（控制理论与控制工程专业论文）多功能、多参数水质监测仪研究及应用.pdf

摘要 本文针对我国水产养殖急需自动化技术的现状，设计了适合我国国情的水产养 殖用的多功能、多参数水质监测仪。本系统以两台p c 工业控制计算机分别作为远 程监控机和现场上位机，以多台单片机作为现场鱼池的下位机。用r f 2 0 0 0 对下位 机和现场上位机进行通信，而远程计算机和现场上位机之间的数据采用m o d e m 通过 电话网进行传输。一旦系统发生故障，鱼类出现病变或不适，能够及时报警，从而 实现了对养殖现场中鱼类生长的实时监控。 我国水产养殖的自动化水平远落后于其他国外发达国家，研制多功能、多参数 水质监测仪有现实意义。论文在第一部分主要介绍了国内外水产养殖的发展状况， 以及论文研究的目的和意义。第二部分对多功能、多参数水质监测仪的硬件进行了 介绍，整体的设计思路采用了非电量电测的方法，有温度、p h 电极、溶解氧、电导 率四种传感器采集信号，完成非电量信号到电信号的转化。在这部分对四种传感器 的工作原理进行了阐述，并重点介绍了模拟信号的调理电路。第三部分介绍了水质 监测仪的数据传输方式，着重介绍了现场上位机与水质监测仪和现场上位机与远程 监控计算机各自的通信方式。第四部分介绍了水质监测仪和上位机的软件设计。上 位机应用软件人机界面灵活、功能完善，能够满足实际应用的需要。第五部分介绍 了水质监测仪的实际应用情况。 通过对本系统的实际应用结果可以证明：该系统运行稳定、安全可靠，测量数 据的精确度完全可以达到工厂化渔业生产的要求。 关键词：水产养殖；水质监控系统；远程监控；模拟信号调理 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ea c t u a l i t yt h a ta u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi se x a c t l yn e e di na q u i c u l t u r e i n d u s t r yo f o u rc o u n t r y , ak i n do f m u l t i - f u n c t i o n 、m u l t i - p a r a m e t e rw a t e rs u r v e yi n s t r u m e n t i sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt of i tt h en e e d so fo u rc o u n t r y sa q u i c u l t u r ei n d u s t r y t h i s s y s t e mi sc o m p o s e do fm a n ys i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r su s e da sf i s h p o n d sc o n t r o l l i n g c o m p u t e r sa n dt w oi n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e r , o n ei su s e d 嬲r e m o t em o n i t o r i n g c o m p u t e ra n dt h eo t h e ra sf i e l dm o n i t o r i n gc o m p u t e r i tt a k e sr f 2 0 0 0t oc o m m u n i c a t e b e t w e e nf i s h p o n d sm o n i t o r i n gc o m p u t e ra n df i e l dm o n i t o r i n gc o m p u t e ra n dt a k e sm o d e m t oc o m m u n i c a t ed a t ab e t w e e nr e m o t em o n i t o r i n gc o m p u t e ra n df i e l dm o n i t o r i n gc o m p u t e r o n c et h es y s t e mf a u l th a p p e n sa n dt h ef i s ho c c u rp a t h o l o g i c a lc h a n g e sa n du n w e l l ，t h e s y s t e mc a ng i v ea na l a r mi nt i m et om o n i t o r t h ef i s hi nt h ef i s h p o n d s d u et ot h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r yt h a tw eh a v ed r o p p e df a rb e h i n dd e v e l o p e d c o u n t r i e si nt h i sf i l e d ，d e v e l o p i n gak i n do f m u l t i - f u n c t i o n 、m u l t i - p a r a m e t e rw a t e rs u r v e y i n s t r u m e n th a sg r a n ds i g n i f i c a n c eo ft h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h ea q u i c u l t u r ea th o m ea n da b r o a da n dt h e o b j e c t i v ea n ds i g n i f i c a n c et h a tt h ep a p e rf o c u s e so n i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w ei n t r o d u c e t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h em u l t i - f u n c t i o n 、m u l t i - p a r a m e t e rw a t e rs u r v e y i n s t r u m e n t ，a n dn o n - e l e c t r i cs i g n a l st ob em e a s u r e da r ec o l l e c t e dr e s p e c t i v e l yb y t e m p e r a t u r es e n s o r ，p he l e c t r o d e ，d i s s o l v e do x y g e ns e n s o r , c o n d u c t i v i t ys e n s o r t h e r ei s e x p a t i a t i o no nt h ep r i n c i p l eo f t h e s ef o u rs e n s o r si nt h i sp a r t ，a n de m p h a s i z eo nt h es i g n a l m o d u l a t i o nc i r c u i t 。i nt h et h i r dc h a p t e r , w ei n t r o d u c et h ew a yo fd a t at r a n s m i s s i o no ft h e w a t e rs u r v e yi n s t r u m e n t ，a n de m p h a s i z e so nt h ec o m m u n i c a t i o nw a y sb e t w e e nt h ef i e l d m o n i t o r i n gc o m p u t e ra n df i s h p o n d sc o n t r o l l i n gc o m p u t e r s a tt h es a m et i m e ，w ea l s o i n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o nw a y sb e t w e e nt h ef i e l dm o n i t o r i n gc o m p u t e ra n dr e m o t e m o n i t o r i n gc o m p u t e r i nt h ef o r t hc h a p t e r ，w ei n t r o d u c et h es o f t w a r ed e s i g no ft h ew a t e r s u r v e yi n s t r u m e n ta n dt h ef i e l dm o n i t o r i n gc o m p u t e r t h es o r w a r es y s t e mh a si n t e g r a t e d f u n c t i o na n di ts a t i s f yp r a c t i c a lr e q u i r e i nt h ef i f t hc h a p t e lw ei n t r o d u c et h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f t h e w a t e rs u r v e yi n s t r u m e n t t h ee x p e r i m e n to nt h es p o tc a np r o v et h ef a c t t h a tt h es y s t e mr u n ss a f e t ya n ds t a b l y , t h ep r e c i s i o no f t h ed a t am e a s u r e di sa c c o r d a n tt oa q u i c u l t u r ei n d u s t r y k e y w o r d s ：a q u i c u l t u r e ；w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ；r e m o t em o n i t o r i n g ；s i g n a l m o d u l a t i o nc i r c u i t 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：李寸陋f 国1 日期：扩穸年月；日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：李t 厍f 两q日期却湃6 月；日 导师签名： 惨协参日期：h 等钥4 日 ( 本声明的版权归青岛大掣所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章前言 第一章前言 i 1 论文提出的背景 鱼类是人类最佳的保健食品，是人类重要的蛋白源。当前我国渔业面临一系列 突出问题：其一，人口的持续增长和土地的不断减少，使保持人均水产品占有量的 稳定和不断提高面临挑战；其二，水资源的日益短缺，使养鱼用水受到限制，影响 到养殖面积和养殖规格的进一步扩大；其三，养鱼环境和水污染使食用鱼的安全性 被日益关注。扶事水产研究与科技开发工作的经济学家认为：水产养殖自动化技术 的提高是解决上述问题的理想选择。 自动化技术应用于水产养殖有重大的理论和现实意义，由于我国在这一方面远 远落后于国外发达国家，而且存在着人口众多，渔业生产负担重等具体国情，因此 努力提高我国渔业生产的自动化水平迫在眉睫 传统自然养殖是咀消耗自然资源，污染环境为代价的。随着现代科技以及水产 业的飞速发展，近年来各国开展工业化水产养殖的规模日益扩大，而新型的养殖技 术在提高鱼类产量和降低能耗，节约水资源等方面取得的成效令人瞩目工业化养 鱼具有节约土地和水资源的优点，实现了变境养殖，适温养殖和高氧养殖。 总之，有了监测技术，水产养殖才可能向大规模、高水平、高质量发展，并节 约了水资源，大大降低了自然水产养殖所需的燃料等其他能源。因此，监测技术应 用于水产养殖不仅能够给渔业带来高产和安全，同时对于保护自然环境和节约能源 也起到了积极的作用。 1 2 工厂化养殖的国内外状况 1 2 1 国外状况及发展趋势 国外设籀渔业的发展已有相当长的历史。其养殖设施主要是工厂化养殖室、海 上养殖网箱等。目前，法国、英国等国家利用高度工业化的养殖设施养殖大菱鲆， 产量达5 0 千射平方米。日本和韩国，工厂化养殖牙鲆也有多年的历史，产量在3 0 千 克平方米。随着现代科学技术的发展，新技术、新材料在水产养殖上的应用非常广 泛。美国利用现代技术控制养殖所需的水温、p h 值、盐度等，日本利用先进的加温 设施保持养殖水体恒定的水温以满足养殖生物的需求美国利用生物处理水质技术 和改良投喂技术迸行南美自对虾商密度养殖试验，产量高达8 千克平方米以上，并 能保证南美自对虾的品质和质量。在工厂化养殖中。养殖用水的循环处理是关键。 目前许多国家都开展了工业化养鱼，其形式多样，但设施功能的基本特点是封闭循 环用水，并经过过滤净化，使水资源得到重复利用。比较先进的养殖模式有“美兹姆” 青岛大学硕士学位论文 模式：在鱼池中放置“生物包”，“生物包”下部充气增氧举水，每小时循环6 次，鱼池 养鳗单产可达到1 0 0 千克，平方米：丹麦d a l 模式：水处理系统与鱼池并列。废水经过 转筒过滤器去除悬浮物，由浸液式滤池去除硝酸盐，再经滴滤池去除氨及亚硝酸盐， 然后用纯氧增氧，臭氧及紫外线杀菌消毒；西班牙“博蓝菲”模式：水循环过滤装置 是用玻璃纤维和聚酯树脂制成的压力罐，分机械过滤和生物过滤两种，最大流量3 5 0 立方米4 , 时；d k f 模式：养鱼车间有充气屋顶，保温性好，鱼池增氧为充气式，并 可根据鱼体大小改变鱼池面积，保持适当的养殖密度，车间两侧设置蔬菜种植系统， 已净化水质等。 此外，挪威等北欧沿海国家，深水网箱的发展十分迅速。2 0 0 0 年挪威网箱养殖 产量4 6 万吨，养殖成鱼总产值高达1 3 亿美元，9 5 的养殖成鱼出口到国外。另外， 国外养鱼平台的发展也很迅速，瑞典f a r m o c e a n 公司1 9 8 5 年研制的养殖平台将养殖网 箱与工作站组成一体，日本在北海道、熊本、爱媛进行平台养殖网箱群试验，均取 得了理想的效果。 1 2 2 我国水质监测发展状况 目前在国外工厂化高密度养殖系统中，程序控制技术的研究与应用非常先进。 国外较普遍采用通用控制系统和工业程序系统两种自动控制系统，对养殖池内的溶 氧、p h 、温度，室内湿度、太阳辐射、能耗、电导率、混浊度，以及监测管理水质、 投饵、泵、阀门、增氧机、空气压缩机等都可以通过微机实现整个系统的自动化控 制。例如，挪威一个8 0 0 0 平米的养鱼工厂只有两个人管理，丹麦5 0 0 0 平米的养鱼工 厂只有一个人管理，德国出现了无人管理的养鱼工厂。 我国的工厂化养殖业起步于2 0 世纪7 0 年代，仅比国外落后l o 年左右。但3 0 年来， 对养鱼工厂的内部设施建设重视不够，科研滞后于生产，工厂化养鱼应具备的高溶 氧、控温、水质净化技术还比较落后，大部分车间里只有简单的加温和充气设备， 养殖密度很低。只有很少一部分车间配备了臭氧漕毒、液态纯氧增氧设备池底捧 污和水体净化技术落后，不能满足循环使用的需要，只能靠大换水的方法来改善水 质，不但浪费能源，污染环境，造成污水排放区的富营养化，而且水质始终保持在 低水平、饲养密度小、饵料系数高、病毒逐渐增多，直接影响了水产养殖业的发展。 另外，在养殖条件自动控制方面，我国处于初步发展阶段，加上配套的高密度养殖 工艺也不成熟，致使我国的海水工厂化养鱼单产仅在每平方米l o 千克左右，与国际 上每平方6 0 千克的水平存在相当大的差距。目前我国所谓的工厂化养鱼，大部分仍 处在大棚养殖的生产方式阶段，绝大部分工作靠人工来完成，停留于准工业化水平， 而国际上普遍处于工业化向后工业化发展的阶段。 2 第一章前言 1 2 3 未来渔业养殖的发展方向 人与环境的协调发展是人类的一个永恒主题如何发展清洁，安全、健康、高 效的水产养殖业，使其既能满足需要又不至于污染环境，实现可持续发展是一项重 要的课题。目前，工厂化养鱼日益受到国内外专家学者的普遍关注，被认为是解决 养殖业与环境和谐问题的出路之。因此，今后工厂化养殖业发展过程中，保护环 境将是前提条件，封闭式内循环养殖方式已经成为发展方向。工厂化养鱼中的技术 关键是养殖用水的净化处理及重复利用，即建立循环水养殖系统。如何保持循环水 养殖系统孛致生态平衡，有效清除养殖鱼类捧泄麓有规物稻氮等有害物质是一个复 杂的技术问题。现行应用较多的是物理沉淀结合生物膜处理方式，生物膜处理中， 温度、盐度、营养盐含量、溶解氧浓度是影响硝化过程的关键因素。与流水养鱼相 比，循环养殖系统的p h 值较稳定，水质更好，而且不需要太多的人力资源，同时降 低了成本特别是循环养殖系统用水量少，对周围环境没有污染，同时也减少了外 源水病原微生物的入侵。 海水工厂化养鱼是工程技术与海洋生物科学的有机结合，被认为是国家发展海 洋生物资源高增值利用的一个方向，世界各地出现了许多由装备技术支撑的大型、 超大型养鱼工厂，其中包括鱼藻共生，遥控无人养鱼车间，使水净化到适合鱼类生 长的超自然状态，达到按标准排放无环境污染的生产，优质高产，科技附加值超过 了8 0 * * 。体现了养鱼业当今时代的知识经济特征因此，封闭式内循环高密度的集 约化莽蕴将成为未来渔业可持续发展的必然趋势敷主流。 1 3 论文研究的内容、目的和意义 1 3 1 论文研究的主要内容 0 ) 7 解并掌握温度、p h 电极、溶解氧、电导率传感器的工作原理及特性，应用 这些传感嚣进行水质参数的测量 ( 2 ) 设计水质监测仪的软、硬件 该系统是一种新型的，基于物理和电化学传感器的测量装置，它可以测定四个 参数，其中包括营养成分如溶解氧，另外还有水温、酸碱度和盐度其特点是采用 投入式复合探头，只要将经过简单校准的传感器投入水域中，即可测出上述四个参 数，避免了取样测定的操作，完成“实时”和“在线”测量。 多功能、多参数水质篮溺仪的主要任务是采集模拟信号，经过a d 转换，将数 字信号传递给现场上位机，并由上位机通过电话公用网与远程监控机进行数据交换。 多功能、多参数水质监测仪硬件部分由主控单元和模拟信号调理电路两大部分 组成，其中主控单元由主控m c u 芯片、看门狗定时器、通信电路、a d 转换电路组 3 青岛大学硕士学位论文 成；信号调理电路由水温、酸碱度、溶解氧、盐度等传感器及其模拟信号的提取、 放大等部分组成；为了方便调试与观测，还设计了键盘输入和l c d 显示部分。整个 系统采用全封闭结构以防潮、肪腐。 ( 3 ) 多台水质监测仪通过r f 2 0 0 0 与一台工控机相连。从而实现多点同时采集数据 并由一台现场上位机统一监测。 ( 4 ) 设计一套多功能、人机界面灵活的上位机监测程序，下位机构成一个较完整 的监测系统。 上位机采用功能强大的工控枧，具有使用寿命长、抗于扰能力强、长期运行稳 定、耐腐蚀等特点。上位机软件具有异常处理功能，以增加程序的抗干扰能力，可 以实现对水温、溶解氧、酸碱度、盐度的自动监测，同时具有数据保存、自动报警 等功能。 1 3 2 论文研究的目的和意义 工厂化渔业生产要提高产量、增加生产豹稳定性就离不开鉴测技术。通过监涮 鱼类的生活环境，我们才知道鱼类是否生活在一个最佳的理性环境中，从而对其进 行调整，使其适合鱼类的生长，减少水产养殖者的风险损失，使鱼类生产达到稳产、 高产，为人们提供质优价廉的鱼类产品。另外，封闭、循环式工厂化渔业生产大大 减少了对江河湖海的污染，并节约了水资源，大大降低了自然水产养殖所需的燃料 等其它能源。因此，监测技术应用于水产养殖不仅能够给工业化养鱼带来高产和安 全，同时对于保护自然环境和节约能源也起到了积极的作用。 自动监测技术应用于水产养殖的重要作用已越来越得到我国水产养殖界的重 视，该项技术在水产养殖业中的应用，将会极大地促进水产养殖业的健康发展。它 不但可以避免传统的离线检测( 主要是手工化学测定) 中存在的耗时费力、数据不全 等弊端，还可以随时了解各数据的变化情况，并对环境参数进行主动控制，使水产 养殖管理达到个“新境界”。它可以为渔业生产人员提供准确、鲜活的实验数据， 能够使人们对水产养殖过程的规律有更进一步的认识。从而优化养殖工艺、降低养 殖成本、提高养殖效益，为水产养殖科学的持续发展奠定基础。因此，研制种适 合于工厂化渔业生产的多功能、多参数水质监测仪具有重要的实际意义及科学理论 价值。 本章小结 本章首先介绍了本论文提出的背景；然后介绍了工业化养殖的国内外发展状况， 尤其强调了对于我国这样一个人口负担比较重的国家，发展大规模的工业化养殖势 在必行，指出了未来渔业养殖的发展方向；最后介绍了论文研究的内容、目的和意 义，指出来本文的主要研究工作和监测技术应用于水产养殖的意义。 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 2 1 硬件设计总体概述 本系统是以两台p c i 控机分别作为远程监控机和现场上位机，多台单片机控制 器作为现场下位机远程监控计算机和现场上位机通过调制解调器( m o d e m ) 接入公 共电话网，利用电信部门的交换设备进行信息交换与数据传输，节省了网络的硬件 配置；采用r f 2 0 0 0 无线射频技术实现下位机与现场p c 机之间的数据交换，从而构成 计算机分布式监控系统，对现场各个鱼池水质参数进行自动监测和控制。监控系统 框图如图2 1 所示 图2 。l 多功能、多参数水质监测仪结构框图 在本设计中选择c y g i l a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为主控c p u 。由于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单 片机内集成了八路1 2 位a d 与二路1 2 位d a 转换模块，所以不需外加a d 与d a 转换 青岛大学硕士学位论文 模块，只需通过信号调理电路将传感器采集的信号进行放大，使其满足 c 8 0 5 1 f 0 2 0 a d 转换模块的电压要求即可。另外，c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机本身具有4 k b 字 节e 2 p r o m ，可对多功能、多参数永质监测仪的一些重要数据迸行临时保存完整 的数据将由远程监控计算机进行保存，以便查询。 以上介绍了水质监测仪的硬件总体设计及下位机与现场计算机之间的通信方 式。多台监测仪可以通过r f 2 0 0 0 与一台计算机相连，按照多台下位机、一台现场上 位机的形式进行水温、酸碱度、溶解氧、盐度的监测这种多点同时采集数据的方 法可以节约一定的人力，财力，便于统一管理和监控。 2 2 四种测量参数的实现 由于客观实验条件限制，本监测仪主要对水体的比较基本和重要的四个参数进 行了测量。这四个水体参数是最基本参数，分别是；水温、酸碱度、溶解氧、盐度， 而且我们也具备所需的实验条件 水温、酸碱度、溶解氧、盐度这四个参数都是非电垂，监测仪需要对这四个非 电量进行采集、测量。 由于传感器要长期放在水中进行水质监测，而一般电极若整体浸入水中，水势 必会从接线端进入导线内，致使测定工作无法正常进行因此本仪器采用了特殊的 机械密封措施，将电极的接线端密封起来，防止进水。为了使所测数据具有可比性， 同时也是为了使用方便，本仪器将测量水湿、酸碱度、溶解氧，盐度的这四只传感 器集中放在同一个密封头内，这样可以使所测的水温、酸碱度、溶解氧和盐度数据 达到同时、同地、同步的要求，从而保证了测量结果的科学性。 以下分别对水温、酸碱度、溶解氧、盐度的测量原理和具体实现方法进行介绍 2 2 1 水体温度的测量 本系统采用a n a l o gd e v i c 髓公司的集成温度传感器a d s 9 0 ，实现对水体温度豹测 量a d 5 9 0 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，它的主要特性如 下： ( 1 ) 温度每增加l ，它会增加1 i l a 的电流。 ( 2 ) a d 5 9 0 的测温范围为5 5 + 1 5 0 c 。 ( 3 ) a d s 9 0 的电源电压范围为4 v 3 0 v 。电源电压可在4 v 6 v 范围变化，电流变 化l l a ，相当于温度变化i k 。a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 0 v 反向电压，因而器 件反接也不会被损坏。 “) 输出电阻为7 1 0 m f l 。 ( 5 ) 精度高。a d 5 9 0 共有i 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高，在5 5 c + 1 5 0 6 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 范围内，非线性误差为士o 3 由上面的介绍可以看出：a d 5 9 0 有良好的线性度和一致性，同时具有体积小、 使用方便、成本较低的特点，完全适合于水质测温的需要。a d 5 9 0 一般采用金属壳3 脚封装，其中l 脚为电源正端v + ；2 脚为电流输出端i o , 3 脚为管壳，一般不用。其基 本测温电路如图2 2 所示。 万 棚如鱼 孤r 上 在被测温度一定时，a d 5 9 0 相当于一个恒流源，把它和5 - 3 0 v 的直流电源相连， 并在输出端串接一恒值精密电阻，在本设计中精密电阻阻值为5 k f 。这样，电阻上 流过的电流和被测温度成正比。在2 5 1 2 时，a d 5 9 0 输出的电流值为2 9 8 2 恤a ，精密电 阻两端的电压是1 4 9 1v 由此我们可以计算被测水体的温度值，计算公式如式2 - ( 1 ) - r ：三竺矿一2 7 3 2 ( 1 ) 1 4 9 1 、7 其中障示电阻两端的电压，单位：nt 为所测温度，单位： 在实际应用中a d 5 9 0 存在绝对值误差，一般要把这一误差去掉，以保证测量的 精确性，这就需要我们用精确度较高的温度计对a d 5 9 0 进行校准，如我们在2 5 c 时 测得a d s 9 0 输出电流的误差为e ，a d 测量所得的电压y 中包含了一个绝对值误差 4n 这时温度的计算公式改为式2 一( 2 ) ： r = 两2 9 8 + ( 矿一a v ) 一2 7 3 2 - ( 2 ) 由上位机按照2 - ( 2 ) 式进行计算，就可得到温度值。 2 2 2 酸碱度的测量 p h 值是水溶液酸碱度的标志。在测量p h 值时。使用了上海精密科学仪器有限 公司生产的e - 2 0 1 - c 型塑料壳可充式复合p h 电极。被测溶液的酸度不同。p h 复合 电极产生直流电位的不同，这样就可以将酸碱度转变成电信号进行采集。在水溶液 酸碱度的测量中，玻璃电极作为测量电极，甘汞电极作为参考电极，当氢离子浓度 7 青岛大学硕士学位论文 发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着引起变化，这就是p h 复合 电极的测定原理。玻璃电极头部球泡是由特殊的敏感薄膜制成，是电极的主要部分， 它仅对氢离子有敏感作用。当它漫入被铡溶液内。被测溶液中氢离子与电极球泡表 面水化层进行离子交换，球泡内层也同样有电位产生，由于内层氢离子不变，而外 层氢离子在变化，反而使内外层所产生的电位差发生变化。 当一对电极形成电位差等于零时，被测溶液的p h 值为零电位p h 值，一般为7 。 而电势变化关系符合式2 - ( 3 ) ： a e ：- 5 8 1 6 + 百2 7 3 + t + 丝 2 - ( 3 ) 2 9 3 式中：a e 表示电动势的变化量，以毫伏为单位；a p h 表示水溶液的p h 值相 对于7 的变化量；t 表示被测溶液的温度值，单位是摄氏度。 由2 - ( 3 ) 式可得水溶液中p h 值的计算公式为： p h = 7 - 二卫+ 2 2-(4)581627 3 + l y 是所测电压值，圪是在p h 值为7 的水溶液中，传感器的零电位值，它们的 单位都是m 儿t 表示被测溶液的温度值，单位是摄氏度。 将p h 电极放在溶液中，根据被测溶液的酸度不同，p h 复合电极产生不同的直 流电位。由于电压跟随器具有缓冲、隔离的作用，所以将p h 电极的输出与电压跟 随器相连，从而避免后面的测量电路影响前端的测量电压，保证了测量电压的准确 住，p h 值测量电路如图2 3 所示。 圈2 3 p h 值测量电路 p h 测量中使用电极应注意的些问题： ( 1 ) 玻璃电极必须充分浸泡后方可使用 玻璃电极之所以具有氢电极功能，主要是其玻璃球泡是由碱金属的硅酸盐熔制 擘 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 而成的特殊的玻璃薄膜，这种薄膜玻璃经充分浸泡后。其硅酸盐水解形成活化的水 化层就能产生电极电位，具有了氢电极功能；若是干娱电极，因不能形成活化的水 化层也就不具有氢电极功能。薄膜玻璃的吸水量与浸澜程度直接关系蓟p h 铡量结 果。凡充分浸泡即浸润程度好的电撅，因电化转换系数商，电极内阻及不对称电位 迅速变小，因此在其形成的活化水化层中电极反应易达到平衡，电计示值不会漂移， 便于读数，测量结果准确；反之结果必然误差很大甚至使测量无法进行 浸泡时问与玻璃组成、薄膜厚度有关，一般新制电极及玻璃电导率低、簿膜较 厚的电极浸泡聪同以2 4 小时为宣；反之浸泡时阈可短些， ( 2 ) 测量温度对电极的影响 温度对玻璃电极电化转换系数有影响，其变化为o 1 9 8 3 m v 在不同温度 下测同一溶液的p h 值数据是不相同的，因此p h 计上都设置了温度补偿器用以抵消 温度变化引起的误差。在p h 测量中使用者必须把温度补偿器线标放在被测液温上， 选择该温度下标准缓冲溶液对应的p h 值作定位的示值，然后再测被测液的p h 值。 温度对玻璃电捉的“碱误”有关，温度越赢。“碱误7 键大i 另外甘汞怠强只就 在( o 7 0 ) 范围内使用，温度超过7 0 c ，甘汞易于分解而使电极不稳定。给测量带 来困难与误差 温度对玻璃电极的内阻及不对称电位的变化有很大影响电极在较高温度溶 液中浸泡或测量，由于其内阻及不对称电位迅速变小。电计示值就能很快稳定且较 准确；反之电计示值就会不断漂移，稳定很慢，误差也大， 测量过程中温度变化或标准缓冲溶液与被测液溢不一致时也将产生误差或示 值不稳。这是因为内阻越高的玻璃电极要求温差变化越小；而且甘汞电极具有温度 滞后性，对温度的变化也要求尽量减小才能使电极电势稳定。因此在p h 溯量过程 中必须使标准缓冲溶液与被测液液温尽量接近并保持恒定 2 2 3 溶解氧含量的测量 承中溶解氧( 简称d o ) 含量多少是水体质量的一个重要指标。水中溶解氧的定义 是：每l 千克水溶液中含有的氧的毫克数，单位是：毫克，千克( m g ，l ) 目前普遍采 用专用仪器代替化学法测定溶解氧含量，然而除进口高档产品外，国内仪器普遍存 在着准确度低，显示数据不稳定，使用标定复杂，各种补偿功能不足的缺点。本设 计中的监铡仪采用新型氧传感器，可以弥补以上不足。 2 2 3 。i 溶解氯测量原理爱方法 氧传感器亦称氧电极。本设计采用特制的极谱型氧电极，以消除流动对溶氧测 量的影响。为了降低成本，文中设计的水质监测仪使用了塑料极谱型复膜氧电极 电极的阴极由扣- 4 m m 黄金片组成，阳极即参比电极由银丝组成，两极间充以电解 9 青岛大学硕士学位论文 液，顶端用圪薄膜覆盖。当在阴极与阳极间加0 7 v 左右极化电压后，渗透过薄膜 的氧在阴极上还原，发生如下反应： 阴极：0 5 + 2 既0 + 4 p 哼4 0 t l 一 2 - ( 5 ) 阳极：4 以+ 4 c l - 一匏寸4 叙d2 ( 6 ) 由于电极上发生氧化还原反应，电子转移产生的电流正比于鱼池中氧分压，无 氧时氧电极无电流产生，有氧时，其电流大小正比于溶液中氧浓度。氧在阴极上还原， 电极输出电流，其大小受制于多种因素，去掉电极表面状况的变化等不定因素，电 极电流与鱼池中氧浓度的关系可描述如下： l d = 踟醛鼍c i 2 - ( 7 ) 从2 - ( 7 ) 式中可知，根据测得电流的大小，可知鱼池中氧浓度。这就是极谱型复 膜氧电极测量的定量依据。2 - ( 7 ) 式中，l 为扩散电流，e 为鱼池中的氧浓度。这里 所选用的氧电极比例系数k 为l ，得到公式2 ( 8 ) ： i 。：n f s 弩c i 山 2 - ( 8 ) ”反应中电子得失数； 匕一薄膜的透氧系数； 三一透线膜厚度； c ，一鱼池中溶解氧浓度； s 一阴极面积： f 一法拉第常数： 由上面的分析我们可以得到氧浓度与电流的关系为： e = k l a 2 - ( 9 ) 2 ( 9 ) 式将扩散电流对氧浓度的反应描述为线性关系，是仪器测氧的定量基础。 极谱型复膜氧电极的输出特性线性度很好，在从0 到1 0 0 的氧浓度范围内都呈 直线关系。当接触传感器周围的氧气浓度发生变化时，从传感器输出开始变化到最 终输出9 0 0 4 所需的时间不大于1 0 秒。该传感器具有结构简单、体积小、重量轻、可 在常温下使用等特点，且能在0 1 0 0 的氧气浓度范围内精确地测定氧气浓度。 只有在氧电极的两端加上o 7 v 左右的电压，氧电极才能正常工作。氧电极取得 0 t v 极化电压的方法如图2 4 所示，调整k r i l 可以改变d o + 的电位，调整k r l 2 可以改变d o - 的电位。调整到适当位置使d o + 和d o - 之间，即氧电极之间的电压为 0 7 v ，就得到了极化电压。从氧电极得来的是比较微弱的电流信号，因此需要将电 流信号转换成电压信号，图2 4 后半部分即为电流转换成电压的电路连接图。其中 热敏电阻r ，j 对薄膜的温度特性进行补偿。 1 0 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 鹭 “ 嫠 量 一 舀 圈2 4 氧电撮取得o 7 极化电压电路图 经过图2 4 转换成微弱的电压信号，仍然不能满足a d 转换所需要的电压，所以 还需要信号放大调理，电路连接方法如图2 5 所示 图2 s 溶解氧信号调理电路 转换后的电压信号与第一级运算放大器的反相输入端相通，由图2 5 中可以看 出电压信号被放大了1 0 倍，这样就得到了适合a i d 测量的电压信号。热敏电阻墨：完 成对温度的二次补偿，这样就确保了氧电极的民薄膜在测量时不受温度的影响，从 而保证了测量精度。测得这一电压信号后，由式2 ( 1 0 ) 就可以计算出溶液中的氧含 青岛大学硕士学位论文 量c j 。 c = 肼+ k 2 - ( 1 0 ) 由前面的介绍可知，针对于每次测量比例系数k 为定值，k 是测量通道的零 漂电压值，这两个值都需要对氧电极进行定标来确定。 2 2 3 2 溶解氧定标及补偿计算 在氧电极使用前，耍对其进行定标。由于温度和盐度对溶解氧测量影响较大， 因此需进行温度和盐度补偿。另外，大气压力对溶解氡的测量也有一定的影响，由 于大气压力随海拔高度而变化，大气压力越高，水溶解氧的能力就越大。本仪器主 要应用于近海区，基本上可以保证一个标准大气压，即1 0 1 3 k p a ，因此，大气压对 溶氧测量的影响可不予以考虑。 ( 1 ) 定标 电极表面状况的变化非常缓慢，它在某次测量中对2 - ( 1 0 ) 式中置的影响可看成 是一个常量。通过重新计算盖值来消除某些因素影响的过程，就称定标。定标的操 作过程如下：将电极置于已知氧含量的标准样品中( 空气或水) ，测出仪器的输出电 压值，就可由2 - 0 0 ) 式计算出在此温度和电极状态下的k 值。如我们在2 5 c 对氧电 极进行碘量法定标，当纯水溶液的氧含量为7 8 5 m g l 时，仪器测得电压值0 6 8 4 2 v ； 氧含量为9 3 5 m g l l 时，电压值为o 8 1 5 8 矿，由此，置和k 就确定了，得到由测量 电压计算氧含量的公式 c j = l i 4 v + o ，0 52 - ( t1 ) 仪器不断采样并据2 ( 1 1 ) 式计算出补偿前的溶解氧值c 。，再由软件完成温度、 盐度影响因素的补偿，就可求出被测水样真实的溶解氧含量d o 。 ( 2 ) 温度对溶氧测量的影响 养殖水体中的温度除了昼夜变化外，随着季节的不同差别较大。温度对溶解氧 测量的影响主要有两个方面：一是电极薄膜透氧系数p a l 是温度的函数，般温度 越高，薄膜的渗透性越好；二是氧的溶解度是温度的函数，温度不同时，氧在水中 的溶解度不同，它们之间基本上满足线性回归方程的关系，见2 - 0 2 ) 式。 c = 1 4 6 0 3 0 7 0 4 0 2 1 4 6 9 t + 0 0 0 7 6 8 7 0 3 t 2 0 0 0 0 0 6 9 2 5 7 5 t 3 2 - ( 1 2 ) 式中：e 为氧溶解度。 为了消除第一个因素的影响，氧电极配有两个热敏电阻对薄膜的温度特性进行 补偿，如图2 5 所示。为了消除第二个因素，需要对建立起来的仪器测氧的定量关 系式加以补偿。对测得溶解氧进行温度补偿的具体方法就是将测定温度下所得读数 c 乘以一个比例系数g ，如式2 - ( 1 3 ) 、2 - ( 1 4 ) 所示。 d o = e + 口2 - ( 1 3 ) 第二章多功能、多参数水质监测仪硬件设计 9 2 岳 2 州) 式中：c 。为测定温度下的氧溶解度；c o 为校准温度下的氧溶解度。 程序采集定标温度，被测水体温度，由现场上位机计算出比例系数鼋。将测定温 度下的溶氧值乘以盯，就完成了温度补偿计算。 ( 3 ) 盐度对溶氧测量的影响 水中氧的溶解度随着含盐量的增加而减少，实际使用中，总盐量在3 5 9 n 以下显 线性关系。含盐量为n ( g ，l ) 的水中氧的溶解度可从相应的纯水中的溶解氧减去n a c , 值得到，厶e 值与温度t 可拟合为如式2 - ( 1 5 ) ： a c , = o 0 0 0 0 4 t 2 0 0 0 3 t + 0 0 9 22 - 0 5 、 综合以上关于定标及温度和盐度对溶解氧影响的讨论，可以得出结论：定标后， 仪器在某温度下测得的数值并不是溶液真正的溶解氧含量，需要根据式2 - 0 动、 2 - ( 1 3 ) 、2 - ( 1 4 ) 和2 - ( 1 5 ) 进行温度和盐度补偿计算才能得到真实值。 下面举例说明温度和盐度对溶解氧测量的影响及补偿方法。按前面所述，在2 5 c 对氧电极进行标定，得到式2 - 0 1 ) ；实际测量中温度为i o c ，仪器测得电压为 0 6 0 9 6 v ，由计算公式2 - ( 11 ) 求出补偿前溶解氧值为7 m 叽，表2 1 给出补偿前后溶 氧值与真实值的差值，其中将碘量法测得的溶氧值7 5 2 m g l 作为真实值。由表2 1 可以看出，要想保证溶氧测量的精度，必须进行温度、盐度的补偿，在本设计中。 氧电极定标、补偿计算都是由上位机来完成的式2 - ( 1 6 ) 给出完整的温度和盐度补 偿运算，其中2 5 c 下氧的溶解度是8 2 5 m g l ，溶液盐度为3 5 表2 1 沮度、盐度对溶解氧的补偿 温度、盐度补偿后温度补偿后i 未补偿 i 溶解氧绝对值误差溶解氧 i 绝对值误差l 溶解氧 绝对值误差l 7 5 8 m g l0 0 6 m g l9 5 5 n w ll1 9 7 m f lj7 m g l- 0 5 8 m g l d o ：c j c i o - _ ：n * 一a c t o 2 - ( 1 6 ) u 2 5 其中c l 。= 1 4 6 0 3 0 7 - - 0 4 0 2 1 4 6 9 * 1 0 + o 0 0 7 6 8 7 0 3 1 0 0 - - 0 ，0 0 0 0 6 9 2 5 7 5 * 1 0 0 0 = 1 1 2 5 c l 。= - 3 5 + ( o o 0 0 0 4 1 0 0 - 0 0 0 3 。1 0 + 0 0 9 2 ) = 2 3 1 得到d o = 7 + ( 1 1 2 5 - 2 3 1 ) 8 2 5 - - - 7 5 8 。 2 2 4 盐度的测量 为了表示海水中化学物质的多少，通常用海水盐度来表示。海水的盐度是海水 含盐量的定量量度，是海水最重要的理化特性之一，它与沿岸径流量、降水及海面 蒸发密切相关。 青岛大学硕士学位论文 2 2 4 1 盐度的定义及计算公式 水溶液的盐度也是影响水质的另一个重要水质参数。长期以来人们对此进行了 广泛的研究和讨论。绝对盐度是指海水中溶解物质质量与海水质量的比值。因此要 精确地测定水中的绝对盐量是一件十分困难的事情。所以，随着盐度的测定方法的 变化和改进，在实际应用中引入了相应的盐度定义。 一，克纽森盐度公式 在本世纪初，克纽森( k n u d s e n ) 等人建立了盐度定义，当时的盐度定义是指在 l o o o g 海水中，当碳酸盐全部变为氧化物、溴和碘以氯当量置换，所有的有机物质全 部氧化之后所含固体物质的总数。其测量方法是取一定量的海水，加盐酸和氯水， 蒸发至干，然后在3