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透光脈動(dòng)傳感器的影響因素研究工學(xué)論文
摘要：通過試驗(yàn)研究和總結(jié)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)透光脈動(dòng)傳感器的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了其最優(yōu)工作參數(shù)。光源宜選擇波長(zhǎng)為860nm的激光二極管；傳感器的管徑根據(jù)使用目的確定，試驗(yàn)研究一般選用1~3mm，生產(chǎn)應(yīng)用一般選用5~8mm；對(duì)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(hào)處理部分的放大倍數(shù)應(yīng)根據(jù)所檢測(cè)水樣的性質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：透光脈動(dòng)傳感器 光源 取樣流速 管徑 放大倍數(shù)
0 前言
透光脈動(dòng)傳感器是一種非接觸式光電檢測(cè)裝置，通過對(duì)混凝過程中形成的絮體顆粒的檢測(cè)，可以得到反映顆粒聚集狀態(tài)的檢測(cè)參數(shù)R。其檢測(cè)不受混凝劑種類以及原水水質(zhì)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(yè)廢水處理中混凝過程的在線連續(xù)檢測(cè)[1]。以該傳感器為核心的透光脈動(dòng)混凝投藥控制系統(tǒng)在高濁度水的混凝劑自動(dòng)投加控制方面得到了良好的應(yīng)用[2]，近年來(lái)開始在常規(guī)濁度水的混凝劑自動(dòng)投加控制方面得到應(yīng)用[3]。在實(shí)際使用中，透光脈動(dòng)傳感器的檢測(cè)性能受諸多因素的限制。作者在綜合實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)透光脈動(dòng)傳感器的主要影響因素進(jìn)行了研究，并確定了其最優(yōu)工作參數(shù)。
1 透光脈動(dòng)傳感器
透光脈動(dòng)傳感器由水樣檢測(cè)部分和信號(hào)處理部分構(gòu)成，分別完成信號(hào)的檢測(cè)和處理，其工作原理如圖1所示。由光源發(fā)射一束狹窄的光照射到傳感器取樣管中流動(dòng)的懸浮液，透過光由光檢測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過后續(xù)的信號(hào)處理電路完成對(duì)電信號(hào)的處理，輸出透光脈動(dòng)檢測(cè)值。檢測(cè)值可以通過數(shù)碼顯示器（LED）顯示，也可以通過輸出端子輸出，通過接口與計(jì)算機(jī)等連接，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)值的在線采集和分析處理。
通過理論分析，可得到透光脈動(dòng)檢測(cè)值的表達(dá)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(shù)量濃度；
Ci—第i種顆粒的散射截面積。
從表達(dá)式可以看出，在被檢測(cè)對(duì)象即懸浮液中顆粒的性質(zhì)一定的情況下，檢測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，取樣流速和傳感器信號(hào)處理部分的放大倍數(shù)等因素也對(duì)檢測(cè)值有明顯影響，下面將對(duì)這些影響因素進(jìn)行具體分析。
2 影響因素分析
2.1 光源的影響
對(duì)于透光脈動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，光源的選擇無(wú)疑是至關(guān)重要的。受透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的限制，只有當(dāng)被測(cè)水樣體積足夠小時(shí)，顆粒的脈動(dòng)現(xiàn)象才能被傳感器檢測(cè)到。在實(shí)際應(yīng)用中為保證檢測(cè)效果，必須盡量減小光柱的有效照射面積，因此應(yīng)選擇發(fā)射角小的光源，如激光二極管。
在水處理領(lǐng)域，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組推薦使用波長(zhǎng)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(fā)射光的波長(zhǎng)應(yīng)隨著被測(cè)顆粒尺寸的增大而增大，對(duì)于透光脈動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，它檢測(cè)的是尺寸較大的絮體顆粒，因此宜選擇發(fā)射波長(zhǎng)為860nm的光源。在860nm處水中的溶解性物質(zhì)對(duì)光的吸收非常弱，這一點(diǎn)對(duì)于沒有色度補(bǔ)償?shù)耐腹饷}動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)很重要。
2.2 取樣流速的影響
由透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)特性可知[5]，顆粒的脈動(dòng)頻率與取樣流速有關(guān)，只有在保證最低取樣流速，使得被檢測(cè)水樣能及時(shí)得到一定程度的更新的前提下，經(jīng)過處理后的檢測(cè)信號(hào)才能真實(shí)地反映出顆粒的脈動(dòng)情況，且此時(shí)檢測(cè)值應(yīng)與取樣流速無(wú)關(guān)。為了驗(yàn)證取樣流速對(duì)檢測(cè)值的影響，用內(nèi)徑為3mm的取樣管分別對(duì)未混凝和混凝的懸浮液進(jìn)行了連續(xù)檢測(cè)，結(jié)果如圖2和圖3所示。
從圖2可以看出，對(duì)于未混凝的懸浮液，當(dāng)取樣流量小于20mL/min時(shí)，此時(shí)水樣流速太小，脈動(dòng)信號(hào)的頻率過低，其在信號(hào)處理過程中被濾波電路濾掉一部分，從而導(dǎo)致檢測(cè)值偏小。取樣流量在20mL/min左右時(shí)檢測(cè)值波動(dòng)較大，而當(dāng)取樣流量大于25mL/min時(shí)檢測(cè)值比較穩(wěn)定，僅當(dāng)取樣流量達(dá)到100mL/min時(shí)，檢測(cè)值才略有下降。從試驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)取樣流量在25mL/min以上即取樣流速在0.06m/s以上時(shí)，檢測(cè)值與取樣流速無(wú)關(guān)。
從圖3可以看出，對(duì)于混凝的懸浮液，當(dāng)取樣流量為25~40mL/min即取樣流速為0.06~0.094m/s時(shí)，流量變化對(duì)檢測(cè)值的影響很小，而當(dāng)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(dǎo)致檢測(cè)值隨流量的增大有明顯的下降趨勢(shì)，當(dāng)取樣流量降低后，絮體破碎程度降低，檢測(cè)值則重新升高。
試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)取樣管管徑為3mm時(shí)，對(duì)于未混凝的懸浮液，取樣流速在0.06m/s以上時(shí)檢測(cè)值與取樣流速無(wú)關(guān)；而對(duì)于混凝的懸浮液，為了保證檢測(cè)值能反映絮體顆粒真實(shí)的聚集情況，應(yīng)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(huì)有一定程度的破碎，檢測(cè)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(dāng)降低取樣流速外，還可以通過增大取樣管管徑的方式來(lái)減小剪切率。
取樣管管徑可以根據(jù)使用目的以及所檢測(cè)水樣的絮凝情況綜合考慮，例如在實(shí)驗(yàn)室小試研究中，為了盡量節(jié)約試驗(yàn)用水，取樣管管徑宜選擇得小一些，如3mm，在適當(dāng)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(dāng)取樣管管徑小至1mm時(shí)管中的平均剪切率變得非常大，例如當(dāng)取樣流量?jī)H為2.5mL/min時(shí)，剪切率即達(dá)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(shí)際應(yīng)用中往往不是用1mm的取樣管來(lái)檢測(cè)顆粒的聚集過程，而是充分利用層流剪切力對(duì)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(zhì)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(shí)形成的絮體顆粒粒徑較大，絮體強(qiáng)度相對(duì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)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(dǎo)致絮體的破碎。當(dāng)取樣管管徑僅為3mm時(shí)，顆粒破碎程度明顯增大，此時(shí)需要選擇管徑較大的取樣管。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)取樣管管徑增加到5mm左右時(shí)，就可以保證水樣流過取樣管時(shí)絮體基本不會(huì)破碎，當(dāng)然，也可以根據(jù)原水性質(zhì)選用直徑更大的取樣管，如在高濁度水絮凝過程的檢測(cè)中則建議使用內(nèi)徑為8mm左右的取樣管。
2.4 放大倍數(shù)的影響
透光脈動(dòng)傳感器直接檢測(cè)到的脈動(dòng)信號(hào)很微弱，必須經(jīng)信號(hào)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(hào)處理部分的放大倍數(shù)對(duì)檢測(cè)值的影響，選取放大倍數(shù)分別為K1和K2的兩個(gè)傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在改變水樣的絮凝程度時(shí)的檢測(cè)曲線如圖5所示。
由圖5(a)可看出，1號(hào)傳感器的放大倍數(shù)K1較小，其檢測(cè)值的變化幅度相當(dāng)小，僅在1.2%~9.5%之間變化，而2號(hào)傳感器的放大倍數(shù)K2較大，檢測(cè)值在11.7%~50.7%之間變化，由此可見放大倍數(shù)對(duì)于檢測(cè)值的輸出具有相當(dāng)大的影響。把兩條曲線繪于不同的坐標(biāo)下時(shí)發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律非常接近，說(shuō)明兩個(gè)傳感器的檢測(cè)性能基本相同，只是由于信號(hào)處理部分的放大倍數(shù)不同，導(dǎo)致輸出值差異很大。
對(duì)于投藥控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器信號(hào)處理部分的放大倍數(shù)過高，檢測(cè)值波動(dòng)太大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差；放大倍數(shù)過低，檢測(cè)值無(wú)法準(zhǔn)確反映出絮體顆粒的變化情況，控制系統(tǒng)無(wú)法調(diào)節(jié)投藥量，因此在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行之前必須調(diào)節(jié)好放大倍數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，放大倍數(shù)可以根據(jù)所檢測(cè)水樣的性質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)可以分為兩步：首先將絮凝充分的水樣通過傳感器，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)使得檢測(cè)值在40%左右，然后較大幅度地改變?nèi)恿魉倩蛘咚畼拥男跄潭龋箼z測(cè)值大約在20%~80%之間變化即可。
3 結(jié)論
通過對(duì)傳感器的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以改善傳感器的檢測(cè)性能，使其在生產(chǎn)中獲得更加良好的應(yīng)用，主要應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
（1）光源應(yīng)選擇發(fā)射光的波長(zhǎng)范圍窄、發(fā)射角小的激光二極管等，波長(zhǎng)宜選擇860nm；
�。�2）對(duì)于混凝的懸浮液，其檢測(cè)值受取樣流速的影響，在生產(chǎn)中應(yīng)合理控制取樣流速；
（3）為了減小絮體在取樣管中的破碎，應(yīng)根據(jù)懸浮液的絮凝程度合理選用取樣管，試驗(yàn)研究中一般選用1~3mm，生產(chǎn)應(yīng)用中則選用5~8mm；
（4）傳感器信號(hào)處理部分的放大倍數(shù)對(duì)檢測(cè)值的輸出有很大影響，為了保證控制系統(tǒng)的控制性能，必須合理確定好放大倍數(shù)，其值可根據(jù)被檢測(cè)水樣的性質(zhì)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)確定。
參考文獻(xiàn)：
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