测量水污染的传感器

测量水污染的传感器[摘要]监测水和废水需要用到通用传感器和专用传感器。本文介绍了用于监测明渠和管线系统的水和废水的各种传感器。美国1972年制定的“清洁水法规”（CWA）和1974年制定（1986年修正）的“安全饮用水法规”（SDWA），以及在这之前制定额“美国国家污染物排放消除系统”使得美国所有额工业部门都清楚地意识到了水污染问题。这几项法规要求对水和废水进行严格的监测，包括监测化工产排放物的浓度、冷却水的渗漏、废水处理、过程水净化、地表水迳流等。这样大量的工作只有通过使用各种传感器才能完成。与传统流量、水位、压力和温度装置配合使用的是一组特别适用于监测环境参数，如明渠流量、溶解氧、pH、电导率和浊度等的传感器。在选用适应这些目的的传感器时，首先要考虑的是被监测水中可能存在的化学物质种类。例如，若传感器要与烃类物质接触则传感器就必须是防爆的；如果被监测的流体是腐蚀性的，传感器就应该是防腐蚀的。同样，还要记住的就是大多数水和废水装置都基本上用不着维护。因此，设计或定制的传感器应尽可能简单以减少出现早期故障或失灵的可能性。1.明渠流所谓明渠流是指其部分流路暴露于大气中的液体传输。这包括天然水路，如河流、阴沟、水道、水槽和在重力作用下的管流。典型的需要测量流量的明渠包括下水道，水和废水处理厂，工业废物排放以及天然水路。明渠流量测量的方法包括：•时间重量测定法——该法使用一个容器和一只秒表，常常用来校准或校验其他流量而定装置的准确度。•稀释法——往管道中加入一种示踪液，然后在下游测定其浓度。•速度域法——速度域装置（通常是在明渠测量中常用的测量仪器）测定一个一直横断面的平均速度。•梯度/水力半径法——该法测量涵洞的流量，其流量可以用Manning公式计算。要用Manning公式，就必须知道流速、渠长、水力半径和粗糙度因子。粗糙度因子的设计值通常可以在参考书中查到，同事取决于渠的构成材料。其他影响粗糙度因子的因素包括：渠的曲直，渠中有无淤泥、障碍，流体的深度和悬浮物。粗糙度因子随着时间而变化，通常是增大。•水力装置法——这种测量明渠测量的方法是一种在渠中能对各种流速产生一已知效应的装置。最常用到水力装置法的是堰和水槽。堰基本上是一个坝，其顶部通常呈矩形、梯形或V型开口。水力装置是明渠尤其是大的明渠测量装置中最简单最便宜的。流量是水位或水头——即从堰的上游某点至堰顶边的水位差的函数。一旦知道了水位差（水头）就可以用水头/流速关系式求出流速。上游水位一般可以通过测量与渠旁通的静井中液位而得到。位于渠边缘的静井既保证了测量精度，又不会影响渠的流动。其可以通过普通液位测量装置测得，这包括浮标、气泡器，电气的、超声的或淹没的压力传感器等。堰中的实际流量范围是20:1.水中的淤泥和其他固体物质会在堰中逐渐沉积起来而影响到测量的精度。水槽有特殊的几何结构，当流体流过时其流速随水位的改变而增加。这种几何结构给出了水槽中某一特殊点的水位和流速的直接关系。最普通的水槽是细腰槽和帕尔默尔—博拉斯槽。虽然水槽比起相同容量的堰来讲成本上要贵2~3倍，但水槽有不少优点。例如：•尺寸相同时，水槽能测更大的流速；•有更小的水头损失；•有更大的流速范围（35:1）；•能冲走固体物。2.溶解氧（DO）溶解氧的测定是水污染和废物处理过程控制应用中的一项重要组成部分。之所以在废水分析中测量溶解氧是因为有机固体物质的生物降解取决于氧。溶解氧同样用来控制腐蚀，特别是在锅炉和冷却水中。在溪流、江河、湖泊和其他水系中，常常测定溶解氧以确定鱼类及其他水生动物有足够的氧维持其生命需要。要维持鱼类的生存，水中溶解氧应保持在4~6毫克/升。典型用于分析溶解氧的传感器包括：•原电池——该种传感器由电解液和两个电极组成。通常为探头式的。随着电极与电解液之间氧含量的平衡，电极上需要一个产生极化的电压。这就会发生电化学反应从而在电极上产生一与电解液中氧浓度成正比的电流。•极谱电池——该传感器类似于原电池，但使用了两个贵金属电极。它需要一个极化电压从而减少阴极上的氧。产生的电流同样与电解液中的氧浓度成正比。为了保证测量精度，必须对样品温度加以控制。•多阴极电池——该电池用3个电极与电解液相联。氧在阳极上产生，阴极上消耗。由于电池内部是平衡的，因而就不会有氧的增减。该电池的主要优点是污垢只影响响应时间，而无电极消耗。•铊电池——铊电池有多种类型。通用的一种是由一个外环铊电极和一个内环参比电极组成。与铊接触的氧会引起化学反应而在电极表面生成亚铊阳离子，该离子的浓度正比于电池中溶解的氧浓度。大多数测量溶解氧的传感器都是在污水中使用，因而需要有清除器、搅拌器或特殊样品体系。原电池和极谱电池要有一个最小速度——一般高于1英尺/秒——来消除滞流层薄膜，同时保持电池的清洁。为了使得到的结果精度高，还得有温度补偿。溶解氧传感器的量程为0~20毫克/升，增量为5毫克/升。3.pH大多数水处理体系都要测量pH。控制污水的pH是为了防止腐蚀和有毒气体的排放，保护有关工厂免遭pH超出规定范围所引起的麻烦事故。废水的pH值通常为6.0~9.0.虽然有多种方法测量pH值，但最常用的方法是用一个pH玻璃膜电极、一个参比电极和一个高输入阻抗的电位差计。过程pH计可能还包括自动温度补偿和便于电极安装的元器件。目前的pH计的电极可以在流动液体插入或取出而不会影响其正常工作。这样就可以在不影响过程的情况下清洗和更换传感器。旧式pH计的电极是分离开的，不过现在一些制造商在生产组合电极和一次性使用的pH计。他们将玻璃膜电极和参比电极及热补偿器结合为一个单元，单个电极就无法更换了。当一个电极坏了，整个传感器也就无法工作了，必须更换新的传感器。组合传感器通常像一个管接头。这类传感器在管路中使用时可以拧入T型管中。要浸入使用时，传感器可以接在一支撑上，然后淹入水中。由于pH传感器要经常定期清洗，因此在安装时，首先要考虑的就是传感器能容易地卸下。有些制造商生产出了超声波清洗机，另外一些则提供了机械清洗设备，如旋转刷。传感器清洗完后要用水漂洗并与缓冲溶液对照使其标准化。4.导电率导电率可以评价水中所溶的固体总量。传感器可以测定酸、碱或任何其他离子型污染物的过量情况，但不能区分它们。电导率是溶液导电能力的量度，定义为1立方厘米溶液的阻抗的倒数，单位是西门子/厘米（S/cm）。室温下蒸馏水的电导率小于1μS/cm，雨水的导电率为50μS/cm，海水的大约为20000μS/cm，30%的硫酸则高达1000000μS/cm。电导池有两个装在绝缘池中的金属电极或碳电极。绝缘池用于将水隔离开。测量与水的体积和周围的金属物体无关。只要电导池安装得当而无损坏，液体的高流速就不会影响测量结果。当液体流速较低时，电导池的安装应保证两电极间的液体能循环流动。在垂直管道中，应将电导池的正面对着流体。在固体含量较大的水中，电导池的安装应能防止腐蚀和避免在电导池中发生固体物的淤积。5.浊度浊度是用来测量液体中的不溶固体和透明度的。浊度的测量是由一束摄入液体的光线的散射情况来确定的。由于这种测量对温度的敏感性，大部分浊度传感器都有内部补偿装置或用1个加热源和恒温装置来维持恒温。常用的测量单位是比浊计浊度单位（NTU）和杰克逊烛光浊度单位（JCU）。比浊计用光散射测定浊度，运用最为广泛。完全清洁水为0NTU，当为5NTU时就值得注意了，这也是二次饮用水标准。泥水一般都超过了100NTU。1JCU表示水中的漂白土浓度为1ppm。测量光衰减的浊度计一般有1个带有相互间成180°或90°角的玻璃窗口的塑料或金属管构成。一个窗口发生光线，另一个窗口则接收光线。窗口间成90°角时，测量不受颜色的影响。然而，颜色会吸收某些光线。窗口上的沉积物同样会影响浊度的测量。因此，这些仪器要经常清洗。没有窗口，浊度计也可以使用，但必须在敞开的大气中和相当低的流速中才行，这样浊度计也就不能安放在管道中。6.温度温度传感器用来监视排入溪流、江河和湖泊中的水温。这可以帮助减少高温对水生生物所产生的不利影响。高温同样会增加污水设施的腐蚀。在这些场合所用的方法和所使用的传感器主要取决于高温所引起的破坏程度的强弱。要测量局部温度用双金属温度计即可。如果要在恶劣条件下使用温度计，可以用热电偶套管来保护传感器。如果所遇到的是封闭的高温排放体系，就应该使用温度开关。这通常是由一球泡和一根长6~10英寸的毛细管构成的。把球泡安放在热水中，开关安装在一定距离之外。要联系地对温度进行监视、记录和控制，用得最普遍的是100Ω电阻温度检测器（RTD）。不同的制造厂家的RTD的量程范围不同，RTD能方便地测量-150~+800°F的温度，其精度为0.1°F。7.结论在设计和选择传感器时，应确保传感器能够适应所用的环境并满足要求的精度，通常的环境传感器要面临恶劣的条件，例如高湿度，不断变化的温度、淤泥和碎片、高氧水、振动、灰尘和缺乏保养等。在设计控制系统或选择环境用传感器时，这些总是要着重考虑的。