双LED离子浓度在线监测系统的设计与应用0检测器

双LED离子浓度在线监测系统的设计与应用

双LED离子浓度在线监测系统的设计与应用 2011年12月09日 来源： 1　引言　　　　光路系统如图1—1所示，主要由光源、滤光片、吸收池、监测器组成。光路Ⅰ为参比光路，参比池中放入被测铜离子的目标浓度溶液；光路Ⅱ为测量光路，被测溶液从测量池底部缓缓流入，从顶部返回体系。两溶液的pH值和离子环境大致相同。　 光源由两只串联的Φ5．0红色超亮LED（发光二极管）和滤光片组成，而没有使用传统的钠光源、分光镜结构，减少了成本和体积，而且和常见的钠光源相比，LED具有线性好、功耗低、寿命长、发光波长集中等优点。由于铜离子溶液呈蓝色，对红光有较大的吸光度，故采用红色LED，由精密基准电压源MC1403组成的恒流源（2～5mA）对其供电。吸收池采用两只1cm玻璃比色皿吸收池，两者平行放置且垂直于光路。传感器采用SPD（硅光电二极管，Φ5．0，TOSHIBA）。SPD频率响应好、线性范围宽、暗电流小、不易疲劳、体积小、工作条件易于获得，非常适合于长期不间断工作，而目前普遍使用的真空光电管或者光电倍增管常常需要很高的工作电压，体积和功耗都很大，而且极易疲劳，不能长时间连续工作。2　硬件系统　　　　硬件系统由放大电路、A／D、控制电路和计算机接口组成。图2—1所示为放大电路。SPD的PN结在微弱的光照下，激发形成的载流子在外加电场的作用下形成反向饱和漂移电流（10－7 A数量级），此电流经模拟开关AD7501选择后由运算放大器LF353进行电压—电流转换，然后再经AD620进行电压放大。当AD7501关断时，信号电流通过一个1MΩ的电阻接地，既可以让SPD处于正常的工作状态，又使得AD7501的输入输出端保持很小的压差。由于SPD输出为电流信号，阻抗很高，因此AD7501的导通电阻对信号几乎没有影响。LF353输入级为JFET，对信号电流基本无吸收。AD620是AD公司生产的精密集成仪表放大器，共模抑制比高，噪声系统和温漂系数都很低，而且外围电路简单。整个放大电路的转移函数为10MΩ。　　电流放大后，得到0～3V的电压，送ICL7109进行A／D转换。ICL7109为双积分芯片，12位精度，另有极性位和溢出位输出。由于50Hz工频干扰不可避免地出现于电源以及光源调制中，因此取积分时间为一个工频周期，相应晶振频率为6MHz。 　　采样数据通过ISA总线被读入计算机进行处理。为了增强电路的抗干扰性能，采用TLP521—4光电耦合芯片将转换的结果送至计算机，而计算机也通过光耦反向传送控制信号，在两者之间实现光电隔离。 TLP 521—4的应用电路如图2—2所示。3　测量原理　　　　由于LED在电流小于10mA的情况下发光特性为线性，假定某时刻流过LED的电流为i0，则相应发光强度： G1＝L1i0，G2＝L2 i0 而SPD的反向饱和漂移电流亦正比于入射光的强度，假定光路本身的衰减因子为β，离子浓度为C，比尔系数为k，溶液比尔吸收导致的衰减为e－kC，放大器的转移函数为A，SPD光电转换系数为M，则最终放大器输出电压可以表示为： U1＝AM1β1L1 e－k1 C1U2＝AM2β2L2 e－k2 C2　　以上的处理方法消除了LED电流项，而且器件参数M、L的温度漂移在相除的过程中相互抵消，所以B可以视作常数。令C1＝C2，此时的ln（U1／U2）即为B，因此B的实质为系统软件零点，利用它对测量结果进行零点校正，就省却了常见仪器繁琐的调零过程。由于C1已知，该浓度下的常数k可以用实验的方法获　　得，此后根据ln（U1／U2）的测量值和B即可求得被测溶液的浓度C2。4　软件流程　　　　软件使用Visual C＋＋编写，主要由系统流程控制、数据采集、软件滤波和数值分析组成，如图4—1所示。 　　系统首先在光源关闭的情况下测出背景电压（因SPD暗电流以及环境背景光而产生），然后在计　　算机的控制下往测量池中通入参比液，打开光源，测出软件零点后，就转入测量状态。考虑到浓度信号变化缓慢，因此每1s或更长时间间隔采样一次，视具体情况而定。由于Windows 98并没有对端口进行保护，所以可以直接使用－inp（）和－outp（）指令读写端口。为了提高采样精度，采用了中值滤波和平均值滤波相结合的方法，这样既可以消除偶然误差（如工业场合常有的脉冲电磁干扰或者A／D错），又可以消除周期性脉冲带来的误差。另外，对采样结果还进行了

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