一种新的经济型智能浊度仪研究

论文摘要

浊度用以表示水的清澈或浑浊程度,是衡量水质良好程度的重要指标。随着人们对自身健康及环保的关注,浊度检测日益受到重视。浊度仪作为测量水样浑浊度的仪器,在食品、环境监测、医学等领域需求巨大。计算机控制技术的发展,生产新工艺及新材料的应用使得浊度仪的发展出现工作方式智能化,安装形式多样化,功能多元化的趋势。我国浊度仪自上世纪八十年代以来,得到了长足的发展,但与国外著名品牌相比仍存在较大差距,突出表现在产品的可靠性和稳定性较差。特别是在线浊度仪的市场,国外品牌占有主导地位。而国外产品高昂的价格成为浊度仪广泛应用的障碍。因此,国产智能浊度仪的研发具有很强的现实意义。课题介绍了浊度仪的测量原理——透射法、散射法、表面散射法、散射与透射比值法。其中,在中、低浊度的测量中,散射与透射比值法表现出最好的整体性能。结合课题要求,选择使用散射与透射比值法。在测量池的设计上充分考虑经济性、实用性。设计了标定漏斗使用户能根据实际自行配置标准液方便地进行在线校准;进水管安装在测量池下方利于消除气泡。测量池的结构设计使用户无需额外配备固态标准,消泡和标定结构简单,易于操作。浊度传感器的设计包括光源、发光器件和探测器的确定。首先在光源的选择上,发光光谱选择在红外光区以克服由于水样色度对可见光的吸收而引起的测量不准确。其次,对卤素钨灯和红外光LED在色度影响、发光稳定性、光学系统结构、发光强度、粒子敏感性等方面进行对比,选择耗电少,寿命长,发光光谱窄,光强方便调整的红外LED作为发光器件。最后,选用输出线性好,响应速度快的光敏二极管作为探测器接收散射和透射光。浊度发送器的设计亮点在采样电路的设计。其一,在前置放大电路中没有再采用传统的两级放大电路,而是使用具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等优点的运算放大器ICL7650作为前置放大;其二,采用高速、高精度的∑-△型A/D转换器ADS121 1接收传感器信号,替代了一般智能仪器中“采样/保持器——多路选择开关——A/D转换器”的结构。以上措施减少了硬件,优化了采样通道结构。智能浊度仪的计算机采用ATMEL公司的89S52单片机。发光器件的开关状态切换、散射与透射探测器信号的交替读入、现场采样数据的数字滤波、浊度的计算和显示及仪器的校准等均由单片机通过软件的运行完成。在实验室对浊度仪进行了实验,通过对实验数据的回归分析及相关分析,证明浊度仪输出在量程范围具有良好线性。最后对课题在传感器电路、发送器电路设计,测量池结构设计上所取得的成果进行了总结,并提出了课题后期开发中,在测量池自动清洗、仪器功能改善、产品体积减小等方面的发展目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 浊度概述
• 1.2 浊度仪发展概况
• 1.2.1 国外浊度仪发展现状
• 1.2.2 我国浊度仪发展现状
• 1.2.3 制约我国浊度仪发展主要因素及解决途径
• 1.3 本文研究的目的及主要内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 浊度仪测量原理
• 2.1 浊度单位
• 2.2 浊度测量方法
• 2.3 浊度仪测量原理简介
• 2.3.1 透射法
• 2.3.2 散射法
• 2.3.3 表面散射法
• 2.3.4 散射光和透射光比值法
• 2.4 散射/透射比值法测量原理优势
• 3 浊度仪总体结构
• 4 浊度传感器设计
• 4.1 光源
• 4.1.1 浊度仪光源确定
• 4.1.2 光源器件选定
• 4.2 测量池
• 4.2.1 仪器标定结构
• 4.2.2 消泡及清洗机构
• 4.3 探测器
• 4.3.1 光电效应
• 4.3.2 常用光电探测器
• 4.3.3 探测器确定
• 4.3.4 探测器布局
• 5 浊度发送器硬件设计
• 5.1 电源电路
• 5.2 单片机控制电路
• 5.3 光源电路
• 5.4 采样电路
• 5.4.1 光电探测器
• 5.4.2 前置放大
• 5.4.3 A/D 转换器
• 5.4.4 ADS1211 与单片机接口
• 5.5 键盘与显示
• 5.5.1 键盘
• 5.5.2 显示器
• 5.6 通信接口
• 6 软件设计
• 6.1 主程序流程
• 6.2 校准模块流程
• 6.3 采样模块
• 6.4 显示模块
• 6.4.1 显示模块流程图
• 6.4.2 显示程序
• 6.5 串口输出
• 6.5.1 串行口控制寄存器SCON
• 6.5.2 电源及波特率控制寄存器PCON
• 6.5.3 串行通信程序
• 6.6 A/D 转换
• 6.6.1 ADS1211 指令寄存器（INSR）
• 6.6.2 命令寄存器（CMR）
• 6.6.3 数据输出寄存器（DOR）
• 6.6.4 串行接口从模式程序流程
• 6.6.5 A/D 转换程序
• 7 仪器标定与测量
• 7.1 仪器标定
• 7.1.1 仪器标定与校准
• 7.1.2 仪器标定条件
• 7.1.3 仪器标定设备
• 7.1.4 标准物质制备
• 7.1.5 标定/校准操作
• 7.2 浊度测量
• 7.3 仪器检定
• 7.3.1 检测仪器常用品质指标
• 7.3.2 仪器精确度检定
• 7.3.3 仪器重复性检定
• 7.4 实验结果及数据分析
• 7.4.1 实验数据
• 7.4.2 数据分析
• 8 工作总结及后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录