带微处理器的智能混浊度传感器

    关键词：混浊度；电导；温度；APMS-KIT.exe软件

混浊度（turbidity）亦称不透明度，主要用于表示水或其他液体的不透明程度。当单色光通过含有悬浮粒子的液体时，悬浮粒子引起的光散射会使单色光的强度被衰减，其衰减量即可用来代表液体的混浊度。混浊度是个比值，其单位用ＮＴＵ来表示。测量混浊度对于环境保护和日常生活具有重要意义。我国早在１９８６年就制定了《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ５７４９－８５），规定城市供水企业出厂饮用水的混浊度不得超过３ＮＴＵ。２００１年卫生部制定的《生活饮用水卫生规范》又做出了更严格的规定，要求饮用水的混浊度必须达到１ＮＴＵ才符合要求。测量混浊度的方法是采用浊度仪（ｔｕｒｂｉｍｅｔｅｒ），又称浊度计。传统浊度仪的测试性能比较差而且功能单一，无法满足现代测量的需要。近年来，从国外引进的在线浊度仪因价格昂贵也难以大量推广（例如意大利哈纳公司的产品售价就高达７万元～１２万元人民币）。最近，美国霍尼韦尔（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）公司推出了ＡＰＭＳ－１０Ｇ型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器，该传感器能同时测量液体的混浊度、电导和温度，可用来设计多参数在线检测系统，因而可广泛应用于水质净化，清洗设备及化工、食品、医疗卫生等部门中。

１　ＡＰＭＳ－１０Ｇ的性能特点

ＡＰＭＳ－１０Ｇ内含混浊度传感器、电导传感器、温度传感器、Ａ／Ｄ转换器、微处理器（μＰ）和单线Ｉ／Ｏ接口，能直接测量液体的混浊度、电导及温度并转换成数字输出。它是基于软件的虚拟传感器，需要使用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司的专用软件来完成检测任务（不包括控制）。ＡＰＭＳ－１０Ｇ的混浊度测量结果实际上是散射光强与发射光强之比，其输出范围是０～４０００ＮＴＵ（对应的输出数据为０．０３～１０），响应时间为１．３ｓ。测量电导的范围是０．０００１ｍＳ～１５ｍＳ（所对应的输出数据为４～２５５），ｍＳ表示毫西门子。由于电导与电阻呈倒数关系，故所对应的电阻值为１０ＭΩ～１ｋΩ。测量电导的响应时间为０．８５ｓ。测量混浊度及电导的误差均为±３个字。测量温度范围是＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（即＋２０℃～＋６０℃），重复性误差小于±４°Ｆ，响应时间为０．０３ｓ，达到稳定的时间为４ｍｉｎ。

ＡＰＭＳ－１０Ｇ可通过９脚ＲＳ－２３２接口与计算机相连，计算机作为主机，传感器工作在从机模式。通信速率为２４００ｂ／ｓ。

ＡＰＭＳ－１０Ｇ采用８Ｖ～３０Ｖ直流电源供电，电源电流为１６ｍＡ（典型值）。最大外形尺寸为φ３９．４ｍｍ×６０．７ｍｍ。

２　ＡＰＭＳ－１０Ｇ的测量原理

ＡＰＭＳ－１０Ｇ的内部框图如图１所示，３个引出端分别为电源端（ＵＣＣ）、地（ＧＮＤ）和单线输入／输出接口（Ｉ／Ｏ）。内部主要包括四部分：第一是混浊度传感器部分，包括红外ＬＥＤ驱动控制电路、红外光源、发射光探测器、散射光探测器和Ａ／Ｄ转换器Ⅰ；第二是电导传感器部分，含镀镍不锈钢探针、电导测量电路和Ａ／Ｄ转换器Ⅱ；第三部分和第四部分分别是热敏电阻温度传感器和微处理器（μＰ）部分。

２．１ 混浊度测量原理

测量混浊度的原理图如图２所示。测量时，将传感器的正面浸入被测液体，使液体进入凹槽中。然后采用波长为９２５ｎｍ的红外发光二极管（ＬＥＤ）做光源，并由红外ＬＥＤ驱动控制电路使之发射红外光，最后让红外光穿过液体射到散射光探测器上。由于散射光探测器与发射光探测器互相垂直，因此它只能接收被测液体中微小颗粒所散射来的光线。再把两路光电信号分别送至Δ－Σ式Ａ／Ｄ转换器Ⅰ转换成数字量，最后通过μＰ计算出散射光强与发射光强的比值，即为被测混浊度。

在含有ｆｏｒｍａｚｉｎ（一种呈悬浮状态并具有光学特性的化学聚合物颗粒）的标准体试样中，实测ＡＰＭＳ－１０Ｇ的比率输出特性曲线如图３所示。测量应在室温下进行，以作为传感器的标定方法。

２．２ 电导测量

测量混浊度只能反映出液体中悬浮固体微粒的多少，导电性则取决于溶解于液体中离子数量的多少。例如当水中放入清洁剂时，其导电性将变好，电导值变大，因此测量出电导值即可判定液体的导电性。ＡＰＭＳ－１０Ｇ首先由两个镀镍不锈钢探针发出低压交流电压信号，然后通过检测液体中的电流信号来计算电导值，计算公式为：

Ｇ＝Ｉ／Ｕ

该电导信号经过Δ－Σ式Ａ／Ｄ转换器Ⅱ转换成数字量后即可送给μＰ。电导传感器的输出特性曲线图４所示。

图3

    ２．３ 温度测量

ＡＰＭＳ－１０Ｇ采用一只热敏电阻来测量温度，温度脉冲信号被送到μＰ中，测温范围为＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（对应值为＋２０℃～＋６０℃）。

２．４ 微处理器

ＡＰＭＳ－１０Ｇ中的微处理器主要用于将４路信号（发射信号、散射信号、电导信号和温度信号）转换成数字信号，并通过ＲＳ－２３２串行接口将数据传输给外部主控制器。该传感器没有模拟信号输出，必要时，用户可通过外部Δ－Σ式Ｄ／Ａ转换器来获得传感器的模拟输出。

３ ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ软件及通信协议

Ｈｏｎｙｗｅｌｌ公司专门为ＡＰＭＳ－１０Ｇ设计了一套ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ软件，以作为传感器与计算机进行通信的载体，其主要任务是完成测量和进行数据处理，而控制系统软件则要由用户自行设计。其字符格式首先是起始位，然后是８个数据位（数据０～数据７），最后是停止位。传送一个字符需４．１６ｍｓ。

表1 传感器输入的信息格式

该传感器的信息格式有两种：一种是传感器输入信息，另一种是传感器输出信息。传感器输入的信息格式见表１所列。它只有３种有效的信息，字符１、字符２和字符３分别对应于信息目标、传感器代码和校验和。

４　使用注意事项

ＡＰＭＳ－１０Ｇ通过９脚ＲＳ－２３２插座连到计算机，接线方式如图５所示。Ｉ／Ｏ端应接一只下拉电阻，以使总线上无信号时为０Ｖ。传感器的输出阻抗为４４０Ω～５４０Ω。ＲＳ－２３２接口是用＋５Ｖ代表逻辑１，用０Ｖ代表逻辑０的逻辑信号。

使用ＡＰＭＳ－１０Ｇ型混浊度传感器时，需要注意以下几点：

（１）该传感器未加反向电压保护措施，因此，电源电压反接可能损坏传感器。

图4

    （２）传感器的背面没有密封，因此，应避免水或其它杂质进入传感器和连接器内部。进入传感器的水分在传感器的光学表面浓缩会改变混浊度读数。进水严重时会造成永久性损害。另外，如果没有对传感器的电气部分进行保护，就不要清洗或浸泡传感器。

（３）在使用过程中，传感器的光面应保持潮湿。

（４）该传感器内含光学敏感元件，因而应避免与未加静电放电（ＥＳＤ）保护的终端相接触。

（５）需要注意的是，液体中的气泡也会产生光学散射效应，其作用效果与悬浮微粒相同。

该混浊度传感器对于气泡、泡沫和肥皂泡相当敏感，大泡沫会引起输出毛刺，使仪表严重跳数，即使小气泡，也容易造成读数误差，因此应确保传感器与外部环境的隔离，并不被泡沫影响，以免得到错误的混浊度读数。清洗带该传感器的装置时，必须小心地放置传感器，必要时可增加泡沫分离器。另一种方法是将搅动系统关闭一段时间，使泡沫上升到传感器上面。

    实际上，这种传感器对于泡沫的敏感性也具有特殊用途。一种应用是测量流量，泡沫的存在就是一种很好的指示器，它能指示液体流动，因此，可省去流量表或者压力传感器。

（６）由于大量污物和外部物体能阻塞光线路径，从而影响混浊度的测量，因此传感器不要放在有沉淀物的地方。

（７）由于该混浊度传感器采用的是红外线光源，因此必须考虑传感器的避光问题。因为太阳光或者其它外部杂散光都会影响传感器的输出。

（８）固体含量过高也会污染传感器。偶尔使清洁过的水从传感器流过几分钟，有助于保持传感器的清洁。传感器的光学表面成分是多磺酸盐，这是一种在洗碗机中常用的非活性材料。多磺酸盐在加热、强碱性环境下，不会产生激烈的反应、裂痕或者褪色。