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帶微處理器的智能混濁度傳感器
摘要：介紹了一種內置混濁度傳感器、電導傳感器、溫度傳感器、A／D轉換器、微處理器（μP）和單線Ｉ／Ｏ接口的智能混濁度傳感器APMS-10G，詳細闡述了其測量原理及使用注意事項。關鍵詞：混濁度；電導；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。當單色光通過含有懸浮粒子的液體時，懸浮粒子引起的光散射會使單色光的強度被衰減，其衰減量即可用來代表液體的混濁度。混濁度是個比值，其單位用ＮＴＵ來表示。測量混濁度對于環境保護和日常生活具有重要意義。我國早在１９８６年就制定了《生活飲用水衛生標準》（ＧＢ５７４９－８５），規定城市供水企業出廠飲用水的混濁度不得超過３ＮＴＵ。２００１年衛生部制定的《生活飲用水衛生規范》又做出了更嚴格的規定，要求飲用水的混濁度必須達到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。傳統濁度儀的測試性能比較差而且功能單一，無法滿足現代測量的需要。近年來，從國外引進的在線濁度儀因價格昂貴也難以大量推廣（例如意大利哈納公司的產品售價就高達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，該傳感器能同時測量液體的混濁度、電導和溫度，可用來設計多參數在線檢測系統，因而可廣泛應用于水質凈化，清洗設備及化工、食品、醫療衛生等部門中。
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１ ＡＰＭＳ－１０Ｇ的性能特點
ＡＰＭＳ－１０Ｇ內含混濁度傳感器、電導傳感器、溫度傳感器、Ａ／Ｄ轉換器、微處理器（μＰ）和單線Ｉ／Ｏ接口，能直接測量液體的混濁度、電導及溫度并轉換成數字輸出。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（不包括控制）。ＡＰＭＳ－１０Ｇ的混濁度測量結果實際上是散射光強與發射光強之比，其輸出范圍是０～４０００ＮＴＵ（對應的輸出數據為０．０３～１０），響應時間為１．３ｓ。測量電導的范圍是０．０００１ｍＳ～１５ｍＳ（所對應的輸出數據為４～２５５），ｍＳ表示毫西門子。由于電導與電阻呈倒數關系，故所對應的電阻值為１０ＭΩ～１ｋΩ。測量電導的響應時間為０．８５ｓ。測量混濁度及電導的誤差均為±３個字。測量溫度范圍是＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（即＋２０℃～＋６０℃），重復性誤差小于±４°Ｆ，響應時間為０．０３ｓ，達到穩定的時間為４ｍｉｎ。
ＡＰＭＳ－１０Ｇ可通過９腳ＲＳ－２３２接口與計算機相連，計算機作為主機，傳感器工作在從機模式。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的內部框圖如圖１所示，３個引出端分別為電源端（ＵＣＣ）、地（ＧＮＤ）和單線輸入／輸出接口（Ｉ／Ｏ）。內部主要包括四部分：第一是混濁度傳感器部分，包括紅外ＬＥＤ驅動控制電路、紅外光源、發射光探測器、散射光探測器和Ａ／Ｄ轉換器Ⅰ；第二是電導傳感器部分，含鍍鎳不銹鋼探針、電導測量電路和Ａ／Ｄ轉換器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，將傳感器的正面浸入被測液體，使液體進入凹槽中。然后采用波長為９２５ｎｍ的紅外發光二極管（ＬＥＤ）做光源，并由紅外ＬＥＤ驅動控制電路使之發射紅外光，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。再把兩路光電信號分別送至Δ－Σ式Ａ／Ｄ轉換器Ⅰ轉換成數字量，最后通過μＰ計算出散射光強與發射光強的比值，即為被測混濁度。
在含有ｆｏｒｍａｚｉｎ（一種呈懸浮狀態并具有光學特性的化學聚合物顆粒）的標準體試樣中，實測ＡＰＭＳ－１０Ｇ的比率輸出特性曲線如圖３所示。測量應在室溫下進行，以作為傳感器的標定方法。
２．２ 電導測量
測量混濁度只能反映出液體中懸浮固體微粒的多少，導電性則取決于溶解于液體中離子數量的多少。例如當水中放入清潔劑時，其導電性將變好，電導值變大，因此測量出電導值即可判定液體的導電性。ＡＰＭＳ－１０Ｇ首先由兩個鍍鎳不銹鋼探針發出低壓交流電壓信號，然后通過檢測液體中的電流信號來計算電導值，計算公式為：
Ｇ＝Ｉ／Ｕ
該電導信號經過Δ－Σ式Ａ／Ｄ轉換器Ⅱ轉換成數字量后即可送給μＰ。電導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，溫度脈沖信號被送到μＰ中，測溫范圍為＋６８°Ｆ～＋１４０°Ｆ（對應值為＋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（發射信號、散射信號、電導信號和溫度信號）轉換成數字信號，并通過ＲＳ－２３２串行接口將數據傳輸給外部主控制器。該傳感器沒有模擬信號輸出，必要時，用戶可通過外部Δ－Σ式Ｄ／Ａ轉換器來獲得傳感器的模擬輸出。
３ ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ軟件及通信協議
Ｈｏｎｙｗｅｌｌ公司專門為ＡＰＭＳ－１０Ｇ設計了一套ＡＰＭＳ－ＫＩＴ．ｅｘｅ軟件，以作為傳感器與計算機進行通信的載體，其主要任務是完成測量和進行數據處理，而控制系統軟件則要由用戶自行設計。其字符格式首先是起始位，然后是８個數據位（數據０～數據７），最后是停止位。傳送一個字符需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分別對應于信息目標、傳感器代碼和校驗和。
４ 使用注意事項
ＡＰＭＳ－１０Ｇ通過９腳ＲＳ－２３２插座連到計算機，接線方式如圖５所示。Ｉ／Ｏ端應接一只下拉電阻，以使總線上無信號時為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。
使用ＡＰＭＳ－１０Ｇ型混濁度傳感器時，需要注意以下幾點：
（１）該傳感器未加反向電壓保護措施，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，應避免水或其它雜質進入傳感器和連接器內部。進入傳感器的水分在傳感器的光學表面濃縮會改變混濁度讀數。進水嚴重時會造成永久性損害。另外，如果沒有對傳感器的電氣部分進行保護，就不要清洗或浸泡傳感器。
（３）在使用過程中，傳感器的光面應保持潮濕。
（４）該傳感器內含光學敏感元件，因而應避免與未加靜電放電（ＥＳＤ）保護的終端相接觸。
（５）需要注意的是，液體中的氣泡也會產生光學散射效應，其作用效果與懸浮微粒相同。
該混濁度傳感器對于氣泡、泡沫和肥皂泡相當敏感，大泡沫會引起輸出毛刺，使儀表嚴重跳數，即使小氣泡，也容易造成讀數誤差，因此應確保傳感器與外部環境的隔離，并不被泡沫影響，以免得到錯誤的混濁度讀數。清洗帶該傳感器的裝置時，必須小心地放置傳感器，必要時可增加泡沫分離器。另一種方法是將攪動系統關閉一段時間，使泡沫上升到傳感器上面。
實際上，這種傳感器對于泡沫的敏感性也具有特殊用途。一種應用是測量流量，泡沫的存在就是一種很好的指示器，它能指示液體流動，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。因為太陽光或者其它外部雜散光都會影響傳感器的輸出。
（８）固體含量過高也會污染傳感器。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。傳感器的光學表面成分是多磺酸鹽，這是一種在洗碗機中常用的非活性材料。多磺酸鹽在加熱、強堿性環境下，不會產生激烈的反應、裂痕或者褪色。
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