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重铬酸钾法水质化学需氧量光电检测技术分析.pdf

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原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容,也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 月 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务;学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流;学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 日期 年 月 导 师 签 名 日期 年 月 河北工业大学硕士学位论文 i重铬酸钾法水质化学需氧量光电检测技术研究 摘 要 随着现代社会的发展,人类的生存环境尤其是水环境被严重破坏。为了能够及时并且快速地掌握水体污染情况,在进水口和排污口安装水质监测仪器并建立监测网络势在必行。化学需氧量Chemical Oxygen Demand,简称COD反映了水体受还原性物质污染的程度,一般情况下,COD 值越大污染越严重。因此,可以基于该参数研发测量仪器来检测各种工业污水、生活污水及地表水的污染情况。 在大量查阅国内外文献和实际调研的基础上,根据重铬酸钾法水质COD的测量原理,采用了光电检测方法研究了 COD 检测仪的关键技术。根据光电器件的特性参数完成了器件选型,选用了610nm的LED作为光源,硅光电池作为接收器件,完成了光电检测系统的硬件设计。其中电路部分由电源、信号调理电路(调制、解调、I/V 变换、放大等)和液位控制电路组成。通过对电路各个单元的分析、计算和实验,选取了适合方案,解决了光源和接收器件易受外界光干扰、测量系统易受温度干扰、系统进液不准确等问题,完成了电路系统的开发。 采用开发的样机系统进行了大量实验,根据实验结果分析了光电检测电路的准确性和稳定性,完成了 COD 检测仪的标定。讨论了外界环境误差、系统机械结构误差和硬件电路误差对整个测量系统的影响。根据分析结果对整个系统进行了改进。 关键词化学需氧量,光电检测,吸光度,在线监测 重铬酸钾法水质化学需氧量光电检测技术研究 ii RESEARCH ON PHOTOELECTRIC DETECTION TECHNOLOGY OF COD MEASUREMENT BY POTASSIUM DICHROMATE IN WATER ABSTRACT With the development of modern society, the environment of the human life, especially the water environment has been severely damaged. In order to grasp the situation of water pollution timely and quickly, it is imperative to installe water quality monitoring instruments in the intake and outfall to establish the monitoring network. The chemical oxygen demand Chemical Oxygen Demand, referred to as COD shows the degree of water bodies by reducing contaminated, In general, greater COD value means more serious pollution. Therefore, measuring instruments based on this parameter can be developed to determine the degree of pollution in a variety of industrial sewage, domestic sewage and surface water by measuring the COD value. On the basis of the reading of domestic and foreign papers and a large number of practical research, Photoelectric detection is adopted to do research on the key technologies of the COD detector. The device selection based on the characteristic parameters of the optoelectronic devices is completed and a 610nm LED is used as the light source, silicon photocell as the receiving device, finally, the hardware design of the photoelectric detection system is completed. Hardware circuitry consists of the power supply, signal conditioning circuits modulation, demodulation, the I/V conversion, amplification and control circuit of liquid feeding amount. In this thesis ,the various elements of circuit are analyzed,and through theoretical analysis、calculation and experiment, a suitable theoretical analysis is selected and the problem of the light source is susceptible to external light interference、the measurement system is susceptible to temperature interference、liquid feeding system is inaccurate and other issues is solved, finally, the development of electrical systems is completed. A large number of experiments using the developed prototype system is completed, accuracy and stability of the optical detection circuit according to the experimental results is analyzed and COD detector calibration is completed. The external environment error、hardware error and circuit error of the mechanical structure for the entire measurement system is analyzed. 河北工业大学硕士学位论文 iii The whole system is improved according to the results of the analysis. The experimental results show that COD measurement by potassium dichromate detector based on the photoelectric detection technology is feasible, The design achieves the technical requirements. KEY WORDS chemical oxygen demand, photoelectric detection, absorbance, line monitoring 重铬酸钾法水质化学需氧量光电检测技术研究 iv 目录 第一章 绪论..............................................................................................................................................1 §1-1 课题概述.......................................................................................................................................1 1-1-1 课题研究的背景和意义..........................................................................................................1 1-1-2 水质监测仪器的国内外现状和发展趋势..............................................................................1 1-1-3 常用水质监测的方法和特点..................................................................................................3 1-1-4 光电检测技术简介..................................................................................................................7 §1-2 课题研究对象..............................................................................................................................8 §1-3 课题任务和难点.........................................................................................................................8 §1-4 本章小结.......................................................................................................................................9 第二章 光电检测技术研究............................................................................................................10 §2-1 光电检测技术............................................................................................................................10 2-1-1 光电检测技术的特点............................................................................................................10 2-1-2 光电检测技术的重要性........................................................................................................11 2-1-3 光电检测技术的发展趋势....................................................................................................11 §2-2 重铬酸钾法水质监测仪光电检测的测量原理和构成...................................................13 2-2-1 重铬酸钾法水质监测仪的测量原理....................................................................................13 2-2-2 光电检测系统的构成............................................................................................................15 2-2-3 光电检测器件的基本特性参数............................................................................................17 §2-3 重铬酸钾法水质监测仪的光电检测器件选型.................................................................20 2-3-1 发光器件的选型....................................................................................................................20 2-3-2 光电接收器件的选型............................................................................................................22 2-3-3 光电检测装置的设计............................................................................................................25 §2-4 本章小结.....................................................................................................................................26 第三章 重铬酸钾法水质监测仪的光电检测电路设计..................................................27 §3-1 电源设计.....................................................................................................................................27 §3-2 信号调理电路............................................................................................................................28 3-2-1 信号调制................................................................................................................................28 3-2-2 I/V变换电路.........................................................................................................................32 3-2-3 电压跟随电路........................................................................................................................33 3-2-4 信号解调................................................................................................................................33 3-2-5 信号放大电路........................................................................................................................35 §3-3 液位检测电路............................................................................................................................37 §3-4 检测电路干扰分析...................................................................................................................39 §3-5 本章小结.....................................................................................................................................41 第四章 光电检测在COD测量中的实验分析...................................................................43 §4-1 实验体系.....................................................................................................................................43 4-1-1 实验试剂................................................................................................................................43 河北工业大学硕士学位论文 v 4-1-2 实验方法...............................................................................................................................44 §4-2 数据分析.....................................................................................................................................45 4-2-1 测量曲线拟合.......................................................................................................................45 4-2-2 检测系统稳定性分析...........................................................................................................49 §4-3 误差分析.....................................................................................................................................49 4-3-1 外界环境误差.......................................................................................................................49 4-3-2 检测装置机械结构误差.......................................................................................................50 4-3-3 硬件电路误差.......................................................................................................................50 §4-4 本章小结.....................................................................................................................................51 第五章 总结与展望............................................................................................................................53 §5-1 结论..............................................................................................................................................53 §5-2 展望..............................................................................................................................................53 参考文献......................................................................................................................................................53 致谢.................................................................................................................................................................56 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研课题............................................................57 重铬酸钾法水质化学需氧量光电检测技术研究 vi 符号说明 一、缩写词 A/D 模拟量/数字量,Analog/Digital BOD 生化需氧量,Complementary-Metal-Oxide- Semiconductor COD 化学需氧量,Chemical Oxygen Demand CMOS 互补型金属氧化物半导体,Complementary- Metal-Oxide-Semiconductor DO 消耗溶解氧, Dissolved Oxygen D/A 数字量/模拟量, Digital/Analog DI 数字量输入,Digital DO 数字量输出,Digital Output PWM 脉宽调制,Pulse Width Modulation 二、符号 A 试液的吸光度 I0 入射光的强度 V0 入射光的电压 V 透射光的电压 mg/L 毫克每升 mol/L摩尔每升 nm 纳米 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 §1-1 课题概述 1-1-1 课题研究的背景和意义 水是生命的源泉,是宝贵的资源,是人类赖以生存和发展的基础。随着社会的进步和经济的快速发展,对水的需求量逐渐加大,人们的衣、食、住、行等更离不开水,而淡水的总量是十分有限的,如果水资源缺乏了,一切生命活动都将停止。随着我国人口的快速增长和工农业生产的迅猛发展,工业废水和生活污水排放量逐年增加,有些未经净化处理的污水直接排入了水体,导致水体被污染。而我国又是一个水资源严重短缺、水灾害很频繁的国家,人均水占有量很低,已被联合国列为13个贫水国家之一。近些年来,我国水资源质量不断下降,水环境持续恶化,现实中由于污染所导致的缺水事故不断发生,已经造成了不良的社会影响和较大的经济损失,严重地威胁了社会的可持续发展。在这种情况下,如果不采取有效的措施,面对人口不断地增长与十分有限的水资源,人们将束手无策,步入生存危机。 目前世界水资源面临着严重的危机,大约有12亿人不能获得安全的饮用水,每年大约有200万的儿童死于和水质有关的疾病[1]。在居民所患的一些疾病中,有很多直接或间接与饮用水被污染有关。为了能够快速及时地掌握污水的污染和排放情况,在排污口和进水口安装污水在线自动监测仪器并建立监测网络,进行实时监测,是非常必要的。只有认识到了水资源的重要性,对水资源进行保护才会符合可持续发展的要求。重铬酸钾法COD检测仪是主要的在线水质监测仪器的一种,它对水污染的监测和防治都具有积极的意义。通过对进入江、河、湖、海的地表水体的污染物进行检测,可以确定水体污染程度,及时掌握水质现状,判断污染源位置、污染发展情况、污染所经过的途径和具体的污染路线。这些都为顺利开展水环境质量的预测和评价及进行科学研究提供了基础数据和手段,对生产过程和其他排放源排放的各类废水进行监测,为污染源的管理和排污收费及治理提供合理的依据。因此,研发监测水质污染的仪器势在必行。 1-1-2 水质监测仪器的国内外现状和发展趋势 化学耗氧量Chemical Oxygen Demand,COD,在水和废水标准检验法中的定义为测定样品中易受氧化剂氧化的有机物在氧化时所需的氧当量[2]。它代表了水体中有机物的含量,衡量水质被还原性物质污染程度,是评价水环境的主要指标之一。在日常生活和工业生产所产生的废水中除含有少量的无机污染物以外,还含有比较多的有机污染物,这些有机污染物在未经处理排放后,会对水环境造成严重的破坏,会对整个生态系统产生巨大影响。COD 是目前最常用水质评价参数,在各种工业污水、生活污水及地表水的监测、研究和处理中作为评价指标,在实际中应用广泛并有一定的科研价值。 一般情况下,水体所含物质非常复杂,除了有机氧化物之外,水中还有很多还原性物质,还原性物
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