基于AT89C52的非分散红外测油仪的研制

本仪器采用国内外常用的非分散红外光度法( Non- Disper-sive Infrared 简称 NDIR) 来检测水中的油类物质。非分散红外法是利用油类物质的甲基( - CH3) 和亚甲基( - CH2) 在近红外区( 2930 cm- 1 或 3.4μm) 的特征吸收进行测定。该法只利用了矿物油中CH3、CH2 两个特性基团的红外吸收进行测定, 没有参考其中芳环的响应。此方法适用于样品中芳香烃含量不高的情形。该方法为美国环境保护署对土壤和水中油的测量的标准方法。

非分散红外光度法是基于光学中的朗伯- 比耳定律: 当一束单色平行光垂直射入吸收介质的溶液时, 溶液的吸光度与吸收物质的浓度和液层厚度乘积成正比。朗伯一比尔定律的数学表示式为:

式中: K 表示被测物质的吸光系数, 与介质本身的性质有关; L 表示液层厚度; C 表示物质的浓度; I0表示入射光强度; I表示透射光强度; A 表示吸光度。

对特定种类的油, 在特定波长处, 其吸光系数k 为常量, 在液层厚度L 一定时, kL 为常量。并且入射光强度I0可由系统试验测定, 且恒定( 有恒定的光源保证) , 透射光强度I 可由红外传感器测定, 这样便可求出吸光度A 。可见油的浓度C 与其吸光度A, 在特定条件下呈简单的线性、正比关系。以吸光度A 对浓度C 作图, 会得到一条通过原点的直线, 该直线称为标准曲线。利用A 与C 之间的这种确定关系, 就可以由A 直接求出C。

2 仪器的硬件设计

2.1 仪器总体结构

红外测油仪主要包括光源、单色器、步进电机、调制器、样品池、参比池、光电导探测器、信号处理电路、转换器、单片机系统等几大部分组成, 整个仪器的结构框图如图1 所示:

油类中含有甲基、亚甲基等官能团, 在红外波段3.4um 附近有明显吸收, 有特征吸收峰, 而用作从水样中萃取油份的四氯化碳(CCI4)在3.4um 波长附近基本不吸收, 透过率在 80%以上。这样首先将萃取剂 CCI4 放在参比池中作为本底样品, CCI4萃取的油的混合溶液放入样品池, 由溴钨灯制作的光源发出红外光, 经过由光栅组成的单色器滤光, 产生为3.4μm 的窄带红外光。窄带红外光经过调制器调制后的复合脉冲光通过两组反射镜对称的分为两束, 分别照射在样品池和参比池上。两束光出来后分别照射在两个相同的光电导传感器上。光电导传感器把两路光信号转变为电信号, 再经过放大电路放大及信号处理、A/D 转换, 最后进入单片机系统, 并由此系统控制采样, 数据处理及浓度计算等。

2.2 传感器选择

选用近红外光电导探测器硒化铅(PbSe)作为红外传感器,其波长范围为1~7μm, 峰值波长为4μm。它能够接受由目标发出的红外辐射信号, 并使之转换为电信号, 具有较高的响应度和探测度。

2.3 微弱信号的检测

2.3.1 信号处理流程

自然光和热体红外光的干扰是在开发此测油仪时遇到的主要困难。在非分散红外测油仪中, 由于传感器的探测信号微弱、背景噪声大, 为了避开干扰光的影响, 在大的噪声中提取光信号, 可采用切光器对光源进行调制, 使其变为频率域的光。当光信号变为频率域的信号后, 产生的电信号也相应的变为交流信号。这样就可避开电路设计上的一大难点: 对微弱直流信号进行处理。

由于光电导传感器输出的电压信号比较小, 其值为几毫伏, 所以必须经过前置放大器放大到A/D 转换的范围值方能进入单片机系统进行一系列处理。系统选用低漂移、低失调、低功耗、高精度的仪器仪表用放大器 AD620 作为前置放大电路的主要元件。经过放大的信号由连续时间模拟集成有源滤波器MAX275 构成的四阶带通滤波器选出信号。然后再进入相敏检测器, 进一步抑制噪声, 并经过低通滤波后把信号变为直流信号, 从而便于 A /D 处理。该直流信号由A/D 转换AD7705 进行A/D 转换后输入单片机系统, 由单片机进行数据采样和处理,从而得到油的浓度。信号处理流程如下:

2.3.2 相敏检测

本仪器采用了峰值相敏检测技术将交流信号转换为直流信号, 并进一步提高信噪比, 解决弱信号的有效提取这一难题。

(1)电路结构

相敏检测电路如图3 所示, 其中U1:A 为过零电压比较器,D1 为检波二极管; 2N2222A 为晶体管电子开关; U1:B 为差动放大器, 对信号进行放大与合成。U1 采用了一片具有“轨到轨(rail- to- rail)”特性的低压四运算放大器TLC2274。

(2)工作原理

输入信号Us(t)同时输入U1:A 和U1:B, 输入信号Us(t)经U1:A 和D1 组成的整形电路后的输出U1(t)是与输入信号Us(t)同频、同相, 占空比1:1 的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关, 为晶体三极管2N2222A 提供基极电压, 控制电子开关的动作, 决定晶体管集电极信号U3(t)。由三极