1、 第二章 给排水自动化仪表与设备 典型水质检测仪表典型水质检测仪表 水质自动监测系统水质自动监测系统 检测技术基础检测技术基础2.12.22.4可编程控制仪表可编程控制仪表2.5执行设备执行设备2.6工作参数在线检测仪表工作参数在线检测仪表2.32.2 典型水质检测仪表2.2.1pH值检测仪表pH值是最常用的水质指标之一。他表示水的酸碱性的强弱，而酸度和碱度是水中所含酸或碱物质的含量。2.2.1.1pH测量原理 pH=-lg 常用电极电位法常用电极电位法原理原理电极电位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），他的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化
2、；另一个电极为参比电极（如：氯化银电极）其电位是固定不变的。上述两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，可以用E=EE=E*-D.pH-D.pHE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测量电极的相应极差（与温度有光）组成组成根据电极电位法原理构成的pH测量系统，都由发送器（即电极部分）和测量仪器（如变送器等）两大部分组成。由发送器所得的毫伏信号经由测量仪表放大只是其pH值。该发送器所得的毫伏信号实际上是由指示电极、参比电极和被测溶液所组成的原电池的电动势pH是氢离子活度的负对数，其中p只是表明离子和变量之间有一种指数
3、相关的数学关系。2.2.1.2 复合pH电极结构结构如右图响应响应FpHpHRTSEEss/)(303.2复合pH电极便于安装、标定与使用。当电极插入被测溶液中后，就形成了测量电池系统。复合电极的响应为：2.2.1.3 pH测量仪表组成组成包括pH计和pH变送器（工业pH计），它们两者在功能和结构上的差异在于是否具有信号隔离作用。工业在线检测用的pH装置，必须使用具有信号隔离作用的pH测量仪表，否则造成显示不稳定，使误差增大。基本要求基本要求主要技术指标主要技术指标u仪表的输入阻抗 要保证测量误差小于千分之一，仪表输入阻抗以大于测量电池内阻 （即pH电极内阻）的999倍。u仪表输入电流 pH测
4、量仪表的输入电流不得大于110-12A。u仪表的稳定性 是一项综合性指标，仪表不稳定将影响读数的准确度和重现性。对稳定性要求高。u仪表的测量范围及分辨率 测量范围0-14pH,高精度的pH计的分辨率可以达到0.001pH；工业现场使用的在线pH变送器，分辨率大都为0.01pH或0.1pHu仪表的信号隔离及信号输出 工业现场中使用的pH测量仪表，必须具有信号隔离功能及信号输出远传能力。u计量特点：高输入阻抗、低输入电流，高稳定性，低漂移，低显示误差；u调节特点：要求有零点（定位）调节，斜率（灵敏度）调节，温度补偿调节和等电位点调节。u使用性能，要求有pH显示，信号隔离和电流或电压信号输入。调节功
5、能调节功能u零点（定位）调节 校正电极的零点漂移通常零点补偿范围应不小 于60mV。u斜率（灵敏度）调节 电极的斜率与理论斜率有一定的偏差，且随着电极的使用和老化，斜率不断发生变化，为保证测量的准确性，pH测量仪表的斜率补偿范围应不小于理论值的90%-105%u温度补偿调节 一般温度补偿范围为0-60，特殊场合要求-20-120u等电位点补偿 在非等温环境中测量pH，若想测量准确，必须使用具有等电位点调节的仪表。2.2.1.4 pH测量仪表的改进（1）新型温度补偿pH测量仪表种类：种类：手动和自动温度补偿两种，另外还有“敏感膜电阻对数温度补偿法”原理：原理：改变放大器增益或模数转换器的输出。自
6、动温度补偿通常是由铂或镍热电阻与pH电极一起置于被测溶液中，被测溶液温度改变，将引起该热电阻阻值变化，已达到自动补偿的目的。自动补偿由于电极温度与热敏电阻温度很难达到平衡，所以补偿误差较大。敏感膜电阻对数温度补偿法的原理：利用pH玻璃电极内阻（膜电阻）的对数几乎都正比于温度的倒数这个特点尽管各电极之间电阻不同，但其温度系数大致都是0.006pH/。因此若能对pH电极内阻加以测量，就可以换算出pH电极敏感球泡的工作温度，从而进行高精度温度补偿。（2）智能化的pH测量仪表智能化的pH测量仪表控制器的核心是一个微型数据处理器（CPU）。2.2.2 电导率检测仪表电导率是水质监测的常规项目之一。电导度
7、（电导）：电导度（电导）：是电解质溶液的导电能力的强弱。水的电导率：水的电导率：是指电流通过横截面积个位1cm2，相距1cm的两电极之间水 样的电导。电导率的影响因素：电导率的影响因素：离子的性质和浓度、溶液的温度和黏度等。作用：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他离子的量。2.2.2.1测定方法及原理一般，溶液的电导使用测量电阻的方法来测定的。根据欧姆定律，在温度一定时，电阻与导体的长度（电极间的距离）成正比，与导体的截面积成反比，则有L-电极间的距离A-电极的截面积-电阻率（成为比电阻），表示两电极间距离为1cm、电极截面为1cm2的体积内溶液的电阻值
8、。ALQSQALSk 电导率（也称比电导，与溶液的性质有关-1.cm-1）则Q是电导池常数，又叫电极常数（cm-1）对于特定的电导率仪有确定的电极常数。根据此电极常数和在此条件下测得的溶液的电导，便可算出溶液的电导率。由此可见，只要测得溶液的电阻便可知道溶液的电导，实际上测量电导的仪器就是测量电阻的仪器。2.2.2.2 电导仪组成：电导池系统和测量仪器根据测量电导的原理不同，电导仪可分为：u平衡电桥式电导仪u电阻分压式电导仪u电流测量式电导仪u电磁诱导式电导仪等2.2.3 2.2.3 溶解氧检测仪表溶解氧检测仪表溶解氧：溶解在水中的分子态氧。他是水生生物的主要生存条件之一。溶解氧的含量与大气压
9、力、水温及含盐量等因素有关。2.2.3.1测定方法及原理测定方法：碘量法 修正碘量法氧电极法清洁水可用碘量法。受污染的地表水和工业废水采用碘量法或氧电极法用硫代硫酸钠滴定释放出来的碘现场取样时，溶解氧的固定实验室测定，加硫酸溶解氢氧化物沉淀，并析出碘（1）碘量法在水中加入硫酸锰和碱性碘化钾，水中的溶解氧将二价锰氧化成四价锰，并生成氢氧化物沉淀。加酸后，沉淀溶解，四价锰又可氧化碘离子二释放出与溶解氧量相当的游离碘。以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘，可算出溶解氧含量水V10008VM=）mg/L，O2（DO（2）修正碘量法1)叠氮化钠修正法 当水样中含亚硝酸盐会干扰碘量法测定溶解
10、氧，这时可以采用叠氮化钠将亚硝酸盐分解后再用碘量法测定。当水中三价铁离子含量较高时，也会干扰测定，可加入氟化钾或用磷酸替代硫酸酸化来消除这种干扰。测定结果：M硫代硫酸钠标准溶液浓度（mol/L）V滴定消耗硫代硫酸钠标准溶液体积（ml）V水水样的体积（ml）8氧换算值2）高锰酸钾修正法适用于水样中含大量亚铁离子，不含其它还原剂及有机物的情况。用高锰酸钾氧化亚铁离子，消除干扰。生成的高价铁用氟化钾掩蔽。电极法测溶解氧的优点：电极法测溶解氧的优点：不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响 快速便捷，适用于现场测定，易于实现自动连续测量注意：注意：水样中含有藻类、硫化物、碳酸盐、油类等物质时，会
11、使薄膜堵塞或损坏，应及时更换薄膜。2.2.3.2溶解氧检测仪表在水质连续自动监测系统中，广泛采用隔膜电极法测定水中溶解氧。有两种隔膜电极：原电池式隔膜电极 极谱式隔膜电极极谱式隔膜电极使用中性内充溶液，维护简便，适用于自动监测系统中。该仪器设有清洗装置，定期自动清洗粘附在电极上的污物。溶解氧连续自动测定原理1-隔膜式氧电极;2-热敏电阻;3-发送池 2.2.4浊度检测仪表浊度：浊度：所含杂质如果溶解于水中（杂质的粒径在10-6mm以下，成离子和低分子状态时），将不影响水的透 明度。若杂质颗粒大于10-6mm，则会影响水的透明度，造成光学的综合现象，使人视觉上呈有浑浊的印象。对这一光学现象的度量
12、指标就是浊度。出厂水的浊度降低，水中的细菌也按比例下降。浊度是关系水质卫生安全的重要参数。2.2.4.1浊度的测定方法和基本原理原理：光电光度法原理与浊度有关的光学现象有：u光能被吸收。是光线折射透过水样后的亮度有所减弱。u水中悬浊物颗粒尺寸大于照射光线的半波波长时，则光线被反射。若此颗粒为透明体，则将同时发生折射现象。u颗粒大小小于照射光线的半波长时，光线将发生散射（或称漫反射、衍射）因此，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，有如下函数式：透射光度的强度 散射光强度：通过光电效应又可将光束强度转
13、换为电流的大小，用以反映浊度。2.2.4.3浊度仪的分类按所测浊度范围的高低：u 低浊度仪u 中浊度仪u 高浊度仪按表达示数的方式：u 指针指示式u 数字计数式u 自动记录式按用途不同：u 实验室用（间歇式）u 过程监控用（连续式）u 高温或高压用途等等等按照浊度测定方法来分类是最为常见的,可分为：u透射光测定法u散射光测定法u透射光和散射光比较测定法u表面散射光法2.2.4.4 浊度仪的基本构造及特点（1）透射光测定法透射光式浊度仪目前已较少采用。原理：射入液槽的平行测定光束，通过水样受到衰减后到达受光部的光电池或光电管。当液槽通过流动的水样时，则成为连续测定型的仪器。特点：结构简单，测定范
14、围广，可测定高浊度；液槽窗口易被污染，可采用自动清洗措施；干扰多，稳定性差；光束穿过水样全部长度，受水样色度的影响大；仪器线性差，严重影响仪表的各项品质指标。（2）散射光测定法原理：来自光源的光束投射到试样水中，由于水中存在悬浊物而产生散射，这一散射光的强度与悬浮颗粒的数量和体积（反映浊度情况）成正比。按照测定散射光和入射光的角度不同，可以分为：u 90散射光式u 前散射方式u 后散射方式特点：特点：有测定窗 散射光法比透射光法能够获得较好的线性，检测感度可以提高（达到0.02NTU以上）色度影响较小 测量低浊度效果明显（低浊度仪多采用散射光法）当前使用的浊度仪主要是基于散射光法测定。国际通用
15、的浊度标准也是一这类浊度仪为基础制定的。（3）透射光和散射光比较测定法原理：同时或交替测定透射光和散射光的强度，求出二者之比值来表示浊度的方法。规律：若水中没有悬浮杂质，则全部的射入光线都能透射而没有散射，浊度即为0。对于有浊度的水样，散射光强度I1将随浊度增大而成比例地提高；透射光强度I2将反比例地缩小，由于两者向相反的方向差动，其比值 I1/I2会有较大的变化率.可提高灵敏度，感度可达到0.005NTU。优点：可以把散射光和透射光的光路做成相等，因而水样色度影响小；由于使用同一光源和I1/I2的数学式，补偿了电源变动、光源劣化及环境干扰的影响；窗口接触污染的影响也相对减小（4）表面散射光测
16、定法方法：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。优点：无测定窗污染 线性好 色度影响小于散射光法 测量范围广 在各种取样流量的范围内都能使用 可以用标准散射板进行校正，日常校正时不需要标准液缺点：杂质分布不均匀就会造成误差原理：如图P932.2.5生化需氧量（BOD）检测仪表生化学氧量：是指在 有溶解氧的条件下，好氧微生物在分解水中的有机物的生物化学氧化过程中所消耗的溶解氧量。2.2.5.1测定方法和原理方法：五天培养法；检压法；库伦法；微生物电极法等（1）五天培养法 在20条件下培养5天，求出培养前后水样中溶解氧含量，两者的差值即为BOD5，若未超过7mg/L,则
17、培养前不必稀释，可直接测量。（2）检压法 将水样置于装有一个以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，用压力计测出压力降低值来求出水样的BOD值，在实际测量中，先用葡萄糖-谷氨酸标准溶液校正压力计，即可从压力计直接读出水样的BOD值。（3）库伦法 库伦法是在检压法的基础上发展起来的一种BOD检测技术。与检压法不同的是，库伦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。（4）微生物电极法 微生物电极是一种将微生物技术与电化学检测技术相结合的传感器。主
18、要由溶解氧电极和紧贴其透气膜表面的固定化微生物。原理：原理：当将其插入恒温、溶解氧浓度一定的不含BOD物质的底液时，由于微生物的呼吸活性一定，底液中的溶解氧分子通过微生物膜扩散进入氧电极的速率一定，微生物电极输出一稳态电流；如果将BOD物质加入底液 中，则该物质的分子与氧分子一起扩散进入微生物膜，因为膜中的微生物对BOD物质发生同化作用而耗氧，导致进入氧电极的氧分子减少，并在几分钟内进入新的稳态值。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2.2.5.2BOD监测仪 微生物膜电极BOD测定仪程序控制器水样滤网溢流槽微电流放大器空气泵记录仪数据处理装置恒温水浴
19、磷酸盐缓冲液传感器标准液 标准液 清洗水定量泵12库仑法库仑法BOD监测仪监测仪中 继 电 路恒 电 流 源积 分 回 路记 录 仪电 磁 搅 拌 器硫酸铜溶液电 解 槽压力计试样恒温瓶CO 吸 收 剂22.2.6 COD检测仪表化学需氧量(COD)：是指水样在一定的条件下，氧化1升水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量，以氧的mg/l.表示。2.2.6.1测定方法和原理 重铬酸钾法 酸性高锰酸钾法 其他测定方法（密封管法、比色法、氧化还原电位法、滴定法及恒电流库伦法）2.2.6.2COD监测仪COD自动测定仪的原理是将化学法测定COD的程序自动化、仪器化。库仑式COD测定仪高锰酸钾指数自动监测仪
20、器 在线在线 cod监测仪2.2.7紫外吸收检测仪表 紫外可见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。计算的理论根据是“吸收定律”，即朗伯比尔定律。、朗伯比尔定律：是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=KCL K-比例系数2.2.8 TOC检测仪表总有机碳TOC是以碳的含量表示水中有机物质总量的一项综合项指标，单位为mg C/L。2.2.8.1测定方法和原理方法：燃烧氧化-非分散红外吸收法测定原理：将一定量水样注入高温炉内的石英管，在900950温度下，以铂和三氧化二铬为
21、催化剂，使有机物燃烧裂解转化为二氧化碳，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。（碳酸盐也分解产生二氧化碳，因此为总碳TC）为获得有机碳含量,有两种方法：将水样预先酸化，通入氮气曝气，去除各种碳酸盐分解生成的二氧化碳后再注入仪器测定。使用高温炉和低温炉皆有的TOC测定仪。分别得到TC和IC。两者之差即为总有机碳。TOC分析仪流程O2水样水样高温炉低温炉冷却冷却流路切换红外线分析仪CO2CO2TCTCTOC（2）TOC检测仪 TOC自动检测仪是根据非分散红外线吸收法原理设计的，有单通道和双通道两种类型TOC水质连续自动监测仪TOD自动监测仪工作原理图2.2.9总需氧量（TO
22、D）检测仪表总需氧量(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，用TOD表示，单位为mg O2/L。TOD和TOC的壁纸可以提供水中有机碳种类的信息，对不含氮的有机物，理论上比值为O2/C=32/12=2.67.大于4.0则应考虑水中含有大量的含S、P的有机物。当小于2.6时，应考虑水中硝酸盐亚硝酸盐就多水 样冷 却脱 水器石 英燃 烧管氧 燃料 电池记 录 仪O2，N2CO2H O2，CO2Pt催 化 剂900 C0TOD测定仪纯氮气水样恒温室（40 C）0硅橡胶管O2O2电炉（900-950 C）0铂网净化器排气O 检测器显示记录计量阀硅橡胶管2 2.2.10 余氯在线检测仪表
