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微处理器的智能混浊度传感器

微处理器的智能混浊度传感器

分类:传感与控制论文   更新:2015/4/1   阅读:   作者:佚名   来源:本站原创

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
    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5003AD电导5000B0温度5001AF
    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

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