導(dǎo)值即可判定液體的導(dǎo)電性。ＡＰＭＳ－１０Ｇ首先由兩個(gè)鍍鎳不銹鋼探針發(fā)出低壓交流電壓信號(hào)，然后通過檢測液體中的電流信號(hào)來計(jì)算電導(dǎo)值，計(jì)算公式為：
Ｇ＝Ｉ／Ｕ
該電導(dǎo)信號(hào)經(jīng)過Δ－Σ式Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器Ⅱ轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后即可送給μＰ。電導(dǎo)傳感器的輸出特性曲線圖４所示。
圖3
２．３ 溫度測量
ＡＰＭＳ－１０Ｇ采用一只熱敏電阻來測量溫度，溫度脈沖信號(hào)被送到μＰ中，測溫范圍為＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（對(duì)應(yīng)值為＋２０℃～＋６０℃）。
２．４ 微處理器
ＡＰＭＳ－１０Ｇ中的微處理器主要用于將４路信號(hào)（發(fā)射信號(hào)、散射信號(hào)、電導(dǎo)信號(hào)和溫度信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過ＲＳ－２３２串行接口將數(shù)據(jù)傳輸給外部主控制器。該傳感器沒有模擬信號(hào)輸出，必要時(shí)，用戶可通過外部Δ－Σ式Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器來獲得傳感器的模擬輸出。
３ ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ軟件及通信協(xié)議
Ｈｏｎｙｗｅｌｌ公司專門為ＡＰＭＳ－１０Ｇ設(shè)計(jì)了一套ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ軟件，以作為傳感器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的載體，其主要任務(wù)是完成測量和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而控制系統(tǒng)軟件則要由用戶自行設(shè)計(jì)。其字符格式首先是起始位，然后是８個(gè)數(shù)據(jù)位（數(shù)據(jù)０～數(shù)據(jù)７），最后是停止位。傳送一個(gè)字符需４．１６ｍｓ。
表1 傳感器輸入的信息格式
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(duì)應(yīng)于信息目標(biāo)、傳感器代碼和校驗(yàn)和。
４ 使用注意事項(xiàng)
ＡＰＭＳ－１０Ｇ通過９腳ＲＳ－２３２插座連到計(jì)算機(jī)，接線方式如圖５所示。Ｉ／Ｏ端應(yīng)接一只下拉電阻，以使總線上無信號(hào)時(shí)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(hào)。
使用ＡＰＭＳ－１０Ｇ型混濁度傳感器時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：
（１）該傳感器未加反向電壓保護(hù)措施，因此，電源電壓反接可能損壞傳感器。
圖4
（２）傳感器的背面沒有密封，因此，應(yīng)避免水或其它雜質(zhì)進(jìn)入傳感器和連接器內(nèi)部。進(jìn)入傳感器的水分在傳感器的光學(xué)表面濃縮會(huì)改變混濁度讀數(shù)。進(jìn)水嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成永久性損害。另外，如果沒有對(duì)傳感器的電氣部分進(jìn)行保護(hù)，就不要清洗或浸泡傳感器。
（３）在使用過程中，傳感器的光面應(yīng)保持潮濕。
（４）該傳感器內(nèi)含光學(xué)敏感元件，因而應(yīng)避免與未加靜電放電（ＥＳＤ）保護(hù)的終端相接觸。
（５）需要注意的是，液體中的氣泡也會(huì)產(chǎn)生光學(xué)散射效應(yīng)，其作用效果與懸浮微粒相同。
該混濁度傳感器對(duì)于氣泡、泡沫和肥皂泡相當(dāng)敏感，大泡沫會(huì)引起輸出毛刺，使儀表嚴(yán)重跳數(shù)，即使小氣泡，也容易造成讀數(shù)誤差，因此應(yīng)確保傳感器與外部環(huán)境的隔離，并不被泡沫影響，以免得到錯(cuò)誤的混濁度讀數(shù)。清洗帶該傳感器的裝置時(shí)，必須小心地放置傳感器，必要時(shí)可增加泡沫分離器。另一種方法是將攪動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉一段時(shí)間，使泡沫上升到傳感器上面。
實(shí)際上，這種傳感器對(duì)于泡沫的敏感性也具有特殊用途。一種應(yīng)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(dòng)，因此，可省去流量表或者壓力傳感器。
（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。
（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?yàn)樘柟饣蛘咂渌獠侩s散光都會(huì)影響傳感器的輸出。
（８）固體含量過高也會(huì)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(xué)表面成分是多磺酸鹽，這是一種在洗碗機(jī)中常用的非活性材料。多磺酸鹽在加熱、強(qiáng)堿性環(huán)境下，不會(huì)產(chǎn)生激烈的反應(yīng)、裂痕或者褪色。
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