医院废水处理后余氯自动检测系统设计说明

1、第一章 绪论第一节 医院污水处理消毒工艺 医院污水来自门诊、住院部、供应室、洗衣班等处的工作、生活、粪便污 水，通过单独排水系统化粪池、下水道系统，汇集到污水站水池中，经污水 处理装置处理排出。1.1 1 医院污水处理方法医院污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学法和生物氧化法。1.1 2 医院污水处理工艺医院污水处理工艺包括污水净化、消毒、污泥无害化及排污检测。（1）污水净化 :就是拦截、打捞漂浮物 ;沉淀、分离悬浮物 ; 并通过生物氧化使微 生物降解，让处理后污水理化性能达到排放标准。（2）污水消毒 :即杀灭病原微生物。 国内外通常用氯或氯的化合物作为消毒剂投 入水中水解成盐酸、次氯酸等

2、有效氯，使其穿过微生物细胞壁，氧化酶系统，损 伤细胞膜，使蛋白质、 RNA 、DNA 释放而死亡。盐酸、次氯酸也能破坏病毒的 核酸致其死亡。常用氯消毒剂有液氯、 漂白粉， 也可用制氯机电解盐水产生次氯 酸或用二氧化氯发生器使 NaCI03与HCL作用，产生CIO 2、Cl 2。污水排放量 不大的单位常用液氯或漂白粉，因制氯机存在原料成本、运输、设备维护、故障 修理问题。液氯属严控有毒物品，购买手续环节多，因其有效氯含量、杀菌效果 高于漂白粉且操作简便，为许多排水量不大医院首选。使用中， 液氯通过真空投 氯机水射器与水混合形成水化氯（CI2 ?8H2O ）,进入接触消毒池与污水混合消毒。 投氯量

3、，一级处理投氯量约在 3050mg/L，二级处理约在1525mg/L，实 际投氯量根据余氯检测结果调整。投氯量过小，灭菌效果差。投氯量过大，一会 对管道设施产生腐蚀，二会杀灭非病原微生物， 三会造成氯浪费， 四会形成二次 污染。氯是刺激性有毒物，常温常压下蒸发成氯气，遇到眼结膜、呼吸道粘膜可 附着在局部产生刺激作用 ;吸入浓度高，可侵犯呼吸道致肺水肿。液氯接触皮肤、 粘膜，可致化学性灼伤。氯瓶需防爆、防高温。氯气蒸发为吸热过程，蒸发量大 时产生冰冻，发现泄漏可用湿布包裹或喷水临时处置，严重时推入近旁碱水池。 氨水与氯气作用形成氯化氨白烟，用于检漏。（3）污泥无害化处理 :即对化粪池、 沉淀、生

4、化处理池所排污泥采用消毒、 发酵、 焚烧方式进行杀灭病原微生物处理。 蠕虫及蠕虫的卵比重大于水， 污水处理过程 中大量沉淀于污泥， 如将未处理污泥施于土壤， 既污染河流、 水源，也可经蔬菜、 植物和人类耕作感染人群。 为使排污系统有效工作，污泥需定期清理。清理时 间，化粪池在37个月以上，调节、沉淀、生化池，视淤泥沉积情况。化粪池 兼有沉淀、消化作用，能厌氧发酵使污泥熟化。在化粪池中，沉淀污泥在厌氧产 酸菌作用下分解为有机酸、醇、 CO2、 NH3 、 H2S、 S、 P 等，在厌氧甲烷菌作 用下酸、醇分解为CH4、C02，有机污染物被分解40%50%，病菌、蠕虫及 虫卵被部分杀灭。化粪池不能

5、清理太勤， 以免影响污泥熟化。 但要使污水有足够 停留空间沉淀分离，又要有足 够消化空间，也不能长期不清理。各池中清理出 的污泥，可用氯水消毒或用生石灰混合使 pH 值达 12，存放 7 天后排除;也可堆 肥发酵， 利用无氧条件下厌氧菌、 兼性厌氧菌分解有机污染物， 产生高温杀灭作 用。有条件单位可焚烧或请环卫部门直接处理。（4）排污检测 :污水处理站化验人员检测处理后污水余氯和 pH 值，其余由环保、 防疫部门检测。余氯，污水站当班人员每日至少检测 2 次，并作记录 ;粪大肠菌群，专业人员检测每月不少于 1 次;肠道致病菌， 专业人员检测每年不少于 2 次污水处理站日常监测余氯常用的方法是邻

6、联甲苯胺比色法。pH值测定，使用精密pH值试纸比色即可。1.1 . 3医院污水处理工艺流程医院污水处理方式根据污水排入的受纳水体而定。 当污水排入有集中污水处理厂 的城镇排水系统，以解决生物性污染为主， 采用一级处理。当污水排放到无集中 污水处理厂的城镇排水系统或地面水域，需对污水生物性、理化性污染及有毒有 害物处理，采用二级处理方式。二级污水处理工艺流程 ：如图，处理构筑物由化粪池、下水道、格栅、泵房、集水池、调节沉淀池、生物 氧化处理池、二次沉淀池、接触消毒池、污泥池、化验室、碱水池组成。各类污 水经化粪池、下水道，流入污水处理站的集水池、格栅、调节沉淀池，经污水泵 提升进入生物氧化池，二

7、次沉淀池， 在接触消毒池与氯水混合消毒后排出。 漂浮 物在格栅前被打涝，沉渣污泥定期清入污泥池消毒脱水。为使各类污水充分混合 又避免污水泵频繁启闭，考虑污水流量、水质不恒定及污水曝气、夜晚不开机、 雨季调水因素设置调节池，工程上常使调节、沉淀为一池。二级污水处理与一级 污水处理相比，仅在工艺上增加了生物氧化处理过程， 即在构筑物上增加生物氧 化处理池和二次沉淀池。二次沉淀池用以截留生化处理后残留水中的活性污泥团 或生物氧化膜。化验时从消毒池出水取样。碱水池是安全必备设施，当储氯瓶严 重泄漏而无法修复时，可将其推入碱水池中，使酸碱中和降低危害。医院常用 的生化处理法有射流曝气、生物接触氧化等，即

8、活性污泥法和生物氧化膜法。1.1 4 几种消毒方法的介绍氯消毒应用历史最久， 使用也最为广泛。 它的优点是 : 经济有效，使用方便， 剩余消毒剂对管网水有安全保护作用等。缺点是对于受到有机污染（包括天然的腐殖质类污染和人为的化学污染 ）的水体，加氯消毒可以产生对人体有害的卤代 消毒副产物，如三卤甲烷类，卤乙酸类等物质。因此，现代的消毒处理必须同时 满足对水质微生物学和毒理学两方面的要求。 1974 年，氯化消毒的副产物三氯 甲烷在美国首先被发现，经调查发现自来水中普遍存在较高浓度的氯仿（三氯甲烷 ），二氯甲烷，一氯甲烷和氯仿等 700 多种有机化合物，其中许多为“三致” 物质 （即致癌，致突变

9、，致畸 ）。鉴于氯化处理的弊端， 近年兴起了一些有效的替代消 FCC 方法，如紫外线 法消毒，臭氧消毒，膜法消毒等等。二氧化氯消毒和臭氧消毒从二十世纪七八十年代以来在欧洲得到应用，它 们共同的优点是 :消毒能力高于氯，不产生氯代有机物，消毒副产物生成量小， 饮水的口感好等。其中二氧化氯具有剩余保护作用 ; 而臭氧因自分解速度过快， 对管网无剩余保护， 因此采用臭氧消毒的地方还需在出厂水中投加二氧化氯作为 剩余保护。二氧化氯消毒和臭氧消毒的缺点是 : 费用过高，数倍于氯消毒 ; 二氧化 氯消毒和臭氧不稳定，使用时均需要现场准备，设备复杂，使用不便。此外，二 氧化氯消毒和臭氧消毒的消毒副产物的危害

10、仍需进行全面深入的研究。 因此，尽 管这两项消毒技术，特别是二氧化氯消毒技术，有着很好的应用前景， 但在短期 内尚不能全面替代饮用水氯消毒技术。紫外线消毒是一种物理消毒方法，利用紫外线的杀菌作用对水进行消毒。 紫外线污水消毒技术在国外经过 20 多年的发展， 已经成为成熟可靠、投资效 益较高的绿色环保技术， 在世界各地各类城市污水的消毒处理中得到日益广泛的 应用，成为替代传统加氯消毒的主流工艺技术。 为了解决非典型性肺炎疫情期间 的消毒问题，国家环境保护总局发布的紧急通知中将紫外线消毒作为除加氯和臭 氧外的另一种有效的消毒灭菌方法。紫外线消毒处理使用紫外灯照射流过的水， 通过照射能量的大小来控

11、制消毒效果。 由于紫外线在水中的穿透深度有限， 要求 被照射的水深度或灯管之间的距离不能过大。 与化学消毒方法相比， 紫外线消毒 的优点是 :杀菌速度快，管理简单，不需向水中投加化学药剂，产生的消毒副产 物少，不存在剩余消毒剂所产生的味道。不足之处是 :费用较高，紫外灯管寿命 有限，无剩余保护，消毒效果不易控制等。目前，紫外线消毒仅用于食品饮料行 业用水和部分小型供水系统。根据我国的实际情况， 氯化消毒在相当长的时期内仍将是我国大部分污水处 理厂家的主要消毒方式。在加强水源保护， 有效去除水中有机污染物， 合理采用 氯消毒工艺的基础上，氯消毒仍将是一种安全可靠，可以广泛应用的消毒方法。第二节

12、氯消毒机理 为了保证出厂水在输送过程中不被污染，要求水中保持一定浓度的余氯。 实验证明 :接触时问达 30分钟，游离余氯在 0.3mg / L 以上时，对肠道病原体、 钩端螺旋体、 布氏杆菌等均有充分杀灭作用。 游离性余氯的嗅觉和味觉阀浓度均 为0.2-0.5mg / L, 慢性阀剂量为2.5mg / L 。因此我国2001年颁布的生活饮 用水水质卫生规范规定，“在与水接触 30min 后，游离性余氯应不低于 0.3m 妙，管网末梢水不应低于 0.05mg/L（ 适用于加氯消毒 ） 。氯气是一种黄绿色气体，在大气压下，温度为0 C时，每升重3.22克，其密度约为空气的2.5倍:在-33.6 C

13、时为液态；常温下，加压到时也为 液态，此时每升重 1468.4 克，约为水重的 1.5 倍。因此同样重量的氯气与液氯相 比，体积相差 450 倍，故常使氯气液化，便于灌瓶、贮藏、和运输。氯气能融于 水，溶解度随水温升高而减少。在常压下，如水温在 10 C时，可溶解1%; 20 C 时刻溶解0.7%，当30 C时，只能溶解0.55%.氯气的杀菌原理 ,氯气加入水中后，在几秒钟内很快水解而产生次氯酸，其 反应式为 :CI 2 H 2O HCIO H CI 次氯酸在水中分解为 :CI 2 H 2O HCIO H CI氯的杀菌作用主要依靠次氯酸 HC1 0 。由于次氯酸的分子量很小，是中型 分子，能很

14、快扩散到带负电的细菌表面，并透过细菌细胞壁而穿透到细菌内部， 以氯的强氧化作用来破坏细菌赖以生存的酶系统， 从而阻止细胞吸收葡萄糖， 停 止新陈代谢，使细菌死亡，以达到杀菌的目的。次氯酸根 CIO 是离子态的，也 具有一定的杀菌作用，但由于细菌表面带负电，因同性相斥，而难以接近，所以 次氯酸根的杀菌效果较差。 因此，一般认为氯的消毒作用主要是通过次氯酸进行 的。根据水中次氯酸与PH值的关系，在较低PH值条件下，次氯酸所占比例较大， 因而消毒效果较好。 尽管次氯酸根难于直接起到消毒作用， 但是由于水中存在次 氯酸与次氯酸根的平衡关系，当次氯酸被消耗后，次氯酸根就会转化为次氯酸， 继续进行消毒反应

15、。 在计算水中消毒剂的含量和存在形式时， 次氯酸与次氯酸根 都被计入。天然水体中一般含有少量的氨氮。加氯产生的次氯酸会与氨氮反应，生成 氯胺:NH 3 HCIO NH 2CI H 2ONH2CI HCIO NHCI2 H 2ONHCI2 HCIO NCI3 H 2O上式中,NH2CI , NHCI2和NCI 3分别是一氯胺，二氯氨和三氯胺（三氯化 氮 ），统称为氯胺。氯胺本身的氧化能力远低于次氯酸，本身的直接消毒作用很 弱。但是当水中次氯酸被消耗后， 氯胺可以通过逆反应， 在生成次氯酸进行消毒。 因此在计算水中消毒剂的含量时， 氯胺被计为化合性氯。 化合性氯的消毒能力低 于游离性氯， 因为化合

16、性氯产生的次氯酸的浓度远低于水中不含胺氮时游离性氯 的浓度。由于水中含有一定的微生物，粘泥，有机物及其他还原性化合物要消耗掉 一部分有效氯，这部分被消耗掉的氯称为需氯量，这时的加氯控制点即转效点。 结合氯是氯与水中某些化合物反应生成的具有氧化能力的氯的化合物。例如:NH 2CI , NHCI 2和 NCI 3 ,其含氯总量称为结合氯或化合性氯， 加入水中的氯量如 高于需氯量与结合氯之和时， 剩余的氯在水中多以次氯酸和次氯酸根存在， 称为 游离（余）氯，或自由性氯。水中余氯的总和为总氯，平时所分析的余氯实际是游 离氯与部分具有氧化能力的结合氯之和。由上述可见，水中的总氯包括游离氯和氯胺。 游离氯

17、包括次氯酸， 次氯酸根离子 和溶解的元素氯。而氯胺包括一氯胺， 二氯胺， 三氯化胺和有机氮化物的所有氯 化衍生物。第三节 几种测定余氯方法目前余氯测定方法大体分为两大类 :化学法和电化学法。1.N,N- 二乙基对苯二胺 DPD） 分光光度法 方法提要 :DPD 与水中游离余氯迅速反应而产生红色。在碘化物催化下，一 氯胺也能与 DPD 反应显色。在加入 DPD 试剂前加入碘化物时，一部分三氯胺 与游离余氯一起显色，通过变换试剂的加入顺序可测得三氯氨的浓度。本方 法 适 用于经氯化消毒后的生活饮用水及其水源水中游离余氯和各种形态的化合余 氯的测定。本方法最低检测质量为 0.1 vg ，若取 l0m

18、l 水样测定，最低检测质量 浓度为 0.Ol mg/L 。高浓度的一氯胺对游离余氯的测定有干扰，可以用亚砷酸 盐或硫代乙酞胺控制反应以除去干扰。 氧化锰的干扰可通过作水样空白扣除。 铬 酸盐的干扰可用硫代乙酞胺排除。2.3,3, ' 5,5 '-四甲基联苯胺比色法方法提要 :在 PH 值小于 2 的酸性溶液中，余氯与 3,3, ' 5,5 '-四甲基联苯 胺反应， 生成黄色的醒式化合物， 用目视比色法定量。 本方法可用重铬酸甲溶液 配制永久性余氯标准色列。 本方法适用于经氯化消毒后的生活饮用水及其水源水中总余氯及游离余氯的测 定。最低检测余氯质量浓度为 0.00

19、5mg/L 。超过 0.12mg/L 的铁和 0.05mg/L 的亚硝酸盐对本方法有干扰。3.丁香荃连氮分光光度法方法提要 : 丁香荃连氮在 PH 值为 6.6 的缓冲介质中与水样中游离余氯迅速 反应，生成紫红色化合物，于 528nm 波长以分光光度法定量。 以上方法都为化学实验检验方法， 所需试剂种类多， 配制麻烦，仪器携带不方便， 操作流程繁琐，不适于实时在线测量， 难以实现生产过程的自动控制。 因此在现 代化污水处理厂中大量应用可在线测量的基于电化学原理的测量方法。电化学分析方法是仪器分析中普遍应用的一类方法， 这类方法具有快速、 灵 敏、准确的特点，所用仪器结构相对简单，造价低廉，通过

20、和电子及微控制器技术的紧密结合，能够使测量和数据处理过程实现高度的自动化。第四节 余氯测量的意义氯气是一种常用的消毒杀菌剂， 尤其是在给排水工业中应用非常广泛。 但是， 氯气又是一种有毒物质，当氛气的浓度太大时，能够对人体的皮肤、猫膜、呼吸 道等器官造成损伤，甚至危及生命。 如果氯气的浓度太低， 又难以起到消毒杀菌 的作用。因此，在很多场合都必须严格控制氯气的浓度， 以便达到既能消毒杀菌， 又不危害人体健康的目的。在给排水工业中，余氯 （包括CI2, HC10等无机活性 氯）和总氯（包括无机活性氯化物以及 CH3C1, NH 2C1 等有机氯代物 ）是评判水质 好坏的两个重要参数，是经常需要测

21、定的指标之一 .为了能更好地控制水质，必 须实现余氯、总氯的现场快速测定和余氯的在线检测。医疗废水中存在大量的细菌和其他有机污染物，对周围环境影响十分严重。 因此，国家环保部门要求医疗机构的所有废水必须处理后才能排放。目前， 一般 处理方法是在废水中通入氯气将细菌杀灭。 既在密封反应罐中， 氯酸钠溶液与盐 酸性活性剂在负压条件下由控制系统控制， 定量输送到反应系统中， 经负压爆气 反应产生二氧化氯与氯气混合气体， 经吸收系统吸收后形成一定浓度的二氧化氯 消毒剂，然后，进入污水池中，对污水进行消毒。显然，消毒剂的供应量必须恰 当，才能保证既能对废水进行有效地消毒， 又能保证消毒后的水中剩余氯的含

22、量 不致过高。否则，大量的余氯会污染地下水及周遍土地，造成新的污染。为检验氯气的供应量是否适当， 一般通过检测处理后的水中剩余氯的含量来 进行。能够精确、 适时跟踪检测出余氯的含量， 并根据余氯含量随机调整氯气的 供应量，是精确进行消毒的基础。第二章余氯测量原理第一节余氯测量方法的选择纵观通常采用的国内外各生产厂商的在线余氯分析仪，大部分仪表测量的是游离（自由）余氯，女口 ALLDOS 公司的 314-650, E 十 H 公司的CCM253/CCS141,Cap ital公司的 1870EC, Ficher&Porter 公司的T17M4400,Wallace&Tieman公

23、司的DEPOLOX4 等。其中部分仪表更换传感器或增加缓冲药剂后还可用来测量总余氯，如1870EC,T17M4400 等。根据测量原理的差异，电化学测量方法又可分为电位测量和电流测量两种方法.1.电位测量法1-电极（pt ）2-参比电极（Ag/AgCI ）图2.1点位测量法原理原理图如图1.1所示。电位测量法是利用电池反应来进行测量的，通过电 池的电流为零的条件下，利用电极电位和浓度间的关系进行测定的一种电化学分 析法。在测定离子的浓度时，电位法仅仅测定溶液中的自由离子， 它不破坏溶液 中的平衡关系。电位测量时，将一支指示电极与另一支合适的参比电极试液中，构成一个 电化学电池，并通过测定该试液

24、的电动势或电极电位，以求得被测物质的含量。 电位分析中使用的电极有离子选择电极和基于电子交换反应的电极，它们均可作为指示电极或参比电极。测量时组成电池：指示电极|试液|参比电极电位法测量得到的电动势遵循能斯特方程EonF M 式中E-指示电极电位E0-参比电极电位R-气体常数，8.3151J/KT-溶液的绝对温度KF-法拉第常数，96484.6Cn-电极反应中得失电子数Mn氧化态离子浓度M还原态离子浓度2.电流测量法方法简介：在浸于待测溶液中的检出电极和相对电极之间加上恒定电压， 从电极之间流过的电流可以测定出游离余氯的浓度。 该方法可以实现余氯自动连 续测量。具体的在下一节将详细介绍。第二节

25、 电流法测量原理 余氯是指氯投入水中后，除了与水中细菌、微生物、有机物、无机物等作 用消耗一部分氯量外，还剩下了一部分氯量， 这部分氯量就叫做余氯。 余氯可分 为化合性余氯和游离性余氯， 总余氯即化合性余氯与游离性余氯之和。 平时所分 析的余氯实际是游离氯与部分具有氧化能力的结合氯之和。在分析了目前关于在线式余氯分析仪器的发展现状后，确定采用目前比较 先进的电化学电流分析方法。 电化学是物理化学的一个组成部分， 它研究化学载 流子 （电子、空穴、离子等 ）的运动规律，电化学分析法是建立在溶液的电化学性 质基础上的一类分析方法。 溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时， 其化学组 成和浓度随电位、

26、电流、 电导或电量等化学特性而变化的性质。 电化学分析法的 实质就是利用这些性质， 通过电极这个变换器， 把被测物质的浓度转化成电化学 参数而加以测量。本章通过对电解过程的分析， 揭示出了电解过程中扩散电流与溶液浓度之间 的关系。2.2.1 测量过程中的电化学应用电化学电流分析法测量余氯的实质是以余氯 （主要成分为次氯酸 ）作为 电解质进行电解反应， 通过扩散电流的大小反映出次氯酸的浓度， 从而达到进行 测量的目的。测量原理图如图 2.1 所示反电极CE图22 电流测量法原理图对工作电极和反电极施加以恒定极化电压，被测介质内的次氯酸，在工作 电极还原后，产生扩散电流信号阵。其反应式如下：阴极(

27、工作电极 WE) H 2e OCI OH CI阳极仮电极CE) Ag 2e 2Ag反应过程中溶液的电化学性质及其变化规律分析如下。法拉第定律法拉第根据多次试验结果进行归纳总结，于1833年提出了法拉第定律(Faraday'slaw)，它表达了电解过程中通过电解池的电量和电极上起了变化的物 质的量之间的关系，内容如下：(1) 电解时，电极上发生变化的物质的量与通过电解池的电量成正比，即与 电流强度和通过电流的时 NJ的乘积成正比；(2) 在不同的电解质溶液中，当分别通过等量的电流时，在电极上发生变化的每种物质的量与它们的化学当量成正比，并且在电解池中每通过96484.6库仑(称为一个法拉

28、第，以F表示)的电量(以Q表示)，就表示在电极上已经有1克 当量的物质起了变化。法拉第定律可用公式表示为Q nF（2-1 ）式中n为电极反应物质的当量数.假设电极反应过程中物质在电极表面的单位流量为J（O,t），由式（2-1 ）法拉第定律可以求得相应的电流值为：i nFAJ （0,t）（ 2-2）式中A为电极的表面积。扩散方程根据菲克（Fick）第一定律:放电粒子扩一散通过单位截面积的速度dN/dt正比于浓差梯度dC / dx，即:J dND(dC)x0dtdx（2-3）式中J称为扩散流量，单位mol?cm2?s1，°C表示电极表面附近溶液中放电离 dx子的浓度梯度，单位为mol/c

29、m4。D为扩散系数，即单位浓度梯度下的粒子的扩 散速度，单位为cm2?s1，与温度、粒子的大小和溶液粘度等有关。负号表示扩 散方向与浓度增大的方向相反。在稳态扩散（浓度及浓度梯度不随时间而改变）条件下，（°c）x 0为常数，即dxdC（訣0C0 Cs(2-4)式中C0为溶液深处的浓度，近似等于通电前整体溶液的浓度；Cs为通电时电极表 面附近放电粒子的浓度；为扩散层的有效厚度。在实际情况下，只有存在对流（自 然对流或者强制对流）时才能达到稳态扩散，因此传感器测量时应当放在保持一定流速的待测水中，以补充在电极上消耗掉的反应物。设电极反应为O nefR，即每消耗l mol的反应物。就通过n

30、 F的电量，F为法拉第常数。所以扩散流量(参考式2-2)以电流密度(单位面积的电流)可表示为:(2-6)id nFJ式中负号表示反应粒子移动方向指向电极表面将式 (2-3)和式(2-4)代入，可以得到idnFD (卫)x0 nFD x(2-7)在稳态条件下，溶液中存在大量惰性电解质时(忽略扩散层中放电粒子的电迁移效应)，扩散速度就等于整个电极过程的速度,即等于外电流密度ik，则0 sik id nFD (2-8)随着阴极电流密度增加电极表面附近放电粒子的浓度Cs降低，在极限情况下，Cs 0这时扩散速度达到最大值，阴极电流密度也就达到极大值，即极限扩散电流密度为il A(2-9)由上式可知道，极

31、限扩散电流密度il与放电粒子的整体浓度C0成正比例，与扩散 层有效厚度成反比例。因此当电流密度均匀时，可以得到此时外电流为i nAFDC(2-10)由式(2 -10)可以看到，对于确定的电极，当待测水样的流速恒定在一定范围时，扩散层有效厚度6基本保持不变，外电流与放电粒子整体浓度成正比例，因此通过测量此电流值，即可确定所含余氯浓度。第三章 余氯测量系统的硬件设计以微处理器为核心的各种各样的嵌入式控制系统已经日益广泛的应川在通 讯系统、网络设备、语音、计算机外设、家电、仪器仪表等各个领域，并且随着 大规模集成电路技术的不断发展，微处理器的性能越来越高，体积越来越小， 系 列越来越多，价格也越来越

32、便宜。而在测量系统中的典型应用主要包括单片机 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP)> 单片机实际上是一块集成电路，它在一块硅片 上集成了中央处理器CPU、存储器RAM, ROM或EPROM和各种输入、输出接 口，甚至定时器、计数器、并行口、串行口、 A/D 转换器等。它实际上是一台微 型计算机。由于单片机具有功耗小、抗干扰能力强，体积小、功能全、价格低、 软件丰富、面向控制、开发应用方便、容易产品化等优点，能够方便地嵌入到产 品内部，组成各种智能式测量控制系统，因此得到极其广泛的应用。DSP 在本质上也是一种单片机，主要应用在需要大规模数字信号处理领 域，例如通信、图像、语音处理，因

33、此集成了更加适合于数字信号处理的软件和 硬件资源，可以进行复杂的大规模运算，并且能够灵活地组成各种应用系统。 DSP 在功能上比单片机更加强大，相应地系统开发也较复杂，并且价格也比单 片机系统要高。而在本测量系统的应用中， 出厂水余氯是变化十分缓慢的量， 并 且系统中只进行少量的数字信号处理。 因此对系统的数据采集，数据处理等的速 度要求不高，单片机系统完全能够满足要求，因此本测量仪器采用单片机系统。第一节测量系统总体设计硬件系统的设计要保证测量数据的准确性，不受外界环境的干扰；要保证测 量的范围能够满足实际的需要：还要保证数据的采集速度能够满足需要，并且能 够实现必要的人机交互。按照以上硬件

34、设计要求，设计该在线余氯测量仪的整体 系统框图原理图如图3.1所示图3.1系统总体框图系统测量的工作原理是，在余氯传感器中次氯酸HCIO被还原，产生还原电流I，电流I转换为电压V并经过放大滤波等处理，经A/D转换为数字信号后送 入微控制器AT89C52，控制器对数据进行处理后，显示，并输出一个用于控制 的4-20mA标准信号。以下就各部分的设计分别进行阐述。第二节传感器电路设计传感器选型在此次设计中选用 499ACL-01 余氯传感器499ACL-01 型传感器，是一种隔膜覆盖的电流传感器，其由（铂）阴极、 （银）阳极和电解液构成，阴极上覆盖着一层允许气体渗透的多孔隔膜。传感器 工作期间，被测

35、溶液中的余氯 （次氯酸与次氯酸根离子） 通过隔膜扩散至阴极上， 施加在阴极上的极化电压将余氯（CL）还原成氯离子（CL-1）,进而在阴、阳电极之 间产生能由分析仪器检测出来的电流，该电流与余氯扩散到阴极的速率成正比， 即最终与被测溶液中余氯的浓度成正比。不需要预处理系统，不需要繁琐、昂贵的反应试剂；自动修正溶液pH值（最高可达pH 9.5）隔膜更换方便，无需专用工具；自动补偿由于温度变化对传感器隔膜渗透性的影响； 自动压力平衡，防止隔膜变形；可以与Detla和Rosemount Analytical决大多数分析仪器配套使用；VP电缆接头，使传感器更换时，无需更换电缆。传感器技术规格测量范围：0

36、-10ppm（ mg余氯/L）湿材料 * ： Noryl ， Viton ，铂或聚四氟乙烯（只适用于 -56 选型代码）阴 电 极 ：铂（通常的湿材料 *）精 度 ：取决于化学比对测试仪器的精度适用的 pH 值修正范围： 采样电导率：50卩s/cm响应时间 ： 25°C 时， 22 秒完成最终读数的 95%压力：0-65psig （0-549KPa，绝压）温度：32-122 ° F （0-50 ° C）过程连接：1 ” MNPT电解液：约25毫升电解液使用寿命：约3个月，要想获得最好的测量结果，请每月更换电解液电缆长度（标准一体化电缆）：25英尺（7.6米）电缆长

37、度（最长）：300英尺（91米）采样流量/流速：如表3-1 :流通式1-5克/分钟（3.8-19升/分钟）明渠通道（敞开水池）1英尺/秒（0.3米/秒）低流量流通池（PN 24091-00）8-15克/小时（30-57升/小时）低流量流通池（PN 24091-01）2-5克/小时（8-19升/小时）传感器结构图3.2传感器结构示意图1-腹膜 2-工作电极WE, 3-反电极CE,4-电解液,5-参考电极RE传感器采用覆膜式探头，内充满pH值恒定的电解质溶液，用一层渗透膜将 电解质溶液与被测介质隔离1f来水无法通过覆膜渗透到电解液内，但次氯酸却可 以。探头内装止电极，分别为工作电极（Au），反电极

38、（Ag/AgCI）和参考电极，电 极浸入电解质溶液内。覆膜材料选用聚四氟乙烯 PTFF（俗称铁氟龙、塑料王），聚四氟乙烯是一种乳白 色的合成材料，它的化学稳定性极好，即使在“王水”、浓碱中也不起变化，而 且.不溶于任何已知有机溶剂，其性能比玻璃更为稳定，是目前化学稳定性最佳 的合成材料。它的温度适用范围也很宽，为-195-200 0C目聚四氟乙烯具有强烈 的憎水性，因此可以防止被测介质内的水分侵入到探头内部。由此可以看出聚四氟乙烯仆常适合作为探头的覆膜材料传感器电路设计传感探头内的前置转换放大电路示意图如下图4.2所示。为解决信号稳定问题，在传感器上设置一个第三电极即参考电极RE,RE电极的主

39、要作用是控制 WE电极和CE电极之间的电位，使其处于某一选定值， R2,R1,C1.IC1 构成恒电位仪电路，Vbias为偏置电压。工作电极WE将扩散电 流引出，经过放大器IC2放大滤波，再经过CMOS模拟开关CD4053来选择器放大倍数，R3,R4之比严格满足9: 1 ,使其放大倍数的变化为10倍，从而可 以在两个量之间进行切换。输出的信号经过AD转换后送入处理芯片。第三节 A/D转换器模块设计转换器选型余氯量通过传感器转换后是电压信号， 属于模拟量，只有转换成数字量之后才能 被处理器采集进行分析运算等操作，因此要选择合适的A/D转换器。转换器的种类很多，根据转换原理可分为逐次逼近式、双积分

40、式、电荷平衡式等。逐次逼 近式A/D速度较快，而双积分和电荷平衡式的转换速度较慢，但转换精度。选择A/D要考虑的主要是A/D 转换器的主要技术指标，有转换精度（包括分辨率和转换误差）、转换速度等。选择 A/D 转换器时，除考虑这两项技术 指标外，还应注意满足其输入电压的范围、 输出数字的编码、工作温度范围和电 压稳定度等方面的要求。1、分辨率分辨率是指A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。设A/D转换器的位数为n满量程电压为FSR，则A/D 转换器的分辨率定义为分辨率=FSR2n由上式可以看出，输出二进制数的位数 n越多，A/D转换的分辨率数值越小,分辨能力越高。位数越高，分辨率越高

41、另外也可以用百分数来表示分辨率， 此时的分辨率称为相对分辨率。相对分辨率 定义为:相对分辨率 二分辨率 100% 丄 100%FSR2n目前一般都简单地用 A/D转换器的位数n来间接代表分辨率。如12位分辨率A/D转换2、转换误差转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输 出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位 LSB的倍数表 示。例如给出相对误差 旦，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的2输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。3、转换时间转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始到输出端得到稳定的数字 信号所经过的时间。一般微秒（us ）或

42、毫秒（ms）来表示通常转换时间是根 据模拟输入电压值来规定的。选择结果本测量选用了双积分式 A/D转换器ICL7135，余氯量的变化是十分缓慢 的，因此对A/D转换的速率要求不高，选用可满足要求。ICL7135是四位半CMOS双积分A/D转换器，采用28脚双列直插式封 装，双电源土 5V供电，量程为2V,A/D 结果为01.9999V，精度土 1，以多 路BCD码形式输出结果，具有数据输出选通脉冲，方便与微处理器的接口。1、主要性能CMOS集成电路；双积分变换技术；单一参考电压；采用BCD码扫描输出；能用闪烁显示的方式表示超量程状态;具有 6 路输入输出（ I/O ）辅助信号， 可以与微控制器

43、相连，进行复杂控制；具有自动转换量程的超量程和欠量程信号；允许差分输入；具有自动极性判别功能和自动校零电路；双电源供电；准确度高： 0.005% ±1 个字；输入漏电流低： 1pA ；分辨率高： 14 位；零读数漂移低： 0.5 V / 0C；输入阻抗高： 109 ；转换速度慢：3次/s ;噪声低： 15 V2 、极限参数正电源电压： +6V 。负电源电压：-9V。模拟输入电压： V V参考电压： V V时钟输入电压： DGND V存储温度范围：-65+160 °C.功耗：陶瓷封装： 1000mW;塑料封装： 800mW 。引线焊接温度（10s ）: +300 0C3、71

44、35主要特点如下：在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作。在土 2000字（2V满量程）范围内，保证转换精度土 1字。 具有自动极性转换功能。输出电流典型值1PA。所有输出端和TTL电路相容。有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制 信号。输出为动态扫描BCD码对外提供六个输入,输出控制信号（R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR）,因此除用 于数字电压表外，还能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图4.4所示。ICL71J5(PDIP)TOP VIEWREFERENCE<A.LOG

45、COMMOININT OUTAZ mBUFF OUTREF CAP 亠IREF CAP +IN LOIN HIV +(MSD) D5fiLSB Bl122B27TJ2551423722T21爐2Ciai19Ik丘17131U15UMDERRANGE OVERRANGE STROBER/HDIGITAL &NDPOLCLOCK IN BLJS=¥(LSDJ DiD23D4B4各外引线功能端文字符号说明如下：V- 负电源端，V+ 外接基准电压输入端，AGND 模拟地，INT 积分器输出，外接积分电容（ Cint） 端，AZ 外接调零电容（Caz）端,BUF 缓冲器输出，外接积分电

46、阻（ Rint） 端，R叶、Rr-外接基准电压电容（Cr）端，INTO、INHI 被测电压（低、高）输入端，V+正电源端，D5、D4、D3、D2、D1位扫描选通信号输出端，其中 D5（ MSD ）对应万位数选通，其余依次为 D4、D3、D2、D1 （ LSD，个位），B8、B4、B2、B1 BCD码输出端，采用动态扫描方式输出，BUST 指示积分器处于积分状态的标志信号输出端，CLK 时钟信号输入端，DGNG 数字电路接地端，R/H 转换 / 保持控制信号输入端，ST 选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号OR 过量程信号输出端，UR 欠量程信号输出端。在电路内部， CL

47、K 和 R/H 两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输 入电路，以保证该两端在悬空时为高电平V+ = +5V , V- =-5V , TA=25 C,时钟频率为120KHz时，每秒可转换3次。 功耗：1000mW(MAX );电源电压：V+ : +6V (MAX ) ; V-: -6V (MAX )4 、ICL71 35 数字部分数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。ICL7135 一次 A/D 转换周期分为四个阶段：1 、自动调零( AZ );2、被测电压积分( INT);3 、基准电压反积分( DE );4、积分回零( ZI )。具体内部转换过程这里不做详解，主要介

48、绍引脚的使用。R/H ( 25 脚)当 R/H= “1” (该端悬空时为“ 1”)时， 7135 处于连续转换状态，每 40002 个时钟周期完成一次 A/D 转换。若 R/H 由“1”变“0”，则 7135 在 完成本次 A/D 转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入 电压变化的影响。因此利用 R/H 端的功能可以使数据有保持功能。若把 R/H 端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲(宽度 300ns )，转换器就从 AZ 阶段开始进行 A/D 转换。注意：第一次转换周期中的 AZ 阶段时间为 9001-10001 个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成

49、的。/ST ( 26 脚)每次 A/D 转换周期结束后， ST 端都输出 5 个负脉冲，其输出时间对应在 每个周期开始时的 5 个位选信号正脉冲的中间， ST 负脉冲宽度等于 1/2 时钟周期，第一个 ST 负脉冲在上次转换周期结束后 101 个时钟周期产生。因为每个 选信号（ D5-D1 ）的正脉冲宽度为 200 个时钟周期（ *只有 AZ 和 DE 阶段开 始时的第一个 D5 的脉冲宽度为 201 个 CLK 周期），所以 ST 负脉冲之间相隔 也是 200 个时钟周期。需要注意的是，若上一周期为保持状态（ R/H= “0 ”） 则 ST 无脉冲信号输出。ST 信号主要用来控制将转换结果向

50、外部锁存器、 UARTs 或微处理器进行 传送。BUSY （ 21 脚）在双积分阶段（ INT+DE ）， BUSY 为高电平，其余时为低电平。因此利 用 BUSY 功能，可以实现 A/D 转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将 BUSY 和 CLK “与”后来计数器，再减去 10001 就可得到原来的转换结果。OR （27 脚）当输入电压超出量程范围（ 20000 ）， OR 将会变高。该信号在 BUSY 信 号结束时变高。在 DE 阶段开始时变低。UR （28 脚）当输入电压等于或低于满量程的 9% （读数为 1800 ），则一当 BUST 信 号结束， UR 将会变高。该信号在 INT

51、 阶段开始时变低。POL （ 23 脚）该信号用来指示输入电压的极性。当输入电压为正，则 POL 等于“ 1”， 反之则等于“ 0 ”。该信号 DE 阶段开始时变化，并维持一个 A/D 转换调期。位驱动信号 D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20 脚）每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为 200 个时钟周期， 其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。在正常输入情况下，D5-D1输出连续脉冲。当输入电压过量程时， D5-D1在AZ阶段开始时只分 别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。利 用这个特性，可使得显示器件在过程时产生

52、一亮一暗的直观现象。B8、B4、B2、B1 ( 16、15、14、13 脚)该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5= “ 1 ”时，该四端的信号为万位数的内容，D4= “1 ”时为千位数内容，其余依次类推。在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000-1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000 ”和“0001 ”。 当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。最后还要说明一点，由于数字部分以DGNG端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端C

53、OM是正电压。转换器电路设计1、设定工作方式：(1) ICL7135 有两种转换方式，由A/D转换控制端R/H确定，当R/H接低电平时，转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲侯(宽度大于300ns)，启动ICL7135 开始另一次转换；当R/H接高电平时，R/H自动连续转换，周期为 40002个时钟。在本系统中采用连续转换方式，R/H接+5V高电平。(2) 转换结果的读取：以中断形式读取 A/D 转换结果，ICL7135的STROB端接 AT89C52外部中断INT，完成一次A/D转换后，该引脚输出5个负脉冲，分别选通新的A/D转换结果的高位至低位的 BCD码数据输出，供AT89C52读取。(

54、3) 时钟设定：将AT89C52 芯片的ALE输出脉冲进行 1/16 分频后接到ICL7135 的时钟输入端CLOCK，由于在本系统中 AT89C52 时钟频率采用12MHz ，贝U ICL7135 的工作时钟为-=125kHz，这时转换速度为 6 16125k上匹 3.12，即每秒钟3次左右，这对于测量余氯量是适合的.400022、AD转换器外围电路u 1 2 3 8 4. H D D D H HrzETDGMDPOLCXK3、A/D转换器采样时钟的单片机控制电路单片机的ALE端输出的1MHZ的输出脉冲经过74LS393进行1/16分频后接到7135的CLK端，并且由单片机和8155的时钟共

55、同控制，具体电路如下图：第四节数据处理系统设计单片机选型根据CPU的字长(即数据运算和传送的位数)，目前应用比较多的低档单片 机有4位机、8位机、16位机等，高端的有32位单片机，例如目前最通用的32 位RISC处理器-ARM7处理器系列。32位单片机主要应用在多媒体演播机、机 顶盒、路由器和调制解调器等 Internet 设备。 4位机适用于比较简单的控制场合， 例如玩具，简单的智能电器等。通过分析各型单片机性能结合本系统的实际需要， 本测量仪选用了 ATMEL公司生产的AT89C52单片机，它是一种低功耗、高性能8位CMOS型微处理器。 主要功能特性如下 :兼容MCS51指令系统8k可反复

56、擦写（1000次）Flash ROM32 个双向 I/0 口256 X 8bit 内部 RAM3个16位可编程定时 / 计数器中断时钟频率024MHz2个串行中断2.7-6V 宽工作电压范围2个外部中断源 内置一个模拟比较放大器2个读写中断口线3级加密位低功耗睡眠功能软件设置睡眠和唤醒功能可编程串行通道可反复擦写的 8k bytes F1nsh 存储器可有效地降低开发成本， 256bytes 的随机存取数据存储器 (RAM), 可以充分满足需要，无需另外扩展存储器 ; 器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容最常用的 MCS-51 指令 系统，方便了软件程序的开发。3.4.2 单片机功能介绍ATMEL 公司是美国 20 世纪08 年代中期成立并发展起来的半导体公司。该 公司的技术优势在于推出发 Flash 存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术， 它率先将独特的 Fhash 存储技术注入于单片机产品中。其推出的 AT89 系列单片 机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎。 AT89C52是美国ATMEL公司生产