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(cè)量原理及使用注意事項(xiàng)。

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(guò)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(lái)代表液體的混濁度�；鞚岫仁莻�(gè)比值，其單位用ＮＴＵ來(lái)表示。測(cè)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(guó)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(guò)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(cè)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(cè)試性能比較差而且功能單一，無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)量的需要。近年來(lái)，從國(guó)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(wàn)元～１２萬(wàn)元人民幣）。最近，美國(guó)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(cè)量液體的混濁度、電導(dǎo)和溫度，可用來(lái)設(shè)計(jì)多參數(shù)在線檢測(cè)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。

１�。粒校停樱�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(cè)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(lái)完成檢測(cè)任務(wù)（不包括控制）。ＡＰＭＳ－１０Ｇ的混濁度測(cè)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(cè)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(cè)量電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間為０．８５ｓ。測(cè)量混濁度及電導(dǎo)的誤差均為±３個(gè)字。測(cè)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(guò)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�。粒校停樱�１０Ｇ的測(cè)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(cè)器、散射光探測(cè)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(cè)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(cè)量原理

測(cè)量混濁度的原理圖如圖２所示。測(cè)量時(shí)，將傳感器的正面浸入被測(cè)液體，使液體進(jìn)入凹槽中。然后采用波長(zhǎng)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(guò)液體射到散射光探測(cè)器上。由于散射光探測(cè)器與發(fā)射光探測(cè)器互相垂直，因此它只能接收被測(cè)液體中微小顆粒所散射來(lái)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(guò)μＰ計(jì)算出散射光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)的比值，即為被測(cè)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(cè)ＡＰＭＳ－１０Ｇ的比率輸出特性曲線如圖３所示。測(cè)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(cè)量

測(cè)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(cè)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(guò)檢測(cè)液體中的電流信號(hào)來(lái)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(guò)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(cè)量

ＡＰＭＳ－１０Ｇ采用一只熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度，溫度脈沖信號(hào)被送到μＰ中，測(cè)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(guò)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(méi)有模擬信號(hào)輸出，必要時(shí)，用戶可通過(guò)外部Δ－Σ式Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器來(lái)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(cè)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?jìng)�(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

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