带微处理器的智能混浊度传感器

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了一种内置混浊度传感器、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接口的智能混浊度传感器APMS-10G,详细阐述了其测量原理及使用注意事项。 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%26;#177;3个字。测量温度范围是+68%26;#176;F~+140%26;#176;F(即+20℃~+60℃),重复性误差小于%26;#177;4%26;#176;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%26;#215;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%26;#176;F~+140%26;#176;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   字符1 字符2 字符3 测量请求 信息目标 传感器代码 校验和 混浊度 50 03 AD 电导 50 00 B0 温度 50 01 AF 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。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200703/11393.html
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