第二章--给排水自动化仪表与设备

第二章给排水自动化仪表与设备一、检测的概念§2.1检测技术基础被检测参数：指需要数值定量的一些参数或物理量，它含有表征被测对象某些特征的定量信息。检测：用实验的方法，借助一定的仪器或设备，把被检测参数与其单位进行比较，求其二者的比值，从而得到被检测参数数值大小的过程。x0=X0/u被检测参数的真值被检测参数单位x≈X0/u检测值二、检测仪表的组成4、5、6——传输通道对象传感器变换器显示器人检测仪表456图2.1检测仪表方框图1传感器作用：感受被检测参数的变化，直接从对象中提取被检测参数的信息，并转换成一相应的输出信号。要求：准确性：输入与输出是单值函数关系稳定性：受干扰影响小灵敏性：较小的输入量就可得到较大的输出信号经济性、耐腐蚀性、低能耗等2变换器作用：将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性化或转变成统一的信号，供给显示器。要求：能准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界其他因素的干扰和影响要小，即所造成地误差应尽量小。3显示器作用：向观察者显示被测数值的大小。有指示式、数字式和屏幕式三种。4传输通道作用：联系仪表的各个环节，给各环节地输入、输出信号提供通路。可以是导线、管路（如光导纤维）以及信号所通过的空间等。仪表的量程绝对误差相对误差引用误差精度等级灵敏度分辨率有效度响应时间三、仪表的性能指标一、pH值检测仪表§2.2典型水质检测仪表电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中，其中一个电极为指示电极(如玻璃PH电极)，它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个电极为参比电极（例如氯化银电极)，其电位是固定不变的.这两个电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势E的大小与溶液的pH值有关，可用下式表示：图2.2电极电位法pH测量原理1pH测量原理式中E——测量电池产生的电动势；E*——测量电池的电动势常数(与温度有关)pH——溶液的pH值；D——测量电极的响应极差(与温度有关)。因此，若已知E*和D，则只要准确地测量两个电极间的电动势，就可以测得溶液的pH值了。2复合pH电极杆身由内外两个玻璃管组成，中心为pH指示电极，外部为参比电极及参比电解液。图2.3复合pH电极结构pH测量仪表包括pH计和pH变送器(也称工业pH计)。工业用的pH变送器具有信号隔离作用。3pH测量仪器仪表的测量范围及分辨率目前使用的pH仪表测量范围基本上都设计成0~14pH单位，有些设计成分档可调式。对实验室使用的高精度pH计，分辨率可达0.001pH；工业现场中使用的在线pH变送器．分辨率大都为0.01pH或者0.1pH。二、电导率检测仪表由于电解质在水溶液中以带电离于的形式存在，因此溶液具有导电的性质，其导电能力的强弱称为电导度，简称为电导。作用：测定水和溶液的电导，可以了解水被杂质污染的程度和溶液中所含盐分或其它离子的量。水的电导率：电流通过横截面积各为1cm2相距1cm的两电极之间水样的电导。对于特定的电导仪，有确定的电极常数Q。根据此电极常数Q和在此条件下测得的溶液的电导S．便可算出溶液的电导率k。1测定方法及原理平衡电桥式电导仪2电导仪振荡器平衡指示器R2R1RXR3图2.4平衡电桥式电导检测仪原理图电阻分压式电导仪电流测量式电导率仪AB氧电极对氧活度的测定是基于电流的测量。包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原。阴极：O2+2H2O+4e==4OH－阳极:4Ag+4C1－==4AgC1↓+4e化学反应产生一个与氧浓度成正比的电流。三、溶解氧检测仪表图2.5溶解氧电极结构1测定方法及原理（1）氧电极法＋－黄金阴极壳体KCl溶液薄膜银丝阳极以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘，可计算出溶解氧量。（2）碘量法当水中含有氧化性物质、还原性物质及有机物时，会干扰测定，根据不同的干扰物质采用修正碘量法。（3）电导测定法用非导电的金属铊或其他化合物与水中溶解的氧反应生成能导电的离子Tl＋。2Tl+0.5O2+H2O==2Tl＋＋2OH－通过测定水样电导率的增量，可求得溶解氧的浓度。实验表明：每增加0.035S/cm的电导率相当于1ml/L的溶解氧。水质连续自动监测系统中，多采用隔膜电极法。测定迅速、及时隔膜电极分原电池式隔膜电极和极谱式隔膜电极。2溶解氧监测仪1浊度测定与控制的意义四、浊度检测仪表给水排水工程中，在评价水源、选择处理方法、生产过程控制和水质检验等各方面都需要对浊度做严格和精密的测量。浊度的高低直接关系到供水水质，据有关医学数据统计表明，出厂水的浊度降低，水中的细菌也按比例下降，特别是需要高余氯才能灭活的病毒在相当程度上是随着浊度的降低而降低的。2浊度的测定方法及基本原理目前各种类型的浊度仪，全是利用光电光度法原理制成的。悬浊液体是光学不均匀性很显著的分散物质。当光线通过这种液体时，会在光学分界面上产生吸收、反射、散射等光学现象。由于这些光学现象，当射入试样水的光束强度固定时，透过水样后的光束强度或散射光的强度将与悬浊物的成分、浓度等形成函数关系。根据比尔—朗伯定律和雷莱方程式，可提出如下的函数式：通过光电效应又可将光束强度转换为电流的大小，用以反映浊度。这就是当前各类浊度仪的基本工作原理。按照所测浊度范围的高低按照表达示数的方式按照其用途不同按照浊度测定方法来分类，可以分为：(1)透射光测定法，(2)散射光测定法；(3)透射光和散射光比较测定法；(4)表面散射光法。3浊度仪的分类表面散射光测定法4浊度仪的基本构造及特点此方法是把试样水溢流，往溢流面照射斜光，在上方测定散射光的强度来求出浊度。优缺点图2.6表面散射式浊度自动监测仪工作原理五、生化需氧量（BOD）检测仪表1测定方法及基本原理测定方法：五天培养法、检压法、库仑法、微生物电极法等。（1）五天培养法：水样经稀释后，在（20±1）℃条件下培养五天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值记为BOD5。（2）检压法：将水样置于装有一个有CO2吸收剂小池的密闭培养瓶中，当水样中的有机物被微生物氧化分解时，消耗的溶解氧则由气体管中的氧气补充，产生的CO2又被吸收池中的吸收剂吸收，结果导致密闭系统内的压力降低，用压力计测出的压力降低值来求出水样的BOD值。（3）库仑法：原理与检压法相同。库仑法中微生物氧化分解有机物所消耗的氧由电解产生的氧气来供给和补充，电解槽通过密闭气路的压差由导电溶液的继电回路自动控制，测定更准确。图2.7微生物膜电极结构原理：当将电极插入恒温、溶解氧浓度一定的不含BOD物质的底液时，微生物电极输入一稳态电流；如果底液中加入了BOD物质，则电极输出的电流值不恒定，而是在几分钟内逐渐减小至新的稳定值。（4）微生物电极法：组成结构见图＋－塑料管Ag-AgCl电极KCl内充液压帽聚四氟乙烯薄膜黄金片电极微生物膜在适宜的BOD物质浓度范围内，电极输出电流降低值与BOD物质浓度之间呈线性关系，因此可算出BOD值。2BOD监测仪（1）微生物膜电极BOD测定仪图2.8微生物膜电极BOD测定仪原理图标准液1标准液2清洗水微电流放大器记录仪数据处理装置空气泵溢流槽滤网水样定量泵磷酸盐缓冲液恒温水浴传感器程序控制器（2）库仑法BOD测定仪图2.9库仑法BOD测定仪组件和结构示意图中继电路积分回路记录仪恒电流源恒温瓶硫酸铜溶液试样电磁搅拌器电解槽CO2吸收剂压力计六、化学需氧量（COD）检测仪表1测定方法及基本原理（1）重铬酸钾法CODCr（2）酸性高锰酸钾法CODMn（3）其他测定方法1）密封管法：将样品和氧化剂及催化剂密封于管中，在150℃下加热2h，使样品中有机物完全氧化，然后测定氧化剂剩余量，计算出样品COD。2）比色法：将水样、K2Cr2O7溶液、硫酸及硫酸银置于三角瓶，准确加热回流10min，冷至室温后于600nm处测定Cr（Ⅲ）的吸光度，再根据用COD标准溶液绘制的标准曲线计算出样品的COD值。3）氧化还原电位滴定法：水样被自动输入到检测水槽，与硫酸溶液、硫酸银溶液及高锰酸钾溶液经自动计量后，被输入至氧化还原反应槽，水浴温度调节到沸点，反应30min，准确注入10ml草酸标准溶液，终止氧化反应。过量的草酸以高锰酸钾回滴，用电位计确定反应终点，求出高锰酸钾的消耗量，换算为COD值。4）恒电流库仑分析法：首先让水样与0.05mol/l的高锰酸钾混合后在沸水浴中反应30min，在反应终了的溶液中加入Fe3＋，将恒电流电解产生的Fe2＋作为库仑滴定剂，与溶液中剩余的高锰酸钾反应，当反应达到终点时，电解停止。由消耗的电量，最终换算为COD值。（1）库仑法COD测定仪2COD测定仪图2.10库仑法COD测定仪工作原理分频电路显示逻辑电路电解电流变换电路电解电流频率变换电路终点电解电流显示终点微分电路电磁搅拌器指示电极对工作电极对阴阳－＋水样、电解液（2）高锰酸钾指数自动测定仪图2.11电位滴定式高锰酸钾指数自动测定仪溶解于水的不饱和烃和芳香族化合物等有机物对紫外线有强烈的吸收，而对可见光吸收甚微。无机物对紫外线也吸收甚微。七、紫外（UV）吸收检测仪表对特定水域或废水，根据其对紫外线的吸收大小来反映受有机物的污染程度。1测定方法及基本原理分光光度法是选一定波长的光照射被测物质溶液，测量其吸光度，再依据吸光度计算出被测组分的含量。依据理论：朗伯—比尔定律：指当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比，即：A=KCL2紫外（UV）吸收测定仪图2.12UV吸收自动测定仪工作原理图电源V-i转换器差分放大器指示表输出对数放大器对数放大器光电转换器光电转换器紫外光滤光片半透镜校正滤光片可见光滤光片程序控制器清洗除垢器出口汞灯发送池水样入口TOC是以碳的含量表示水中有机物质总量的一项综合性指标，mgC/L。八、总有机碳（TOC）检测仪表1测定方法及基本原理方法：燃烧氧化－非分散红外吸收法。原理：将一定量水样注入高温炉内的石英管，在900~950℃温度下，以铂和三氧化二铬为催化剂，使有机物燃烧裂解转化为CO2，然后用红外线气体分析仪测定CO2含量，从而确定水样中碳的含量（TC）。TC→TOC：①先酸化，再通入N2曝气，最后注入仪器测定；②使用高温炉和低温炉皆有的TOC测定仪。图2.13TOC分析仪流程高温炉冷却低温炉冷却流路切换红外线分析仪水样CO2CO2TCO2ICTOC水样2TOC监测仪图2.14单通道TOC自动监测仪工作原理安全装置盐酸液槽混合槽泵水样除CO2槽燃烧炉记录仪气液分离槽红外分析仪N2气N2气冷却水定量泵TOD是指水中有机物和还原性无机物在高温下燃烧生成稳定的氧化物时的需氧量，mgO2/L。九、总需氧量（TOD）检测仪表TOD与TOC的比值可以提供水中有机碳种类的大致信息：TOD/TOC＝2.67，可认为水中主要的有机污染物是不含氮有机物；TOD/TOC＞4，应考虑水中有多量的含S、P的有机物存在；TOD/TOC＜2.6，应考虑水中可能有较多硝酸盐和亚硝酸盐。1测定方法及基本原理石英燃烧管冷却脱水器氧燃料电池记录仪O2,N2CO2水样CO2,H2O图2.15TOD测定示意图TOD分析仪工作流程：2TOD测定仪纯氮气计量阀水样净化器O2检测器显示记录排气硅橡胶管铂网电炉900~950℃硅橡胶管恒温室（40℃）O2O2图2.16TOD自动监测仪工作原理图余氯在线分析是进行投氯控制的前提。十、余氯在线检测仪表微量余氯分桥仪主要由下列部分构成：采水样系统、加试剂系统、测量传感器、微机处理控制器。余氯一般也是采用电极法进行测量。在两个电极之间施加电压．利用电极之间电解产生的氧化还原反应测量氯的浓度。图2.17电极法余氯分析工作流程图(1)采水样系统加氯后的水通过取样泵、取样管、Y型过滤器、恒位水箱进入自动反冲洗机构和传感器腔室，经测量分析后由排水腔室流入下水道。自动反冲洗机构由电磁阀控制