刘园园

(广东松山职业技术学院 电气工程系，广东 韶关512126)

水是宝贵的自然资源，水的质量既影响工业生产又影响人民的日常生活，受到越来越多的关注。因此，进行水质检测以保证各行业用水的质量既有重大的经济意义，又有重要的社会意义。目前对水质指标的检测主要依靠检测室的分析设备，这些设备体积约为600 mm×500 mm×400 mm，检测耗时较长、且价格昂贵，不适于目前水质检测广泛应用的需要［1］。饮用水水质监测和污染物排放总量控制的实施，对水质检测仪器质量提出了更高要求，迫切需要开发自动化程度高、快速、准确、携带方便的小型检测仪器。根据上述要求，文中研制了一种便携式水质检测仪，该设备体积大小为195 mm×150 mm×60 mm，具有操作简单、准确度高、携带方便等特点。

1 水质检测理论分析

1.1 检测理论分析

光度分析技术是利用物质具有对光的选择性吸收特征而建立的一种定量和定性分析方法，又称分光光度法或吸收光度法。光度分析技术作为一种常见的仪器分析方法，以其操作简便、准确快速、灵敏稳定等优点而被广泛应用于各个领域［2］。

吸收光谱用于定量分析的基本方法是:用选定波长的光照射被测物质，测定其吸光度，再根据吸光度计算被测组分的含量。计算吸光度的理论依据是郎伯－比尔定律:当一束平行单色光通过均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。由此可得到如下公式

其中，A为吸光度;T为透射比;It为透射光强度;Io为入射光强度;L为吸收介质厚度，一般以cm为单位;C为吸光物质的浓度，单位可以是g/L或mol/L，系数K可以是吸收系统或摩尔吸收系数。

吸光度A具有可加性，即在含有两种或多种吸收物质的混合物中，某一波长处的总吸光度等于其中各组分分别在该波长处吸光度的算术和，可表示为

1.2 水质参数检测

本文采用光度法原理进行水质参数的检测。以光电传感器作为检测器件，将照射光强度转化为电流强度，产生的光电流与照射光强度成正比，所以光电传感器的光电流大小可反映待检测参数浓度的大小［3］。然而，实际测量时，因电流信号较小，需将其放大并转换成电压信号

则透射光强度与待测电压的关系为

将上式带入式(2)，从而推导出溶液浓度与待测电压的关系为

由上式可知，可先测出溶液浓度为零时的电压值U0，可在纯净水条件下测得;再检测待测溶液，根据实时测量的电压值Ut，计算出待测水质参数浓度值C。

2 系统设计

综合分析各种水质测量方法，本文采用光度法原理进行检测，利用单色LED产生特定波长的光，光源透过测试的样品后，部分光源被吸收，计算样品的吸光值，根据样品的吸光值与浓度成正比，针对误差修正分析，采用综合数字滤波、曲线拟合算法，经由DSP处理器进行数据处理，可测得高精度的溶液浓度，同时该水质检测仪具有可存储、实时性强的功能。

2.1 系统结构

该系统主要由LED单色光源、光槽、光电传感器、测量放大电路、滤波电路、显示电路、报警指示、按键电路、电源电压检测电路、USB接口电路及DSP处理器TMS320LF2407等部分组成，其结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

系统采用TMS320LF2407处理器作为控制核心。选用可产生特定波长的LED作为单色光源，透过光槽中安装定量水的透明玻璃瓶，经光电传感器将光信号转换成电信号，再经过放大滤波电路对电信号进行处理，将放大滤波处理后的信号经DSP模数转换模块转换为数字信号，并对采集的信号进行处理、存储和显示，还可根据情况进行报警输出［4］。另外，还设计了双模式USB接口电路，在主动模式下，能实现数据的U盘快速存储。并在从动模式下与计算机USB接口相连，将水质测量数据上传到计算机进行存储管理［5］。

2.2 光源选择

由于不同的水质参数对光源波长的吸光度不同，且光源的单色性直接影响到测量的精度和稳定度。因此，需选用单色性较好的微型光源。由于本文主要对水质中的5种参数进行检测，分别为臭氧、余氯/总氯、六价铬、氨氮、浊度。其中臭氧和余氯/总氯对波长为510 nm的光吸收性较好，六价铬对波长为540 nm的光吸收性较好，氨氮对波长为700 nm的光吸收性较好，而浊度对波长为640 nm的光吸收性较好［6］。根据这5种水质参数对相应光波长的吸收特性，文中选用波长为510 nm的LED作为测定臭氧、余氯/总氯的光源，选用波长为540 nm的LED作为测定六价铬的光源，选用波长为700 nm的LED作为测定氨氮的光源，选用波长为640 nm的LED作为测定浊度的光源。利用这4个LED构成光源组，根据测试参数的不同，通过DSP处理器选通相应的LED，如图2所示。

3 吸光度与溶液浓度关系的算法分析

应用郎伯－比尔定律定量分析溶液时，其基本条件是必须为稀溶液。在高浓度时，可能会有如下两种原因造成吸光度与浓度关系不成线性［7］。

第一种原因是溶液的浓度高，可能会影响溶液中微粒间的电荷分布，这种相互影响的程度与浓度有关，浓度越大微粒数量越多，而微粒间电荷影响也越大。从而会影响吸光度与浓度的线性关系。

第二种原因是折射率问题。物质的吸收系数与溶液的折射率有如下关系

式中，k为物质的吸光系数;a为常数;n为溶液的折射率。

低浓度时，折射率可视为常数，式(2)的k值为常数，溶液才遵从郎伯－比尔定律。浓度较高时，折射率随浓度增高而增高，k值随之增大，由式(2)和式(8)可知，吸光度与浓度关系为

根据式(9)中吸光度与浓度的曲线关系，采用最小二乘法拟合成直线，求出拟合系数，此处采用最常用的线性函数。

图2 光源切换电路图

则吸光度和溶液浓度的关系表达式为

其中，k为一次项系数;b为常数，再根据式(11)编写模块化程序，运行中直接调用即可求出线性函数的拟合系数k、b。

4 实验结果及分析

本文主要对水质参数检测进行了研究，并在此基础上开发出了便携式水质检测仪。作为一种实用型仪器，其测量数据的可靠性，数据的精度是极为重要的，这里选用水质参数中的余氯数据进行分析论证。

表1 样机余氯原始数据

以上是对不同浓度的标准样品，采用自制的水质检测仪测量得到的AD采样值、吸光度，以及利用郎伯－比尔定律和曲线拟合算法计算得出的样机余氯浓度值原始数据。为了对样机浓度进行修正，采用最小二乘法算法并用大量实验数据计算得出余氯浓度修正函数为

根据所得的余氯浓度修正函数，绘制出其修正图，如图3所示。

图3 余氯浓度修正函数图

其中灰线表示实际值，黑线表示采用最小二乘法算法修正后的函数值。从图中可以看出，修正后的函数值与实际值接近，符合测量要求。

5 结束语

本文研制的智能化便携式水质检测仪着重的提高了系统测量精度，通过对吸光度在溶液中、高浓度非线性度的分析，采用最小二乘法建立吸光度和溶液浓度之间的关系，简化了数学模型，并在其实际应用中，展现了良好的稳定性和线性度，对中、高浓度的测量结果则更加精确，不但增加了用户的可信度，且具有较高的性价比，可满足不同行业对水质快速检测的要求。

［1］ 王奎兰，吴清平等.水质快速分析技术现状及发展趋势［J］.现代仪器，2005(5):54－56

［2］ 齐文启，陈光，孙宗光.水质环境监测技术和仪器的发展［J］.现代科学仪器，2003(6):8－12

［3］周梦然.分布式水质监测系统［J］.电子技术，2000(8):36－38.

［4］ 卢文华，范新明，景旭.水质在线检测系统［J］.盐城工学院学报，2002，15(1):50－52.

［5］ 崔学雷.水质分析仪在城市垃圾污水处理中的应用［J］.传感器世界，2000(12):27－29.

［6］VAILLANT S，POUET M F，THOMAS O.Basic handlinn of UV Spectra for urban water quality monitorinn［J］.Urban Water，2002，4(3):273－278.

［7］FRANKOVICH T A，JONES R D.A rapid，precise and sensitive method for the determination of total nitrogen in natural waters［J］.Marine Chemistry，1998，60(3):227－234.