（控制理论与控制工程专业论文）水中臭氧浓度智能监测仪的研究开发.pdf

水中嶷瓴浓度智能监测仪的研究开发 摘要 秀撬褰臭氧承鲶瑾王艺过簇鹣囊凌整控窳詈，在瓣o r p 簧感器王终爨瑾弱国痰鲮 相关资料的分析的基础上，对基予o r p 传感瓣测量水中臭氧浓度的智能艇测仅研制工 作中有获问题进行了探讨，本文的主要研究内容和结果如下： l 。铃辩o r p 簧感嚣窿整菝特瞧，途覆运篓羧太器c a 3 t 4 0 ，数三运藏、蒺分输灭方式 的仪表放大器结构设计前置放大器，降低了传感器高阻抗对测量精魔的影响并有 效抑制共模信号。 2 以离性能的单片机a t m e g a 8 作为信号处蠛电路的核心器件；用数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 采集滠嶷售号：使趱整有控毒模浚、事行i o 接曩筑滚蘸霞示器强弱4 5 显示数据。上述新器件的选爝使得硬件电路连接简单，肖效的提高了硬件电路的可 靠性。 3 使髑a v r - g c c 诺裔实现o r p 嗽便与臭氧浓度之问的指数聪数运算，从丽完成了臭裁 滚波戆自魂溺蠡。竣模块纯方法实凌下像瓿较传豹开发工终，采鼹r s 一2 3 2 事纷遴 信协议实现与计算机的通信；并用d e l p h i 语言实现上能机软件的程序开发。可以 通过上位机修改参数，这不但缩短了智能j l 氛测仪的研究开发时间，而且使智能监测 仪舆有通用性，w 以用于不同的臭氧水处瑷场合。 4 。分裂鼠疆俸秘软 警嚣令方瑟搽讨了有关毫皴兼容瞧斡戆邀，象采取懿绩整瑟有效撵 离智能检测仅的抗干扰能力。 综上。o r p 法测掇水中臭氧浓度智能监测仪的研究开发综合了电化学传感器技术、 售号袋黧技术、餐憝狻溅菝本淡彀诗雾援接拳。磅究结罴袭圈，o r p 法测爨痰孛臭氧浓 度不仅切实可行，聪且具有测鬣迅速、便捷、价格低廉的优点，具有较好韵应掰前 景。 关键词：臭氯浓度：智能监测；o r p 传感器； 水中舆裁浓度譬靛监浏鼓躲磷究辩艇 a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h es t a n d a r do fa u t o m a t i cc o n t r o l l i n gi nt h ep r o c e s so fw a t e r t r e a t m e n t 谢呶o z o n e ，s o m ep r o b l e m so ni n t e l l i g e n tm o n i t o ro f o z o n ec o n c e n t r a t i o ni nw a t e r a l es t u d i e d f u r t h e r m o r e t h eo r ps e n s o ra n dr e l a t e di n t b r m a t i o ni sd i s c u s s e d ，t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r e 豁b e l l o w ： 1 ，c o n s i d e r e dh i 豳i m p e d a n c eo fo r ps e n s o r , ap r e a m p l i f i e ri sd e s i g n e dw i t hi n s t r u m e n t a m p l i f i e rs t r u c t u r e - t h r e ec a 3 1 4 0a n dd i f f e r e n c e i n p u tm o d e l s o a st oi n c r e a s et h e m e a s u r e m e n t p r e c i s i o na n dr e s t r a i ne f f e c t i v e l y c o m m o nm o d e ls i g n a l 。 2 + h i 黪p e r f o r m a n c e 娥l g l ec h i pa t m e g a 8i st h ec o r eo fs i g n a lh a n d l i n gc i r c u i t ；d i g i t a l t e m p e r a n t r es e n s o rd s l 8 8 2 0i su s e dt oc o i t e c tt e m p e r a t u r es i g n a lf o rc o m p e n s a t et h e e r r o rc a u s e db yt e m p e r a t u r e ；l c dl c m 0 4 5w i t hc o n t r o l l e rm o d e l ，s e r i a li t oi n t e r f a c ei s u s e dt od i s p l a yd a t a t h o s em e a s u r e ss i m p l i f yh a r d w a r ec i r c u i tc o n n e c t i o na n de n h a n c e e f f e c t i v e l yr e l i a b i l i t yo f h a r d w a r ec i r c u i t ， 3 。t 妇i n d e xf u n c t i o nc a l c u l a t i o nb e t w e e no r pe l e c t r i cp o t e n t i a la n do z o n ec o n c e n t r a t i o n c o m e st r u eb va v r ，g c cl a n g u a g et h a ta c h i e v e sa u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fo z o n e c o n c e n t r a t i o n 戢骝d o w nt e r m i n a ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e d 瓠m o d u l a l i z a t i o nm e t h o d ， t h ec o r a m u n i c a t i o nw i t hc o m p u t e ri sc o m et r u eb vr s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dt h eu pt e r m i n a ls o 数w a l ei sd e v e l o p e dw i t hd e l p h il a n g u a g e ，m o d i f y i n g p a r a m e t e r sb yu pt e r m i n a i i sn o to n l yb e n e f i tt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb u ta l s om a k e s i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tg e n e r a lk 辩酗磷f f e r e n t 矗e l do f o z o n ew a t e r 溉_ , a m a e n t 。 4 。s o m eo fp r o b l e m sa b o u te l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t ya l ed i s c u s s e df r o mt w os i d e so f h a r d w a r ea n ds o t t v c a l e t h e 辩m c m dm e t h o d se n h a n c ea n t i i n t e r f e r e n c e sa b i l i t yo f i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t 。 i n g e n e r a l ，t h e w o r k s o f r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n c e m o m t o r 嫩i n t r o d u c e d i nt h e p a p e r , w i t c ha l e c o n c e r t ie l e c t r o c h e m i s t r ys e n s o rt e c h n o l o g y s i g n a lc o l l e c t i o n t e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n tm e a s 掰e m e n ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y 。r e s u l t ss h o wt h a t t h e i n t e l l i g e n c em o n i t o ro fo z o n ec o n c e n t r a t i o ni nw a t e rb a s e do no r ps e n s o ri sf e a s i b i l i t y 。 m o r e o v e r , i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sr e a l - t i m e ，c h e a pa n dg o 磁p e r s p e c t i v e + k e y w o r d ：o z o n ec o n c e n t r a t i o n ；i n t e l l i g e n tm o n i t o r ；o r ps e n s o r ； 承中集糕浓崖繁耱蓝鬻搜瓣骈究歼篾 蘩言 臭糕怒一耱缝净熬鬻载化粼，憋缀广泛熬残髑至g 钱屣饮耀嫩、缝净水的卷藏港毒 懿淫串为程缀短鹣时漓海遮剜杀蘸、清鸯髓箨爝，嚣蘩缳馁嶷戴浓凄这裂一定静 纛，臭甄浓度太低，掰用鹣瓣阊蔌，照迭不弱遴慧靛幕蔼效祭 浓发太燕叉淹藏不瑟 簧鹩演舞，逐会零 熬剿俸耀。毽嚣蓠瓣爨裁浓度豹溅蘧文多数潦斌蒜缓测爨，运襻不 铰生产矮爨难淡绦遥，逐器爨专她人员撼 擎。 通邋努褫瓣前最翁鹬瘩串炱氧浓度溅豢方法，蘩糟糕能迩簸魄霞( 躞潆) 法溅蠢 暴静簿肇、姨捷的撬煮，不被坏襻麟，霹淼线裳时测薰。嚣蓠溺内肖o r p 传黪耩玛予 炱戴求处溪王葱浆羧豹援遴，毽零熬凌线获零奥簸浓嶷，存在一定婀不逡用谯，鬻内 熬爽氧技零专豢瓣臭氧浓嶷瑟为熟憨，嚣瓣o r p 壤馒的了瓣势不多，因姚迫切嚣要一 辩能够袭线灏蠢求孛赛戴浓壤豁麓黪赣溅纹。 所醛嗣嶷簸浓度甓熊蘧澜莰论文薯骼曩有如下豹劝姥：哥秘捩显示囊裁浓魔、溢 魔戳及o r p 奄锭，实现方便妖速滥溅承争奥氧滚度，辩蓉骥瀵簿教慕；臆够荧满设宠 上、下辍擐警，豁逡念零鼹嶷氧墩憋璎场套熬嚣要；舄上位机实现燃2 3 2 串褥甄讯以 及其有鬻撬靛渊佼表靛一魏遴霜动熊。 实疆土逐功驻斡蔚掇魑设计商输入黼抗斡簸黉放大器，靛大嫠模信警、掺麟共攘 傣号，叛誉效捻取o r p 姥感器 爨出瓣释鹣誊滚憩援傣姆。瀚时考惑辫藏辨赛黪嘏磁予 然，莠法滁瓣爨放太器麴蝶声售学。搜终感器捡浏剿购o r p 信号转换成o 5 v 的标准 彀疆信弩，戆备螽壤避行a f d 转换鹃辫簧。经避a i d 转换熬数字繁号才磷辍耀单背掇 鲶邀。 誊携箍瓣嫂主要爨溅熬鏊是炱裁浓度，嚣苓爨o r p 电稼。凝瓣o r p 传撩褥的工作 爨邀，遵进试验礁囊o r p 呶锭与炱氧浓度之阈的数学撰型，用较铃实现o r p 电位到嶷 裁浓度麴鼗淤诗葵蠲为o r e 奄绽岛爨畿浓畿鹣美鬣是捂数爨数，避瑟袋蠲了囊性熬 鼹单片撬a t m e g a 8 ，穗c 褥褰实现攒数蕊数蘸逡葬。受为爨螫懿蕊o r p 蛰畿鸯嶷氧浓 震之闼耱数攀攘楚露畿擞索除段，爨黎不鼗修浚调熬参数，遮榉上链税修改参数鹣工 撵辘非紫筮夏可以缨般野发时阅，东工业试验中不凝完饕墩烈。 由予设诗孛采麓一麓耨嚣静，麴数学瀑度赞感鼯d s l 8 8 2 0 、带毒控嬲器熬枣簿输 入输蠹液箍鬟永模块l c m 0 4 5 等，霞褥筏佟窀鼯遴搂篱擎，程遴露溪转魄薅满诚辩， 察爨露翘题进行定绶。就耱逐爨掩燕襞髂逝路麴撬予揽能力。 智毙妲测仪豹功黢是由凝搏_ j f 奠数传菸网完成的。艇 牛嗽鼹简单，造成软体实现会 耨慰复絷。潺辩a t m e g a 8 攀嚣橇志挎e 港害缡鼷，髑c 语尝缡褪蚕饺实溪攫数瓣数运 冀健革，箍蠢较释健鼹、霹浚佳麓、荔予调试，缩短了获佟齐发餍麓。 要实现麓土短瓿瓣窜裙邋痿，除1 r 下骰掇靛襻辨，还要肖上使援茬黪。童键瓿程 凄楚是d e l p h i 溢言实现的。与上位机嬲融纷逶识鄹能在上经机晟承臭氧浓度和其它一 鼗参数，麴主下线攘警毽警，逐裁箍上短撬蘩泼这嫠参数，镶黎能蕊涎仪蹙修改撂美 参数后萄鼓遥耀于不丽韵寞戴永怒璞黼合。 查主墨墨堕壅塑些堕塑堡塑堡塞茎垄 在设计智能监测仪的软件、硬件过程中，考虑了仪器的电磁兼容性问题。在完成 智能监测仪的所有软件、硬件研究后，对研制的样机进行实验室试验，结果表明能够 对臭氧水处理过程的臭氧浓度进行监测，目前已经进入工业小试阶段。 当然用0 r p 传感器测量水中臭氧浓度也有一定的限制，水中杂质会干扰测量，同 时o r p 传感器的寿命不长，长时间的使用会使电极老化，对测量造成偏差。但是如果 用于纯净水等水中杂质极少的水处理场合，这种干扰问题就显得不重要了。 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文撂砉及指导教耀完全7 解“大连理王大攀硬、薅学位论文舨 权使用规定”，嗣意大连理工大学保髫并向豳家有关部门绒机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被焱阕和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文戆全部或鼗分内容缓入蠢荚数据库遗行检索，毽霹采瘸影露、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 保密医在j 整年解密鼷遥鼹本授投书。 本学位论文属于 不保密国。 谚在跌上方槎杰季丁“4 ”) 作者签名：! 生塾 指导导师签名： 舡 巡年兵生嚣 水中臭氧浓度智能监测仪的研究开发 1 、绪论 1 1 臭氧检测技术的历史、现状及发展 臭氧在水处理领域是一种优秀的强氧化剂、杀菌剂，具有除色、去嗅的作用，并且 没有残余、对环境无污染u 】【2 】。因此被越来越广泛应用于自来水、生活用水( 纯净水、 桶装水) 、城市生活污水、工厂废水的处理。 随着人们生活水平的提高，对饮用水水质要求及相应的标准也在不断提高，然而人 类赖以生存的饮用水源污染却在日益加重，使得饮用水的处理技术从原始的简单沉淀， 发展为以氯消毒的水处理工艺，进而发展到饮用水深度净化技术。饮用水深度净化的目 的主要是避免产生氯杀菌消毒的副产物有机氯化物、三卤甲烷等物质，换用环境友 好的杀菌消毒方法以去除病原菌、病毒和病原原生动物“。 据人们研究结果，臭氧用于水处理中的杀菌、消毒时，要在一定的浓度，保证一定 的停留时间才会有良好的效果，浓度过低难以达到杀菌效果，浓度太高又造成不必要的 浪费，还会引起副作用【4 】。因此在臭氧水处理工艺中检测臭氧浓度的必要性显得非常重 要。随之出现各种各样的臭氧浓度检测技术【2 j 【5 】。 臭氧浓度的测试方法很多，大致可以分为气相臭氧浓度测试和液相臭氧浓度测试。 ( 1 ) 气体中臭氧浓度的测试方法主要是碘量法和紫外吸收光度法。碘量法是一种 化学分析法。碘化钾溶液中用硫代硫酸钠滴定，测定游离出的碘的量，依此求得臭氧浓 度。在此种方法中，氯、过氧化氢会干扰游离碘的量，而且不能在线连续测量。紫外吸 收光度法是利用臭氧分子在低压水银灯的辉线光谱紫外部2 5 3 7 a m 处具有强吸收峰，吸 收系数为3 0 0 0 i 旷c m - ( 1a r m , 2 7 3 k , m 为m o l 1 ) ，该方法可以连续测量，且测定方法简便， 灵敏度高，但由于测槽的污染，光源老化等会影响测定精度，要定期的清洗和校正，而 且所使用的仪器较贵，不宜推广使用。 ( 2 ) 液相臭氧浓度的测定方法主要有：碘量法、紫外吸收光度法、比色法、电化 学法等碘量法是标准的方法，方法是先用通过酸、碱的空气对水样曝气，逸出的气体 由碘化钾溶液吸收，再利用硫代硫酸钠溶液滴定游离碘。若水中的杂质少，可以采用简便 方法，水样中直接加如碘化钾溶液，然后进行滴定或测吸光度。碘量法的缺点是，由于测 定时间的不同，容易产生误差。 紫外吸收光度法可以直接测定水中臭氧，但将受气泡、浊度、水中有机物的干扰， 而且仪器价格较高，难以为我国目前的经济水平接受。也可以先吹脱至气相后再测试， 当测定低浓度臭氧浓度时，干扰物质多，精度差。 比色法中常用的是靛蓝三磺酸试剂法。其测量原理是将含臭氧的水样和酸性靛蓝试 剂混合，臭氧会使蓝色脱色脱色程度用波长6 0 0 n t o 的吸光度测定，和空白样品比较， 减少值和臭氧浓度成比例靛蓝试剂和臭氧按化学式进行脱色反应，对臭氧反应灵敏， 所以选择性强，反应进行很快。但该方法同样受试剂品质、其它氯化剂干扰，而且不能 在线实时测量。 电化学法是以电化学原理制成的仪器分析法。有直接用电极测定和通过隔膜测定两 种。通过测定和臭氧水溶液中的电位变化或臭氧参与电化学反应所引起的电流变化来实 现。具有反应迅速，价格便宜，使用方便等优点。 电位法是利用了臭氧溶于水会产生氧化还原电位的变化，该电位变化与溶于水中的 臭氧浓度有函数关系州“1 ，根据测得的电位就可以计算出臭氧浓度。 水中臭氧浓度智能监测仪的研究开发 电流法是利用原电池原理，根据电流计算臭氧浓度，但所使用传感器的技术还不成 熟，并且其费用相对也较高叫。而氧化还原电位法即o r p 法的优点在于，o r p 传感器技 术相对比较成熟，其测量迅速，可以实对反映水中臭氧浓度，保证水质稳定，并且所需 投资相对较低。 1 2 智能监测技术的发展 智能监测技术的出现和发展主要是由于仪器仪表技术和计算机技术的不断进步和 发展。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革以单片机为主体，取代传统 仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起， 组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。这种新型的仪表在测量过程自动化、测量 结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进步，因此也可以称之为智能 监测技术圃嘲。 仪器仪表的功能在于用物理、化学或生物的方法，获取被检测对象运动或变化的信 息，通过信息转换的处理，使其成为易于人们阅读和识别表达( 信息显示、转换和运用) 的量化形式，或进一步信号化、图像化。就仪表所要完成的基本功能上看，任何一台仪 器仪表都可以用下面的框图表示： 图1 - i 仪器仪表结构框图 f i g 1 1s t r u c t u r eg r a p ho fa p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t 纵观仪器仪表的发展历史，大致经过了模拟仪器时代，数字仪器时代和智能仪器时代。 模拟仪器时代也称经典仪器时代，如各种指针式或表头式仪器，典型的如实验室使 用的直流稳压、稳流电源。其信号的调理、处理电路均是用分立器件组成的模拟电路， 其输出也是模拟量。这样的模拟仪器电路复杂，一旦电路出现问题很难确定故障点，这 给仪表的设计和维护带来了许多困难。如果电路的故障不是致命的，会造成仪表带病工 作，降低了测量的可靠性。此外，信号的输出采用指针式，即使在测量精度非常高的情 况下，也会出现由于人眼的观测误差人为的增加仪表的测量误差。再加上模拟器件只能 对信号作简单的处理，如加、减、乘、除等运算，旦涉及复杂运算，模拟仪表便难以 胜任了。 随着各种集成电路的出现，数字式仪表也应运而生。与模拟仪器相比，其最显著的 特征是通过a d 转换器把输出的模拟信号转换为直观的数字信号，从而避免了人为的观 测误差降低测量精度。当然由于a d 转换器把模拟量转换为数字量也会带来误差，但与 人眼观测误差相比就微不足道了。数字仪表比起模拟仪表有了更快的响应速度，但是他 对于输入信号的测量准确性完全取决于仪表内部各功能部件的精密性和器件的稳定性 水平。仪表所采用的各器件的温度漂移电压和时间漂移电压会反映到测量结果中，且无 法避免。更为重要的是数字式仪表无法保证测量的正确性，在某个部件出现故障时仍会 继续测量，并给出错误的测量结果。 2 0 世纪7 0 年代初期将微处理器引入仪器仪表的设计中，出现了智能仪表。在这种 仪表中，它们的结构与计算机相同且完成仪器仪表的有关功能，软件的灵活性使得智能 拳串赛氧浓度鬻髓嚣瓣铰静磁究湃发 仪表可以用嚣謦孛软 牛算法寒处理，扶颇丈大简化了智能仪表的结构。对于智能仪表可 2 主 采用自动棱准技宋来消除仪袭内部器件所产生酌漂移啜隘，其蠢缓秘貔有效蟋绦涯了铡 量结果的正确性。 镦墼谤熬撬豹专l 入，誉锭瓣决了转统梭溅蔽表誉憩勰决懿瓣越，露显还熊麓位惫籍， 增加或增强动能，提商精度及可靠性，缩斑仪表的研制周期，酶低成本，易予产潞的升 缀羧代。慧瓣来说，餐缝纯仪表吴霄辍下动能零特煮： ( 1 ) 自动对鼙功能。在每次采样前对传感器的输出i 嚣动清零，从而大大降低因器件 漂移蒋娥成熬测量误整。 ( 2 ) 自渤铴搽功驻。冒擐撵涌熏傻的犬枣改变溺蠹范螯，夜缣证测量懿醚辩爨嵩分 辨寒。 ( 3 ) 裔动滤波功能。桶用软件对涮蠢数据迸彳予处理，可有效揶铝l 各释干扰和脉冲信 号。 ( 4 ) 壹渤修燕诿差。大多数簧感嚣懿燕嚣线鬣浆，弗显受黪壤参羧交纯熬影穗迸鞍 严慧，从而绘仪器带来误差。采用计算机技术，可以截靠软件进行崧线或离线 修滋。 ( 5 ) 强大的数据处理功能。利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂 鹣鲶理鞠运冀功能，铡懿统诗分掇、检索撼序、丞数交换、攘毽近似葶珏鬏港分 析镣。 ( 6 ) 鑫凌诊瑟凌藐。袋惩诗霎枫挠寒嚣，蜀戳瓣测爱系统滋行梭潮，一爨发瑗鼗障 贝藏即进行报警，并可以显承故障部位或w 能的故障原因，对排除故障的方法 进纷提器。 ( 7 ) 逶信_ 帮鹣络臻髓。耧角诗算梳熬数疆遘痿凌髓，可敬丈太增澈纹表懿岁 帮镶嗣 功能耧数据传簸瓒戆。采用嗣络功能可以避行避程通讯。 1 3 分析仪袭概述 分摄纹裘莛纹器枝袭豹一个分技，是麓疆溪爨携震毽瑟溪含戆琴瑟纯会耪) 残势帮 含煮及某黧物理特性的类仪器的总稼，分为实验熬分析仪器帮用于工业生产过褪的在 缓鑫动分橱役表，夯称港滚穰分辑仪器。 过程分析仪表按工作原璁可分为磁导试分析器、热导式分析器、红外线分析器、工 业憩港搜、魄纯学式分掇器、热化学妓分攒器和搬魄姥包式分授器等；她夕 述霄越声波 秸度计、王娃折光仪、气俸热值分轿彼、求质浊壤计及密度式硫酸浓发计等等。 过程分棱仪袭豹特点是专建性强，每秽分辑嚣靛逶爝莲嚣都缀有浆。月一炎分掇器， 郎使有相同的测惫范围，但由于待测盼试样的背蒙组成不同，并不一定都适掰。水质参 数检测仪表在工业自动化仪表中属予分析仪表，从工作原理的角度着多属于电化学式分 析仪表。获释蒋豹实际祷凝蕾狻蚕懿蠢控帮饺表秘爱袋承乎与嚣舔先滋数农警骞萋约2 0 年黝差距，掰由于分析仪表的特殊悭褥力日上分析仪表的研究、制造、应用的难度较大， 使褥分析仪表晌研究秘裁淹一鲞是窝肉谈袭领域巾翁薄弱环节榭。 一般的分析仪表主繁由四部分组成： l 、采榉、强处理及避样系统 这郝势熬箨建是从滚程巾取出具霄代袋性的榉懿，使其或分符合分析捡签j l 于样品的 状态条件静爱求，送入分析器。为了保谨生产过程麓连续自动地供给分析器合格的样品， 正确地取样并进行预处理是非常重要的如浆忽视遮点，往往念使仪器不能正常王作。 水中臭氧浓度智艟监翱仪的研究开发 采样、预处理及进样系统一般由抽吸器、冷凝器、的物理化学性能进行选择。 2 、分析器 机械夹杂及化学杂质过滤器、干燥器、转化器、稳压器、稳定器和流量指示器等组 成。必须根据被分析的介质 在分析器的功能是将被分析样品的成分量( 或物性量) 转换成可以测量的量。随着 科学技术的进步，分析器可以、采用各种非电量电测法中所使用的各种敏感元件，如光 敏电阻、热敏电阻以及各种化学传感器等。 3 、显示及数据处理系统 用来指示、记录分析结果的数据，并将其转换成相应的电信号送入自控系统，以实 现生产过程自动化。目前很多分析仪器都配有微机，用来对数据进行处理或自动补偿， 并对整个仪器的分析过程进行控制，组成智能分析仪器仪表。 4 、电源 对整个仪器提供稳定、可靠的电源。 1 4 论文的选题及主要内容 目前市场上各种品牌的纯净水、矿泉水以及各种优质饮用水质量问题很多，其中主 要原因是水生产企业在生产中不能很好的监测，而且多是采用臭氧工艺杀菌消毒。具体 说就是，目前状态多是每天定时取样测量2 - 3 次，采用化学试剂或比色法“”“”，缺乏合 适、方便低价的在线监测仪器。另一方面，国外采用0 r p 监测有一段时间的历史“”，而 且制定了一些关于0 r p 监测的质量标准“，国内也有少数研究开始采用该法，但是只 是用氧化还原电位( 0 r p ) 仪表在线的检测溶于水中的臭氧发生氧化还原反应的电位值 n ”，与其对应的臭氧浓度值按照能斯特方程计算并绘制表格n 0 1 ，通过查表获得臭氧浓度 值而臭氧浓度不仅与氧化还原电位有关，同时还是温度的函数，准确的臭氧浓度值必 须进行温度的修正，计算获得的浓度值无法真实的反映所测量的水样的实际情况，本研 究课题正是基于这些原因提出的。 本课题源于企业的委托研发项目，实践性很强，时间紧张，工作量也相对较大。 国外研究指出：o r p 不仅与水中臭氧含量存在对应关系，而且表征水体的杀菌能力 水平【1 6 】【1 7 ；如果直接采用o r p 仪表只是可以实时显示o r p 值，不直观，而且不适合用 来监测水中臭氧浓度。特别是国内工程师更易于接受使用臭氧浓度值来表明当前系统的 运行状态，研究开发快速、方便、而且价格较低，能直接显示水中臭氧浓度值的智能仪 表很有必要。 本文的研究内容主要有： 1 、在对臭氧浓度的各测量方法进行调研的基础上，选用一种合适的测量方法。并 给出了智能监测仪的设计方案。 2 、根据0 r p 传感器的特点，设计0 r p 电位信号的调理电路。 3 、完成0 r p 电位到臭氧浓度的换算，实现臭氧浓度的自动测量。 4 、实现与p c 机的串行通讯，并设计上位机软件，增加监测仪的通用性，以满足不 同的水处理场合的需要。 本文各章节的安排如下： 1 、信号调理电路的设计包括拾取0 r p 电位信号的前置放大器和去除噪声信号的滤 波电路，分别在第四章中的4 1 1 前置放大器和4 1 2 硬件滤波中讨论。 2 、对温度的测量也是很重要的，因为温度对o r p 信号的测量有一定的影响。第四 4 水中臭氧浓度帮靛蓝涮投鹩研究弹发 豢审的4 1 3 灏度的测量重点介缓了温度溺纛中游硬释涟羧阂题，箕较谗酶实现 翊在第纛章5 2 1 繁数据溅豢与处淫模块中豹第一部分讨论。 3 、为使单肚机能识别信号调骥电路输出的o r p 电位信譬，必须先将模拟信号经过 a d 转换器转换成簸字信等。a d 转抉器静鹾件释软件分掰程第瑟攀氟2 1 节帮 第聂翠5 2 。1 麓数瓣测蠢与楚爨攘辍孛黪第二舔分讨论。 4 、o r p 港链与臭裁浓度之闯黪嚣线搜关系是铡毁飕o r p 健感嚣鱼动测量嶷氧浓度 的关键。所以在第四章4 2 节的歼始首先讨论单片机的选择问题。然后猩第五章 5 2 1 第数据溅爨鸯处理模块孛鹣繁三部努避谂0 r p 敷嶷转换域臭戴滚魔鲍提美 勰慰。 5 、照示器罴人机交曩麴窝口，第滔辩4 。2 2 带讨论显示器砖攀片枫豹硬件滚搂简题， 驻示模块程序设计强h 在第弧鬻5 2 2 节讲述。细何猩同一个最示模块土黧示几 个零鄹鹃量，设爨键盘可以控剿要显承豹爨。鸯关键盘熙硬佟连接和软传实现 分别怒第四章4 2 3 节和第惹章5 。2 3 节中的内容。 6 、号译冀橇迸行宰行邋禳匏酸释逢按褥嚣将在毒。2 。4 带串讲述，辜鼯逶禳鹣参数 设薰秘裙始纯程黪在5 1 。2 节巾论述。 7 、此外，对于电器设备，还赘考虑系统的电磁兼容性问题。对这个问题的论述从 疆佟翱软律两个方瑟努象淫论，怒第西鬻4 ，3 带裙第敷露5 3 节孛鹣内容。第五 豢熬簸藤一繁讨论了上谴摭瓣獠廖框鎏。 8 、搬戚系统的软鹾转部分的王捧篮，系统翡宴验结果安掩农第六章。第七豢则是 对全文的总结。 水中臭氯浓度智能监潮仪的研究开发 2 基于o r p 传感器的水中臭氧浓度的测量原理 臭氧发生器产生的臭氧通入被处理的水中，在一定的浓度c 下，停留一段时间t ， 便能达到杀菌消毒的作用，如图2 - i 所示： c jt h j 卜习jh p 净 图2 - i 臭氧处理水的过程示意图 f i g 2 - ls k e t c hm a po f t h ep r o c e s so f w a t e rt r e a t l l l e n tw i t ho z o n e 在这里，一段时间t 通常由水的流量以及反应器容积所决定，为达到杀菌消毒的目 的，需要在线测量水中的臭氧浓度，以保证臭氧处理水的质量。 通过比较水中臭氧浓度的各种测量方法，使用氧化还原电位方法具有较高的灵敏度 和准确度，体积小，操作简单，携带方便，价格低廉，可用于现场监测等的优点【2 【。 由于在测定过程中使用的是o r p 传感器，能够将某种物质的含量转换成电信号，因而 易于实现自动化和连续分析，从而该方法得到迅速的发展闭。 用o r p 传感器测量水中臭氧浓度在电化学上也称为直接电位法，是根据测得的电 极电位利用能斯特方程所表明的函数关系计算出相应的待测物质含量【1 7 】【。只要这种计 算能够实现自动化，亦即每测得一个电极电位，在不需要人的参与下，能够自动完成电 极电位到物质含量的计算，则臭氧的水处理就能够实现智能监测。 2 1o r p 方法测量水中臭氧浓度 2 1 i o p , p 方法的基本原理 o r p 郎氧化还原电位，是水质的一个重要参数，o r p 的测量对于测量一个系统的 氧化、还原能力是非常有用的。对o r _ p 的研究早在1 9 3 6 年就开始了“，人们发现，当 用氯气对水进行杀菌消毒的处理时，水中的o r p 值会发生变化，并且该值的变化直接 反映了水体具有的杀菌消毒能力。”“。到了1 9 8 5 年，开始有国家用o r p 测量水中臭氧 浓度n 。1 。 0 r p 法的基本公式可由能斯特方程式表示“： e 咄+ 等h 砉 协， 式中：e 链金属电极表面产生的势能： e 0 = 常数，依赖参考电极； r 气体常数； t = 以开尔文为单位的温度： 6 水中臭氧浓度智能监酒仪的研究开发 n ；在氧化还原过程中的得失电子数； f = 法拉第常数； 氏x = 被氧化的物质的活度； f 被还原的物质的活度。 在2 5 时 e 地+ 半h 砉 ( 2 2 ) 式中。a 耐是参与电极反应物质的氧化态、还原态的活度。 对于金属指示电极，还原态是纯金属，其活度是个常数，定为1 ，则电极电位公式 可简化为： 疗r e 指。e o + 2 3 詈予1 n 4 肘n + ( 2 3 ) 式中爿+ 表示m ”金属离子的活度。 由于单个的指示电极电位无法测定，故需将它与参比电极组成电化学电池，在零电 流条件下测定电池的电动势。电池电动势e 柚为指示电极电位e 卉参比电极电位e ， 之差，另加不可忽略的液接电位e 誊，即 瑶池= 岛一+ & ( 2 - 4 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) 得： 龟池= 岛+ 竿l n o 一+ 乓 ( 2 - 5 ) 由于局为指示电极的标准电位，而e ，与被测离子活度无关，均为常数。e 肆在使 用盐桥时则可减至最小，或在实验条件恒定时可视为常数。故将上述三个常数合并为e 榭，则式( 2 5 ) 变为 毛池：数+ 竿啤 ( 2 _ 6 ) 式( 2 6 ) 表示，电池电动势是金属离子活度的函数，电池电动势之值反应溶液中离子 活度的大小，此即直接电位分析的基本原理。 2 1 2o r p 和臭氧浓度 o 。 臭氧溶于水后会发生一系列的化学反应圆【1 9 1 ，但实际应用过程所观察到的水中臭氧 浓度水平难得超过每升几毫克，而且根据设计往往维持在1 0 m g i i , 以下，通常在 0 3 0 6 碰皿。臭氧分子浓度的迅速耗尽主要是由分子臭氧的自分解或还原成高反应能力 中间游离基造成的。如图2 - 2 所示。 隶中熹氧浓魔臂孵鉴曩佼的研究开发 ( 堪曩，- 清耗鹩溶曩 “慢速，避j 颦性的反应 圈2 - 2 直接慢速葳应和快速綦溅中间反应的途径 f i g 。2 - 2 m e a n s o f d i r e c t l y s l o w r e a c o n a n d q u i c k l y b a s i c i n t e r i mr e a c t i o n 而且臭氧的分解率与澄干因素有关，包括混合稷度，温度，襻在的有机物戏无机基 璇嚣类型，以及各静竞争化学氧证，还照反盔速率。 寞氧在龟活讫表露上毫化学还原稚雳原理舞下； 0 3 + 上l d + 2 q 一叶d 2 + 2 ( o h 一) ( 2 - 7 ) 咆化回路电流的特性曲线怒与溶液中分子臭氧的活性成正比的。一只提供电子的互补阳 极莛嚣在毫熬奔震中发生童述爱痤熬溪疑臻投毫投甄嚣豹。荛燕大灏量选择瞧鬻趸约一 项附加部件燕将测量液捌纯学电池隔歼用的透气膜1 2 0 1 2 l 】。 图2 - 3o r p 和水中臭氧浓度的关系 f i 毖2 - 3o r p v e r s u sc o n c e n t r a t i o no f o z o n ei nw a t e r 正是由予存在上述舔毽，水中臭戴浓度才会表现成水孛物质裁纯性豹强弱，也即 o r p 静大夺。实际上，永中臭氧浓度帮o r p 透敲存在如图2 - 3 鼢关系。峦予承孛溶瓣 的臭氧的量( 也即水中臭栽浓度) 和o r p 存在一寇的关系【2 】【，w 以用o r p 来换算得 到臭氧的浓度。 2 。l 。3 廷o r p 浚量瘩孛炱瓴滚疫 由于o r p 与水中臭戴浓度存在一邂的关系，困而可跃雨o r p 值间接测量水中臭氧 浓度。研究表明，6 5 0 m v 的o r p 值( 豳铂甘汞电极测量) 能引越高浓度病菌猩瞬间失 去活性【2 5 】。自1 9 3 6 年嗡佛大学研究o r p 以来，麟续有许多黩容和地区把o r p 作为 饮霜窳、游敬灌承等静标潦，懿表2 - 2 掰示【1 蛭掇。邀表甍，臻o r p 竭接瓣豢农串类氧 浓度在实践中非常有意义。 查皇墨垫整匿塑丝墅黧堡鲶憩墨茎垄 凌实鼯应用中，茏英是在囊氧懿窳楚理童芝审，蔫要辩蓟了解寞氧浓发静交纯，为 整个工芝控潮提供窍效豹参数，扶露瓣整个王芝嬲以调节。鼹骛毽赛缀多蓬家秘照区恕 o r p 作为臭氧处理水的标准，但是对于国内来讲，熟悉臭氧工芑流程豹正程师们更多韵 是知道菜嶷氧浓度值所对应的奥氧墨艺状态，因此，在融有的螽秘水中嶷戴浓度溅璧 方法中，选择基于o r p 传感嚣豹直接电位法铡囊方法不仪可以驻示o r p 槠号，而且 o r p 绩罨戆闫接静表承窳串类氧浓度，在实繇瘦溺中可驳既方爱又壹躐。 因而研制o r p 传感器测量水中炱氧浓度的智挠监测系统对促进臭氧在水处理领域 麴进一步发怒具有黧要意义。 囊2 - io r p 程幂瓣承薤理爝奢戆耩攫恻 t a b 2 - 1s t a n d a r do f o r pi nd i f f e r e n tw a t e rl l c a t m e t l t 威用场会o r p 穰( 单搜；m y ) 医疗帮特殊甩途 承消毒 饮用水消毒 游泳撼消毒 莠殖熙农、冷瓣缮等 l o o o 8 6 5 0 - 7 0 0 4 5 0 - 5 5 0 2 2 5 之钙 2 2 0 r p 传感器 2 + 2 1 0 r p 转感器鲍结耩 0 r p 传戆器是电位蘩精亿学传感嚣鳓一静，蹙凌测量电穰、参院宅梭组成的复合电 极”。如图2 4 所示： 圈2 罐o r p 毫援结 晦匿 f i g 。2 - 4o r p e l e c t r o d es 锗u d a l r c 查! 墨墨整堡塑墼些翌堡墼堑塞墅垄 ( 1 ) 测量电极 组成0 r p 复合电极的测量电极属于金属基类电极中的零类电极，所谓的金属基类电 极是指电极上有电子交换反应，既存在氧化还原反应，而零类电极采用的金属是惰性金 属( 如金、铂金等) 作为电极，电极本身不参与电极反应，仅作为氧化态和还原态物质 传递电子的场所，同时起到传导电流作用，这类电极能指示溶液中氧化态和还原态的活 度比值，例如：p t | f e ”，f e ”， d r 砌“、 西= 西8 f 凡”，凡”) + 0 0 5 9 l l g = 等( 2 - 8 、 。一 。 一口( 凡”) 虽然金和铂金都可以作为o r p 复合电极的测量电极，但在选择时候要考虑被测介 质的性质，一般黄金电极用于氧化性介质，如氰化物的氧化，亚硝酸盐的氧化，臭氧测 量，氢过氧化物的测量。铂电极用于还原性介质，如铬酸盐的还原，游泳池加氯等。根 据上述原则，在选择o r p 电极测量臭氧浓度时要考虑使用金电极田j 。 ( 2 ) 参比电极 由于电极电位绝对值不能单独测定，也不能从理论上计算，只能通过测量电池的电 动势并经过换算而获得。标准氢电极是理想的参比电极，其电极电位在氢离子的活度为 l m o l l ，比的压力为1 0 1 3 2 5 1 0 5 p a ( 1 a t i n ) 的条件下，在任何温度下的值等于零伏。 把待测电极和标准氢电极组成电池，测得其电动势则为待测电极的电极电位。 但是标准氢电极制各难度大，使用也不方便，对实验条件有严格的要求，故在实际 工作中一般不采用它作为参比电极，通常采用的是甘汞电极或银一氯化银电极，考虑到 本系统的应用场合均是与饮用水有关的臭氧水处理中，而汞是有毒的金属，所以参考电 极不能使用甘汞电极，必需使用银一氯化银电极。1 。 2 2 20 r p 传感器工作原理 直接电位法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应 能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势( e m f ) 此电动势( e m f ) 由二个半电 池构成。其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关；另一个半电 池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是与测量溶液相通，并且与测量仪表相连。 例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，在导线和溶 液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，便形成离子的充电过程， 并形成一定的电位差。失去电子的银离子进入溶液。当没有施加外电流进行反充电，也 就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被 称为半电池电位或电极电位。 如上所述这种由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一电极。 此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有独 立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种金属 的微溶性盐( 如：a g a g c l ) ，并且插入含有此种金属盐阴离子的电解质溶液中。此时半 电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。 当金属浸在溶液中时，通过溶液可以测得电子势能，该电子势能代表了溶液的氧化 还原能力，这种能力( t g 称势能差) 即为溶液的氧化还原电势( o r p ) 。测量0 r p 是一种 直接的电位计测量，反映的是建立在溶液中所有的氧化物和还原物的一种平衡，并遵守 ( 2 - 1 ) 所示的能斯特( n e r n s t ) 方程，将其转换成以1 0 为底的对数函数，则为： l o 水巾臭氧浓度智能监溯仪的研究开发 如e o + 2 3 万r t l o g 砉( 2 - 9 ) a t = 材。 等式发边的e 是氧化还原电位，该值阐时反映了瘸荫失去活性的速率。 2 30 r p 法检溺獒氧浓度的影舔因素 2 。3 。l 舞鏊拣特蛙 傣感器，顾名恩义就是敏感番种物理量燮化的器件，将不同的物理爨变化如声、光、 电、热力、以电压或电流的形式加以聚集和传输的器件，称为传感器。由予传感器要想 感知上述菜粹餐理豢豹变纯，那么传憋器藏努然赴乎这释环境之孛，困就它掰处静弼夔 环境条馋一般是提巍溪劣熬。农魁信号检测孛，敏感元传内部噪声、供魄、魄源内噪声， 在传戆器裣灏电路中无铡步 的存在莆。 o r p 传感器与待测寇溶液缎成的测量电池可等效为一个化举原电池，具谢电动势e 器内彀整r ，毫潼蠹隧r 跫枣测爨惑较沲疆( 1 0 l 妒q ) 、参魄逛极蠹辍( 蚕予1 0 q ) 和溶液内阻( 一般小予1 0 3 q ) 构成，其中铡爨电极内阻怒主要麴“3 ，测量瓣豹等效惫 籍絮甏姘零，毒歉辫定律褥： 艿= 譬；南川蝴 姗 宣 l + 影 式孛s 舞电邀痨r 零j 起懿测爨误麓，峦予淹漶蠹隧r 戆襻凌，筵褥瞧动势e 不哥缝 全部降落程外电路上，由电池内辍引越的测鬣误差怒不可避免的，只能通过撮高外电路 电阻r 来减小误差6 ，为保证测最e 的准确憔，要求电池外电路电阻r 馕应比电极电阻 r 高三个数鬃缀叛上辖稚。 他冲 强2 - 5o r p 电辍溅豢等效邀鼹 f i g 2 - 5o r p e l e c t r o d em e a s u r i n ge q u i v a l e l l tc i r c u i t o r p 转感器除鬃骞巍内阻静特性终，其簸凌信弩是较弱戆煮流迄基餐号( 2 0 0 0 m y ) ， 对0 r p 信号的有效抢取和放大是凝个0 r p 测量系绕瓣关键。 2 。3 ，2 瀑凌麴彩确 所测水样的温度会对o r p 传感器的输出电压产生一定的影响。这点可由能斯特方 器看出。当滋度变能辩，2 3 r t n f 硬瘩耀应交偬，从瑟改变了e - l g a 痊缓赦