（机械制造及其自动化专业论文）沼气反应发生器在线监测系统研究.pdf

沼气反应发生器在线监测系统研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：聋蒂锋 指导教师签字：音叩私、 摘要 内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，i c ) 厌氧工艺是目前应用在污水处理、沼气生成等领域 的热点工艺技术，具有去污能力强、产气率高、占地省、节约能源等优点。该工艺在猪场 废水处理方面的应用刚刚起步，各个最佳反应参数及其相互关系还需进一步摸索。本文针 对这一情况，研制了一套反应发生器在线监测系统，它可对水温、酸碱度( p h 值) 、氧化 还原电位( e h 值) 、内循环系统流量等四个主要参数进行不间断地在线监测。主要研究成 果如下：第一，基于计算机数据采集技术与传感技术，建立了一种全信息化的内循环厌氧 反应发生器在线监测系统。第二，根据用户提供的四个参数的取值范围及反应发生器内特 殊的环境，给出了测量传感器的合理选择。第三，基于a t 8 9 s 5 2 单片机，进行了下位机 硬件设计。该下位机可实现数据采集、在线下载和数据通信等功能，抗干扰能力较强。下 位机系统将通过u s b 总线与上位机相连，组成监测系统。第四，基于k e i lu v i s i o n 2 软件 平台，应用c 5 1 语言编写了下位机固件程序。第五，应用w i n d r i v e r 软件，编写了下位机 的驱动程序。第六，应用v i s u a lc + + 和m i c r o s o f ta c c e s s ，设计了一套多功能、人机界面 灵活的上位机应用程序，包括了数据通信模块、数据管理模块、在线监测模块和参数设置 模块。最后，对所研制的在线监测系统进行了测试，验证了上述设计的可行性。 关键词：内循环厌氧反应，在线监测，单片机，数据采集，u s b 通信 s t u d yo na no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s e d i ni cr e a c t o r d i s c i p l i n e ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：h 舯j 咖 s u p e 州s o r s g n a 细他：孙no c j 咖厶 a b s t r a c t i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ( i c ) a n a e r o b i cp r o c e s si sf r e q u e n t l yu s e di nt r e a t i n gw a s t ew a t e ra n d g e n e r a t i n gb i o g a s t h e r ea r ea l o to f a d v a n t a g e s ，s u c h a ss t r o n g l yt r e a t i n gw a s t ew a t e r , h i 曲r a t e o fg e n e r a t i n gb i o g a s ，l e s sl a n do c c u p i e da n ds a v i n ge n e r g y b e c a u s eu s i n gt h ep r o c e s si sj u s t s t a r t e d , a l lb e s tr e a c t i o np a r a m e t e r sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pa r cn e e d e dm o r eg r o p e d a i m i n ga t t h ea c t i o n , a l lo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s e di ni cr e a c t o rd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c h c a nc o n t i n u o u s l ym o n i t o rs u c hp a r a m e t e r sa st e m p e r a t u r e ，p h ，e ha n df l o wo ft h ei n n e rc y c l e s y s t e mo nl i n e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , b a s e do nc o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o na n d s e n s o rt e c t m o l o g y , a no n - l i n ea n df u l l yi n f o r m a t i o n i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mo fl cr e a c t o ri sb u i l d u p s e c o n d l y , b a s e do nt h ev a l u er a n g e so ff o u rp a r a m e t e r sp r o v i d e db yt h ec u s t o m e ra n dt h e s p e c i a le n v i r o n m e n to fi cr e a c t o r , p r o p e rs e l e c t i o nf o rc h o o s i n gs e n s o r si ss p e c i f i e d t h i r d l y , b a s e do ns i n g l ec h i pc o m p u t e ra t 8 9 s 5 2 ，t h el o w e r - e n dc o m p u t e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dc a nb e u s e di nd a t aa c q u i s i t i o n , i n - s y s t e mp r o g r a m m i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mc a l lb e u s e di ns t r o n g l yi n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t t h el o w e r - e n dc o m p u t e ri sl i n k e dt ot h eu p p e r - e n d c o m p u t e rb yu s bb u s t h em o n i t o r i n gs y s t e mc o n s i s t so ft h el o w e r - e n dc o m p u t e ra n dt h e u p p e r - e n dc o m p u t e r f o u r t h l y , b a s e do ns o f t w a r ep l a t f o r m - k e i lu v i s i o n 2 ，af i r e w a r ep r o g r a mo f t h el o w e r - e n ds y s t e mw a sd e v e l o p e d 谢n lc 5 1 f i f t h l y , ad r i v e ro ft h el o w e r - e n ds y s t e mw a s d e v e l o p e d 、 ，i 廿lw i n d r i v e r s i x t h l y , am u l t i f u n c t i o n a la n df l e x i b l em o n i t o r i n gp r o g r a mf o rt h i s m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n go fv c + + a n dm i c r o s o f ta c c e s sf o ru p p e r - e n d c o m p u t e r t h ep r o g r a mi n c l u d e sf o l l o w i n gb l o c k s ：d a t aa c q u i s i t i o n , d a t ac o m m u n i c a t i o n , d a t a m a n a g e m e n lo n - l i n em o n i t o r i n ga n dp a r a m e t e rs e t t i n g f i n a l l y , t h ep r e l i m i n a r yt e s tc a r r i e do n t h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mp r o v e st h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：i cr e a c t o r ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；u s b c o m m t m i c a t i o n 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位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学位论文。 学位论文作者签名： 韩锑 舯刻磴轹音小私、 日期：例f ，伞 l 5 5 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人已 申请学位或其他用途使用过的成果。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。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 耕亏年 特教师獬：膏彩 日期：缈行5 午 1 绪论 1 绪论 1 1 在线监测系统在沼气反应发生器中的应用 目前能源和环境问题已经成为全球关注的焦点。虽然石油、煤和天然气至今仍然是燃 料和有机化学原料的主要来源，但是随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重，开 发洁净可再生能源已成了紧迫的课题。在此背景下，沼气作为可储存和可运输的可再生能 源，其高效转换和洁净利用日益受到全世界的重视。 我国能源矛盾日益突出，而解决我国能源矛盾的根本出路只能是建设节约型社会。我 国农村能源利用效率低下，能源浪费严重。沼气产业实现了农业生产和农民生活的循环发 展，极大地节约了农村能源。发展农村沼气产业，是解决我国农村能源问题和建设节约型 新农村的有效途径。 1 1 1 内循环厌氧工艺( i c 工艺) 的概述 本课题所涉及的沼气反应发生器属于内循环厌氧反应发生器( i c 反应器) 。废水厌氧 生物处理技术由于其已经展示出的处理能力和潜在的应用前景，一直是沼气技术中的重点 领域。到了8 0 - - 9 0 年代，废水厌氧处理技术已日趋成熟。随着生产发展与资金、能耗、 占地等因素间矛盾的进一步突出，水处理工作者必需努力寻求技术经济更优化的厌氧工 艺，尤其是如何处理发展带来的新的高浓度有机废水更使得这一努力成为必要。内循环厌 氧反应器即是这一背景下产生的新型反应器，是厌氧废水处理理论与工程实践相结合的产 物，体现了厌氧工艺自身发展要求。1 9 8 5 年，荷兰p a q u e s 公司建立了第一个i c 中试 反应器，1 9 8 8 年，第一座生产性规模的i c 反应器投入运行。目前，i c 反应器已成功应 用于啤酒生产、食品加工等行业的生产污水处理中。由于其处理容量高、投资少、占地省、 运行稳定等特点，引起了各国水处理人员的瞩目，有人视之为第三代厌氧生化反应器的代 表工艺之一n 1 。进一步研究开发i c 反应器、推广其应用范围已成为厌氧废水处理的热点 之一。 从i c 反应器的工程实践看，国内沈阳、上海率先采用了i c 工艺处理啤酒生产废水。 以沈阳华润雪花啤酒有限公司采用的i c 反应器为例乜1 ，反应器高1 6m ，有效容积7 0m 3 ， 每天处理平均c o d 浓度为4 3 0 0m g l 的啤酒废水4 0 0m 3 ，在c o d 去除率稳定在8 0 的 条件下，容积负荷高达2 5 - 3 0k g m 3 d 。公司在解决处理生产废水问题的同时，经济上也 获得较大收益：每年节省排污费7 5 万元，沼气回收利用价值4 5 万元，相比之下，反应器 年运行费用仅为6 2 万元。可见，i c 工艺达到了技术经济的优化。i c 工艺在国外的应用以 欧洲较为普遍，运行经验也较国内成熟许多，不但已在啤酒生产、土豆加工、造纸等生产 领域内的废水处理上有成功应用，而且正日益扩展其应用范围，规模也越来越大。荷兰 西安工业大学硕士学位论文 s e n s u s 公司就建造了容积为1 1 0 0m 3 的i c 反应器处理菊粉( i n u l i n e ) 生产废水0 1 ，而据估 算，如采用上流式厌氧污泥( u a s b ) 反应器处理同样废水，反应器容积将达2 2 0 0m 3 ， 投资及占地也将大大增加。1 9 9 5 年该反应器初期运行时，日处理c o d 浓度约为7 2 0 0m g l 的废水3 9 6 0 m 3 ，水力负荷达3 0 蝇c o d m 3 d ，c o d 去除率稳定在7 0 8 0 。 i c 工艺的优点有以下几点： ( 1 ) 容积负荷率高，水力停留时间短。据报道“1 ，对低浓度有机废水( 1 5 0 0 - - , 2 0 0 0r a g l ) ， 容积负荷可达2 0 2 4 k g c o d m 3 d ，水力停留时间仅为2 - 1 3h ，c o d 去除率稳定在8 0 。 ( 2 ) 对于处理相同c o d 总量的废水，i c 反应器体积相对其他种类反应器体积更小， 投资更省，加之4 - 8 倍的高径比，所以占地更省，这一点有很大的现实意义。 ( 3 ) 由于i c 反应器内生物量大，内循环液与进水混合均匀，所以系统抗冲击负荷能 力强，运行稳定。这一点也是生物处理的共性。此外，由于内循环技术的采用，致使污泥 活性高、增殖快，为反应器的快速启动提供了条件。i c 反应器启动期一般为1 2 个月， 而其他反应器的启动周期达“个月口1 。 ( 4 ) 由于采用了内循环技术，i c 工艺可充分利用循环回流的碱度，有利于提高反 应器缓冲p h 变化的能力，从而节省进水的投碱量，降低运行费用。 ( 5 ) 根据以上特点，可以对i c 反应器进水水质特点作一简单分析。i c 反应器效能 高，h r t 短，为了能形成内循环，废水c o d 值宜在1 5 0 0m g l 以上；进水碱度宜高些， 这样易保证系统内p n 值在7 左右，维持厌氧处理的适宜环境因素；进水s s 值不宜过高， 虽然不同废水的s s 中易降解、难降解和不可降解物质所占比例不同，但从长期运行稳定 的角度看，s s 值应偏低一些嘲。 1 1 2 在线监测的意义与作用 该项目所设计的沼气系统反应发生器属于内循环厌氧反应发生器，这种内循环厌氧处 理污水工艺是属于荷兰p a q u e 公司的专利技术，该技术面世时间不长，而且未全部公开。 目前，国内外主要将该技术应用于啤酒生产、土豆加工、造纸等生产领域内的废水处理上， 在猪场废水处理上刚刚起步，只有农业部沼气科学研究所的邓良伟教授等专家在实验室中 对利用内循环厌氧工艺处理猪场废水进行了初步试验研究，因此，在该项目方案中，要求 设计安装一套在线监测系统，用来收集和处理重要工艺参数数据，为将来的自动化控制打 下良好的基础。使用这种反应发生器生成沼气时，反应发生器内的环境对沼气的产气量起 着决定性作用。通常用以下四个参数来衡量反应发生器内的环境是否适合沼气的发生：沼 液在内循环系统内的流量、反应发生器内沼液的温度、反应发生器内沼液的p h 值和反应 发生器内沼液的氧化还原电位。因此，本套在线监测系统的监测对象就是这四个参数。 本课题就是为此项目设计一套在线监测系统，用来满足用户对于沼液在内循环系统内 的流量、反应发生器内沼液的温度、反应发生器内沼液的p h 值和反应发生器内沼液的氧 化还原电位等四个重要参数的实时监测的需要。 2 1 绪论 通过监测猪场废水在反应发生器内的反应环境，我们才能知道内循环厌氧反应是否发 生在一个最佳的环境中，从而决定是否对其进行调整，使其适合厌氧反应的发生，使沼气 产气率达到稳定、高速的目标，为养殖场照明、供暖和做饭提供充足的沼气。也正是由于 监测技术在沼气反应发生器中的应用，应用内循环厌氧工艺生产沼气才可能向高稳定性、 高产气率、高c o d 去除率发展。采用内循环厌氧工艺生产沼气，通过对猪场废水的处理， 不但生产出清洁能源沼气，而且还减少了排放猪场废水造成的环境污染。在线监测技术应 用于沼气反应发生器的重要作用已越来越得到我国环保工程界的重视，该项技术在沼气工 程中的应用，将会极大地促进沼气事业的健康发展。它不仅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，而且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，使沼气生产管理达到一个“新境界。它为沼气生 产人员提供准确、及时的现场数据，能够使人们对厌氧反应过程的规律有更进一步的认识， 从而优化内循环厌氧反应工艺，降低生产沼气成本，提高沼气产气效益，为应用内循环厌 氧工艺生产沼气技术的持续发展奠定基础。因此，研制一种适合于在线监测内循环厌氧反 应工艺参数的在线监测系统具有重要的实际应用意义及科学理论价值。 1 2 本文研究背景 本课题来源于实际工程需要，该项目所属计划类别是：西安市科技局科技快速响应计 划。项目编号为：z x 0 6 0 8 4 。 在沼气工程中加装在线监测系统，是近年来沼气工程的一个热点。由于沼气反应发生 器在工作过程中，要求处在一个完全密闭的环境，所以，目前了解沼气反应过程的最好办 法就是加装在线监测系统。以往运用在沼气工程的在线监测系统都是应用在大型沼气工程 上，系统比较复杂，成本高，不适合浩然公司项目的要求，因此，需要根据项目的需要重 新设计制造套经济适用的在线监测系统。另外，根据用户发展的战略需要，在该项目中， 用户将对整个系统拥有完全自主的知识产权，这一点也要求我们设计制造一套拥有自主产 权的在线监测系统。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题是“阎良某养殖场猪水废水处理项目的一部分。此项目主要是为发展西北广 大农村沼气事业而建造的一套示范性沼气工程。涉及猪场废水处理技术、传感器技术、在 线监测技术等领域，最终实现一套功能完善的四参数在线监测系统。本课题的主要内容是 开发一套在线四参数监测系统以便对沼气反应发生器内温度、酸碱度( p h 值) 、氧化还原 电位和内循环系统流量等参数进行实时在线监测，全面掌握发生器内厌氧反应情况，为沼 气的产生提供适宜的环境。主要分为以下几部分： ( 1 ) 针对整个反应发生器的特殊性选择适宜于内循环厌氧反应工艺的传感器，包括 温度传感器、p h 值传感器、氧化还原电位传感器和流量计。 3 西安工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集卡硬件系统的设计，采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 单片机作为数据采 集卡的控制中心，利用a d 转换器t l c 2 5 4 3 将传感器传来的模拟信号转换成数字信号， 然后交由单片机通过u s b 接口控制芯片p d i u s b d l 2 ，把并行数据根据u s b 协议转换为 串行数据传送到主机。 ( 3 ) 数据采集卡固件的设计，利用c 5 1 语言在k e i l 公司的u v i s i o n 2 平台上开发数据 采集卡工作程序。主要包括数据采集、u s b 通信等功能。 ( 4 ) 利用w m d r i v e r 这个软件，开发出数据采集卡配套的上位机驱动程序。 ( 5 ) 应用v i s u a l c + + 和m i c r o s o f i a c e e s s 设计一套多功能、人机界面灵活的系统应用 程序，包括参数设置、信息通信、在线监测和数据管理等功能，与数据采集卡和传感器构 成一个功能完整的监测系统。 4 2 在线监测系统的组成 2 1 系统的选型 2 在线监测系统的组成 2 1 1 数据采集系统介绍( d a s ) 计算机数据采集系统( c o m p u t e rd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 如图2 1 所示，系统 对生产过程或控制对象的待测参数做巡回监测、处理、分析、记录以及参数的超限报警。 通过对待测参数的积累和分析，可以实现对生产过程进行各种趋势进行预测。这是计算机 应用于工业生产过程最早和最简单的一类系统。 lc r i ll 胤l 髓器l jl ii l 计苒抚 i 甜 嬲睬斛i 籼 了l8 l 传熙i俦嬲i 执行机构 t 。- ， 土 l l l 锄蝴 图2 1 计算机数据采集系统 过程参数经传感器、数据采集卡，定时地被送入计算机，由计算机对来自现场的数据 进行分析和处理后，然后通过c r t 或打印机输出操作指导信息供操作人员参考。 数据采集系统的输出不直接作用于生产过程的执行机构，不直接影响生产过程的进 行。它的输出只作用于有关的外部设备和人机接口，为操作人员的分析、判断提供信息的 显示和报道。这是一种开环控制系统，仅对生产过程进行监视，不对生产过程进行自动控 制。 计算机数据采集系统的突出优点是简单、可靠，如在实施计算机闭环控制之前，先进 行这种开环控制的试运行，可以考核计算机控制的正误，还可以用于试验新的数学模型和 5 西安工业大学硕士学位论文 调试新的控制程序，特别适用于尚未弄清控制规律或正在建立控制对象的数学模型的场 合，应用这些系统可以得到大量统计数据，有利于建立比较接近实际的数学模型或控制规 律。其缺点是生产对象控制仍需人工操作，故操作速度难以提高。 2 1 2 在线监测系统模型 本监测系统就是基于计算机数据采集系统的设计思想而设计的。该系统以单片机技术 为核心，与u s b 接口技术、数据通讯技术和人机接口技术相结合，使系统在数据采集和 数据管理过程中，充分发挥计算机数据采集系统的优势。此系统目前尚未实现闭环控制功 能，只是实现了沼气反应发生器内各个参数的数据采集和数据管理功能，是一个开环的数 据采集监测系统，对于各个环境参数的调节还需人工控制。 2 2 系统的基本组成 本监测系统是由1 台p c 5 8 6 机为上位机，l 块a t 8 9 s 5 2 单片机系统作为数据采集卡， 如图2 2 所示。数据采集卡对整个沼气反应发生器内的待测参数进行采集，即将传感器输 出的待测参数( 温度、p h 值、氧化还原电位、内循环系统流量等) 转换为数字信号，并把 这些数据暂存起来。当上位机向数据采集卡发送读取数据命令时，数据采集卡通过u s b 通信接口将数据送至上位机。上位机主要完成数据存储、数据显示、数据管理、数据查询 等功能。 温度传戆嚣+ 应驱 用动 一 数据采集卡 一 p h 值侍感鼍 程 程c 氧化述蒙电位俦感器 序垮一 【一潍计 图2 2 在线监测系统框图 2 3 传感器的选择 猪场废水在沼气反应发生器内发生反应生成沼气，需要有适宜的反应环境条件，这些 环境条件主要包括沼气反应发生器内的温度、料液的p h 值、料液的氧化还原电位、内循 环系统的流量等。沼气产气量的多少、产气速率的高低、猪场废水的处理程度，关键在于 环境条件对于沼气反应发生器内厌氧反应的适合程度。下面分别介绍上述四种参数对内循 环厌氧反应的影响和测量原理，并选择适应测量这四个待测参数的传感器进行测量。 2 3 1p h 值及其测量传感器 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与p h 有密切的关系，p h 值的变化直接影响着消 6 2 在线监测系统的组成 化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的p h 值，过高或过低的p h 对微生物是不利 的，表现在： ( 1 ) 由于p h 的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸 收； ( 2 ) p h 除了对微生物细胞有直接影响外，还可以影响培养基中有机化合物的离子化 作用，从而对微生物有间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗 入细胞； ( 3 ) 酶只有在最适宜的p h 值时才能发挥最大活性，不适宜的p h 值使酶的活性降低， 进而影响微生物细胞内的生物化学过程。 ( 4 ) 过高或过低的p h 都降低微生物对高温的抵抗能力嘲。 在厌氧消化过程中，随着厌氧微生物的生长繁殖和代谢活动的进行，厌氧消化液的 p h 会发生变化，有的由碱性变酸性，有的由酸性交碱性，其原因是多方面的。例如，基 质为碳水化合物，代谢生成有机酸后会使p h 值下降变成酸性；当基质为蛋白质或尿素等 含氮化合物时，代谢过程中产生的n h 3 和胺类等碱性物质会使消化液p h 值上升而呈碱性。 另外，由于细胞选择性地吸收阳离子或阴离子也会改变消化液的p h 值。如，用( n i - h ) 2 s 0 4 作氮源，当氨根离子被厌氧微生物吸收后，剩下的硫酸根离子会使p h 值下降。张旭口1 的 研究结果表明，消化液的p h 值是气液相间的c 0 2 平衡、液相间的酸碱平衡以及固液相 间的溶解平衡共同作用的结果；消化液的p h 随有机酸浓度的变化规律受氨、磷酸、钙、 其它离子含量及气相c 0 2 分压的影响。t a n a k a 等哺1 就在他们的研究中用c 0 2 作为p h 的调 节剂。完成厌氧消化过程的产酸菌和产甲烷菌的生理特性有较大的差异，对环境条件的要 求迥异，见表2 1 阳】【9 】。 表2 1 产酸菌和产甲烷茵的特性 由表2 1 可见，厌氧消化体系中的产甲烷菌对p h 的变化非常敏感，p h 在6 8 7 时产 甲烷菌的活性最高，超出此范围活性随之下降；当p h 低于6 2 时，产甲烷菌的生长则被 明显抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致p h 降至4 5 5 ，这种酸化状态对甲烷菌是有 毒害作用的。 液体p h 值的测定方法有比色法和玻璃电极法。在测量仪器中普遍应用玻璃电极法测 7 西安工业大学硕士学位论文 定p h 值，它是以p h 玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，并将二者与被测 溶液组成原电池n 们。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之 发生变化。由能斯特( n e m s t ) 方程可知，二者之间满足如下关系： ，一7 1 l t a e = - 5 8 1 6 x 竺二& o h ( 2 1 ) 2 9 3 一 式中，a e 表示电动势的变化量，以m v 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( ) 。 由上式可得水溶液中p h 值的计算公式为： 以：7 一v - v o 旦( 2 2 ) 5 8 1 62 7 3 + ， 式中，v 是所测电压值，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 v 。 目前，国际上先进的p h 值测量传感器是采用差分式五线制电极，双电桥结构，大幅 度减少了污染的影响，且易于置换，其用于温度补偿的处理电路和前置放大器均集成于传 感器内，避免了温度引起的误差n 邮副。由于信号通过前置放大器输出，己经是低阻抗的， 所以可以远距离传输且抗干扰能力强。高p h 值溶液的测量通常比较困难，读数不稳定， 因为一般的玻璃电极虽然对氢离子非常敏感，但还是容易受到相似离子，如锂、钾，特别 是钠离子的干扰。先进的p h 值传感器采用分子腐蚀工艺的玻璃电极，可以有效地克服上 述离子引起的误差，适当调节传感器的不灵敏带宽度，可以克服中和过程中p h 值变化的 非线性引起的问题n 舶。本系统选用武汉优测仪表有限公司的p h g 1 1 0 1 型p h o r p 计 + p h 7 0 0 0 p h o r p 复合电极组成的传感器方案，本方案中的复合电极就是采用玻璃复合电 极原理制造的，测量范围o 1 4 p h ，精度可达0 0 2 p h 。 2 3 2 温度传感器 温度是影响厌氧消化的关键因素之一。理论上，2 0 5 0 的范围内，沼气均能正常 发酵产气。低于2 0 c 或高于5 0 c 都会严重抑制微生物的生存和繁殖，直接影响厌氧消化 的产气率、产气量和消化时间的长短n 卜悖3 。温度对厌氧消化的影响其实质是影响微生物的 活性。一般来说，较高温度下的微生物代谢过程较快，厌氧分解和生成甲烷的速度就快， 其相应的产气周期就短。 温度对厌氧消化过程的影响主要有以下三个方面： ( 1 ) 温度对微生物活性的影响； ( 2 ) 温度对厌氧反应的动力学参数的影响： ( 3 ) 温度突变对厌氧反应器运行效果的影响等啪1 。 在液体测量仪器中常用的温度传感器是热电式传感器，主要有两种：一种是将温度转 8 2 在线监测系统的组成 换为电势大小，叫热电势式温度传感器( 热电偶) ，另一种是将温度转换为电阻值的大小， 叫热电阻式温度传感器硷妇( 热电阻) 。 热电偶是把两种不同的金属a 和b 的两个端点连接，组成闭合回路，如果将它们的 两个接点中的一个进行加热，使其温度为t ，而另一点置于室温t o 中，则在回路中就有 电流产生，测出电流大小就可间接求得被测温度值。当使用热电偶测温时，总是把一个接 点放置于被测介质中，这个接点称为热电偶的热端或测量端；让另一个接点处于己知恒温 条件下，称此接点为热电偶的冷端或参考端。若参考端随环境温度变化，则需采用电桥补 偿法等进行冷端温度补偿嘲。 热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。因此要求作为测量用 的热电阻材料必须具备以下特点：电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻率高，电阻与温 度之间关系最好成线性，并且在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。大多数金 属导体的电阻随温度变化的关系可由下式表示： 足= r o 1 + a ( t - t o ) ( 2 3 ) 式中，足为热电阻在温度t 时的电阻值；r 为热电阻在温度t o 时的电阻值；q 为热 电阻的电阻温度系数； 可见，只要q 保持不变，则金属电阻足将随温度线性地增加，其灵敏度s 为： s ：一1 堕：口 ( 2 4 ) r 廊 显然，q 越大，灵敏度越高。但绝大多数金属导体，a 并不是一个常数，它也随温度 的变化而变化，只能在一定的温度范围内，把它近似地看作常数。 本系统中选用肇庆自动化仪表有限公司的s w z c u s o 型温度传感器，它属于热电阻 式温度传感器，测量范围是o c , - - 1 0 0 c ，分度号为c u s o ，允差为0 1 。 2 3 3 氧化还原电位测量传感器 氧化还原反应的本质是电子的转移。物质接受电子的倾向越大，其氧化性就越强，该 物质也就是强氧化剂，相反给出电子倾向越大的物质就是强还原剂。因此，氧化( 还原) 剂 的强弱可借助测定其接受( 或给出) 电子倾向的大小来进行比较，测定由氧化还原电对构成 的电极与参比电极的电位差即可得知1 。 规定标准氢电极( n h e ) 的电位在任何温度下均为零，因此测定有关氧化还原电对组成 的电极与标准氢电极构成的原电池的电位差，在消除了液接电位的情况下，即为该氧化还 原电对的电极电位，也称o r p 啪。 氧化还原电位作为介质( 包括土壤、天然水、培养基等) 环境条件的一个综合性指标表 征介质氧化性或还原性的相对程度。长期以来采用铂电极直接测定法( 二电极法) 。美国 9 西安工业大学硕士学位论文 y s i 公司的p i l l 0 0 型p i - f o r p 温度测量仪、l o v i b o n d 公司的p h 2 0 0 型酸度离子o r 测 量仪选用的o r p 测量方法都是电极法。指示氧化还原电对的o r p 值的电极常用铂电极( 惰 性电极) ，因为它本身不参加氧化还原反应，只起传递电子的作用，它的电极电位等于溶 液中氧化还原电对的电位( o r p ) 。参比电极用氢电极使用不方便，故常用甘汞电极或银一 氯化银电极，其相对于标准氢电极的电位可以查表得出。 水体的氧化还原电位测量如图2 3 所示，以铂电极为指示电极，银氯化银电极作参 比电极与水样组成原电池，用晶体管毫伏计测定铂电极相对于银氯化银电极的氧化还原 电位，然后再换算成相对于标准氢电极的氧化还原电位。由e i n d ：】巳1 1 e t e f 可得：e i l _ e 他f h e i n d ， e n 为水样的氧化还原电位；e i l i d 为测得的氧化还原电位；e f e f 为测定温度下银氯化银电极 的电极电位。 图2 3 二电极0 r p 测量示意图 本系统选用武汉优测仪表有限公司的p h g 1 1 0 1 型p h o r p 计+ p h 7 0 0 0 p h o r p 复合 电极组成的测量氧化还原电位的传感器方案，这个方案中的复合电极就是采用二电极法原 理制造的，只是把铂电极换成了玻璃电极，用饱和甘汞电极做为参考电极，测量范围 一1 9 9 9 - - 一1 9 9 9 m v ，精度为1m v 。 2 3 4 流量计 流量测量的手段是用流量计，流量计是现代工业测量中重要的仪表之一，为了适应各 种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据其结构原理大致分 为以下几种： ( 1 ) 差压式流量计。差压式流量计是由一次装置( 即差压发生器) 和二次装置等组 成。差压式流量计广泛应用于工业领域，占整个工业界流量计总数的7 0 以上。一次装 置称为流体测量元件，产生与流体流量成正比的压差；二次装置称为显示仪表，它接受测 量装置产生的差压信号，并将其转换成流量值进行显示。 ( 2 ) 容积式流量计。容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它连续不断的对流 体介质进行度量。目前的产品分为：适用于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、 旋转活塞和刮板式流量计：适用于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转筒流量 1 0 2 在线监测系统的组成 计。 ( 3 ) 叶轮式流量计叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动 的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计有水表和涡轮 流量计。 ( 4 ) 变面积式流量计变面积式流量计的测量原理是放在上大下小的锥形流道中的浮 子受到自下而上流动的流体的作用而移动。变面积式流量计的典型代表是转子( 浮子) 流 量计。 ( 5 ) 动量式流量计动量式流量计的测量原理是利用测量流体的动量来反映流量的大 小。它的典型代表示是靶式和转动翼板式流量计。 ( 6 ) 超声波流量计超声波流量计是基于超声波在流体介质中传播的速度等于被测介 质的平均流度和超声波本身速度的几何和原理而设计的。 ( 8 ) 质量流量计质量流量计有直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量 流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式和科里奥利 力式等等。间接式流量计是用密度计和容积流量直接相乘求得质量流量。其它的还有各种 堰式流量计、槽式流量计、冲击式流量计、电磁流量计、流体振荡式流量计汹1 等等。 另外，根据其测量原理有：力学原理、电学原理、声学原理、热学原理、光学原理、 原子物理原理等等形式的流量测量方式汹】。 本系统采用西安傅立叶电子科技发展有限公司的f f t - 0 0 5 0 1 5 0 1 型插入式电磁流量 计，测量范围为0 5 - 1 0 m s ，精度为0 5 。 3 下位机硬件设计 3 下位机硬件设计 3 1 单片机及其外围电路总体设计 单片机是把组成微型计算机的各功能部件，如中央处理器( c p 功、随机存取存储器 ( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 、i o 接1 ：3 电路、定时器计数器以及串行通信接i ：1 等部件制作 在一块集成芯片上，构成的一个完整的微型计算机。它主要应用于测控系统、智能仪表、 机电一体化产品和智能接口等方面。在众多单片机产品中，m c s 5 1 系列单片机在我国使 用最为广泛，有关该系列单片机的技术资料和能够兼容的外围芯片也比较多。特别是 a t m e l 公司2 0 0 3 年推出的新一代8 9 s 系列单片机，其典型产品a t 8 9 s 5 2 单片机具有较 高的性能价格比，受到用户的欢迎。本监测系统就是选用a t 8 9 s 5 2 单片机作为下位机控 制单元的核心部件。 3 1 1a t 8 9 s 5 2 简介 a t 8 9 s 5 2 属于5 1 系列内核，从指令到引脚与8 0 5 1 完全兼容，是一种低功耗、高性 能的8 位c m o s 微处理器堙 。a t 8 9 s 5 2 单片机有以下特点嘲： ( 1 ) 程序存储器( r o m ) 和数据存储器( r a m ) 。a t 8 9 s 5 2 单片机片内配置8 k b 的系统 内可编程( i s p ) f l a s h ，2 5 6 b 的r a m ，还可外部扩展，程序存储器可扩展至6 4 k b ，数据存 储器也可单独扩展6 4 k b ( 包括外部扩展的功能部件地址在内) ，而且程序存储器和数据存 储器分开，各自有专用地址空间、选通信号。a t 8 9 s 5 2 的程序存储器地址空间内部和外 部共为6 4 k b 单元。它没有采用程序存储器区分的办法，6 4 k b 的地址空间是统一的。由 e a 引脚上的电平来指示程序是从片内还是从片外开始执行。a t 8 9 s 5 2 的数据存储器地址 空间也分为芯片内部和外部两部分，并规定由m o v 类指令访问内部数据存储器，而由专 门的m o v x 类指令访问外部数据存储器。 ( 2 ) 输入输出0 o ) 口。a t 8 9 s 5 2 共有4 个8 位双向i o 口，各具有特殊的电路结构， i o 口每一位均有自己的锁存器( 称特殊功能寄存器s f r ) 、输出驱动器和缓冲器等组成。 在不需要外部功能扩展时，p 0 、p l 和p 2 口均可用作典型的并行i o 通道口，p 3 口用作i o 口或第二变异功能口。在需外部扩展功能时，则p o 口为地址数据线分时复用，通过锁存 器锁存低8 位地址信息，p 2 口作高8 位地址线用，由p 0 口和p 2 口组成1 6 位地址线，p 0 口是8 位数据线接口，p l 口作典型的i o 口用。 ( 3 ) 中断和堆栈。中断系统在计算机系统中起着十分重要的作用，一个功能很强的 中断系统，能大大提高计算机处理事件的能力，提高效率，增强实时性。a t 8 9 s 5 2 单片机 的中断功能较强，设有8 个中断源，共有6 个中断矢量：定时计数器t 0 、t 1 、t 2 ，i n t 0 、 i n t l 和一个串行通信。两级中断优先级，可实现两级中断嵌套，用户可以很方便地通过 1 3 西安工业大学硕士学位论文 软件实现对中断的控制。a t 8 9 s 5 2 单片机的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达2 5 6 字 节。 ( 4 ) 定时计数器与寄存器区。a t 8 9 s 5 2 设有3 个1 6 位的定时计数器，其中定时 计数器t o 和t 1 是通用定时计数器，定时计数器t 2 则集定时、计数和捕获三种功能于 一体，功能更强。在单片机内部设有特殊功能寄存器t m o d 、t c o n 和t 2 c o n ，用于定 义它们的工作方式及其控制功能的实现。单片机在内部r a m 中开设了四组工作寄存器 区，共3 2 个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。 ( 5 ) 全r f o a r t ) * 行口通道。a t 8 9 s 5 2 内部集成有一个功能很强的全双工串行通 信接口，属于u a r t 方式。它具有两个互相独立的接收、发送缓冲器，可以在同一时刻 进行接收和发送数据。它有2 个控制寄存器，即串行通信控制寄存器s c o n 和波特率选 择特殊功能寄存器p c o n ，串行通信有四种工作方式。 ( 6 ) 指令系统。a t 8 9 s 5 2 单片机的指令系统与m c s 5 1 兼容，其结构和指令系统均 适合测控系统的应用。它为访问内部r a m 提供了很多快速的寻址方式，便于对小型结构 进行字节操作。指令还支持位变量作为一个单独的数据类型，在需要布尔变量处理的控制 和逻辑系统中，允许直接对位进行操作。指令系统主要包含加法、减法、乘法、除法、比 较、堆栈操作和位操作指令。当振荡频率为1 2 m h z 时，大部分指令执行时间为lus ，少 数为2 us ，乘、除指令的执行时间也只有4 i ls 。 3 1 2 外围电路总体设计 本系统硬件电路的主要功能，是将变送器传来的4 路4 - - - 2 0 m a 信号，通过a d 转换 器，转换成数字信号，然后通过u s b 接口控制芯片p d i u s b