水质在线监测仪器选型

在线监测仪器选型研究一、流量计1、流量计分类在污染源安装流量计的目的是对镉污染源的排污流量进行实时监测。

流量计种类众多，但污染源监测中主要采用以下几种：（1）超声波流量计（2）电磁流量计（3）涡流式流量计（4）涡街式流量计（5）浮子式流量计（6）超声波明渠流量计超声波流量计测量原理超声波流量计（以下简称USF）是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。

封闭管道用USF按测量原理又可细分为：1传播时间法；2多普勒效应法；3波术偏移法；4相关法；5噪音法。

其中应用最多的是传播时间法和多普勒效应法。

A、传播时间法声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称为时间传播法。

按测量具体参数不同，又可分为时差法、相位差法和频差法。

B、多普勒效应法多普勒效应法USF是利用在静止点监测从移动源发射声波而产生多普勒频移现象的方法。

优点：USF适用于大型圆形管道和矩型管道，且原理上不受管径限制、基本上与管径无关。

对于大型管道带来方便，可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。

多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。

时间传播USF 可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

因其易于实行，与测试方法（如流速计的速度面积法，示踪法等）相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。

缺点：传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过一定范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。

多普勒法USF多数情况下测量精度不高。

国内现有生产品种不能用于管径小于DN25mm的管道。

适用水质：传播时间法超声波流量计适用于江河、海水、农业用水、纯净燃油、润滑油、食用油、化学试剂、药液等悬浮物含量小于1%（包括泡沫）的水质；多普勒法超声波流量计适用于含杂质多的水（下水、污水、农业用水等）、浆类（泥浆、纸浆、化工料浆等）、非净燃油、重油、原油等浊度大于50~100mg/L的水质。

电磁流量计测量原理电磁流量计的测量原理是根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中做切割磁力线运动时，在导体的两端产生感应电势。

当导电液体在管道中流动是，导电流体切割磁感线，通过产生的感应电流大小即可计算出液体流量。

优点：测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等; 不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好; 所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响; 流量范围大,口径范围宽; 可应用腐蚀性流体。

缺点：不能测量电导率很低的液体,如石油制品; 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体; 不能用于较高温度。

适用水质：电磁流量计应用水质广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液, 化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

涡轮式流量计涡轮流量计的工作原理是当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变起点转换器的磁阻值，检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即点脉冲信号，经过放大器放大后，送至显示仪表显示。

涡轮流量计是属于速度式流量计中主要品种，它的结构由多叶片的转子（涡轮）感应流体平均流速，从而计量出流量或总流量的仪表。

其结构由传感器和显示仪两部分组成，有分体式和一体式两种。

优点：精度高，在所有流量计仪表中属于最精确的流量仪表；重复性好；无零点漂移，抗干扰性好；测量范围度宽；结构紧凑。

缺点：不能长期保持校准特性；流体物性对流量特性影响较大。

适用水体：广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。

涡街流量计涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。

涡街流量计按频率检出方式可分为:应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。

涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。

优点：涡街流量计无可动部件，测量元件结构简单，性能可靠，使用寿命长。

涡街流量计测量范围宽。

量程比一般能达到1：10。

涡街流量计的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。

一般不需单独标定。

它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。

它造成的压力损失小。

准确度较高，重复性为0.5％，且维护量小。

缺点：涡街流量计工作状态下的体积流量不受被测流体温度、压力、密度等热工参数的影响，但液体或蒸汽的最终测量结果应是质量流量。

质量流量必须通过流体密度进行换算，必须考虑流体工况变化引起的流体密度变化。

造成流量测量误差的因素主要有：管道流速不均造成的测量误差；不能准确确定流体工况变化时的介质密度；将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量。

这些误差如果不加以限制或消除，涡街流量计的总测量误差会很大。

抗振性能差。

外来振动会使涡街流量计产生测量误差，甚至不能正常工作。

通道流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动，使测量精度降低。

大管径影响更为明显。

对测量脏污介质适应性差。

涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕，改变几何体尺寸，对测量精度造成极大影响。

直管段要求高。

专家指出，涡街流量计直管段一定要保证前40D后20D，才能满足测量要求。

耐温性能差。

涡街流量计一般只能测量300℃以下介质的流体流量。

适用水质：流速均匀，成分稳定的水质。

浮子式流量计浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。

浮子流量计是应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。

优点：结构简单，使用方便；适用于小管径和低流速；压力损失较低。

缺点：耐压力低，有玻璃管易碎。

适用水质：所有水质。

超声波明渠流量计与前述几种不同,明渠流量计是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。

非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计。

明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。

明渠流量计应用场所有城市供水引水渠;火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。

明渠流量计的工作原理通常也是采用超声回波技术，通过测量流量槽（堰）液位高度，在京仪表内部的微处理器运算得到流量。

由于是非接触测量，能在较恶劣的环境中应用。

优点：不用安装管道便可对流量进行监测，非常适用于污染源排污的在线监测。

缺点：可测流体的温度范围受明渠换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

目前我国只能用于测量200℃以下的流体。

另外，明渠流量计的测量线路比一般流量计复杂。

这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现。

适用水质：200℃以下的任何水质。

二、COD在线监测仪器1、COD在线监测原理化学需氧量(COD)，是指在一定条件下用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，是衡量和评价水体污染的一项重要指标，也是水质监测分析中最常测定的项目。

因此，研究COD的测定方法对工业废水和生活污水的监测和防治具有重要意义。

COD 自动在线监测仪按技术原理分共有6 种类型：（1）重铬酸钾消解-氧化滴定法；（2）重铬酸钾消解- 库仑滴定法；（3）重铬酸钾消解-光度测量法；（4）UV（254 nm）法；（5）羟基自由基氧化- 电化学测量法；（6）臭氧氧化- 电化学测量法。

从目前国内各污染源的安装使用情况看，COD 自动在线监测仪较多地采用重铬酸钾消解- 光度测量法、重铬酸钾消解- 电位滴定法。

重铬酸钾法测定COD也是国家标准方法（GB11914-89）。

该方法大致可分为两步操作，即第一部氧化消解，加入已知过量的强氧化剂重铬酸钾，然后高温回流;第二部是利用滴定或者光度测量原理测定消耗的重铬酸钾的量，从而计算出试样中COD的量。

本文给出的前三种方法是针对重铬酸钾法仪器操作的第二步而分类的。

其中氧化滴定法的原理与实验室重铬酸钾法测定COD的国标方法是一致的，在这里不再介绍；库伦滴定法是指利用电解产生的亚铁离子作为库仑滴定剂，对氧化后剩余的重铬酸钾进行库仑滴定，根据电生二价铁离子所需的电量按法拉第定律求得；分光光度法则是使消解完成的水样在一定波长下，用分光光度计测定三价铬的吸光度，通过吸光度与水样COD 的线性关系进行定量分析测定。

CODCr的测试受加入氧化剂的种类和浓度,反应溶液的酸度、反应温度和时间, 以及催化剂的有无而获得不同的结果, 它是一个条件性指标, 对测试操作要求十分严格。

重铬酸钾法受加入氧化剂的种类和浓度、溶液的酸度、反应温度和时间以及催化剂的影响很大。

CODCr在线监测仪在实际应用中存在分析时间长、操作维护复杂以及消耗大量化学药品造成二次污染等问题。

然而目前实验室测定COD仍然大多采用国标法，因为该方法测定结果准确、重现性高，适用于各类型的COD值大于30mg/L的水样，对未经稀释的水样检测限为700mg/L。

针对重铬酸钾法消解时间长的问题，研究人员提出了密封消解法、开管消解法、微波消解法等改进措施。

（1）密封消解法密封消解法是将样品密封，在165℃下加热来进行样品消解，时长约为15~20min，消解时管内压力接近0.12Mpa。

由于采用密闭的反应管消解试样，挥发性有机物不能逸出，测定结果更为准确。

密封消解法测定废水中的COD具有简便、快速、节约试剂、省水、省电、省时、少占用实验室空间等优点，特别适合于环境监测系统进行污染源大面积调查及各厂矿企业的污染源申报中大批量水样的监测。

密封消解法与标准回流法产生的废液量之比为1:10，减少了由于分析带来的二次污染，而且许多研究证明，密封消解法与回流法有着很好的相关性，准确度高。

（2）开管消解法开管消解法的测定原理与标准回流法相同，它是以重铬酸钾为氧化剂，将水样在开启的试管内加热12min以完成消解反映，控制消解反应温度为165℃。

快速开管法是由沈杭等率先提出，该方法操作简单、省时，可同时消解十几甚至几十个水样，适用于大批量样品的测定，且用药量约为标准法的1/10，开管法消解比较安全，该方法的准确度及精密度均较好，高中低三种浓度的水样的测定值与标准法测定值基本一致。