定量管中液面透光特性研究范文

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摘要：

為了提高液位定量管中液面檢測(cè)精度。設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)裝置，精確測(cè)量液面經(jīng)過光電檢測(cè)器的過程中，光電信號(hào)的變化特征曲線。

關(guān)鍵詞：

液位定量管；水質(zhì)分析儀；光電技術(shù)

0引言

定量系統(tǒng)是水質(zhì)分析儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。定量系統(tǒng)的定量精度直接影響分析儀的測(cè)量精度。目前定量系統(tǒng)采用的定量技術(shù)主要有定量環(huán)、定量泵、注射泵和液位定量管等。液位定量管主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。因此液位定量管在水質(zhì)分析儀中的應(yīng)用比較廣泛。但定量精度和對(duì)不同溶液的穩(wěn)定性一直是困擾液位定量管應(yīng)用的難題。本文采用高精度抗干擾的紅外對(duì)管測(cè)量電路，對(duì)定量管中凹液面不同位置對(duì)紅外線透射率的影響，進(jìn)行精確測(cè)量。從凹液面的特征曲線中找出凹液面底部的特征，從而對(duì)凹液面底部進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)定量管的精確定量。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光信號(hào)測(cè)量單元、液路控制單元和MPU控制單元組成。其中的光路測(cè)量單元由一對(duì)紅外對(duì)管、信號(hào)調(diào)制與測(cè)量電路組成。紅外對(duì)管的安裝位置如圖1所示。本系統(tǒng)光學(xué)測(cè)量單元采用紅外對(duì)管，可以排除外界可見光干擾。紅外對(duì)管的驅(qū)動(dòng)采用高頻調(diào)制信號(hào)，可以提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。液路輸送單元由液位定量管、蠕動(dòng)泵、泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及水管組成。蠕動(dòng)泵通過水管將不同液體輸送到液位定量管。MPU控制單元，由STM32103RB微控器，RS232接口芯片和IO接口組成。控制單元通過RS232接口芯片與上位機(jī)通信，將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到PC機(jī)。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)

第一步將液體抽至紅外對(duì)管上部約1厘米處。第二步控制水泵，使液體以0.5mm/s的速度下降，同時(shí)以1ksps的速率采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至PC機(jī)。第三步液面低于紅外對(duì)管約1厘米時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集。第四步重復(fù)前三步驟，采集下一組數(shù)據(jù)。

2主要硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用16位ADC，串口發(fā)送采用無校驗(yàn)，一位停止位模式，如果滿足1ksps的采樣率，則串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB單片機(jī)內(nèi)置有UART串口，最高波特率可達(dá)到4.5Mbits/s[6]。在實(shí)際使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全滿足設(shè)計(jì)需求。本文重點(diǎn)介紹其他關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1光源調(diào)制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用紅外對(duì)管，可以減小外界可見光干擾。為了進(jìn)一步減少外界背景紅外光的干擾，本系統(tǒng)對(duì)紅外二極管采用ASK調(diào)制，從而剔除背景紅外光的信號(hào)。同時(shí)為了光源的穩(wěn)定，本系統(tǒng)電路還對(duì)紅外二極管的電流采用恒流控制。實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

2.2信號(hào)檢測(cè)電路

由于紅外LED采用的ASK調(diào)制，信號(hào)檢測(cè)需要通過均值濾波還原紅外光信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)在電壓放大之前應(yīng)進(jìn)行工頻陷阱濾波以及低通巴特沃斯濾波，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。然后根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)放大電壓信號(hào)，此裝置選擇的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用單5V工作電源，內(nèi)部包括采樣及保持電路，通過三線式串行I/O進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度及穩(wěn)定性能較好。最終由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4為信號(hào)檢測(cè)原理框圖。

3結(jié)語

通過測(cè)試結(jié)果曲線可以看出，本測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性和一致性非常好，通過判斷數(shù)據(jù)變化率，可以精準(zhǔn)判斷凹液面的位置。

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作者:趙金寶 馬永躍 單位:中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 中科天融（北京）科技有限公司