（测试计量技术及仪器专业论文）基于plc的曝气池溶解氧自动监测控制系统.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着人们对环境问题的日益重视，我国污水处理厂越来越多。然而由于我国污水处理的自动化 程度较低，同时污水处理中能耗较大，导致我国大部分污水处理厂运行效率低下、成本过高。活性 污泥曝气池不仅是污水处理中极为重要一个环节，而且是整个污水处理厂中能耗最大的一部分。溶 解氧含量是曝气池中极为重要的参数，其过高或者过低都将影响污水处理的效果和成本。 本学位论文对曝气池溶解氧的检测和控制展开研究工作，提出一种智能化的溶解氧监测控制系 统的设计方案。该系统以p l c 为中央控制单元，结合溶解氧检测仪、触摸屏和变频调速器等实现了 曝气池溶解氧测量和节能反馈控制。通过p l c 白带的p i d 控制功能和变频调速器来控制曝气电机转 速，整个系统可以大大提高我国污水处理自动化程度和降低污水处理能耗，具有广泛的应用前景。 同时本论文完成了一种基于g l i5 5 4 0 溶解氧传感器的智能溶解氧测试仪样机( s g y o 一0 1 型) 设计。通过数字化的设计方法，该检测仪能以较低的成本实现溶解氧的实时检测( 测量范围 0 - 4 0 p p m ) ，同时还具有温度补偿、测量数据实时l c d 显示和测量结果标准信号模式( 4 - - , 2 0 m a 电流 信号和0 5 v 电压信号) 输出等功能，具有较高的性能价格比。该样机可用于曝气池溶解氧自动监 测控制系统，对进一步降低污水处理成本具有积极意义。 论文中详细描述了溶解氧自动监控系统的组成原理给出了p l c 和触摸屏的程序设计以及智能 溶解氧测试仪样机的系统硬件设计和基于c 5 l 语言的软件程序设计，并提出了改进方案。 关键词：溶解氧，p l c ，触摸屏，变频调速器 i i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e g a r dt ot h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，m o r ea n dm o r ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s a r eb u i l d i n gi no u rc o u n t r y h o w e v e r , d u et ot h el o wa u t o m a t i z a t i o na n dh i i g he n e r g yc o s ti nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s e s ，m o s tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t si nt h ec o u n t l f fa r er u n n i n gw i t hl o wt r e a t m e n t e f f i c i e n c ya n dh i g ht r e a t m e n tc o s t t h ea e r a t i o nb a s i no fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sn o to n l yt h em o s t i m p o r t a n to p e r a t i o n a lp a r t ，b u ta l s ot h em o s te n e r g yc o n s u m p t i o np a r ti naw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h e d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) l e v e li st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ea e r a t i o nb a s i n ，w h i c hw i l lh a v et h e d i r e c te f f e c to nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n dc o s t t h et h e s i sf o c a s e so nt h er e s e a r c ho fd om e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l i nt h ea e r a t i o nb a s i n a n db r i n g s f o r w a r da ni n t e l l i g e n td om e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ca n dw i t ht h eu s eo f d om e t e r 、 t o u c hs c r e e na n dv a r i a b l e 行e q u e n c yd r i v e ( v f d ) ，t h es y s t e mc a na c h i e v et h em e a s u r i n ga n dc o s t s a v i n g c o n t r o l l i n go f t h ed ol e v e li nt h ea e r a t i o nb a s i n w i t ht h ea p p l i c a t i o no f t h ep i dc o n t r o l l e ro f t h ep l ca n d t h eu s i n go f v f d ，t h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e dt oi m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e la n dr e d u c et h ec o s to f t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t si no u rc o u o t r y a l s o ，t h et h e s i sg i v e sap r o t o t y p ed e s i g no fa ni n t e l l i g e n td om e t e rb a s e do ng l i5 5 4 0d o s e n s o r t h r o u g i ld i g i t a ld e s i g nm e t h o d s ，t h ed om e t e rc a na c h i e v et h er e a l t i m em e a s u r e m e n to f d o ( 1 - - 4 0 p p m ) 、 t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 、l c dd i s p l a ya n ds t a n d a r ds i g n a lo u t p u t s “- 2 0 m ac u r r e n tm o d ea n do 5 v v o l t a g em o d e ) i th a st h ef e a t u r eo f h i g h - a c c u r a c ym e a s u r e m e n t , h i g hs t a b i l i t ya n dl o wc o s t t h et 1 1 e s i sd e s c r i b e st h eo p e r a t i o nt h e o r yo ft h ei n t e l l i g e n td om e a s u r e m e n ta n dc o n 订o ls y s t e ma n d g i v e st h ep r o g r a md e s i g no f p l c a n dt o u c hs c r e e n ，h a r d w a r ed e s i g no f t h ed om e t e ra n ds o f t w a r ep r o g r a m d e s i g nb a s e do nc 5 1l a n g u a g e a tt h ee n do f t h et h e s i s ，s o m es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n t a l ep r o p o s e d k e yw o r d s ：d i s s o l v e do x y g e n ，p l c ，t o u c hs c r e e n ，v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e r 儿i 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大：学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同i ：作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 二、关于学位论文使用授权的说明 签名：j 堡童 日期：丞! ! ! ：三 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除了在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可咀公布( 包括刊登) 论文的全部 或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 毡鲢 导师签名日期：幽：) ：超7 东南大学硕士学位论文 1 1 污水处理技术的发展概况 第一章绪论 水是人类生存的决定性冈素之一，给水一直是人类所必须面临的中心问题。污水问题是人类有史以来 一赢存在的，然而一业发展及t 讨= 界人口的大鼍增长使得这个问题变得尤其尖锐。我国改革开放取得了举世 瞩目的成就，其为提高我国的综合国力，改善人民的生活水平做出巨人贡献。但是在工业高速发展的同时 也产生了火鼙的废物和污水，正在威胁着地下水、河流、海洋和海滨等水源。未经处理的污水直接排入天 然水渊中会产生严重的后果： a ) 人量朱经处理的污水将使得其包含的污染物释放到水源中，从而引起了水中组分的各种变化( 物理 的、化学的利生物的等) ，这将导致整个水源在许多场合不能使用甚至带来各种危害。 b ) 污水渗漏、垃圾填埋、，【：业废物、化粪池和缺乏防渗的污水处理厂渗出的污水将会造成地f 水的污 染。 jc ) 污染将导致数亿立方米的生活s n t 业用水的损失。 d ) 海滩被污染，动植物遭到破坏。 环境保护是我国的一项基本国策，而污水处理是解决日益严重的水环境问题和水资源再利用问题的重 要技术措施之一，污水处理技术水平的高低将直接影响一个国家水环境质量。 i 1 1 污水处理过程 污水处理的目的是采用某种方法将污水中的污染物质分离出来，或者将其转化分解成对自然环境无害 无毒的稳定物质，从而达到净化污水的目的。流动的水体都有白净化能力，即一种使得水体中污染物转变 成有用或者无害物质的自然能力。这种自然的净化过程一般是通过混合、活性生物作用、部分悬浮物的沉 淀和清水稀释等过程在水簧充足的河流中发生的。一个类似于自然净化作用的过程，就是从充分利用空气 的氧气( 好氧i ：艺) 利用各种设备促进微生物和藻类的生长繁殖，并通过它们的话动进行污水中有机物 的降解。当排污齄超过水体的负荷能力时，氧气被耗尽需氧过程停止，厌氧过程( 缺氧) 开始。 污水处理的作川在丁i 加速自然净化的过程，使该过程以远高于自然过程的速度重复进行着。这种加速 是采用人_ 1 的乖l 比自然净化过程更为有效的步骤来完成的。 一般情况f ，污水处理要达到指定的要求必须包括以下儿个步骤： 一级处理：一级处理义1 u 预处理，是用物理过程去除水中粗大颗粒或悬浮物，减轻污水的腐化程度以 及后续处理i 艺的负荷，但水中仍含有其他污染物，这种水不能往河流和湖泊中排放。物理法中的大部份 只能完成一级处理的要求。 二级处理：一级处理也称生化处理，主要任务是人幅度地去除污水中呈胶态和溶解状态的有机性污染 物质，在沉淀池中进行重力沉淀去除污水中原有的污泥。 三级处理：三级处理是深度处理，应用物理化学和化学方法使水质达到用水要求，它一般是指有溶解 氧存在的生物处理( 好氧r 艺) 。 从污水处理1 ：艺流程看，城市污水有一级处理( 物理处理) 、_ 二级处理( 生化处理) 和三级处理( 深度处理) ： 丁业废水由丁水质复杂，应根据水质、水量、主要污染物等选择合适的处理单元和流程。通常城市污水均 采用一二级处理1 艺，一个典型的城市污水处理流程如图1 1 所示。 第1 贞共1 0 6 页 东南人学碗十学位论文 水 泵 i 强 硬处理弪一鳋处理 格 拇 沉 酚 到曜蠼蠼 流 置置 1 1 2 污水处理的方法 均 化 i i 蝮 = 锺妊瑶 鞋 l i i 蛙 三鳆处理 磊吲! 麓： ，_ j i 敲 一 蓄污泥用 图l ，i 典型的城市污水处理流程 掂撇 姑 利 用 处量戚利用 污水处理的方法很多，按照作用原理可以分为： 1 ) 物理法，主要是通过物理作用来分离或同收污水中悬浮状的污染物质；该方法应用的工艺有沉淀法、 筛滤截留、重力分离、离心分离等；而使用的处理设备和构筑物有格栅、筛网、沉砂池、沉淀池、滤池、 微滤机、气浮装置、离心机、旋流分离器等： 2 ) 化学法，根据污水中污染物的类型，通过添加某些化学物质产生化学反应米分离或者回收污水中的 溶解性污染物质，使其转化为无害的物质，达到净化污水的目的：常用方法有中和法、混凝法、化学沉淀 法、氧化还原法、吸附法和离子交换法等； 3 ) 物理化学法，即通过物理和化学的综合作用过程来分离污水中的溶解性污染物，从而使得污水得到 净化的方法，如吸附、萃取、离子交换和膜分离等方法； 4 ) 生物法，即为采用一定的人i 措施，创造有利丁微生物生长和繁殖的环境，使微生物大量繁殖，使 污水中的有机污染物分解或者转化为简单物质的过程；根据微生物的种类，生物法处理可分为好氧处理和 厌氧处理两种：常用的方法有活性污泥法、生物膜法、自然生物处理法和厌氧生物处理法等。 城市生活污水和i 。业污水中的污染物是多种多样的，仅仅使用一种处理方法是不可能把所有的污染物 都去除，往往需要通过由几种方法组成的处理系统进行污水处理。才能处理达到要求的程度。i ；t 前，我国 绝大多数城镇污水处理一都采用运行稳定、操作简易且处理成本较低的生物处理工艺，包括普通活性污泥 法、接触氧化法、氧化沟法、a b 法以及s b r 法等，其中以活性污泥法最为普遍。 1 1 3 污水处理中的节能问题 随着我国经济的平稳增长和人民生活水平的f ：t 益提高，我们国家及地方政府对环境问题越米越重视。 近年来，我国污水厂的数量增长越来越快，解决污水处理中的节能问题目益重要和紧迫。相关数据表明， 在污水处理过群中净化效果比较明显的方法为活性污泥法、曝气氧化塘、焚烧、厌氧消化以及好氧消化等， 而这些方法恰好又是能耗较大的处理方法。对于我国大多数城镇污水处理厂都采用的活性污泥法，曝气系 统是其中的关键装置，同时它也是污水处理厂能耗的主要环节，一般其电耗占全厂电耗的6 0 7 0 ，因 此解决曝气系统的节能问题对于降低污水处理过程中的能耗具有尤为重要的意义。 第2 贞共1 0 6 页 东南大学硕：l 学位论文 1 2 课题的背景及研究的主要内容 1 2 1 课题的背景 目前我国城市污水处理厂一般都采用高速离心风机对曝气池进行充氧。高速离心风机大多采用鼠笼式 异步电动机拖动，进行恒速运行，当需要调节风量时，绝大部分污水处理厂采用挡板进行风量调节，因而 这种控制方式由于阀门的阻力使大量电能消耗在档风板上。 随着人们对环境问题的日益重视，我国的污水处理厂越米越多；在我国所建立的污水处理厂中，大部 分都采用活性污泥t 艺；而在曝气系统中，对于曝气风量的控制大部分采用较为耗能的挡板方式。面对我 国污水处理的形势，研制一种节能的自动化程度较高的曝气池溶解氧的监测控制系统显得十分重要。 1 2 2 课题的内容 一、基于p l c 的曝气池溶氧度自动监测控制系统设计与构建 - 整个系统的主要功能包括： 1 ) 溶氧度d o 检测传感器头的自动清洗，或者能提示用户及时清洗传感器头，以确保准确的测量结果； 2 )溶氧度测昔值的温度补偿：在不同的温度下溶氧度检测值与实际值将会有偏差，此自动监测系统应 能够自动对检测值进行温度补偿作用； 3 )使用变频调速来自动调节异步电机的转速，达到控制曝气池所含溶氧量的目的，从而获得最佳的污 水处理效果，同时人人：肖约电能损耗降低污水处理成本： 4 )能提供报警点输山功能：根据人工设置的报警点，当由于某种因素而使得曝气池溶氧度值过高或者 过低时，监控系统能发出报警信号； 5 )数据打印输出功能，包括定时打印( 具体时间可由人工设定) 和实时打印功能； 6 1数据传输通讯功能，通过r s 2 3 2 或者r s - 4 8 5 方式实现数据远程传输功能，可将数据传送至上位机， 或者接受上何机传输的控制指令，进行相应的操作； 7 )历史数据存储功能，能根据人j ：设置的存储时间间隔，来存储历史数据并提供查询、传送等服务： 8 1 校时功能，能够由人，r 或者上位机校准溶解氧自动监测控制系统的系统时间； 9 )能设置各种t 作参数，用户可以根据具体的丁作需要，设置如p i d 参数等各种参数： 1 0 ) 提供联机使_ j 说明，从而用户可以通过触摸屏查看此监控系统的各种功能使用说明。 以上各功能由p l c 和触摸屏共同编程来实现，其有较高的可靠性，可以用于干扰较大的工业现场，具 有良好的实川价值。 二、溶解氧测试土体仪表智能溶解氧测试仪样机设计 实现溶解氧臼动监测的首要条件是准确地测量曝气池污水中的氧气含量。本课题开展了基于美国g l i 公司5 5 4 0 型溶解氧传感器的智能化溶解氧测试仪的设计和研制工作，它以较低成本实现了溶解氧的精确 检测，具有良好的应用前景。 第3 页共1 0 6 页 东南人学硕j 。学位论文 1 2 3 研究理论及实际价值 曝气的目的就是保证曝气池中有_ 定的溶解氧浓度。本学位论文设计和研制的基于p l c 的曝气池溶解 氧自动监测控制系统，可根据曝气池中溶解氧浓度自动调节曝气电机转速来控制溶氧量，既能实现曝气池 供氧量的自动调节，义能以悼能的方式实现曝气鼓风机速度的调节。基于p l c 的曝气池溶解氧检测系统将 采州p l c 作为现场控制器，经过溶解氧传感器传送来的d 0 值，经过p i d 运算输山，通过控制变频调速器 来达到曝气风机电机的转速达到准确的控制，以保持曝气池中适量的溶解氧( 一般为4 m g 1 左右) ，这将 会使得曝气池中的好氧生物处于最佳的降解污水工作状态。 冈而，曝气池溶解氧的自动监测和控制系统对于提高我国污水处理厂的自动化程度，提高污水处理效 率，降低污水处理成本具有积极的意义和广泛的实用价值。 第4 页共1 0 6 页 东南大学硕士学位论文 第二章曝气池溶解氧监控系统总体方案设计 2 1 曝气池溶解氧监控系统组成 基丁p l c 的曝气池溶解氧白动监控系统，主要包括溶解氧测试仪、中央处理单元( 包括p l c 、a d 模块和d a 模块) 、变频调速器等几部分组成。整个控制系统的直观示意图如下图2 1 所示。 图2 1 曝气池溶解氧自动监控系统示意图 图2 1 中中央处理单元包含了a d 模块、p l c 控制系统、d a 模块，它们在工作过程中组成一个 j 环 控制系统。首先通过溶解氧测试仪对曝气池中的溶解氧( d o ) 进行检测，然屙将溶解氧值传送给中央处 理单元。在实际席川中，可以对曝气池内部溶解氧浓度进行多点检测，也可以一点检测。溶解氧值在传送 给中央处理单元后，中央处理单元( p l c 控制器) 通过a d 转换器将d o 模拟值转换为数字量。p l c 控制 器将d o 测簧值与设定值( 曝气池中理想的d o 值) 相比较，然后进行一些控制处理，再通过d a 或者直 接输出信号给变频调速器。溶解氧自动监控系统的组成部分框图如图2 2 所示。 2 2 溶解氧检测控制概述 图2 2 溶解氧自动监控系统方框图 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n 简称d o ) 是经过与大气接触或生物化学等作用而溶解在生活污水或其他液体 中的分子氧。溶解氧的计量单位为m g l 或p p m 。水中溶解氧含量可作为判断水体是否受到有机物污染 的一个重要指标。在静水中，水面的氧通过扩散作用进入水层，因此湖、塘等水域中溶解氧含量与深度成 反比；在动水中，紊流能氧气较快地溶入水中。 第5 页共1 0 6 页 东南大学硕上学位论文 溶解氧的含量与空气中氧的分压和水温有着密切关系。当压力增人时，溶解氧含量将增加。在自然状 态f ，空气中的含氧量基本不变，此时溶解氧与水体温度关系比较密切，水温愈低时，溶解氧含量愈高。 水中的溶解氧含颦并不大，并且是动态变化的，但它却有着举足轻重的作用，其充分显示水自净的程 度。溶解氧是鱼类和好氧菌生存和繁殖所必需的物质，当水中溶解氧的含量低于3 - 4 m g l 时，鱼类都将因 为缺氧而死亡：当水源被有机物污染后，由于好氧菌的作用而使其氧化从而不断消耗其中的溶解氧，使得 水中溶解氧不断减少，甚至接近于零，这种情况下厌氧菌就会大量繁殖，使有机物腐败，水质变黑发臭。 一、溶解氧测量的重要性 在1 2 业生产中以及一些科研和实验中常常需要较为精确地测定水中的溶解氧含量，而在污水处理中实 时精确的溶解氧测量尤为重要。污水处理的目的是去除污水中的杂质混杂物等，使得经过处理后的污水能 够符台一定的排放标准。在污水中的悬浮物质通过过滤或者沉淀等物理方法去除后，污水中溶解的有机污 染物就必须通过化学或者生物方法来去除。降解去除污水中有机污染物最有效的办法就是通过活性污泥曝 气池来完成。在活性污泥中含有丰富的微生物群体( 细菌等) ，这些微生物的生命活动即新陈代谢作用将 在消耗氧气的同时分解水中的有机物和氮、磷等化合物。这个过程使得不能沉淀的污染物质转换为二氧化 碳，水和能量，其可以表示为 d i s s o l v e do r g a n i c s + 0 1 竺坐s e t t l e a b l es o l i d s + c 0 + 凰0( 2 1 ) 在整个处理过科中，必须保证足够的溶解氧的含量来维持这些微生物群的生命活动，使得污水处理能 够正常地进行。在实际操作中，通常通过一些机械设备如鼓风机、搅拌设备或通风装置为生物处理提供所 需的氧。 如果曝气池中的含氧量过高，将会浪费能耗来提供氧气茹且带来不期望的微生物活动；过多的溶解氧 含量意味着曝风电机不必要的电能消耗( 曝气池得用电需求往往是污水处理厂中最大的项成本开支) ： 同时，过多的供氧会使得微生物生长过快形成小而重的易沉淀絮体，从而降低絮凝作用，使得水质恶 化，反而影响污水处理效果。 相反，如果曝气池供氧不足，毫无疑问将严重影响和损害微生物的生命活动，这会减缓污水处理的过 程。在情况严重时，微生物细菌将会因为缺氧而死亡。而曝气池微生物的再生将是一个成本非常高而且较 为耗时的过程。 综上所述，控制曝气池中的含氧量是污水处理过程控制中比较关键的环节，从而决定了溶解氧检测的 重要性。 第6 页共1 0 6 页 东南大学硕士学位论文 二、溶解氧测茸的方法 污水中的溶解氧以分子态形式存在，而溶解氧的测量从方法上来说一般分为化学法和仪器法两类。 1 、化学法测蜮溶解氧 化学法测定溶解氧，主要是使得水中的溶解氧与各种还原性物质发生化学反应，然后通过所用还原物 质的质量来间接获得水中得溶解氧的含最。化学法主要有滴定法以及目视比色法。由于化学法测定，必须 经过取样、溶解氧的i 州定和滴定、指示剂的选择以及误差的排除等一系列的工作，其操作繁琐、时间较长， 往往适合实验室环境f 溶解氧的测量。借助实验设备的不断改进和完善，这类方法的测量结果具有很高的 准确度，在结屎对照、标准分析中被j 1 泛采用。 2 、仪器法洲鼙溶解氧 所谓仪器法就是利川一定的测鬣仪器，通过测量溶解氧在某种化学反应过程中的各种物理信号，然后 将这些信号转变成电信号，再经过一定的处理而输出至仪器显示部分( 指针式或者数字式) 。在此过程中， 所获得的电信号将经过滤波放大等信号处理过程甚至数模转换，来实现可直接读山溶解氧含量的功能。在 这类方法中，同样必须考虑到各种干扰因素并加以排除以获得较高的测量精度。仪器法有光学分析法、色 谱分析法和电化学分析法，其中以电化学分析法最为常片j 。 ，与化学分析法相比较，仪器测最法冈为具有可选择性高、响应速度快、测量时间短和操作简便等优点 而适用于各种野外现场的连续测量场合，因此具有直接的经济意义。 电化学分析法被应t 【 j 丁溶解氧的测量是近几年才发展起来的，其测量精度一般可达5 微克升。电 化学法中被廊_ l j 最为广泛的是电容量分析法，它以物理量的突变作为滴定分析的终点指示，如电流法、电 导法、电位法等。目前，通过测量电流来间接测量溶解氧的技术被广泛地应用。如市场上商品化的各类溶 解氧电极。 早些时期，电极法测鼙溶解氧是直接将电极浸入样液中，但是这只能适用于在洁净水中使用，_ f i 彳来 为了提高电极的适用场合、排除污染物的影响，人们使用覆膜电极来进行溶解氧测量。这种电极在各种溶 解氧传感器的研制生产中被j “泛使_ l _ j 。传统的溶解氧电极常见的问题是所测量的电流随时问而逐渐变小， 使得电极表面活性产生变化，而c m e ( 化学修饰电极) 在提高选择性和灵敏度方面具有独特的优越性。 它具有电催化、加速所希望的反应、降低过电压、预浓缩和消除干扰等功能，使得电极具有识别功能。因 此c m e 是目前电分析化学领域的一个重要研究方向。 除以上方法外，还有如基于分光光电作用的流动注射分光光度法、流动注射分析法测定油中的溶解 氧法、声致发光法等方法和脉冲法等其他数种溶解氧测晕方法。这些方法或是测定方法相对较复杂，或是 受仪器条件限制，目前未有实际j 一秽应用。 2 3 溶解氧传感器的工作原理 在屯极法测掇溶解氧被广泛应j = j 之前，水体中溶解氧的测鼍向来以化学法为主。但是，随着膜电极法 技术的发展，由丁- 其具有使川方便、灵敏度高、响应速度快和可连续动态测量等优点，使得它逐渐取代了 化学法测簧溶解氧，尤其在污水处理中有在线检测需求的场合。目前，市场上已经有各种商品化的电极式 传感器，它们技术较为成熟其测量。f 限可达0 1 m g l ，并可提供各种标定方法。其中有的还具有对温度 进行自动校止的功能，r 面对儿种溶解氧传感器进行说明。 一、典型隔膜电极溶解氧传感器的组成 通常，刈丁避续在线监测的溶解氧传感器都是采用隔膜型电极设计的。一般隔膜l 乜极式传感器有以下 三个基本部分组成： 电极电极州以与溶解氧进行化学反戍，在消耗氧分子的同时释放出电子 隔膜可以渗透气体的薄膜( 即透氧膜) 是用来封住电解液使得电极能浸泡于电解液中。透氧膜仅 能使得溶解氧渗透扩散至测量单元： 第7 页共1 0 6 页 东南大学硕士学位论文 电解液电解液用以促使溶勰氧分子漂移来产生电化学反应，并且提供了电流测定回路。电解液也 会使得金属氧化物( 电化学反麻的附属产物) 脱离电极从而使得电极表面保持洁净以利于电化学反应。 冈此，溶解氧传感器中的电解液必须间断性地更换或者补充来确保电极能够保持洁净状态。 隔膜溶解氧传感器的工作原理就是污水中的溶解氧透过半透膜而扩散至电解液中与传感器中的电极 发生电化学反应。在隔膜两侧的溶解氧浓度总是趋向于平衡状态，这是因为，当隔膜两侧氧分子的浓度不 一致的时候，氧分子总是向浓度较低的一侧扩散，最终达到两边达到一致状态。由此，只要半透膜处丁二正 常状态，隔膜一侧传感器测量单元电解液中溶解氧的浓度和隔膜另一侧即污水中溶解氧浓度将大致相等。 然后，通过测量出电化学反应产生的电流大小即可得出污水中的溶解氧的浓度。由丁在整个过程中氧分子 的扩散过稃极为重要，所以要使得溶解氧传感器能够正常1 ：作，测量过程中溶解氧麻当能够穿透隔膜进行 自由地漂移运动。 二、儿种不同测量单元类型的溶解氧传感器 目前市场上已有的各种溶解氧传感器一般是使用原电池( 自然产生的电压) 测量单元或者电解式的测 量单元。两种类型的测量单元都是通过测量溶解氧传感器两电极间的电流大小来获得相应比例的溶解氧 值。 1 、传统的原电池型传感器 。传统原电池型单元的结构如f 幽2 3 所示。在测量过程中。电解液中的氧浓度将与待测样液中的浓度相 一致，整个原电池单元就像一节电池那样1 ：作，两种不同金属( 如金属银和铁) 构成的电极被浸泡在一种 斟2 3 传统的原电池型单元 溶液填料中。当电解液中的氧分子接触到两电极的时候，将产生电化学反应。在这个过程中，阴极将消耗 氧分子使其转变为氢氧化物，其每消耗一个氧分子将释放出四个电子。这些电子将在电解液中产生与电解 液中溶解氧浓度成比例的电流。一般情况r ，最为普遍使用的电极材料为金、银、铜或者铅，而常用的电 解液成分为氢氧化钾( 符号k o h ) 。在测晕过程中，传感器的阴极将消耗氧分子米产生电流，所以电极材 料一般为贵金属材料( 金或银) ；至丁阳极材料，一般为非贵金属( 铁、铅、镉、铜、锌或银) ，这类金属 材料一般菲常稳定而且不易于钝化。电解液一般选用溶解阳极金属材料较慢的那些类型。在一个使用铁阳 极和银阴极的原电池础溶解氧传感器中，耗氧电化学反应如下。 阴极的反应方程式 d 2 + 2 h 2 0 + 4 e 一寸4 0 h 在| j | j 极发生的化学反应为 2 f e 斗2 f e 2 + + 4 e 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 原电池型的溶解氧传感器具有一些不可避免的缺点。整个测量原理是通过消耗氧分子来产生一个测量 电压，这使得此电压易受屯极被污染和电解液被污染的影响。如果某种污染物质也能渗透过半透膜而进入 第8 页共1 0 6 负 银嗽铁啦p 东南大学硕： ：学位论文 电解液中，这将有可能导致测耸电压值产生一定的偏移，这个电压偏移会往往被误认为是溶解氧浓度的变 化。在待测溶解氧浓度较低的时候将会出现另一个问题，由于原电池型的传感器输出与溶解氧的浓度成线 性比例的关系，在溶解氧浓度较低的时候将会因为信噪比较小而提高误差率。另外，在溶解氧的测揖中， 由于电化学反应将会使得传感器的阳极被逐渐损耗。 2 、c l a r k 极谱法测量电池 一个基y - c l a r k 极谱法的典型溶解氧测量单元如图2 4 所示。 热赢阳极 l 碉极 图2 4c l a r k 极谱型溶解氧检测元 待测样液中的溶解用透过薄膜而扩散到电解液中。一般电解液使用氯化钾( 符号k c l ) 溶液。当一个 同定不变的偏置电压被加在金电极和银电极之间的时候，阴极电极将开始消耗溶解氧。此过程产生的电流 强度将直接与电解液中的溶解氧浓度成正比。c l a r k 极谱法测量电池中的耗氧电化学表示如下。 阴极端化学反应方程式 。1 + 2 风d + 4 p j 4 删一( 2 4 ) 刚极端发生的化学反应为 4 a g + 4 c l 一一4 a g c i + 4 e 一 ( 2 5 ) c l a r k 极谱法测昔方法解决了原电池型溶解氧测量单元中存在的一些问题。极谱法测量电池需要在两电 极之间加上某- - i 1 定值的偏置电压，只要这个偏置电压保持不变，那么极谱法电池测量单元的输山将不会 因为电极或者l b 解液受到污染而改变。如果污染物质不会透过半透膜，那么极谱法测量单元的输出将不会 偏移。极谱法测姑单元是通过测量因氧分子被消耗而产生的电流来工作的，由于产生的电流与电解液中氧 含量成线性比例的芙系，原l b 池型测量单元中溶解氧含营较低时候易产生误差的问题在此不复存在。此外， 在整个测量单元的i ：作过程中，电极阳极的金属材料不会被损耗。 3 、r o s s 极谱法测量电池元 另外还有一种较为常川的极谱法测量单元就是r o s s 极谱法测量电池单元，其示意图如图25 所示。这 个测鼙单元包含一个j f 11 电极( 阴极) 和一个反相电极( 阳极) ，它们同样被一个透氧薄膜与测量样液隔 离起来。与前述两种测量单元仅仅消耗氧所不同的是，r o s s 测量单元的电化学反应将会在刚极产生与在阴 极被消耗数耸相等的氧。这种电化学反应将持续到隔膜两边的溶解氧浓度达到平衡。当待测溶液中的溶解 氧的含量发生变化，氧分子将漂移进入或者移出传感器直至建立新的平衡状态。而新建立的稳态扩散率将 产生一个对应于新的溶解氧浓度的电流。 第9 页共1 0 6 页 东南人学硕 学位论文 铂 阴极 图2 5r o s s 极谱型溶解氧测量元 r o s s 测量单元所发生的电化学反应如p 在阴极端发生的电化学反应为 ，2 h 2 0 斗d 2 + 4 抒+ + 4 e 一 ( 2 6 ) 在阳极电极段发生的化学反应为 0 2 + 4 h + + 4 e 一寸2 h 2 0 。 ( 2 7 ) 整个过程为一个平衡的化学反应过程。 通过远行丁平衡状态r o s sc e l l 型测量方法减少了传感器所需的维护工作，并且人人延长了电解液的 使用寿命。其他方法在测量溶解氧的过程中，阴极消耗的溶解氧无法恢复，而且在它们内部的隔膜沾上杂 物的情况f ，阴极消耗氧分子的速度将可能会超过氧分子渗过透氧膜的速度，这将导致传感器的输出逐渐 变为零，从而得出错误测量结果。这些问题很显然地不会出现在r o s s c e l l 型溶解氧传感器中，因为当阴极 以某种速率消耗氧的同时，阳极会以同样的速度产生氧。只要隔膜没有完全被污染堵塞，r o s sc e l l 传感器 的测鼙精度就不会受隔膜被污染的影响，都可以保持精确的输出信号。r o s sc e l l 型测量元的这种处于反应 平衡状态的测量方法同样有效地避免了电解液的损耗以及阳极电极的损耗问题。 三、g l i 溶解氧传感器 g l i 国际公司是位于美国科罗拉多卅l 一城市l o v e l a n d ，其为d a n a h e r 公司旗下的子公司之一。d a n a h e r 公司是致力 ：过程处理以及环境控制j 【业领域的一个包含超过3 0 个子公司的大型集团。g l i 国际公司成 立丁1 9 7 0 年，其在生产高质量仪器仪表领域已有数十年历史。目前该公司已经成为液体在线分析、供水、 污水处理以及工业过程控制等领域提供高质黉仪器仪表的供货商，目前该公司产品包括：p h 值仪、o r p ( 氧化还原电势) 仪、电导率仪、浊度仪、溶氧仪、余氯仪、流鼙计、液位仪和悬浮物仪等等。 g l i 国际公司是全球唯一一家提供原电池型，c l a r k 极谱型和r o s s 极谱型溶解氧测最传感器的仪器制 造厂商。g l i 公司对这些传统的溶解氧测量技术加以改进以减少它们各自内在的缺点。 1 、5 0 4 0 系列d o 传感器 g l l 公司的无薄膜5 0 4 0 型溶解氧传感器采用改进的原电池技术设计的，这种传感器与带隔膜型的传 感器大不样。在这种类型的传感器设计中，屯解液幕l 隔膜这两部分被去除了，同时电极用一个保持旋转 的钻4 i 旋转磨i i 来保持表面清洁。传感器的i 作原理不是通过溶解氧渗透隔膜来完成的。传感器的柱形电 极被排列在同中心的圆环中，具体结构如f 图2 6 所示。 第1 0 页共1 0 6 页 自极朝阳 东南人学硕士学位论文 图2 6g l i 无隔膜型溶解氧传感器设计示意图 当旋转磨- 1 i 磨过被弹力装置支撑的电极的时候，电极表面将保持一致的接触面积。这种设计使得溶解 氧传感器能够在较k 时间内保持它标定的准确性，而且降低清洗维护的频率。此系列的传感器内部有一个 杯状的“取样人口杯”覆盖着电极，其作用是防止空气气泡直接接触电极。旋转磨石在运转清洁电极的时 候，取样烧杯将随之上r 运动米保持较好的采样效果。这种传感器被设计来应用于环境恶劣的污水处理过 程( 如含有较高浓度油污笛) 。 上、5 6 0 0 系列r o s s 薄膜型d o 传感器 传统的r o s s 传感器一股带有两个电极，而g l l 公司5 6 0 0 系列的r o s s 隔膜传感器带有三个电极。除了 一个铂 j 仵电极( 阴极) 和一个反相电极( 阳极) 外，其还带有一个银质的参考电极。待测溶液中的溶解 氧透过透氧膜扩散至电解液中后，在t 作电极端被消耗，而在另一电极端将发生与此过程相反的化学反应。 由于整个测避单元所消耗的氧等于其产生的氧，整个传感器以一个平衡反应过程工作。通过三电极设计， 整个测量单元的偏置电压在测量单元内阻或者电解液阻值发生变化的时候也较为稳定。传感器不会受到隔 膜被部分污染阻塞的影响，这将极大减少了传感器得维护工作。只要隔膜不被完全污染堵塞，传感器总是 能保持精确的输山信号，同时隔膜药筒具有较长的使用寿命。 3 、5 5 0 0 系列c l a r k 隔膜d o 传感器 此系列的传感器使用c l a r k 极谱测量技术，但是通常的两个电极被取代为三个电极：一个金质阴极、一 个银质刚极和一个银质参考电极。通过在银质参考电极端加上以固定不变的电压来获得恒电压设计的测量 机制。这个参考电极通过一个几乎不吸收电流的电路与一个内置的传感器放大器相连。当参考电极端所测 得的电压低下运算放人器所提供的“标准电压值”时，一个反馈控制电路将会产生一个修正电压来改变供 电电压去补偿测量单元或者电解液内阻的变化。因此，即使在电极或者电解液被污染的情况f ，阴极电极 端与参考屯极端的电压总是保持一致。网为参考电极端在实际溶解氧测量过程中并不需要传导电流，所以 相对于一个传统两电极结构测量系统中作为参考电极的银质电极( 阳极) 所提供的电压而言，三电极结构 测最系统中的参考l h 极提供的偏置电压更为稳定。偏置电压的长期稳定性使得这种带有独立参考电极端的 传感器输山变得更为准确和稳定。通常情况r ，重新调整一个极谱式溶解氧传感器包括更换半透膜、更换 电解液和清洁电极。而5 5 0 0 系列的溶解氧传感器具有一个可更换的弹药筒结构体，简化了较为麻烦和费 时的极谱式测鼙元的再调理i ：作。每个g l i 弹药筒内部都包含有一个出厂安装的半透膜、电解液和电极。 四、溶解氧传感器的选择 本课题选择g l i 公司生产的5 5 0 0 系列的溶解氧传感器( 5 5 4 0 型号) 来完成。g l i 公司研制的d 6 3 型 溶解氧分析仪可以与该型号的溶解氧传感器配套使用来完成溶解氧的检测。 d 6 3 型溶解氧分析仪功能齐全、使用简单，它是以及以用户为中心来设计的溶解氧分析仪。该分析仪 能提供较为高级的溶解氧传感器诊断功能，使用直观的单菜单操作来引导用户进行启动、标定以及一些基 本操作。一次使川的空气标定可以用来补偿大气压、温度以及盐度影响。 由溶解氧传感器以及溶解氧分析组成的d 6 3 5 5 0 0 系统包含许多较为性能出众的组件来获得功能齐全 的溶解氧监测系统：一个可更换的隔膜药筒、一个高性能的溶解氧分析便和可选的吹气式自沽附件。其具 有独特的膜盖安装，能方便、快速地更换膜片和电解质它为污水处理应用中较为理想的溶解氧测量系统。 第1 i 页共1 0 6 页 东南大学硕士学位论文 2 4 溶解氧监控系统的中间处理单元 2 4 1p l c 控制系统 可编群控制器简称p l c ，其以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来 的一种t 业白动化装置。1 9 6 8 年，美国通用汽车公司为了适应汽车工业激烈的竞争，寻求种能取代传统 继电器控制系统的全新控制装_ 置，提山了；晔名的g m l 0 条要求。第二年，美国数字设备公司( d e c ) 根据g m i o 条要求研制出第一台可编程控制器，型号为p d p 1 4 ，其取代传统的继电器控制系统在通片j 汽车公司的汽 车自动装配线上使削，取得了成功。 、可编程控制器的定义 早期的可编程控制器主要是用来替代继电器控制系统的，所以其功能比较简单。只能进行开关量的逻 辑控制，被称为可编拌逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。随着微屯子技术、计算机技术和通信 技术的发展，2 0 世纪7 0 年代后期出现的微处理器被用作可编程控制器的中央处理单元( c p u ) ，从而人大扩 展了可编程控制器的功能，除了能进行开关量的逻辑控制外，其还具备模拟量控制，p i d 调解，a d 模块， d a 模块，远程i ( 2 等许多功能。1 9 8 0 年，美国电器制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ) 正式将其命名为可编稃控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c 并详细定义为“p c 是一种数字式的电子 装置，它使用可编程稃序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能， 井通过数字域模拟的输入、输山接口控制各种机械或生产过程。”国际电。：委员会i e c 于1 9 8 7 年颁布的可 编程控制器标准草案第三稿中将其进一步定义为：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为 在，l ：业环境r 应用而 陂计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可 编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。” 为了避免可编程控制器在使用中