新型实用折光浓度仪的研制

　　引　言

　　溶液浓度是工农业生产和科学研究领域中一项重要的计量参数,测量的方法多种多样。其中重力比重计法需取样测量,繁琐而效率低;惯性深度测量装置机械结构复杂,环境条件要求高;用双光束干涉法同时测量溶液浓度及温度的方法,不能解决溶液浓度的在线测量问题;近年发展起来的光纤浓度仪,虽能在线测量,但光信号弱,光源及探测条件要求高。目前,利用光的折反射原理,采用近红外光电控制的在线溶液浓度光纤折光测量仪发展迅速。虽然国内外许多学者致力于实用折光仪的开发研究,但能够商品化的寥寥无几。一方面因为结构复杂、环境条件要求高,另一方面因为浓度以及光电检测对温度十分敏感,如没有有效的控制措施,其测量精度、稳定性和重复性均不易达到要求;同时光信号弱,光纤容易受振动而发生位置变化,这些都是开发研究中的难题。

　　针对一家啤酒厂提出的检测啤酒发酵过程中的含糖量的要求,开发出一种新型实用折光浓度仪。

　　1　系统构成

　　折光仪是利用光在溶液界面的折反射,通过测量全反射临界角来检测气、液的折射率,从而测量其浓度的仪器。因探测参数的不同,可分为折光位置法和折光能量法。折光位置法需CCD或位置测量器件,易实现高精度测量,但成本高,不适于工业应用。折光能量法采用一般光电接收器,虽不易实现高精度测量,但成本低,采取一定的技术措施保证精度,即可广泛应用。本折光浓度仪基于工业的大量生产应用而开发,采用的是折光能量法,系统结构框图如图1所示。它由探测头、光的发射和接收、控制处理三部分构成。探测头作为传感元件与待测溶液直接接触,根据溶液浓度改变反射光强;光的发射和接收部分产生入射光并接收出射光,且将光转变成电信号提供给后续部分;控制处理部分完成对电压信号的采集与处理,得到待测溶液的浓度。光信号的发射和接收均用光纤传输,分别与探测头相接;模拟开关实现分时接收测量信号和实时温度变化,测得的模拟信号经过A/D转换输入单片机,经温度补偿修正的浓度值则由液晶显示输出。

　　2　测量原理和探测头的结构

　　仪器的测量原理如图2所示。发光二极管LED发出的光经入射光纤照射到棱镜和被测溶液的交接面上。光线以不同的角度θ从光密介质入射到光疏介质,根据折反射定律,入射角大于全反射临界角的光被反射,小于全反射临界角的光被折射。临界角不同,反射光的能量则不同,而临界角是溶液折射率的函数,折射率又与溶液浓度有关,因此反射光的能量大小代表了溶液浓度的变化。反射光由棱镜的反射膜反射到接收光纤,再由硅光电池PD2接收,经放大、检波处理和温度补偿后,即可输出溶液的浓度值。为使系统实用可靠,达到一定的测量精度并抗环境干扰,研制中采取了一系列技术措施,如发光二极管的光强调制、棱镜角度的最佳设计、稳光强反馈控制等等。