（检测技术与自动化装置专业论文）常规水质参数检测仪研究.pdf

摘要 摘要 为了加强纺织印染业用水的检测，设计了工业常规水质参数检测仪，此检测仪可用 于纺织印染水中p h 值、浊度、溶解氧、电导率、温度、化学需氧量等常规水质参数的 检测。 介绍了各参数检测的原理并确定了检测方法，选取了合适的传感器和信号采集放大 电路，设计了基于低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 控制的常规水质参数检测仪。其中硬件设 计主要包括信号检测、液晶显示、语音报警、串行通信等模块；软件设计包括c 语言编 写的下位机控制、v c + + 语言编写的上位机检测界面显示。为了提高检测性能，采用开 关电源供电；为了降低温度对检测参数的影响，对p h 值、电导率和溶解氧分别使用软 件编程的方法进行了温度补偿。 测试结果表明，增加温度补偿后p h 值检测误差由0 2 p h 值减小到o 1 p h 值，电 导率检测误差由0 0 2 减小到0 0 1 ，基本满足了纺织印染业水质检测的需要。 关键词水质检测温度补偿开关电源常规水质参数 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os t r e n g t h e nd e t e c t i n gw a t e rq u a l i t ya b o u tt e x t i l ep r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r y , d e s i g nt h ec o n v e n t i o n a lw a t e rq u a l i t yp 玉锄e t e r so fi n d u s t r i a ld e t e c t o r t h i sd e t e c t o rc a n d e t e c tt h ep h ，t u r b i d i t y , d i s s o l v e do x y g e n , c o n d u c t i v i t y , t e m p e r a t u r e ，w a t e rl e v e l ，c h e m i c a l o x y g e nd e m a n do fw a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r sw h i c hr e q u i r e df o rt e x t i l ep r i n t i n ga n dd y e i n g t h ea r t i c l eo u t l i n e st h ep r i n c i p l e so fe a c hp a r a m e t e rd e t e c t e d ，c h o o s eas u i t a b l ed e t e c t i o n m e t h o d s ，s e n s o ra n ds i g n a la c q u i s i t i o na m p l i f i e rc i r c u i t ，d e s i g n e dp o r t a b l ew a t e rq u a l i t y d e t e c t o rw h i c hb a s e do nt h el o w - p o w e rs i n g l e c h i pm s p 4 30 f14 9 t h eh a r d w a r ed e s i g n w h i c hi n c l u d e sd e t e c td e t e c t i o n ，l c d ，v o i c ea l a r m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sa n ds oo n s o f t w a r e d e s i g ni n c l u d i n gl o w e rc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r ew r i t t e nb yt h ecl a n g u a g ea n du p p e r c o m p u t e rt e s t i n gi n t e r f a c ed i s p l a ys o f t w a r ew r i t t e nb yv c + + l a n g u a g e i no r d e rt oi m p r o v e t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ，t h eu s eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o re q u i p m e n ts u p p l y ；i no r d e r t or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h ed e t e c t i o np a r a m e t e r s ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n g m e t h o dw a su s e da st e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no nt h ep hv a l u e ，t h ec o n d u c t i v i t ya n d d i s s o l v e do x y g e n t h er e s u l t ss h o wt h a ts i n c ea d d e dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o np he r r o r sr e d u c e df r o m4 - 0 2p hv a l u et o4 - o 1p hv a l u e ，c o n d u c t i v i t yd e t e c t i o ne r r o r sr e d u c e df r o m4 - o 0 2t o4 - o 01 ， w h i c h m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ew a t e ri n s p e c t i o ni np r i n t i n gi n d u s t r yo nt e x t i l e k e yw o r d s w a t e rq u a l i t yd e t e c t t e m p e r a t u r ee q u a l i z e s w i t c hp o w e r c o n v e n t i o n a lw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s i i 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本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 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使 用过的材料。与我一同工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的说 明并表示了致谢。 作者签名：翅4 垫 日期：j 塑轧年l 月卫日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密i 。 ( 请在以上相应方格内打“4 ”) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为( 啭 懒参数检阳1 叙，斩觅 的学位论文，是我个人在导师( 稍、蒂霞) 指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完 成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行 政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人： 塑垡日期：j 墼卫年五月j 生日 作i 者签名：塑型壹 导师签名：丝鎏逸。 日期：丝翌仝年五月卫日 日期：垫皇里年月应- 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景和意义 水对人们的日常生活和生产都至关重要，它既是生命的源泉i 也是工农业生产中木 可替代的重要资源【1 1 。在水资源匮乏和水污染日趋加深的今天，水质问题受到了更多的 关注，为了更好地利用水资源，预防水污染，必须充分掌握水质状况，进行合理正确的 水质检测 2 1 。 水质检测是水资源保护和污染控制的主要手段之一。目前的水质检测多用于饮用 水、工业用水( 作为溶剂、洗涤、冷却、输热和输物的媒介物) - 建筑工地排水、水处 理厂、城市生活排水、井水、河水、湖水、海水、水库水、农业用水( 用于灌溉、养殖) 等方面的检测，在纺织印染用水方面的水质检测设备比较少，纺织印染业耗水量大，其 水质情况会直接影响到纺织印染品质量，所以检测纺织用水的水质情况十分必要。 我国纺织印染业在工业生产中占很大比例，随着生活水平的提高人们对纺织品安全 性能的要求也不断提高，为保证纺织品质量，本设计对纺织印染用水的浊度、溶解氧、 电导率、p h 值、化学需氧量和温度等参数进行了检测，此水质检测仪可为纺织印染业 的纺织用水、循环水再利用提供水质检测的基础数据，便于纺织用水及其循环水的管理 和利用。 1 2 国外研究现状及发展趋势 国外水质检测仪器的研究起步较早，最初主要应用在环保领域，已经在实际工程和 管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。欧美及日本等国在2 0 世纪7 0 年代已有 便携式水质分析仪出售，但都属于瞬时测定仪，连续多参数水质分析仪于2 0 世纪8 0 年 代开始使用【引。近些年来随着电子业的迅猛发展，出现了大批多参数水质检测仪器，检 测仪可检测参数也在不断增多。 波兰e l e m t r o n 公司设计了能连接电脑或打印机的防水型多参数水质检测仪 c x 一4 0 1 ，可同时测量p h 值、电导率、溶解氧这几个参数。此仪器测量简便，能在室内 或长时间在户外工作，检测参数相对较少。 德国近年来推出了型号为i qs e n s o rn e t 的在线水质多参数测试系统，这套系统可 洞北大学工学硕士学位论文 测试p h 、温度、溶解氧、电导、浊度、总悬浮固体浓度、氨氮、硝酸根( n 0 3 ) 、化学 需氧量( c o d ) 、总碳量( t o c ) 、生化需氧量( b o d ) 等参数。但此仪器系统很大， 不便于户外现场检测。 1 3 国内研究现状及发展趋势 与国外相比，我国水质检测分析仪器方面的研究与生产起步较晚，至8 0 年代末， 我国的水质检测分析的技术路线主要还是以手工采样实验室检测为主，形成的仪器也主 要是实验室分析仪器及部分半自动分析仪器，9 0 年代中期以后才逐步开始从手工采样、 实验室分析阶段走向半自动脱机系统阶段。至今，国内厂家研究和生产单一或较少参数 的水质分析仪的居多，近年来我国国内水质检测发展很快，生产出不少水质检测产品， 但其各有利弊。 华中科技大学环保技术研究所近年来研究开发出了基于光电比色分析原理的 m p t - 2 0 1 型便携式多参数水质分析仪，此仪器可检测c o d 、浊度，可测参数少。 上海设计出型号为6 3 0 9 p d t 的工业式微电脑型酸碱度( p h ) 溶解氧温度控制器。 可同时测量和控制酸碱度、溶解氧及温度。其温度、p h 值的测量范围较宽，p h 值为2 0 0 - 一 1 6 0 0 ，但不能同时检测c o d 和浊度。 北京某公司生产的5 b 一3 b 型c o d 多参数测定仪，可测定c o d 、氨氮、总磷、浊度， 其测定范围为2 5 0 0 0 m g l ，但不能同时检测p h 值、温度等。 浙江生产的s w a - 2 0 0 0 便携式水质监测系统可以实现连续在线监测水体中的c o d 浓 度、p h 值、电导率、浊度等，并对测量的数据进行有效管理。但此检测系统容易受到 环境温度的影响。 总之，国外检测设备一般系统庞大、价格偏高，国内在线监测分析仪表品种比较单 一，易受外部环境温度影响。 1 4 主要研究内容 本设计主要针对国内外纺织印染用水检测仪器检测参数少、造价高、检测结果受温 度影响，设计了常规水质参数检测仪，其可用于纺织印染用水的检测。主要研究内容如 下： ( 1 ) 常规水质参数检测仪系统设计 本设计主要对水温、p h 值、化学需氧量( c o d ) 、浊度、电导率、溶解氧等参数进 第1 章引言 曼鼍毫i i i i i m _- - ：i i i_i i i 鼍曼皇曼曼曼曼皇曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇 行测量，这些参数的检测基本满足了纺织印染业水质检测要求。 为了提高仪器检测稳定性，采用开关电源为系统供电。在检测中，温度对p h 值和 电导率有很大影响，为了降低此影响，用软件编程的方法对p h 值、溶解氧和电导率检 测结果进行了温度补偿，使p h 值检测的误差从o 2p h 降低到0 i p h ，电导率检测的 误差在0 0 1 之内。 ( 2 ) 常规水质参数检测仪的硬件设计 常规水质参数检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 信号调理电路由水温、p h 值、浊度、溶解氧、电导率、水位、化学需氧量等传感器转 换、放大等电路组成。由1 6 位超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作主控器件，用片内自带的 a d 通道，在单片机控制下直接对模拟输入信号进行采集处理，完成各参数信号的采集、 传输、显示、报警等功能。为及时准确的提示报警信息，采用了单片机控制语音报警电 路。其报警参数可根据工业控制要求，在现场设置报警参数的录放语音，通过串口完成 数据通信。 ( 3 ) 常规水质参数检测仪的软件设计 设计了上位机人机检测界面【4 】，下位机采用c 语言编写控制程序，此设计可以实现 对水温、p h 值、浊度、溶解氧、电导率、水位、化学需氧量( c o d ) 的检测，并采用了 软件编程实现温度补偿，实现参数设置、数据显示、数据保存、参数越限报警等功能。 1 5 本章小结 本章主要叙述了课题的来源和研究目的，简单概括了多参数检测技术的发展历史及 国内外各检测仪优缺点，并在此基础上提出了本课题的主要研究内容。 河北大学工学硕士学位论文 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 本文在介绍各检测单元测量原理及其传感器基础上，通过比较，设计了一种可同时 检测水温、p h 值、溶解氧、浊度、电导率、水位、化学需氧量( c o d ) 这些参数的常规 水质参数检测仪。以下主要介绍各检测参数测量原理。 2 1p h 值测量原理 p h 值是水溶液酸碱度的标志，是水质检测的_ 个重要指标。本设计采用p h 复合 电极传感器对水的p h 值信号进行转换【5 】，当被测溶液的酸碱度不同时，p h 复合电极产 生的直流电位将发生变化，这样即可将溶液的酸碱度转变成电信号进行采集，而p h 复 合电极由玻璃电极和甘汞电极组成。在水溶液的酸碱度测量中，玻璃电极是测量电极， 甘汞电极是参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也 随着变化，这就是p h 复合电极的测定原理【6 1 。 当薄膜玻璃的表面被水解时，其表面形成0 3 0 6 n m 厚的溶胀层。内侧和外侧的 溶胀层被玻璃组织分开，同时由于玻璃膜内外两侧不同的表面电位便在玻璃膜上建立了 一个电位差。这一电位差可通过零电流法用一带有p h 刻度的毫伏计测量并以p h 值的 形式显示出来【7 】。当一对电极形成电位差等于零时，被测溶液的p h 值即为零电位p h 值，一般为7 。 此电位遵循能特斯方程嘲，在2 5 。c 的条件下，质子活度变化一级别( 一个p h ) 时， 电位变化5 9 1 6 m v ，即电极转化斜率为5 9 1 6 。 由能特斯方程可得到电势变化关系公式【9 】： 世：一5 9 1 6 2 7 3 + t 口日( 2 1 ) 2 9 8 式( 2 1 ) 中：e 一电动势的变化量，m v 5 卸日一水溶液的p h 值相对于7 的变化量； 卜被测溶液的温度值，。 由( 2 1 ) 式可得在2 5 c 时水溶液中p h 值的计算公式为： p 日：7 一v - v o 2 生( 2 2 ) 5 9 1 62 7 3 + f 4 第2 苹常规水质参数检测仪钡9 量原理 式( 2 2 ) 中：矿一传感器测量水溶液时所输出的电压值，m v ； 圪_ p h 值为7 的水溶液中传感器输出的电压值，0 m v ； “测溶液的温度值，。 由式( 2 - 2 ) 可知， 当p h 值大于7 时，y 为负值；当p h 值小于7 时，v 为正值。 由于p h 值传感器测量水溶液时输出的电压信号较小，在信号采集时还需要进行放大处 理。 在p h 测量中，从电极系统中获得的电信号e 与矿的活度对应关系符合能斯特方程， 由能斯特方程可得出： 一d e ：堕+ 0 1 9 8 4 1 9 口* + 0 1 9 8 4 d l g a 外( 2 - 3 ) 一d t2 苫+ 了1 9 + 了百 式( 2 3 ) 中：焉d e 温度变化一个单位时测量电池电动势的变化值； d 鲁一电极的标准电位温度系数； 0 1 9 8 41 9 a j , t 一能斯特温度系数斜率； 0 1 9 8 4 d l g ，下a 爿一溶液温度系数； n口1 一被测电解质浓度； 甩一电极反应得失电子数。 能斯特温度系数斜率对于氢离子，温度每变化1 ，则斜率变化o 1 9 8 4 m v ，可见， 温度对p h 值的测量有很大的影响，考虑采用温度补偿的方法消除温度对测量p h 值的 影响。为降低系统成本，减少电路设计，采用软件编程的方法实现温度补偿【1 0 1 。 由式( 2 3 ) 可知，随着温度的变化，影响溶液p h 值检测的能斯特温度系数斜率也 发生变化，而能斯特温度系数斜率又影响测量电极的转化斜率【1 1 1 。常规的温度补偿是为 了得到电极在当前温度下的斜率，通常的说法是为了补偿电极斜率随温度变化而发生的 变化。即为了得到当前温度下p h 电极的真实斜率。 其理论依据是能斯特方程，电极的斜率( s ) 随温度( t ) 变化，而成线性关系【1 2 】 即： 5 河北大学工学硕士学位论文 玉：旦(2-4) s ls 2 个 或s 2 = i 1 2 s l ( 2 - 5 ) l l 知道了温度i ，和该温度下的斜率s 。，就可以算出任意温度t 2 下的斜率s ：。记下 标定时的温度和斜率作为t , n s ，测量时换算到溶液当前温度下的斜率。一般在室温的 情况下，即在2 59 c 时进行标定，标定出电极的转换斜率。测量时，按上面的公式得到 当前斜率，代入能斯特方程就得到了水质的p h 值。 在标定时测得的溶液温度i 和电极的转化斜率s 。通过软件编程存储到e e p r o m 中，然后进行现场检测，测得被测溶液的温度为t ，通过编程可求得该温度下的电极转 化斜率，其程序可用数学表达式表示： s = 一1x s ( 2 6 ) 。i j 将上式代入p h 值的计算公式为： ：一v-v0ph 7j 生 ( 2 7 ) = 一 二= 一 ( 2 7 ) 一 s2 7 3 + t 即可以求出消除温度影响后的t 温度下的p h 值。 将p h 复合电极传感器接收到的信号采用由c a 3 1 4 0 、l m 3 2 4 和u a 7 4 1 组成的检测电 路进行放大【1 3 1 ，其电路将在下一章进行详细介绍。 2 2 浊度测量原理 浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是水中悬浮物与胶体 光学性质的综合反映【14 1 。一升蒸馏水中含有一毫克二氧化硅为一个浊度单位。浊 度的高低虽然不能直接说明水质的污染程度，但由人类生活和工业生活污水造成 的浊度增高，仍可表明水质变坏15 1 。 目前，浊度分析方法按光接收方式一般可分为透射光法、散射光法、透射光一散射 光比较测量法【1 6 】。以下根据光接收方式，分别介绍各测量方法特点。 透射光浊度法原理图如图2 - 1 所示。 6 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 图2 - 1 透射式法原理图 图2 1 中，光束射入试样，试样中的浊度物质会使光的强度衰减。透射光强度随浊 度的变化遵从朗伯一比尔定律，即透射光强随浊度增加按指数形式衰减： i = i o e k 血 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中：k 一比例常数； d 试样浊度； l 一测量光束透过试样长度。 透射光浊度法在测量低浊度水样时，大部分光被直接透射，微小浊度变化所引起的 透射光变化相当小，且无法对散射光测量信号进行加工处理，准确度低，抗干扰能力弱， 且读数不稳定【1 刀。 透射光散射光比较测量法原理如图2 - 2 所示。 n 光电元件2 丫 散射光l 9 0 。 l a l _ 一光电元件1 图2 2 透射光一散射光比较测量法原理图 图2 2 中，透射光一散射光比较测量法同时测量投射于水样光束的透射光和散射光 强度，再按这两者光强度之比值测量其浊度大小【1 8 】。由于透射光和散射光测量时光程相 同，水样色度和光源变化对浊度测量影响较小【1 9 1 。但是散射光和透射光之比并非是严格 的线性关系，所以只是在一定的浊度范围内有近似的线性关系 2 们，其量程范围有一定的 局限性。 散射式浊度法原理如图2 - 3 所示。 7 河北大学工学硕士学位论文 入 被测物 光 图2 - 3 表面散射法原理图 图2 - 3 中，波长为入的光射入试样时，由于试样中浊度物质使光产生散射，散射 光强度与试样浊度成正比，通过测定散射光强度，即可测出试样的浊度。散射光强度符 合瑞利和米式定律。 当悬浮液中的悬浮颗粒直径小于光波波长时，其散射光强i ，可用瑞利定律2 1 】： i r _ 豢m 辐) i o 协9 ， 式( 2 9 ) 中：n 一单位体积内的微粒数； v 一微粒体积； a 一入射光波长； i o 一入射光强； 1 1 1 和n 2 一水和微粒的折射率； k _ 系数。 如果入射光波长九和微粒体积v 一定，散射光强i 。与悬浮液的浓度成i l l - i ，= k r i o n ( 2 - 1 0 ) 舯k r = ；v 2 ( 糕) ，制散射的散射融 当悬浮液中的悬浮颗粒直径大于等于光波波长时，其散射光光强i m 可以用米氏定 律【2 l 】： i m = k m a n i o ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中：a 一微粒表面积； k m 一系数。 8 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 曼曼曼曼皇皇曼鼍曼i i i i i ii ：一； i - - 一 - - ii_ i i 鼍曼 若微粒表面积a 一定，散射光强i m 与悬浮液的浓度成正比。 由瑞利定律和米氏定律可知，在一定波长范围内的非相干光，通过颗粒大小均匀的 溶液，无论是瑞利散射还是米氏散射，所产生的散射光强度与浓度均成正比。即： i s = k s 删。 ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中：k 。一散射系数； n 一溶液浓度； i 。一发生散射时的入射光强。 散射式浊度法测量范围宽、线性度好，较适合测量浊度比较高的环境。 本设计综合上述各测量方法特点，利用瑞利散射和米氏散射定律，采用散射式浊度 测量方法对浊度进行检测，此方法有测量范围宽、线性度好的优点。根据浊度不同散射 光强弱发生变化的光学原理，以硅光电池作为光电传感器来接收散射光，之后由信号检 测电路将检测信号进行放大，送到由m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机中进行数据处理。其检测电路 将在下一章进行详细介绍。 2 3 溶解氧测量原理 水中溶解氧含量多少是水体质量的一个重要指标。水中溶解氧的定义为每1 千克水 溶液中含有的氧的毫克数，单位为m g t , 。 本设计采用极谱型氧电极，可消除流动对溶氧测量的影响。由金片组成电极的阴极， 由银丝组成阳极即参比电极，两极之间充以电解液，顶端用f 4 6 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：o ，+ 2 i - i ，o + 4 e 叫4 0 h 一 ( 2 1 3 ) 阳极：4 a g + 4 c l 一一4 e 一4 a g c l ( 2 1 4 ) 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水中氧分压，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，电极电流与水 中氧浓度的关系可描述如下【2 2 1 ： d i d = k _ n f s 半c 。 ( 2 - 1 5 ) l o 河北大学工学硕士学位论文 式( 2 1 5 ) 中：i d 一扩散电流； k 一氧电极比例系数； n 一反应中电子得失数； f _ 法拉第常数； s 一阴极面积： p m 一薄膜的透氧系数； 卜透线膜厚度； c 。一水中的氧浓度。 由2 - 1 5 式可知，极谱型复膜氧电极测量的定量依据，即根据测得电流的大小，可 知水中氧浓度。当将氧电极比例系数k 设为l 时，可推出： d i d = 1 1 f s 半c 。 ( 2 - 1 6 ) 由此得到氧浓度与电流的关系为： c 。= k i d ( 2 - 1 7 ) 极谱型复膜氧电极的输出特性线性度很好，在氧浓度允许范围内都可呈直线关系。 当接触传感器周围的氧浓度发生变化时，从传感器输出开始变化到最终输出9 0 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。 由于温度和盐度对溶解氧测量影响较大，检测中需采取温度和盐度补偿措施。另 外，大气压力对溶解氧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。本仪器主要应用于平原地区，基本上可以保证一个 标准大气压( 1 0 1 3 k p a ) ，故大气压对溶氧测量的影响可不予考虑。 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【2 3 】，即： 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 8 ) 式中：c 一氧溶解度。 为此，需要对建立起来的仪器测氧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q ，即： 1 0 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 d o = c s 事q ( 2 - 1 9 ) q ：鱼( 2 2 0 ) c t o 式( 2 2 0 ) 中：c 。l 一测定温度下的氧溶解度； c 。一校准温度下的氧溶解度。 用程序采集定标温度，被测水体温度，计算比例系数q ，将测定温度下的溶氧值乘 以q 即可完成温度补偿计算。 水中氧的溶解度会随含盐量的增加而减少，实际使用中，总盐量在3 5 9 l 以下可 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 ( g l 值得到，a c 值与温度t 可拟合为： a c = 0 0 0 0 0 4 t 2 一o 0 0 3 t + 0 0 9 2 ( 2 - 2 1 ) 可见，为保证溶氧测量的精度，必须进行温度、盐度的补偿，得完整的温度补偿 公式为： o o c 。宰半 2 2 ) n 一溶液盐度。 2 4 电导率测量原理： 电导率是物体传导电流的能力，水的电导率即水的电阻的倒数，通常用它来 间接表示水的纯净度。目前，存在几种比较成熟的电导率测量方法，分别为相敏检波 法、双脉冲法、动态脉冲法和频率法【2 4 1 。这些方法对于解决电导率测量中的极化效应、 电容效应效果较好，各有优势。下面介绍这些方法的工作原理，分别总结它们的特点， 并进行比较。 相敏检波法工作原理如图2 - 4 所示，振荡器产生正弦波电压加到电导池电极两端， 溶液电阻i & 和双电层电容c x 构成一个通道，引线分布电容c p 也构成一个通道。 河北大学工学硕士学位论文 r x c x 图2 - 4 相敏检波法原理 若在高溶液电阻下或激励源频率很高时，c x 容抗足够小，可以将其忽略，故可以 视为正弦信号通过一个电阻和一个电容，正弦信号通过电容产生9 0 度的相移。根据这 一特点，利用相敏检波器，用与输入激励源信号同相的开关信号控制整流电路，将通过 电容的一路信号转化为交流信号，而通过电阻的一路信号相对于激励源没有相移，可正 常整流，再经过低通滤波，交流信号被滤除，即引线电容影响被消除，而滤波得到的直 流分量只与溶液电阻( 即电导率) 有关，故由输出直流量可求出电导率。 相敏检波法滤除通过引线分布电容的电压信号，使引线分布电容对输入直流量没有 贡献，输出直流量只和溶液电阻有关，即和溶液电导率有关，从而消除了引线分布电容 的影响。相敏检波电路简单，应用较广。但相敏检波也存在缺点，要求通过溶液电阻的 信号与通过引线分布电容的信号相位差9 0 度。实际上，由于极化效应不可能被根除， 双电层电容的存在使溶液不可能保持纯阻特性，这时通过溶液电阻的信号与通过引线分 布电容的信号相位差小于9 0 度，相敏检波后的引线分布电容引起的电压信号不能被完 全滤除，而且相敏检波对双电层电容的影响无能为力【2 5 1 。 动态脉冲法工作原理如图2 5 所示，r x 和c p 的并联电路是电导池的简化等效模型。 信号源为脉冲激励源，在脉冲下降沿时测量。 e 图2 - 5 动态脉冲法原理图 1 2 第2 章常规水质参数检测仪钡0 量原理 假若系统初始态为0 ，e 为脉冲幅值，r 1 为测量电阻。设脉冲时间为t ，则由拉氏 变换及其反变换可以写出在整个脉冲时间内输出电压, t 2 6 1 5 b ： v ( t ) = 赤( r 1 + r = e - ) ( 2 - 2 3 ) 其中，时间常数为： f = r i | | r xx c p ( 2 2 4 ) 函数曲线如图2 - 6 所示。 v o 图2 _ 6v ( t ) 的函数曲线 当所施加的脉冲宽度t 足够长时，输出电压v 可达到某一稳定值。这时输出电压不 受电容的影响，只反映溶液电阻风，输出电压为： v ( t ) - 最 协2 5 ) 其中溶液电阻为： r x = 器趣。 ( 2 - 2 6 ) 脉冲持续时间足够长，即可消除分布电容c p 的影响，但由于极化作用的存在，使 得到的电阻i & 包含了极化阻抗，因此要设法消除极化效应。 极化阻抗与加在两极的电压大小，时间长短和溶液成分有关。因此要直接求出极化 阻抗是很困难的，甚至是不可能的。经研究发现，对于一定的溶液，当两极间施加的电 压小于一定值时，溶液将不会发生极化效应，当电压作用时间很短时，极化现象可以忽 略不计。 由上述分析可知：施加的脉冲激励源持续时间在满足消除分布电容影响前提下，要 尽可能短，而且脉冲幅度要尽可能小，这样才能消除极化效应。也就是说需要一个脉冲 河北大学工学硕士学位论文 宽度和脉冲幅度均可调的激励源，即动态脉冲。 动态脉冲产生应确定宽度和幅度。首先确定宽度，即从零时刻加入脉冲激励源e ， 在输出端对电压v 进行连续观测，每次测量间隔相同的时间段，如果连续的两次测量值 之差足够小，则认为输出电压已稳定，分布电容己消除，脉冲宽度确定。然后确定幅度， 脉冲宽度确定后，用所测得的稳态电压由公式( 2 - 2 6 ) 计算被测电阻，如果脉冲幅度不 够小，极化现象就会存在，该电阻包含极化阻抗。减小脉冲幅度，电阻值也会减小，当 脉冲幅值减小到一定程度，所测电阻停止减小，则认为极化阻抗己被消除，得到溶液电 阻。图2 7 为单极性激励源脉冲幅度示意图。 e 0 图2 7 单极性输出激励源脉冲 为进一步消除极化效应，可采用对称脉冲激励源，如图2 8 所示。在这两种脉冲激 励源下，采样都是在正脉冲下降沿，即响应进入稳态后采样。对于工业中流动的溶液， 可以采用图2 - 7 所示激励源，对于流动缓慢或静止的流体，则采用图2 8 为宜。 e 几 l| l门 一 |u u 一 图2 - 8 双极性输出激励源脉冲 动态脉冲法的特点电导率测量的动态脉冲法，通过调整脉冲幅度和对响应的稳态监 视消除了电导池的极化效应。由于是在稳态时测量，因此不必进行电容补偿。动态脉冲 法运用微处理器软件根据测量结果动态产生脉冲，直到最后得到正确结果，提高了测量 1 4 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 精度，拓宽了测量范围。但也可以看出，该方法速度慢，不适于快速测量。 频率法工作原理是将电导率转化为频率输出的方法【2 7 】即一种电导率一频率转换器。- v 图2 - 9 频率法测量电导率原理 该电路由具有低功耗、高输入阻抗、宽电压范围特点的m o s 型时基电路与电极c e 及定时电容c t 一起构成多谐振荡电路，并在时基电路的输出端引脚3 接入开关晶体管 t l ，用来扩展时基电路的带载能力，保证电导率在大范围内测量时，输出频率f o 具有很 好的线性。 当电路开始工作时电容c t 上的电压为0 ，实际电路处在置位状态，引脚3 输出高 电平，t 1 导通。v c c 通过t 1 经电极c e 向c t 充电，当v c 2 3 v c c 时，6 脚内部高限 比较器反转，时基电路复位，3 脚输出低电平，t 1 截止，同时7 脚内集电极开路放电管 导通，c t 通过c e 经7 脚放电至v c 1 3 v c e 时，脚2 内低限比较器反转。以上过程反 复循环形成振荡输出f o 。根据电路工作原理得出下式： f o = 警- k o g m ( 2 - 2 7 ) 式( 2 2 7 ) 中：g ( t ) = 丙1 一电极实测的电导值； k 。= 0 7 7 2 c 。一电导一频率转换系数。 输出频率f o 与电导g ( t ) 成正比，实现了电导率到输出频率的线性转换。 河北大学工学硕士学位论文 频率法的特点分析，式( 2 2 7 ) 频率与电极电阻成反比，即高阻低频、低阻高频， 因此频率法能够根据待测电极电阻大小实现自动变频，较好的抑制极化效应和电容效 应。同时由于时基电路直接与电导测量电极一起构成了结构简单、性能良好的频率式传 感器，提供了可靠的远距离数据传输方式，可以简化测量仪表的结构，降低成本，提高 了测量的可靠性。 由于采用频率传送方式，可以采用少量的光电耦合器将电导一频率转换器与单片机系 统实现电器隔离，保证所组成的智能测量仪表具有极强的抗干扰能力和噪声抑制能力。 从本质上说这种频率法把电导池看作为一个纯电阻考虑，因此尽管实现了自动变频，但 不能根除极化效应和电容效应渊。 本设计采用双频电导率测定方法解决电导池的极化效应和电容效应两个长期困扰 电导率测量精度的问题 2 9 1 ，通过公式解算能够准确测定水的电导率【3 0 1 。双频电导率测 定法在理论上不存在测量误差，消除了电导池的极化效应和电容效应影响。其电路原理 图将在下一章详细介绍。 在检测中，温度对溶液电导率的精确测量具有很大的影响【3 1 1 。即当温度升高时，溶 液粘度降低，离子运动速度加快，在电场作用下，离子的定向运动也加快，溶液电导率 减小，因此溶液电导率具有正温度系数。 因此，在被测对象不变的情况下，为了统一和比较介质特性，需要一个测量溶液电 导率的基准温度。当被测介质不在这个基准温度时，就需要进行温度补偿，折换成基准 温度下的电导率。 传统温度补偿公式【3 2 】为： k s = k t ( o 2 2 t + 0 4 5 ) ( 2 - 2 8 ) 式( 2 2 8 ) 中：k s 为水溶液在室温2 5 下的电导率值； k t 一时的电导率值； t 卿场温度。 当测量温度远离2 5 c 时，用其修正的电导率误差较大，为进一步提高精度，减少 最终公式计算误差，将1 3 0 c 分为3 个温度段，分别进行直线回归分析和综合，在 大量实验的基础上，得到温度校正公式，分段形式如下： k s = k t ( o 0 0 1 6 9 t + 0 5 5 8 3 ) 1 t 1 0 ( 2 2 9 ) 1 6 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 k s = k t ( o 0 1 8 t + 0 5 4 7 3 ) 1 0 t 2 0 ( 2 3 0 ) k s = k t ( o 0 0 1 8 9 t + 0 5 2 8 1 ) 2 0 t 3 0( 2 3 1 ) 其他温度段仍应按传统补偿公式计算。 2 5 温度测量原理 本设计温度测量采用a d t 7 3 0 1 3 3 1 温度传感器，此芯片内部集成了一个用于温度检 测的带隙温度传感器和一个1 3 位a d 转换器，具有较低的供电电流、温度转换精度高、 功耗低、串行接口灵活方便等特点。 a d 7 3 0 1 内部集成有晶体振荡器，所以工作时只需在串口接入时钟，而不需再提供 a d 转换时钟。该芯片具有两种工作模式，即正常工作模式和节电工作模式。在正常工 作模式，内部时钟振荡器将驱动自动转换时序，从而使芯片每秒对模拟电路上电一次， 以进行一次温度转换。完成一次温度转换一般需8 0 0 1 x s ，转换结束后，芯片的模拟电路 自动断电，并在1 秒钟后自动上电。因此，在温度值寄存器中总可以得到最新的温度转 换值。 温度值寄存器是一个1 4 位的只读寄存器，用于存储a d c 的1 3 位二进制补码加l 位符号位的温度转换结果( 最高位为符号位) 。理论上，a d c 测量的温度范围上限可达 2 5 5 。c ，实际上，内部温度传感器能确保的温度范围为一4 0 一+ 1 5 0 。c 。温度数据格式如 表2 - 1 所示。 表2 - 1 温度寄存器数据格式 温度值( )数据输出d b1 3 d b 0 4 0 1 l ，1 0 1 10 0 0 00 0 0 0 3 01 1 ，1 1 0 0 0 1 0 00 0 0 0 2 51 1 ，1 1 0 01 1 1 00 0 0 0 1 01 1 ，1 1 1 01 1 0 00 0 0 0 0 3 1 2 51 1 ，1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 0 0 0 ，0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 + o 3 1 2 50 0 ，0 0 0 00 0 0 00 0 0 1 1 7 河北大学工学硕士学位论文 + 1 00 0 ，0 0 0 10 1 0 00 0 0 0 + 2 5 0 0 ，0 0 1 10 0 1 00 0 0 0 + 5 00 0 ，0 1 1 00 1 0 00 0 0 0 + 7 50 0 ，1 0 0 10 1 1 00 0 0 0 + 1 0 0o o ，1 1 0 01 0 0 00 0 0 0 + 1 2 50 0 ，1 1 1 11 0 1 00 0 0 0 + 1 5 00 0 ，0 0 1 01 1 0 00 0 0 0 温度转换公式为： 正温度值= a d c 转换结果代码( d ) 3 2 ； 负温度值= ( a d c 转换结果代码( d ) 一1 6 3 8 5 ) 3 2 ( 使用符号位) ； 负温度值= ( a d c 转换结果代码( d ) - - 8 9 1 2 ) 3 2 ( 使用符号位) ； 在正常转换模式下，执行读写操作时，其内部振荡器可在读写操作结束后自动复 位，以使温度转换器能够重新进行温度转换。若在a d t 7 3 0 1 进行温度转换过程中执行 读写操作则会使其自动停止转换，并在串行通讯结束后又重新开始，读取的温度值为前 一次的转换结果。 通过设置a d t 7 3 0 1 控制寄存器可将其设置为节电模式。在节电模式下，片内振荡 器被关闭，a d t 7 3 0 1 不进行温度转换，直到恢复到正常工作模式。可向控制寄存器中 写零使其恢复到正常工作模式。在进入节电模式前，其温度转换结果即使在进入节电模 式后仍可被正确读取。 此传感器测温精度为o 5 c ，温度分辨率为0 0 3 1 2 5 。c ；工作温度范围为一4 0 + 1 5 0 。c ；此检测电路在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都符合纺织范 围工作温度和0 5 测温精度的设计要求。温度检测电路将在下一章进行详细介绍。 2 6 水位测量原理 水位测量主要使用m p x l 0 型压力传感器，m p x l 0 型压力传感器是一种离子注入式 x 型硅压力传感器。能提供一个精确的、直接与外加压力成正比的线性电压输出，是标 准的无补偿型压力传感器。此传感器的输出与液位成线性关系，液位每增加5 m m 传感 器的电压增加0 2 m v 。 。 1 8 第2 章常规水质参数检测仪测量原理 此压力传感器利用单晶硅的压阻效应，在硅片上用集成电路工艺制造4 个等值薄膜 应变电阻构成惠斯登电桥。其工作原理图如图2 - 1 1 所示。 图2 - 1 0 传感器工作原理 e 图中，假设电桥两个支路的电阻相等，即：r a b c = r a d c = 2 ( r + a r ) ，则： i a b c ：i a d c ：i i ，因此电桥输出为： u = u b 。= 三( r + z x r q - r r ) _ 三( r a r + r ，) ( 2 - 3 2 ) 整理后得：u = i r ，可见，电桥的输出电压与电阻成正比例。而电阻变化与应 力成正比，即： d r ：7 r 仃：7 r e s( 2 一- 3 3 )= 7 r 仃= 7 rslj ， r 式( 2 - 3 3 ) 中：7 r 一压阻系数； 仃一应力； e 一弹性模量； s 一应变。 故当不受压力作