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透光脈動傳感器的影響因素研究工學論文
摘要：通過試驗研究和總結生產應用經驗，對透光脈動傳感器的影響因素進行了分析，并提出了其最優工作參數。光源宜選擇波長為860nm的激光二極管；傳感器的管徑根據使用目的確定，試驗研究一般選用1~3mm，生產應用一般選用5~8mm；對于管徑為3mm的傳感器，取樣流速宜控制在0.06~0.094m/s；傳感器信號處理部分的放大倍數應根據所檢測水樣的性質現場調節。
關鍵詞：透光脈動傳感器 光源 取樣流速 管徑 放大倍數
0 前言
透光脈動傳感器是一種非接觸式光電檢測裝置，通過對混凝過程中形成的絮體顆粒的檢測，可以得到反映顆粒聚集狀態的檢測參數R。其檢測不受混凝劑種類以及原水水質等條件的限制，其輸出值不受取樣管管壁的粘污以及電子元件老化、漂移等不利因素的影響，廣泛適用于飲用水處理以及工業廢水處理中混凝過程的在線連續檢測[1]。以該傳感器為核心的透光脈動混凝投藥控制系統在高濁度水的混凝劑自動投加控制方面得到了良好的應用[2]，近年來開始在常規濁度水的混凝劑自動投加控制方面得到應用[3]。在實際使用中，透光脈動傳感器的檢測性能受諸多因素的限制。作者在綜合實踐應用經驗和試驗結果的基礎上對透光脈動傳感器的主要影響因素進行了研究，并確定了其最優工作參數。
1 透光脈動傳感器
透光脈動傳感器由水樣檢測部分和信號處理部分構成，分別完成信號的檢測和處理，其工作原理如圖1所示。由光源發射一束狹窄的光照射到傳感器取樣管中流動的懸浮液，透過光由光檢測器接收并轉換成電信號，然后通過后續的信號處理電路完成對電信號的處理，輸出透光脈動檢測值。檢測值可以通過數碼顯示器（LED）顯示，也可以通過輸出端子輸出，通過接口與計算機等連接，以實現檢測值的在線采集和分析處理。
通過理論分析，可得到透光脈動檢測值的表達式：。
式中：L—取樣管管徑；
A—光柱有效照射面積；
Ni—第i種顆粒的數量濃度；
Ci—第i種顆粒的散射截面積。
從表達式可以看出，在被檢測對象即懸浮液中顆粒的性質一定的情況下，檢測值受光源的有效照射面積及取樣管管徑等因素的影響。在實際應用中，取樣流速和傳感器信號處理部分的放大倍數等因素也對檢測值有明顯影響，下面將對這些影響因素進行具體分析。
2 影響因素分析
2.1 光源的影響
對于透光脈動傳感器來說，光源的選擇無疑是至關重要的。受透光脈動檢測技術的限制，只有當被測水樣體積足夠小時，顆粒的脈動現象才能被傳感器檢測到。在實際應用中為保證檢測效果，必須盡量減小光柱的有效照射面積，因此應選擇發射角小的光源，如激光二極管。
在水處理領域，國際標準化組推薦使用波長為860nm的近紅外光和550nm的紫外光作為光源[4]。為了保證傳感器的靈敏度，光源發射光的波長應隨著被測顆粒尺寸的增大而增大，對于透光脈動傳感器來說，它檢測的是尺寸較大的絮體顆粒，因此宜選擇發射波長為860nm的光源。在860nm處水中的溶解性物質對光的吸收非常弱，這一點對于沒有色度補償的透光脈動傳感器來說很重要。
2.2 取樣流速的影響
由透光脈動檢測技術特性可知[5]，顆粒的脈動頻率與取樣流速有關，只有在保證最低取樣流速，使得被檢測水樣能及時得到一定程度的更新的前提下，經過處理后的檢測信號才能真實地反映出顆粒的脈動情況，且此時檢測值應與取樣流速無關。為了驗證取樣流速對檢測值的影響，用內徑為3mm的取樣管分別對未混凝和混凝的懸浮液進行了連續檢測，結果如圖2和圖3所示。
從圖2可以看出，對于未混凝的懸浮液，當取樣流量小于20mL/min時，此時水樣流速太小，脈動信號的頻率過低，其在信號處理過程中被濾波電路濾掉一部分，從而導致檢測值偏小。取樣流量在20mL/min左右時檢測值波動較大，而當取樣流量大于25mL/min時檢測值比較穩定，僅當取樣流量達到100mL/min時，檢測值才略有下降。從試驗結果可得，當取樣流量在25mL/min以上即取樣流速在0.06m/s以上時，檢測值與取樣流速無關。
從圖3可以看出，對于混凝的懸浮液，當取樣流量為25~40mL/min即取樣流速為0.06~0.094m/s時，流量變化對檢測值的影響很小，而當取樣流量大于50mL/min后，取樣管中層流剪切力造成絮體明顯破碎，導致檢測值隨流量的增大有明顯的下降趨勢，當取樣流量降低后，絮體破碎程度降低，檢測值則重新升高。
試驗結果表明，當取樣管管徑為3mm時，對于未混凝的懸浮液，取樣流速在0.06m/s以上時檢測值與取樣流速無關；而對于混凝的懸浮液，為了保證檢測值能反映絮體顆粒真實的聚集情況，應盡量避免絮體在取樣過程中的破碎，將取樣流速合理的控制在0.06~0.094m/s。
2.3 取樣管管徑的影響
絮體在取樣管中層流剪切力的作用下會有一定程度的破碎，檢測值將受到影響。研究表明，層流的平均剪切率和管徑的立方成反比，和流速成正比，即（如圖4所示），因此除通過適當降低取樣流速外，還可以通過增大取樣管管徑的方式來減小剪切率。
取樣管管徑可以根據使用目的以及所檢測水樣的絮凝情況綜合考慮，例如在實驗室小試研究中，為了盡量節約試驗用水，取樣管管徑宜選擇得小一些，如3mm，在適當控制取樣流速的情況下，可以保證絮體基本不破碎。從圖4可看出，當取樣管管徑小至1mm時管中的平均剪切率變得非常大，例如當取樣流量僅為2.5mL/min時，剪切率即達到約300s-1，這樣高的剪切率很容易造成絮體的破碎。因此，在實際應用中往往不是用1mm的取樣管來檢測顆粒的聚集過程，而是充分利用層流剪切力對懸浮液中顆粒的破碎作用，將其用于研究絮體顆粒的抗剪性能或者顆粒物質在懸浮液中的分散過程等[6]。
在水處理工藝中，混凝效果良好時形成的絮體顆粒粒徑較大，絮體強度相對較小，特別是在原水濁度較高、投藥量較大的情況下；另外，為了保證在長時間運行時取樣管不易被沉積物堵塞，必須保證較大的取樣流速，這樣都容易導致絮體的破碎。當取樣管管徑僅為3mm時，顆粒破碎程度明顯增大，此時需要選擇管徑較大的取樣管。生產實踐表明，當取樣管管徑增加到5mm左右時，就可以保證水樣流過取樣管時絮體基本不會破碎，當然，也可以根據原水性質選用直徑更大的取樣管，如在高濁度水絮凝過程的檢測中則建議使用內徑為8mm左右的取樣管。
2.4 放大倍數的影響
透光脈動傳感器直接檢測到的脈動信號很微弱，必須經信號處理部分放大和濾波等處理后才能參與控制。為了研究信號處理部分的放大倍數對檢測值的影響，選取放大倍數分別為K1和K2的兩個傳感器進行了試驗研究，在改變水樣的絮凝程度時的檢測曲線如圖5所示。
由圖5(a)可看出，1號傳感器的放大倍數K1較小，其檢測值的變化幅度相當小，僅在1.2%~9.5%之間變化，而2號傳感器的放大倍數K2較大，檢測值在11.7%~50.7%之間變化，由此可見放大倍數對于檢測值的輸出具有相當大的影響。把兩條曲線繪于不同的坐標下時發現其變化規律非常接近，說明兩個傳感器的檢測性能基本相同，只是由于信號處理部分的放大倍數不同，導致輸出值差異很大。
對于投藥控制系統來說，傳感器信號處理部分的放大倍數過高，檢測值波動太大，導致系統穩定性差；放大倍數過低，檢測值無法準確反映出絮體顆粒的變化情況，控制系統無法調節投藥量，因此在控制系統投入運行之前必須調節好放大倍數。一般來說，放大倍數可以根據所檢測水樣的性質現場調節，其調節可以分為兩步：首先將絮凝充分的水樣通過傳感器，調節放大倍數使得檢測值在40%左右，然后較大幅度地改變取樣流速或者水樣的絮凝程度，使檢測值大約在20%~80%之間變化即可。
3 結論
通過對傳感器的工作參數進行優化，可以改善傳感器的檢測性能，使其在生產中獲得更加良好的應用，主要應注意以下幾個方面：
（1）光源應選擇發射光的波長范圍窄、發射角小的激光二極管等，波長宜選擇860nm；
（2）對于混凝的懸浮液，其檢測值受取樣流速的影響，在生產中應合理控制取樣流速；
（3）為了減小絮體在取樣管中的破碎，應根據懸浮液的絮凝程度合理選用取樣管，試驗研究中一般選用1~3mm，生產應用中則選用5~8mm；
（4）傳感器信號處理部分的放大倍數對檢測值的輸出有很大影響，為了保證控制系統的控制性能，必須合理確定好放大倍數，其值可根據被檢測水樣的性質在現場調節確定。
參考文獻：
[1] Gregory, J. , Nelson, D.W. A New Optical Method for Flocculation Monitoring[A]. Solid-Liquid Separation[C]. Chichester,Ellis Horwood:1984.172-182.
[2] 于水利, 李邦宜, 曹世杰, 李虹, 李圭白. 新型在線光學絮凝檢測儀的原理、設計與制造[J]. 傳感器技術, 1997, 16(1):18-20.
[3] 孫連鵬. 透光率脈動混凝投藥控制系統的應用研究及系統優化[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2001.
[4] ISO 7027.Water qulity-Determination of turbidity[S].
[5] Gregory, J. Laminar dispersion and the monitoring of flocculation processes[J]. J. of Colloid Interface Sci., 1987,118(2):397-409.
[6] 李星, 張正磊, 齊文明. 顆粒分散和破碎過程在線檢測研究[J]. 哈爾濱建筑大學學報, 1999,32(6):31-34.
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