第二章 给排水自动化仪表与设备

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=KCL
2 紫外（UV）吸收测定仪
指示表 差分放大器 输出 V-i转换器 可见光 滤光片 对数放大器 光电转换器 对数放大器 程序控制器
清洗除垢器 出口
光电转换器 紫外光 半透镜 滤光片
4 浊度仪的基本构造及特点

表面散射光测定法 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。
（4）微生物电极法：组成结构见图

－ ＋
原理：当将电极插入恒温、 塑料管 溶解氧浓度一定的不含 BOD物质的底液时，微生 Ag-AgCl电极 物电极输入一稳态电流； 如果底液中加入了 KCl内充液 BOD物质，则电极输出的 压帽 电流值不恒定，而是在几 分钟内逐渐减小至新的稳 聚四氟乙 定值。 烯薄膜 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。
校 正 滤 光 片 水样入口
电 源
汞灯 发送池
图2.12 UV吸收自动测定仪工作原理图
八、总有机碳（TOC）检测仪表

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，mg C/L。
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）。
二、检测仪表的组成
对象
4
传感器
5
变换器 检测仪表
6
显示器
人
图2.1 检测仪表方框图 4、5、6——传输通道
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

1 测定方法及原理

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。
2 电导仪

平衡电桥式电导仪
A RX R1 R2 B R3
平 衡 指 示 器
振荡器
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
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。
三、溶解氧检测仪表
1 测定方法及原理 ＋ － （1） 氧电极法 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 壳体 极由一种电解质传导连接。加在阳极 银丝阳极 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。 KCl溶液 阴极：O2+2H2O+4e == 4OH－ 黄金阴极 阳极: 4Ag+4C1－ == 4AgC1↓+4e 薄膜 化学反应产生一个与氧浓度成正比 的电流。 图2.5 溶解氧电极结构
七、紫外（UV）吸收检测仪表

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。

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。
2 COD测定仪
（1）库仑法COD测定仪
分频电路 电解电流频 率变换电路 电解电流变换电路 显示逻辑电路 终点微分电路
终点电解 电流显示 工作电极对
＋ 阴 阳
－
指示电极对
电磁搅拌器
水样、电解液
图2.10 库仑法COD测定仪工作原理
（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
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。 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。 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。

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：
（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。
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。

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。
2 溶解氧监测仪

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。
四、浊度检测仪表
1 浊度测定与控制的意义


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。
黄金片电极 微生物膜

图2.7 微生物膜电极结构
2 BOD监测仪
（1）微生物膜电极BOD测定仪
程序控制器
定 量 泵
水 样
空气泵 微电流 放大器 记录仪
滤网 标 准 液 1 溢流槽 标 准 液 2 清 洗 水 磷酸盐 缓冲液 恒温水浴 传感器
数据 处理 装置
图2.8 微生物膜电极BOD测定仪原理图
（2）库仑法BOD测定仪
三、仪表的性能指标

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
§ 2.2 典型水质检测仪表 一、pH值检测仪表
1 pH测量原理

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， 图2.2 电极电位法pH测量原理 可用下式表示：
恒 温 瓶
CO2吸收剂 压 力 计 试 样 电解槽
硫 酸 铜 溶 液
电磁搅拌器
中继电路 积分回路 记录仪
恒电流源
图2.9 库仑法BOD测定仪组件和结构示意图
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。
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。
图2.3 复合pH电极结构
3 pH测量仪器

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。
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。
第二章 给排水自动化仪表与设备
§ 2.1 检测技术基础
一、检测的概念
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


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。
3 浊度仪的分类

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。

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。
水样
高温炉
CO2
冷却
TC 流路切换 TOC 红外线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分析仪
低温炉
水样
CO2
冷却
IC
O2
图2.13 TOC分析仪流程
2 TOC监测仪
安全装置 盐酸液槽 混合槽 泵 水样 N2气 N2气 冷却水 除 CO2 槽 定量泵 燃 烧 炉 气 液 分 离 槽 红 外 分 析 仪
记 录 仪
图2.14 单通道TOC自动监测仪工作原理
九、总需氧量（TOD）检测仪表

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， mg O2 /L。 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。
（2） 碘量法

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。

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－