水处理自控仪表学习教案

1、会计学1水处理自控水处理自控(z kn)仪表仪表第一页，共35页。对于各种测量仪表，无论应用什么测量（传感）原理，对于各种测量仪表，无论应用什么测量（传感）原理，都是将被测变量以能量形式经一次或多次的转换，得到便于都是将被测变量以能量形式经一次或多次的转换，得到便于测量的信号，并以量（数）的形式表征的过程，即通过测量的信号，并以量（数）的形式表征的过程，即通过(tnggu)(tnggu)一次或多次能量的转换和传输过程称为传感。一次或多次能量的转换和传输过程称为传感。传感器是指按一定规律实现相互的检测并将被测量（物传感器是指按一定规律实现相互的检测并将被测量（物理的、化学的、生物的信息）转换为另

2、一种物理量（通常是理的、化学的、生物的信息）转换为另一种物理量（通常是电量）的装置。电量）的装置。传感器品种和门类很多，原理各异，按传感现象所属的传感器品种和门类很多，原理各异，按传感现象所属的领域可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等；根据领域可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等；根据敏感元件的材料，分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传敏感元件的材料，分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、有机高分子传感器等；按检测变量分为物位、速度、感器、有机高分子传感器等；按检测变量分为物位、速度、温度、成分、压力、流量等传感器。温度、成分、压力、流量等传感器。第2页/共35页第二页，共35

3、页。传感原理是基于各种物理、化学、生物效应来感知的。传感原理是基于各种物理、化学、生物效应来感知的。水处理控制总常用的传感原理有：水处理控制总常用的传感原理有：压电效应，霍耳效应，光电效应、电磁感应、超声波传压电效应，霍耳效应，光电效应、电磁感应、超声波传播效应、变容效应、多普勒效应、热偶、电化学原理、生物播效应、变容效应、多普勒效应、热偶、电化学原理、生物效应、光谱分析、光传播（反射、折射、散射、干涉、吸收效应、光谱分析、光传播（反射、折射、散射、干涉、吸收）效应等。）效应等。水处理传感变量主要有温度、压力、流量、物位、以及水处理传感变量主要有温度、压力、流量、物位、以及有关水质的有关水质的

4、pHpH、电导、浊度、余氯、总需氧量（、电导、浊度、余氯、总需氧量（TODTOD）、生）、生化需氧量化需氧量(BOD)(BOD)、化学需氧量、化学需氧量(COD)(COD)、总有机炭、总有机炭(TOC)(TOC)、总氮、总氮（TNTN）、总磷（）、总磷（TPTP）、氨氮（）、氨氮（NPNP）等。）等。后面将简要介绍目前主要使用的水处理自控仪表原理、后面将简要介绍目前主要使用的水处理自控仪表原理、结构结构(jigu)(jigu)、维护保养的内容。、维护保养的内容。第3页/共35页第三页，共35页。自动控制中温度检测自动控制中温度检测(jin c)(jin c)仪表是最常见的。水仪表是最常见的。水

5、处理应用中温度检测处理应用中温度检测(jin c)(jin c)常用热敏电阻和热辐射原常用热敏电阻和热辐射原理。理。热敏电阻是应用导体或半导体电阻值随着温度的变热敏电阻是应用导体或半导体电阻值随着温度的变化的特性制成的接触式温度传感器。常用的热电阻有铂化的特性制成的接触式温度传感器。常用的热电阻有铂、铜、镍等导体电阻和半导体材料，热电阻的使用要注、铜、镍等导体电阻和半导体材料，热电阻的使用要注意腐蚀性介质的侵蚀和避免机械损伤。意腐蚀性介质的侵蚀和避免机械损伤。热电阻具有体积小，热容量热电阻具有体积小，热容量小，测温范围小，测温范围(fnwi)(fnwi)大、灵敏大、灵敏度高、响应速度快，性价比

6、高的度高、响应速度快，性价比高的特点，在自控系统中广泛应用。特点，在自控系统中广泛应用。下式为铂电阻阻值与温度的关系下式为铂电阻阻值与温度的关系。)1 (20btAtRRt第4页/共35页第四页，共35页。第5页/共35页第五页，共35页。水处理控制的压力水处理控制的压力(yl)(yl)检测多采用电容式压检测多采用电容式压力力(yl)(yl)传感器。采用金属薄膜、陶瓷材料作为电容传感器。采用金属薄膜、陶瓷材料作为电容的一极，当受到压力的一极，当受到压力(yl)(yl)产生形变时，该极与固定产生形变时，该极与固定电极之间将产生与压力电极之间将产生与压力(yl)(yl)成正比的电容变化。成正比的电

7、容变化。第6页/共35页第六页，共35页。水处理控制的物位检测多指液位、泥位检测。常用的检水处理控制的物位检测多指液位、泥位检测。常用的检测方法有压力换算法、超声波检测。测方法有压力换算法、超声波检测。压力换算法是针对液体介质的检测一种方法，通过压力压力换算法是针对液体介质的检测一种方法，通过压力（差）的检测，根据下式原理（差）的检测，根据下式原理(yunl)(yunl)换算出液位深度。换算出液位深度。hp超声波检测是利用超声波在介质相面处会分散反射的现超声波检测是利用超声波在介质相面处会分散反射的现象，检测回波传播时间，根据公式象，检测回波传播时间，根据公式(gngsh)s(gngsh)sv

8、t/2vt/2换算物体换算物体电磁位置。由于多普勒效应的存在，对于移动速度较快的物体电磁位置。由于多普勒效应的存在，对于移动速度较快的物体位置检测要作特殊处理。另外由于超声波在不均匀介质的传播位置检测要作特殊处理。另外由于超声波在不均匀介质的传播速度会发生变化，因此对超声波传播路径中存在较大温差、湿速度会发生变化，因此对超声波传播路径中存在较大温差、湿度、密度变化时，需要进行特殊处理。度、密度变化时，需要进行特殊处理。第7页/共35页第七页，共35页。第8页/共35页第八页，共35页。水处理控制的流量检测常用超声波、电磁效应和水处理控制的流量检测常用超声波、电磁效应和容积测量原理。容积测量原理

9、。齿轮容积流量计的结构如下图。原理上在工作室齿轮容积流量计的结构如下图。原理上在工作室两测的压力作用下，两个椭圆齿轮交替两测的压力作用下，两个椭圆齿轮交替(jiot)(jiot)带动对带动对方旋转，将容室的介质挤出，每转动一周共排出方旋转，将容室的介质挤出，每转动一周共排出4 4两个容两个容室的流体，通过对转动的周次换算出流量。精度能达到室的流体，通过对转动的周次换算出流量。精度能达到很高。很高。第9页/共35页第九页，共35页。超声波流量计使用两个超声波流量计使用两个(lin )(lin )超声波收发器，超超声波收发器，超声波可顺流和逆流方向传播。顺流方向声波速度被加速，逆声波可顺流和逆流方

10、向传播。顺流方向声波速度被加速，逆流方向被迟滞，两种情况产生了时间差，这个差值与流体流流方向被迟滞，两种情况产生了时间差，这个差值与流体流速成正比。超声波流量计为非接触式检测。对安装方式有严速成正比。超声波流量计为非接触式检测。对安装方式有严格要求。格要求。第10页/共35页第十页，共35页。电磁流量计采用电磁感应电磁流量计采用电磁感应(dinc-gnyng)(dinc-gnyng)原理。在管原理。在管道两测施加一恒定磁场，被测介质通过磁场是切割磁力线，在道两测施加一恒定磁场，被测介质通过磁场是切割磁力线，在检测电极两端产生感应电动势，其值与流速成正比。为了提高检测电极两端产生感应电动势，其值

11、与流速成正比。为了提高精度和可靠性，检测区域为特制管段。对安装方式有严格要求精度和可靠性，检测区域为特制管段。对安装方式有严格要求。第11页/共35页第十一页，共35页。分析仪器是测量或获取的是物质质与量的信息。它以分析仪器是测量或获取的是物质质与量的信息。它以一切可能的（物理、化学、生物、数学的）方法和技术，利一切可能的（物理、化学、生物、数学的）方法和技术，利用一切可利用的物质属性，对一切需要加以表征、鉴别或测用一切可利用的物质属性，对一切需要加以表征、鉴别或测定的物质组成及形态、状态、结构、分布等进行表征，以求定的物质组成及形态、状态、结构、分布等进行表征，以求得对样品所代表得对样品所代

12、表(dibio)(dibio)的问题有一个基本的了解。可以的问题有一个基本的了解。可以说分析仪器集现代技术之大成，自身就是一个完善的控制系说分析仪器集现代技术之大成，自身就是一个完善的控制系统。在线分析仪器是直接用于生产流程上的仪器系统，其分统。在线分析仪器是直接用于生产流程上的仪器系统，其分析结果作为整个自动控制系统的基础信息。析结果作为整个自动控制系统的基础信息。自动采样装置样品预处理系统检测装置信息处理系统显示输出整机自动控制系统第12页/共35页第十二页，共35页。在线分析仪器的特点：高度自动化、精密化；取样来在线分析仪器的特点：高度自动化、精密化；取样来自于工艺流程；需要进行预处理；

13、可靠性稳定性一致性要求自于工艺流程；需要进行预处理；可靠性稳定性一致性要求“三高三高”。按测量原理可分为：光电子式、电化学式、热学式、按测量原理可分为：光电子式、电化学式、热学式、电磁式、射线、色谱、物性、半导体等。电磁式、射线、色谱、物性、半导体等。水处理自动控制系统中在线分析仪器主要有：电导、水处理自动控制系统中在线分析仪器主要有：电导、pHpH值、浊度、余氯、总需氧量（值、浊度、余氯、总需氧量（TODTOD）、生化）、生化(shn hu)(shn hu)需需氧量氧量BODBOD、化学需氧量、化学需氧量(COD)(COD)、总有机炭、总有机炭(TOC)(TOC)、总氮（、总氮（TNTN）、

14、）、总磷（总磷（TPTP）、氨氮（）、氨氮（NPNP）等。）等。第13页/共35页第十三页，共35页。在线分析仪器的取样及预处理是分析仪器中至关在线分析仪器的取样及预处理是分析仪器中至关重要的部分，这部分不但是精密复杂的机电一体化装置重要的部分，这部分不但是精密复杂的机电一体化装置，而且在仪器系统所占的价值比例很高，据不完全统计，而且在仪器系统所占的价值比例很高，据不完全统计其费用占总费用的其费用占总费用的50%50%以上。可以说这部分一定意义上体以上。可以说这部分一定意义上体现了分析仪器的现代化程度，其性能高低决定了系统的现了分析仪器的现代化程度，其性能高低决定了系统的优良。优良。其具体完成

15、的任务对于气体、液体常常是稳压、其具体完成的任务对于气体、液体常常是稳压、过滤、定容、定流、稀释、冷却加温过滤、定容、定流、稀释、冷却加温(ji wn)(ji wn)、干燥、干燥、分离、萃取等处理，是样品达到检测标准后，送入检测分离、萃取等处理，是样品达到检测标准后，送入检测装置进行测量。装置进行测量。第14页/共35页第十四页，共35页。第15页/共35页第十五页，共35页。第16页/共35页第十六页，共35页。第17页/共35页第十七页，共35页。电化学是研究电与化学反应相互关系的科学。水处电化学是研究电与化学反应相互关系的科学。水处理过程究其本质是个物理化学过程，其常用的分析仪器理过程究

16、其本质是个物理化学过程，其常用的分析仪器广泛应用各种化学反应来分析工艺过程中物质广泛应用各种化学反应来分析工艺过程中物质(wzh)(wzh)的的质与量的变化，并通过这个变化控制化学反应，从而达质与量的变化，并通过这个变化控制化学反应，从而达到控制的目的。目前的水处理分析仪器主要利用化学反到控制的目的。目前的水处理分析仪器主要利用化学反应造成的电荷变化、光吸收变化进行分析的。化学反应应造成的电荷变化、光吸收变化进行分析的。化学反应造成电荷变化，可以采样电极（电池）原理进行测量，造成电荷变化，可以采样电极（电池）原理进行测量，本节主要介绍有关测量电极的知识。本节主要介绍有关测量电极的知识。当某种金

17、属浸没在含有它的离子的溶液中时，这个当某种金属浸没在含有它的离子的溶液中时，这个金属就成为了一个电极，在金属和其盐溶液之间由于扩金属就成为了一个电极，在金属和其盐溶液之间由于扩散作用将发生电极反应，即金属中的离子将进入溶液，散作用将发生电极反应，即金属中的离子将进入溶液，把自由电子留在金属中，在电极与溶液的界面形成电场把自由电子留在金属中，在电极与溶液的界面形成电场，电场的作用与扩散作用相反，最终在界面形成平衡，电场的作用与扩散作用相反，最终在界面形成平衡，导致固液两相面上形成带正、负电荷的双电层，两电层导致固液两相面上形成带正、负电荷的双电层，两电层的电位差，称为电极电位。的电位差，称为电极

18、电位。第18页/共35页第十八页，共35页。根据电化学原理，电极电位可由能斯特（根据电化学原理，电极电位可由能斯特（NernstNernst）方程方程(fngchng)(fngchng)表示。表示。式中式中E E指平衡时的电极电位；指平衡时的电极电位；E0 E0 为电极体系的标准电极电位为电极体系的标准电极电位；R R为气体常数，为为气体常数，为8.31J/(molk)8.31J/(molk)；F F为法拉第常数，为为法拉第常数，为96485 96485 C/mol C/mol ；T T为绝对温度；为绝对温度；n n为电极反应中的电子转移数；为电极反应中的电子转移数； 为连乘为连乘符号；符号；

19、 ai ai 和和 aj aj 分别代表电极反应中各种反应物和生成物的活性分别代表电极反应中各种反应物和生成物的活性（浓度），它们的指数（浓度），它们的指数(zhsh)vi vj (zhsh)vi vj 对应物质的计算系数。对应物质的计算系数。能斯特方程揭示了金属浸没在含有其离子的溶液中，发生氧能斯特方程揭示了金属浸没在含有其离子的溶液中，发生氧化还原反应时的电学特征，因此可通过对电极电位的检测测量溶液化还原反应时的电学特征，因此可通过对电极电位的检测测量溶液中的离子浓度。中的离子浓度。第19页/共35页第十九页，共35页。由于电位是个相对状态的物理量，因此单个电极的电位是由于电位是个相对状态

20、的物理量，因此单个电极的电位是无法测量的，只有再用一个已知电极电位，且其电位不随待测离无法测量的，只有再用一个已知电极电位，且其电位不随待测离子浓度改变而改变的电极电位作为参考，组成原电池，才有个准子浓度改变而改变的电极电位作为参考，组成原电池，才有个准确确(zhnqu)(zhnqu)的值。我们将电极电位与被测离子浓度有关的电极的值。我们将电极电位与被测离子浓度有关的电极叫测量电极，将已知电极电位且其值与待测离子浓度无关的电极叫测量电极，将已知电极电位且其值与待测离子浓度无关的电极，称为参比（考）电极。，称为参比（考）电极。参比电极要求电极电位稳定，常用的有氢电极、甘汞电极参比电极要求电极电位

21、稳定，常用的有氢电极、甘汞电极、银氯化银电极。对测量电极要求离子选择性好，为此采用专、银氯化银电极。对测量电极要求离子选择性好，为此采用专用离子渗透膜研制了离子选择测量电极。用离子渗透膜研制了离子选择测量电极。第20页/共35页第二十页，共35页。光学分析原理可分为物质光学分析原理可分为物质(wzh)(wzh)对光的吸收原理和物质对光的吸收原理和物质(wzh)(wzh)的光发射原理两类。目前光学式在线分析仪器几乎采用的的光发射原理两类。目前光学式在线分析仪器几乎采用的都是吸收原理。都是吸收原理。光的衰减定律：朗伯定律指出单色平行光经过均匀介质的微光的衰减定律：朗伯定律指出单色平行光经过均匀介质

22、的微小单元厚度，被吸收的辐射通量与入射的辐射通量和介质的厚度成小单元厚度，被吸收的辐射通量与入射的辐射通量和介质的厚度成正比。正比。pdxadp后来后来(huli)(huli)经过比耳在朗伯的基础上总结了光被均匀经过比耳在朗伯的基础上总结了光被均匀介质吸收与物质浓度的关系，可用朗伯比耳定律揭示：介质吸收与物质浓度的关系，可用朗伯比耳定律揭示：cdkepp0式中式中c c为介质浓度，为介质浓度，k k 为物质的吸收系数，为物质的吸收系数，d d为入射为入射距离，距离，p p0 0 为入射光辐射通量。为入射光辐射通量。第21页/共35页第二十一页，共35页。光的散射是指光在介质光的散射是指光在介质

23、(jizh)(jizh)传播过程中由于介传播过程中由于介质质(jizh)(jizh)的作用将光线向各个方向的散开的现象。英国的作用将光线向各个方向的散开的现象。英国物理学家瑞利发现任意一个方向的散射光强度正比于波长物理学家瑞利发现任意一个方向的散射光强度正比于波长的的4 4次方的倒数，同时正比于散射物质的统计几何尺度；次方的倒数，同时正比于散射物质的统计几何尺度；自然光射入各向同性的介质自然光射入各向同性的介质(jizh)(jizh)中时，在与入射光成中时，在与入射光成 角方向上的散射光强度如公式二，其中角方向上的散射光强度如公式二，其中I/2 I/2 为垂直为垂直于入射光方向的散射光强度。于

24、入射光方向的散射光强度。第22页/共35页第二十二页，共35页。光的吸收量子理论和原子物理学指出光子光的吸收量子理论和原子物理学指出光子(gungz)(gungz)的能的能量等于量等于hvhv，分子和原子在光的辐射下，将从低能级向高能级跃迁，分子和原子在光的辐射下，将从低能级向高能级跃迁，光子，光子(gungz)(gungz)将被吸收，从而在光谱中留下明显的吸收谱线将被吸收，从而在光谱中留下明显的吸收谱线，特定的分子和原子将有特定的吸收光谱，进而可利用吸收光谱，特定的分子和原子将有特定的吸收光谱，进而可利用吸收光谱进行物性分析。进行物性分析。第23页/共35页第二十三页，共35页。分光光度计是

25、光学分析分光光度计是光学分析(fnx)(fnx)仪器中常用的设备。其利仪器中常用的设备。其利用物质对可见光的吸收特性进行进行定量的成分分析用物质对可见光的吸收特性进行进行定量的成分分析(fnx)(fnx)的的仪器。器结构如下图。仪器。器结构如下图。第24页/共35页第二十四页，共35页。电导分析是分析溶液的导电特性，溶液的导电特性决定于溶液中的导电导分析是分析溶液的导电特性，溶液的导电特性决定于溶液中的导电离子浓度，因此通过对溶液导电特性电阻电离子浓度，因此通过对溶液导电特性电阻/ /电导的测量，可以间接测量溶液电导的测量，可以间接测量溶液的浓度。的浓度。电导的检测是在溶液中放置两个特定的电极

26、电导的检测是在溶液中放置两个特定的电极(dinj)(dinj)，在两电极，在两电极(dinj)(dinj)施加恒定的电场，通过流经溶液的电流和电极施加恒定的电场，通过流经溶液的电流和电极(dinj)(dinj)电压，应用欧姆电压，应用欧姆定律测量出溶液的电阻定律测量出溶液的电阻/ /电导。由于溶液的导电特性与温度密切相关，因此电导电导。由于溶液的导电特性与温度密切相关，因此电导分析必须进行温度补偿。另外由于电极分析必须进行温度补偿。另外由于电极(dinj)(dinj)在溶液通电后会产生电解现象，在溶液通电后会产生电解现象，造成电极造成电极(dinj)(dinj)极化，比没通电时电位差大，造成误

27、差，因此常采用交流供电极化，比没通电时电位差大，造成误差，因此常采用交流供电。第25页/共35页第二十五页，共35页。pHpH分析俗称酸（碱）度检测，即对溶液中分析俗称酸（碱）度检测，即对溶液中H+ H+ 和和OH- OH- 的检测。常用的的检测。常用的pHpH测量仪器是由测量仪器是由H+H+玻璃玻璃(b l)(b l)电极电极和参比电极组成电极电位检测器进行测量的。和参比电极组成电极电位检测器进行测量的。测量电极的底部是由测量电极的底部是由酸碱敏感的特殊玻璃制成，酸碱敏感的特殊玻璃制成，称为称为pH pH 玻璃。将测量电极玻璃。将测量电极放入含有放入含有H+ H+ 的溶液时，溶的溶液时，溶液

28、中的液中的H+ H+ 会与玻璃中的金会与玻璃中的金属离子属离子(lz)(lz)如如NaNa发生离发生离子子(lz)(lz)交换，造成玻璃膜交换，造成玻璃膜两侧出现电位差，当内参比两侧出现电位差，当内参比液离子液离子(lz)(lz)浓度一定时，浓度一定时，测量电极的电位仅与溶液的测量电极的电位仅与溶液的H+ H+ 浓度有关。通过与参比浓度有关。通过与参比电极的比较，就能测出电极的比较，就能测出H+ H+ 的浓度。的浓度。第26页/共35页第二十六页，共35页。第27页/共35页第二十七页，共35页。浊度分析是采用光学散射和吸收测量原理浊度分析是采用光学散射和吸收测量原理(yunl)(yunl)进

29、进行检测的。行检测的。第28页/共35页第二十八页，共35页。第29页/共35页第二十九页，共35页。余氯分析有采用离子选择性电极进行余氯分析有采用离子选择性电极进行(jnxng)(jnxng)检检测的，如测的，如E+HE+H公司的余氯分析仪；也有采用比色法的，如公司的余氯分析仪；也有采用比色法的，如HACHHACH公司的公司的CL17CL17。第30页/共35页第三十页，共35页。对于采用离子选择性电极进行的检测对于采用离子选择性电极进行的检测(jin c)(jin c)是采用电是采用电极原理测量的。探头由测量电极（金电极）、参比电极（银电极原理测量的。探头由测量电极（金电极）、参比电极（银

30、电极）、极）、KCLKCL溶液和一个溶液和一个HOCLHOCL选择性透膜组成。选择性透膜组成。在测量电极上加施加一个恒定的特定工在测量电极上加施加一个恒定的特定工作电压放入样品中，样品中的作电压放入样品中，样品中的HOCLHOCL分子扩散通分子扩散通过选择性透膜溶解于过选择性透膜溶解于KCLKCL溶液中。阴极（金电溶液中。阴极（金电极）特定工作电压使得极）特定工作电压使得HOCLHOCL被电解为被电解为CL-CL-和和H2O H2O ，在阳极（银电极）上，在阳极（银电极）上AgAg被氧化成被氧化成AgAg ，最，最终形成终形成AgClAgCl沉淀，在沉淀，在HOCLHOCL电解过程电解过程(guchng)(guchng)中产生的电流这正比于中产生的电流这正比于HOCLHOCL的浓度