设计快速准确的水源浊度传感器

在人口不断增长和污染意识日益提高的情况下,将湖泊,海洋和河流的水资源保存到饮用水中已变得越来越重要。因此,水分析仪器的设计者面临着尽可能快速,有效和准确地确定水质的挑战。
水质指标之一是其浊度,或分散或悬浮固体的存在。这些固体可以单独为人眼看不见,但总的来说它们会使水变色或使其模糊。在光谱的另一端,这些固体可以单独地非常可见,并且在宽动态范围内导致测量不准确。
测量这种浊度是确定水质的一条途径。浊度测量通常捕获并检查污染物在通过液体到达光电探测器的途中对LED光的散射效应。
在宽动态范围内满足速度,效率和精度的不同要求的理想方法是采用高效的光度计前端,并集成模数转换器(ADC)。
本文讨论了基于光度模拟前端(AFE)架构实现此类系统所需的功能,该架构能够驱动LED并对光电探测器输出信号进行采样。然后,本文将介绍这样一个系统,该系统基于ADI公司的 ADPD105BCPZ光度计前端,它集成了许多所需的电路元件。

浊度评估

浊度定义了水的透明度损失程度,是水质的关键测试。水中悬浮的微粒导致透明度下降,使水看起来混浊或模糊。悬浮固体总量越高,浊度越高。
水浊度没有直接的测量技术。一种测量技术是允许水样蒸发并测量剩余重量。另一种也许更快更有效的测量技术是通过检查悬浮在水中的颗粒的散射光效应来检测悬浮固体或污染物的水平。该测量技术提供了定性浊度特性,其取决于这些悬浮固体如何散射透射光。

测量设备的前端

虽然通常很好地理解光电检测电路,但设计者面临的挑战是确保快速,准确和可靠的光检测和数字化,同时拒绝背景环境光。这种传感配置需要协调LED的开关周期,光电探测器捕获LED的发光水平。同时,系统必须执行过采样和滤波以抑制信号偏移和环境光(图1)。
ADI公司ADPD105BCPZ光度计前端设备电路图(点击放大)
图1:基于ADI公司的ADPD105BCPZ光度计前端器件(U3)的浊度检测简化电路图。(图片来源:ADI公司)
该电路的核心是U3,ADI公司的ADPD105BCPZ,一种光度计前端设备。该光电探测前端通过激发两个860纳米(nm)红外发射器(DS1和DS2)并通过硅PIN光电二极管(D1和D2)接收发射器通过污染水的透射光,作为完整的光学收发器工作。当LED信号通过被测液体时,光电二极管的光学数据测量散射光能量。浊度的测量单位是formazin浊度单位(FTU)。在此测量期间,小于1 FTU浊度相当于很少或没有光阻挡,使得测量的散射效应可忽略不计。随着浊度增加,发射光的直线束由于粒子阻挡而散射,并减少光到光电探测器的光。

环境光腐败

处于混浊水中的测试系统可能会或可能不会受到环境光的影响。在该系统中,环境光损坏可能极其具有破坏性,除非传感系统减轻其影响。ADPD105BCPZ通过两个独立的测量时隙工作提供环境光抑制功能:时隙A和时隙B(图2)。
ADPD105BCPZ的两个独立测量时隙的时序图
图2:ADPD105BCPZ的两个独立测量时隙的时序图:时隙A和时隙B.时隙顺序工作,LED脉冲之间检测到的电荷代表环境光。(图片来源:ADI公司)
ADPD105BCPZ按顺序实现时隙A和时隙B,LED和光电传感器串联工作。来自DS1的LED脉冲与光电检测器D1的感测周期一致,并且来自DS2的LED脉冲与光电检测器D2的感测周期一致。来自D1和D2的感测值表示响应于LED脉冲的总获取电荷。LED脉冲之间检测到的电荷代表环境光。ADPD105BCPZ数字引擎从总采集电荷中减去环境光值,以获得实际的浊度值,并获得完整的环境光抑制。该ADPD105BCPZ功能使电路在不同光照条件下稳定可靠。
在图2中,在每个时隙期间执行从LED刺激到数据捕获和处理的整个信号路径。每个时隙都有单独的数据路径,具有独立的LED驱动程序,AFE设置和结果数据设置。该电路向LED驱动100毫安(mA)脉冲2微秒(μs),以激发860 nm LED。光电探测器的电荷对应于特定的LED脉冲。该电荷在ADPD105BCPZ内转换为14位的理想分辨率。ADPD105BCPZ内部的数据引擎可以使用平均值来提高最终结果的分辨率和精度。
为了提高信号分辨率,ADPD105BCPZ平均可以达到128个脉冲。然而,对于浊度测量,十六个平均值绰绰有余。例如,四个平均样本将结束分辨率增加一位,十六个平均样本将结束分辨率增加两位。64个平均比特将结束分辨率提高了3位,但却大大延长了时隙的转换时间。

浊度传感电路的电源

图1所示的浊度检测电路使用两个低压差(LDO)稳压器,其输出电压固定为3.3和1.8伏,分别显示为U1和U2。ADI公司的ADP7105ACPZ-1.8-R7为ADPD105BCPZ光度计前端提供1.8伏输出,而ADI公司的ADP7105ARDZ-3.3-R7则以 3.3伏的电压偏置LED。
所述ADP7105 LDO家族具有15个微伏(μV)有效值和的±0.015%好线调节的良好的噪声系数。这些数据有助于确保每个测量样品的光强度可重复,并有助于精确测量浊度。

浊度测量标准

国际标准化组织的ISO 7027水质 - 浊度测定是一种浊度设计标准。该设计标准的定义有助于确保兼容的浊度传感器和仪表具有良好的可重复性和可比性。ISO 7027通过特别要求860 nm单色波长光源消除大多数色彩干扰,光谱带宽为±30 nm。
ISO 7027方法要求主光电探测器角度为90°±2.5°。大多数仪器符合860 nm LED光源和90°主探测器(图3)。
物理LED /光电探测器配置图
图3:物理LED /光电探测器配置,用于90°角的主要检测,符合ISO 7027标准。(图像来源:ADI公司)
对于0 FTU和40 FTU之间的浊度,90°探测器角度对散射提供最线性响应。颗粒在低浊度水平下比入射光的波长小得多; 因此,散射分布是对称的。随着悬浮固体的尺寸和数量在0FTU到40FTU范围内增加,到90°探测器的信号与散射光量成线性比例。由于仅使用一个探测器角度,因此该方法也称为非比率ISO 7027。
允许额外的检测角度(例如180°)增加可测量的浊度水平范围(图4)。
物理LED /光电探测器配置图
图4:物理LED /光电探测器配置,用于90°角的主要检测和180°的二次检测。(图片来源:ADI公司)
较高浊度液体中的元素开始呈现可见颗粒的形式。因此,更高的浊度测量需要另一种策略。为了获得与非比率方法相同的线性响应,范围从40FTU到4,000FTU的更高浊度水平需要在不同检测角度下的附加检测器。这些类型的溶液中的较大颗粒表现出不对称的光散射分布,导致较高强度的前向散射光。
ADI公司的组合EVAL-CN0409-ARDZ / EVAL-ADICUP360 Arduino屏蔽双板布置使用90°检测器和180°检测器来测量理论上高达4,000 FTU的浊度水平(图5)。
ADI公司的EVAL-CN0409-ARDZ / EVAL-ADICUP360电路板组合图
图5:ADI公司的EVAL-CN0409-ARDZ / EVAL-ADICUP360电路板组合使用90°检测器和180°检测器来测量浊度水平,理论上高达4,000 FTU。(图片来源:ADI公司)

系统准确性

基于ADPD105BCPZ的浊度传感电路具有与市售浊度计非常相似的精度。并排规格对比表明,浊度传感电路测量浊度的速度是商用电表的两倍(表1)。
参数 商用浊度计 采用ADPD105DCPZ的浊度传感电路
范围 0 FTU至1,000 FTU 0 FTU至1,000 FTU
准确性 ±0.5 FTU或读数的±5%(以较大者为准) ±0.5 FTU或读数的±5%(以较大者为准)
噪声 不适用 0.05 FTU(0 FTU至1,000 FTU)
校准 三点:0 FTU,10 FTU,500 FTU 三点:0 FTU,10 FTU,500 FTU
标准 ISO 7027非比例(单LED测量) ISO 7027非比例(单LED测量)
测量时间 25秒 <12秒
表1:将商用浊度计与基于ADPD105BCPZ的电路进行比较表明,后者表现出更快的测量时间。(图片来源:Digi-Key Electronics)

EVAL-CN409系统噪音性能

EVAL-CN409-ARDZ系统的测量噪声源包括气泡,微粒污染和校准误差。为了解决这些校准误差,测量设备检测来自Oakton(T100校准套件)的0.02 FTU,100 FTU和800 FTU的已知浊度测试溶液。EVAL-CN409-ARDZ系统中测量噪声的混浊解决方案基线为20.59 FTU(图6)。
EVAL-CN0409-ARDZ的一西格玛噪声水平图
图6:经过30次可重复的浊度测量后,EVAL-CN0409-ARDZ的1-sigma噪声水平为±0.05 FTU。(图片来源:ADI公司)
经过30次可重复的浊度测量后,EVAL-CN0409-ARDZ的1-sigma噪声水平为±0.05 FTU。

主题的变化

凭借其三个LED驱动器和八个光电探测器输入,ADPD105BCPZ具有极大的灵活性和定制能力。为了实现更复杂的比率测量,可以使用135°和45°的第三和第四光电探测器。这些扩展的接收角可提供高达40,000 FTU的更广泛的浊度水平。

结论

水分析仪器设计人员越来越发现自己面临着开发能够尽可能快速,高效,准确地测试水质的解决方案的挑战。测量浊度的理想方法是通过使用LED光通过液体到光传感光电探测器来检查污染物的散射效应。该传感电路的适当AFE是ADI公司的ADPD105BCPZ。测试结果表明,EVAL-CN0409-ARDZ评估板内ADPD105BCPZ的性能等于或超过商用浊度计。

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