（控制理論與控制工程專業(yè)論文）散射式濁度儀的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 散射式濁度儀的設(shè)計與實現(xiàn) 摘要 水的濁度是由于不溶解物質(zhì)的存在而應(yīng)起的 對于不溶性的 分散物 質(zhì)所應(yīng)起的濁度 可以通過測量散射光的強(qiáng)度求出 光的散射作用是液體 的一種特性 可以用來測定濁度 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 使用光學(xué)濁度儀測量的水的濁度 一是散射光 測定法 適用于低濁度水 例如飲用水 根據(jù)儀器設(shè)計的不同 也可以將 其用于高濁度水的測定 二是透射光測定法 更適合于高濁度水 例如廢 水和污水 的測定 可溶性的吸收光物質(zhì) 例如有色物質(zhì) 的存在能影響 濁度的測定 用大于8 0 0 n m 波長進(jìn)行測量 可減少這些影響 在該波長范 圍內(nèi) 某些污水中的藍(lán)色對濁度測定有輕微影響 空氣氣泡也可能干擾測 定 但是對試樣進(jìn)行仔細(xì)處理可以將這些干擾降至最小的程度 含溶解性 物質(zhì)的水樣 僅能使通過該水樣的光線衰減 而含不溶性物質(zhì)的水樣不僅 能使入射光衰減 而且由于水中不溶性粒子的存在還會在各個不同方向上 程度不同地產(chǎn)生散射光 散射光強(qiáng)度取決于入射光的波長 測量角以及水 中懸浮顆粒的形狀 光學(xué)特性和粒子大小分布 隨著儀器儀表向著智能化方向的發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也獲得了廣泛 的發(fā)展空間 與此同時 人們生活水平不斷的提高 水質(zhì) 尤其是飲用水質(zhì) 越來越得到人們的關(guān)注 水的濁度是反映水質(zhì)優(yōu)劣的一個十分重要的指標(biāo) 從衛(wèi)生的角度來看 降低水的濁度對人體健康有不少好處 針對市場上濁 度儀存在的優(yōu)缺點 本選題結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù) 單片機(jī)技術(shù)和自動化儀 太原理 人學(xué)碩十研究生學(xué)位論文 器儀表 對濁度儀的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計研究 設(shè)計并實現(xiàn)了一種更符合 生產(chǎn) 生活需求的新型濁度儀 可用與寬范圍水濁度的測量 具有線性度 好 靈敏度高等特點 本文設(shè)計的新型濁度儀具有以下特點 采用a t m e l 公司的a t m e g a l 6 低功耗8 位單片機(jī) 國外稱為m c u 作為系統(tǒng)的硬件平臺 其低功耗工作 模式 既提高了運(yùn)算的速度 又降低了功耗 使?jié)岫葍x具有更長的使用周 期 論文簡要地介紹了濁度儀的分類 散射式濁度儀的工作原理 現(xiàn)狀及 發(fā)展前景 闡述了本設(shè)計的重要性及廣泛的應(yīng)用前景 詳細(xì)闡述了基于 a t m e g a l 6 處理器濁度儀的軟 硬件設(shè)計 水樣池的設(shè)計 光電系統(tǒng) 電源 電路 放大電路 a t m e g a l 6 的c p u 電路 接口電路 對于氣泡干擾的處 理 顏色干擾的處理 有機(jī)物干擾的處理 給出了調(diào)試過程和試驗結(jié)果 通過大量的基礎(chǔ)試驗結(jié)果表明 這種設(shè)計方法可以很好地消除上述干 擾 總結(jié)歸納了散射式濁度儀的可行性 可靠性 關(guān)鍵詞 散射光 濁度儀 氣泡干擾 顏色干擾 i i 太原理i 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gs c a 啊e r i n g l i g h t t u r b i d i t o r a b s t r a c t m a n yu n s o l u b l e s u b s t a n c e s g e n e r a t e w a t e rt u r b i d i t y w h e nt h e r ea r e u n s o l u b l eo rs c a t t e rs u b s t a n c e si nt h ew a t e r m e a s u r i n gw a t e rt u r b i d i t yt h r o u g h m e a s u r i n gt h ei n t e n s i t yo fs c a t t e r i n g l i g h t t h es c a t t e r i n g l i g h te f f e c ti sak i n do f l i q u i dp e c u l i a r i t yt h a tc a nm e a s u r ew a t e rt u r b i d i t y a c c o r d i n g t oi n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n i s o i s 0 0 7 0 2 7 m e a s u r i n gw a t e rt u r b i d i t yb ym e a n so ft h eo p t i c a lt u r b i d i t o r o n ei s s c a t t e r i n g l i g h tm e a s u r e m e n t s u i t a b l ef o rl o wt u r b i d i t yw a t e r f o re x a m p l e d r i n k i n gw a t e r a c c o r d i n gt h ed i f f e r e n c eo ft u r b i d i t o rd e s i g n i n g s u i t a b l ef o rt h e m e a s u r e m e n to f h i g ht u r b i d i t y w a t e r t h eo t h e ri s t r a n s m i s s i o n l i g h t m e a s u r e m e n t s u i t a b l ef o rm e a s u r i n gh i g ht u r b i d i t yw a t e r f o re x a m p l ew a s t e w a t e ra n ds e w a g e s o l u b l ea n da b s o r b i n g l i g h ts u b s t a n c e sc a na f f e c tt h e m e a s u r e m e n to ft u r b i d i t y f o re x a m p l ec o l o r f u ls u b s t a n c e s w h e nw a v e l e n g t h g r e a t e r t h a n 8 0 0 n m c a nd e c r e a s e t h e s ee f f e c t i nt h e r a n g e o ft h e w a v e l e n g t h s o m eb l u ew a s t ew a t e ra n db l i s t e r sw i l l l i t t l ea f f e c tt u r b i d i t y m e a s u r e m e n t t h e s ed i s t u r b a n c e sc a l lb ed e c r e a s e dt h el e a s td e g r e et h r o u g h c a r e f u lt r e a t i n gt h ew a t e rs p e c i m e n s t h ew a t e rs p e c i m e n si n c l u d i n gs o l u b l e s u b s t a n c e so n l yw a n el i g h tw h i c hc u tt h r o u g hi t h o w e v e r t h ew a t e rs p e c i m e n s i i i 太原理i 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 i n c l u d i n gu n s o l u b l es u b s t a n c e sn o to n l yw a n ei n c i d e n c e l i g h tb u ta l s og e n e r a t e s o m es c a t t e r i n g l i g h to nd i f f e r e n c eo r i e n t a t i o n sb e c a u s eo fu n s o l u b l ep a r t i c l e si n i t i n c i d e n c e l i g h tw a v e l e n g t hd e c i d e ss c a t t e r l i g h ti n t e n s i t y m e a s u r i n ga n g l e a n dt h es h a p eo fs u s p e n d e dp a r t i c l e si nt h ew a t e r o p t i c a lp e c u l i a r i t ya n d p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t sa l o n g w i t ht h eo r i e n t a t i o no f i n t e l l i g e n t e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yh a sa p p l i e di nm o r ef i e l d st h a ne v e r m e a n w h i l e w a t e r q u a l i t y d r i n k i n g w a t e re s p e c i a l l y h a sb e e n p a i d m o r e a t t e n t i o nw i t ht h ei m p r o v i n go fp e o p l e l i v i n gs t a n d a r d w a t e rt u r b i d i t yi sa i m p o r t a n ti n d e x f r o mt h ea s p e c to fs a n i t a t i o n d e c r e a s i n gw a t e rt u r b i d i t yh a s m a n yb e n e f i t sw i t hp e o p l eh e a l t h i nv i e wo ft h e s ec a s e s u s i n gt h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y t h ep a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft u r b i d i t o r d e s i g na n dr e a l i z en e wt u r b i d i t o rw h i c hc a nb em o r et m eo fp r o d u c t i o na n d l i v i n g c a nb eu s e di nw i d es c o p ew a t e rt u r b i d i t ym e a s u r e m e n t t h es y s t e mh a s g o o di i n e a r i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o no ft u r b i d i t o r u s i n gt h ea t m e g a l6 m i c r o p r o c e s s o r c a l l e dm c ua b r o a d p r o d u c e db ya t m e lc o m p a n y b e c a u s e o fi t su l t r al o w p o w e r i tr u n sf a s t e ra n de x t e n d st h el i f eo f t h eb a t t e r y t h ep a p e r b r i e f l yi n t r o d u c e ss o r t s w o r k i n gp r i n c i p l e s t a t u s i m p o r t a n c eo ft h ed e s i g na n d t h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa b o u tt u r b i d i t o r t h ep a p e rd e p i c t sc a r e f u l l y s o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g n w a t e rs p e c i m e np o o l e l e c t r i c a la n do p t i c a ls y s t e m 1 v 太原理 大學(xué)碩 研究生學(xué)位論文 o p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t b l i s t e r s c o l o ra n do r g a n i cs u b s t a n c e sd i s t u r b e d t r e a t m e n ta b o u tt h et u r b i d i t o r p r o v i d e st h ed e b u g g i n gp r o c e s sa n dt h e r e s u l t s o nt h eb a s i so ft h el a r g en u m b e ro fp r o j e c t sc o m p l e t e dp r e l i m i n a r yt e s t s t h e p a p e r s u m m a r i z e st h e f e a s i b i l i t y a n dr e l i a b i l i t ya b o u t s c a t t e r i n g l i g h t t u r b i d i t o r k e yw o r d s s c a t t e r i n g l i g h t t u r b i d i t o r b l i s t e rd i s t u r b c o l o rd i s t u r b v 太原理 l 大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文 圖表索引 圖2 1 水中微粒的光學(xué)現(xiàn)象 8 圖2 2 透射測量原理 8 圖2 3 散射測量原理 9 圖2 4 比率法測量原理 1 0 圖3 一l 薯至l j x 9 0 方向的散射光 1 2 圖4 1 正視圖 1 7 圖4 2 左視圖 1 8 圖4 3 后視圖 1 8 圖4 4 俯視圖 1 9 圖4 5 b b 剖視圖 1 9 圖4 6a a 剖視圖 2 0 圖4 7 光電二極管光譜響應(yīng)特性 2 2 圖5 l電源電路圖 2 3 圖5 2 發(fā)光電路圖 2 4 圖5 3 消除干擾電路圖 2 5 圖5 4l m 3 5 8 一級運(yùn)算放大電路圖 2 6 圖5 5a d 6 2 3 原理圖 2 8 圖5 6a d 6 2 3 的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 2 9 圖5 7 a d 6 2 3 一級運(yùn)算放大電路圖 3 0 圖5 8l m 3 5 8 二級運(yùn)算放大電路圖 3 2 圖5 9a t m e g a l 6 控制電路圖 3 5 圖5 1 0 a t m e g a l 6 異步串行通信電路圖 3 8 圖6 lp c 機(jī)的串口調(diào)試顯示畫面 4 4 圖6 2 在線式的水樣池原理圖 4 5 圖6 3 a a 剖視圖 4 6 圖6 4b b 剖視圖 4 6 x 太原理 f 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 圖6 5 圖6 6 圖垂7 圖6 8 俯視圖 4 7 后視圖 正視圖 左視圖 4 7 4 8 4 8 圖6 9 數(shù)據(jù)d 與d o d j d f 比較生成d 5 0 圖6 1 0 程序框圖 5 2 圖6 1 l定量分析的光譜相應(yīng)特性 6 5 圖6 1 2 定性分析的光譜相應(yīng)特性 6 6 表5 1l m 3 5 8 作為一級運(yùn)放的測量數(shù)據(jù) 表5 2a d 6 2 3 管腳定義 表5 3 a d 6 2 3 增益電阻器的要求阻值 2 9 表5 4a d 6 2 3 作為一級運(yùn)放的各管腳電壓值 3 l 表5 5 運(yùn)放的放大倍數(shù)測量值 表6 1 無氣泡測量數(shù)據(jù) 5 7 表6 2 有氣泡測量數(shù)據(jù) 表6 3 有機(jī)物測量數(shù)據(jù) 表6 4 可見光的光譜 表6 5 表6 6 表6 7 表6 8 加入染料的濁度測量值 加入顏料的濁度測量值 染料 指示劑的吸光度 染料 指示劑的吸光度 x i 5 8 5 9 6 3 6 3 6 4 6 6 奎壁望王盔堂堡主嬰窒塵堂壁堡皇 符號說明 j t u j a c k s o nt u r b i d i t yu n i t 杰克遜濁度單位 u n i t 度 渾濁度 f o r m a z i n e 福爾馬肼聚合物懸浮液 f 1 u f o r m z a i n et u r b i d i t yu n i t 濁度單位 n t u n e p h e l o m e t r i ct u r b i d i t yu n i t 散射濁度單位 2 h 6 s 0 4 硫酸肼 c 6 六次甲基四胺 l 瑞利散射的散射光強(qiáng)度 瑞利散射的透射光強(qiáng)度 濃度 濁度 墨 衰減系數(shù) 單位體積微粒數(shù) v 微粒體積 五 入射光波長 瑞利散射的入射光強(qiáng) n 水的折射率 n 微粒的折射率 0 瑞利散射的散射系數(shù) 彳 米氏定律的微粒表面積 毛 米氏定律的散射光強(qiáng) k 總的散射光強(qiáng) k u 米氏定律的系數(shù) 太原理 i 人學(xué)碩十研究生學(xué)位論文 k 米氏定律的散射系數(shù) 九 入射光譜帶寬 0 測量角 試管直徑內(nèi)徑 r g a d 6 2 3 增益電阻 以k t 為單位 s p i a t m e g f f l 6 的同步串行接1 2 1 t a g a t m e g a l 6 標(biāo)準(zhǔn)仿真接口 g a i n 選定的增益因子 u s a r t 異步串行通信接口 e 摩爾吸收系數(shù) 單位為m g h a n 2 b r lc i d i r e c tb l u e 2 0 1 直接耐曬蘭j t u j a c k s o nt u r b i d i t yu n i t 杰克遜濁度單位 聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下 獨立進(jìn)行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文 不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果 對本文的研究 做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本聲明的 法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 塹絲日期 生21 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明 本人完全了解太原理工大學(xué)有關(guān)保管 使用學(xué)位論文的規(guī)定 其 中包括 學(xué)校有權(quán)保管 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印 件 學(xué)?？梢圆捎糜坝?縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文 學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱 學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的 復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文 學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容 保密學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 o 導(dǎo)師簽名 冬豇 鷲止 e t l i i i 蘭竺z 太原理工大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文 第一章緒論 近年來 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 與此相適應(yīng)的新一代工業(yè)過程檢測儀表將朝著 數(shù)字化 智能化和微型化的方向發(fā)展 因此 人們正在利用新的測量原理和檢測技術(shù) 開發(fā)新的檢測儀表產(chǎn)品 擴(kuò)大自動檢測的新領(lǐng)域 水的濁度是水質(zhì)的一項重要指標(biāo) 水 的濁度就是因水中微粒物質(zhì)對光的散射而使水的透光率下降的程度 它可以通過測散射 光來確定 也可以通過測投射光來確定 還可以用它們的比值來確定 本文所研制的濁 度儀是通過測量散射光來確定水樣濁度的 i 1 濁度儀簡介 水的濁度是由于水樣中的微粒物質(zhì)的存在導(dǎo)致水的透明度的降低 是水樣的一種光 學(xué)特性 也就是說濁度是種水中微粒物質(zhì)所產(chǎn)生的光效應(yīng) 水中濁度的測量是建立在光 學(xué)測量的基礎(chǔ)上的 所以可以用光學(xué)方法來測量濁度 濁度儀就是測量水樣中的透明度 的儀器 1 8 9 9 年美國人杰克遜發(fā)明了燭光濁度儀 通過慢慢放低試管水位直到人的眼 睛剛剛見不到燭光火焰為止 所測出的水深查表求得其濁度 以 1 1 j 為單位 稱為杰克 遜濁度單位 j t u 實現(xiàn)了定量測定方法 也就是目視測量法 這種濁度儀用蜂蠟和鯨 腦蠟按一定規(guī)格制成標(biāo)準(zhǔn)蠟燭 規(guī)定燃燒速度 在垂直的玻璃管下點燃 用目視來確定 水柱高度后測定標(biāo)準(zhǔn)蠟燭單位 這種濁度單位在歐洲應(yīng)用較多n l 另一種為光電式濁度儀 1 9 2 6 年美國水質(zhì)學(xué)者提出福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物 懸浮液可以作為濁度標(biāo)準(zhǔn)液 l l 光電式濁度儀根據(jù)其應(yīng)用 可以分為臺式和在線式兩種 臺式濁度儀主要應(yīng)用于水的抽樣檢測 在實驗室等比較常用 在線式濁度儀可以對水樣 進(jìn)行連續(xù)測量 比較適合生產(chǎn)企業(yè)得生產(chǎn)檢測 在線濁度儀一般都采用散射光測量法 現(xiàn)在很多儀器儀表公司都推出了筆式濁度儀 結(jié)構(gòu)精巧 功能強(qiáng)大 使用很為方便 1 2 濁度儀生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景 國外許多儀器儀表公司都生產(chǎn)了技術(shù)先進(jìn) 性能優(yōu)良的濁度儀 目前 在眾多的濁 度儀產(chǎn)品中 國內(nèi)外濁度儀都是采用散射光測量法 從網(wǎng)上查找到的國外濁度儀生產(chǎn)廠 太原理j l j 大學(xué)碩士學(xué)位論文 商如下 美國h a c h 公司的s s 6 高濁度儀 1 7 2 0 和2 1 0 0 低濁度儀 其中2 1 0 0 低濁度 儀可以自動選擇測量范圍和小數(shù)點位置 測量精度也比較高 英國a b bk e n t 公司的 4 6 0 0 系列濁度儀 美國b t g 公司的t x p r o 高濁度儀 2 0 0 b w 低濁度儀 德國e h 公 司的c u s c u m 系列濁度儀等等 濁度單位基本都是使用n t u 國內(nèi)研制和生產(chǎn)工業(yè)光電濁度儀的起步比較晚 早期的濁度儀論文是1 9 7 8 年 測 定有色溶液濁度的新原理及其應(yīng)用 1 2 1 與國外濁度儀相比 技術(shù)性能也有一定的差距 長時問以來 工業(yè)濁度儀在分柝儀器中也是不多 隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 國 內(nèi)關(guān)于濁度和濁度儀的研究開始多了起來 整體來說 研究機(jī)構(gòu)的數(shù)量和產(chǎn)品也比較多 了 從網(wǎng)上查找到的國內(nèi)濁度儀生產(chǎn)廠商如下 上海分析儀器生產(chǎn)的w g z 系列濁度儀 廈門飛華器材的散射光智能濁度儀 中和醫(yī)械生產(chǎn)的濁度儀等等 包括現(xiàn)在很多水廠和 實驗室也可以用分光光度計來測量濁度 1 3 濁度測量的意義 濁度儀的應(yīng)用越來越廣泛 因為濁度是評價水質(zhì)的重要依據(jù) 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) g b 5 7 4 9 1 9 8 5 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 中規(guī)定生活飲用水的濁度 5 n t u 規(guī)定水廠的 出廠水濁度 i n t u l 3 1 這樣可以保證城市供水微生物學(xué)安全 保證城市供水細(xì)菌 病毒 及寄生蟲的充分滅活 有效去除賈第蟲 隱孢子蟲等致病原生動物 對于污水處理來說 處理各種污水后 濁度也是對出水水質(zhì)要求的重要參數(shù) 在出 水部分需要進(jìn)行在線測量濁度 要求出水濁度 s n t u 對于工業(yè)水處理來說 濁度是工業(yè)水處理檢驗水質(zhì)要求的重要參數(shù) 需要入水 出 水都進(jìn)行濁度在線測量 有低濁度和高濁度測量的分別 對于水環(huán)境監(jiān)測來說 濁度也是必須測量的重要參數(shù) 因為濁度的大小往往可以直 接判斷出水環(huán)境污染的程度 p h 值 濁度 氨氮 溶氧四大參數(shù)是監(jiān)測水環(huán)境的指標(biāo) 對于啤酒釀造工業(yè)來說 進(jìn)行麥芽汁處理韻各個階段 在生產(chǎn)高品質(zhì)啤酒的澄清階 段 為保證產(chǎn)品的質(zhì)量 都需要測量濁度f 5 6 1 4 選題依據(jù) 隨著環(huán)保事業(yè)的發(fā)展 對環(huán)境保護(hù)越來越重視 在水質(zhì)檢測中 濁度是水質(zhì)指標(biāo)的 重要參數(shù) 在實際工作中 目視比濁法 分光光度法 實質(zhì)為透射光測定法 占據(jù)很 2 太原理1 大學(xué)碩十學(xué) i 7 論文 大的比率 嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì) 濁度的測定 設(shè)計的國外濁度儀 測量 效果好 整機(jī)價格昂貴 零配件及維修費(fèi)用比較高 且不方便等特點 設(shè)計一種新型的 智能化的高可靠性的智能濁度儀具有非常現(xiàn)實的意義 智能濁度 儀要具有性能優(yōu)良 測量效果好 價格適中 維護(hù)量小 操作簡單并且采用新技術(shù) 高 水平 標(biāo)準(zhǔn)化的國產(chǎn)濁度儀器 濁度儀的設(shè)計需要考慮許多很實際的技術(shù)問題 包括光源部分設(shè)計 水樣池部分的 設(shè)計 信號的處理等等 實現(xiàn)各種實用的功能 需要從實際著手解決 1 5 論文的主要研究工作 本課題所研究開發(fā)的基于8 位a v r 為微處理器的濁度儀的設(shè)計與實現(xiàn) 是對濁度 儀進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究 主要研究內(nèi)容為濁度儀的概述 零濁度水 濁度的測量原理 設(shè) 計出基于國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 散射式低濁度儀 其內(nèi)以8 位a v r 為微處理器 通過c p u 組織 協(xié)調(diào)濁度儀內(nèi)各部分的工作 可調(diào)節(jié)精密基準(zhǔn)電源并聯(lián) 穩(wěn)壓器和比較器控制光源 標(biāo)準(zhǔn)2 3 2 串行數(shù)據(jù)通訊接口 具體內(nèi)容主要包括 1 緒論 概述濁度儀的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景 本課題研究的背景 意義 本文的主 要工作 論文的組織 2 濁度儀形成機(jī)理 介紹濁度定義 濁度單位 濁度標(biāo)準(zhǔn)和光電式濁度儀的三種測 量方法 3 濁度儀工作原理 介紹了濁度測量原理 理論證明了最大濁度值 散射式濁度儀 測量的線性關(guān)系 4 水樣池設(shè)計及光電器件選型 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 的要 求 設(shè)計水樣池 根據(jù)散射光測定法對發(fā)光器件的要求 對發(fā)光器件和接受器件選型 5 濁度儀硬件設(shè)計 整體設(shè)計濁度儀的硬件 包括電源電路 發(fā)光電路 運(yùn)算放大 電路和a t m e g a l 6 控制電路 6 濁度儀軟件設(shè)計及試驗測量 先簡單介紹了a v r 單片機(jī)的i c c a v r 編譯器和a v r 的集成開發(fā)環(huán)境o d e a d 轉(zhuǎn)換的寄存器進(jìn)行所需要的設(shè)置 u s a r t 異步串行通信口 進(jìn)行設(shè)置 編寫異步串行通信程序和對通信的上位機(jī)p c 機(jī)的顯示畫面進(jìn)行了簡單描述 最后是試驗測量 氣泡的處理 有機(jī)物的干擾 顏色的干擾 3 太原理工人學(xué)碩十學(xué)位論文 7 結(jié)束語 對全文做了總結(jié)和進(jìn)一步工作的建議 4 太原理工人學(xué)碩十學(xué)位論文 2 1 濁度概述 2 1 1 濁度定義 第二章濁度儀形成機(jī)理 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 中濁度的定義t 7 由于不溶性物質(zhì)的 存在而引起的液體透光度的降低 可以理解為 總重量相同 但顆粒大小不同的雜質(zhì) 對光的效應(yīng)是不同的 即濁度是不同的 濁度是表示水質(zhì)最重要的物理外觀指標(biāo) 2 1 2 濁度單位 濁度單位使用的種類較多 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 規(guī)定了濁 度單位 福爾馬肼濁度單位 階兀j 1 7 1 傳統(tǒng)濁度的定義多種多樣 下列為些常見的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液單位田 1 度 國家標(biāo)準(zhǔn)g b 5 7 5 0 1 9 8 5 中規(guī)定 相當(dāng)于l m g 定粒度的硅藻土在1 0 0 t h n l 水中所產(chǎn)生的混濁程度為1 度 因此濁度測量中使用硅藻土作為標(biāo)準(zhǔn) 由于該標(biāo)準(zhǔn)受到 種類 質(zhì)量 配制條件 穩(wěn)定性等多種因素的影響 且有配置復(fù)雜 再現(xiàn)性不好等問題 偽 z m g l 以不溶性硅如漂白土 高嶺土等在蒸餾水 二次蒸餾過濾 中所產(chǎn)生的光 學(xué)阻礙現(xiàn)象為基礎(chǔ) 規(guī)定l m g l 的s i 0 2 所構(gòu)成的混濁度單位 該單位實用 但不夠嚴(yán) 格 3 p p r a 將l g 精制高蛉土放入一只1 0 0 0 m l 的燒杯中 加入蒸餾水至l l 刻度為止 得到1 0 0 0 p p m 的標(biāo)準(zhǔn)溶液 用此溶液稱量稀釋 可以配制出各種濃度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液 保存時間不能超過一周 4 f t u 福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物作為基礎(chǔ) 當(dāng)1 l 水中含有l(wèi) m g 此種懸浮物 質(zhì)時 其濁度單位稱為1 f t u 為國際標(biāo)準(zhǔn)1 s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 規(guī)定的濁度 單位 7 1 5 太原理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 n t u 采用散射光原理制造的濁度儀使用福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物作為基 準(zhǔn)物質(zhì)時 l l 水中含有l(wèi) m g 的福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物懸浮物質(zhì)時 稱為一個散 射濁度單位 用1 n t u n e p h l o m e t r i ct u r b i d i t yu n i t 表示 現(xiàn)在國際上和我國都用n t u 作為濁度測量的統(tǒng)一單位 給生產(chǎn)測量帶來了極大的 方便 當(dāng)采用散射光原理制造的濁度儀并使用福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物作為基準(zhǔn)物 質(zhì) 散射濁度單位 用n t u 表示 溶液配制方法同國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的 測定 目前國際上廣泛使用福爾馬胼 f o r m a z i n e 溶液作為濁度的基本標(biāo)準(zhǔn) 在適當(dāng) 的溫度下 硫酸肼與六次甲基四胺聚合 形成白色高分子聚合物 顆粒直徑約為0 6 p a n 以此作為濁度標(biāo)準(zhǔn)液 7 1 溶液的濃度即濁度 2 2 濁度標(biāo)準(zhǔn) 2 2 1 零濁度水 參照參照采用國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 選用孔徑為o 1 p m 或o 2 9 i n 的微孔濾膜過濾蒸餾水 需要反復(fù)過濾兩次以上 所獲的濾液即位校定用的零濁度水 該 水存儲于清潔的 并用該水沖洗后的玻璃瓶中 零濁度水用于濁度計的零點調(diào)整和福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)溶液的稀釋川 2 2 2 福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液 不同濁度值的福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)溶液 是用零濁度水和經(jīng)檢定合格的容量 器具 按比例準(zhǔn)確稀釋福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而獲得 4 0 0 n t u 以上的福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需要存放在冰箱的冷藏室內(nèi) 4 8 0 2 低溫避光保存 以稀釋為第濁度值的標(biāo)準(zhǔn)溶液不穩(wěn)定 不易保存 應(yīng)隨用隨配 當(dāng)難于獲得福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時 可按國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁 度的測定 所規(guī)定的方法配制 嚴(yán)格控制條件和試劑用量 配制方法如下 1 儀器和試劑 分析天平 載荷2 0 0 呂感量0 1 m g 6 太原理 大學(xué)碩士學(xué)位論文 容量瓶 1 0 0 m l 移液管 5 m l 硫酸肼 2 h s 0 4 分析純 純度大于9 9 六次甲基四胺 g q 4 分析純 純度大于9 9 2 制備方法 準(zhǔn)確稱取1 0 0 0 9 硫酸肼 溶于零濁度水 溶液轉(zhuǎn)入1 0 0 r o t 容量瓶中 稀釋至刻度 均勻 過濾后備用 準(zhǔn)確稱取1 0 0 0 9 六次甲基四胺 溶于零濁度水 并轉(zhuǎn)入1 0 h n l 容量瓶中 稀釋至 刻度 均勻 過濾后備用 4 0 0 n t u 福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備 準(zhǔn)確移取上述的兩種溶液各5 0 0 m l 倒入1 0 0 m l 容量瓶中搖勻 避光靜置2 4 小時后 加入零濁度水稀釋至刻度 搖勻后即 制成4 0 0 n t u 標(biāo)準(zhǔn)濁度液 4 0 0 0 n t u 福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備 準(zhǔn)確移取上述的兩種溶液各1 0 0 m l 倒入2 0 0 m l 容量瓶中搖勻 避光靜置2 4 小時后即制成4 0 0 n t u 標(biāo)準(zhǔn)濁度液 我國目前使用的濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心研制的標(biāo)準(zhǔn)值為4 0 0 n t u 的 福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 缺點如下 1 福爾馬肼 f o r m a z i n e 是不穩(wěn)定 的懸浮體系 使用時許搖勻 濁度量值受人為因素影響明顯 2 存儲量值易變 穩(wěn)定性 不好 特別是低濁度 1 0 0 n m 時 重復(fù)性不好 穩(wěn)定性差 需現(xiàn)用現(xiàn)配 刁 2 3 濁度測量方法 濁度是一種光學(xué)效應(yīng) 是由于水樣中的懸浮顆粒與光相互作用 水中物質(zhì)對光線產(chǎn) 生折射 散射與吸收 從而使入射光衰減 根據(jù)其衰減的多少表示濁度的大小 如圖2 1 所示偽 因此水溶液的濁度是表征這些光學(xué)現(xiàn)象的量 7 太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 入 射 光 圖2 1 水中微粒的光學(xué)現(xiàn)象 f i 9 2 一i o p t i c a lp h e l l o m e n o f p a r t i c l e si nw a r e 水中濁度的測量建立在光學(xué)測量基礎(chǔ)上 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 0 2 7 水質(zhì)一濁度的測 定 實現(xiàn)了定量測定方法 至今日視測量法設(shè)備簡單 成本低廉 用于如野外工作的半 定量測定法 透明度試管法和透明度試驗圓盤法 但其測量范圍窄 測量精度低 目前 已有越來越多的實驗室使用光學(xué)儀器測量濁度 吼 光學(xué)儀器測量濁度的原理主要有三種 類型 2 3 1 透射光測定法 根據(jù)比爾定律 以透過光的衰減程度來確定水樣的濁度 這種類型的儀器結(jié)構(gòu)比較 簡單 測量中一般使用矩形比色皿 多選用6 8 0 h m 波長以避免水中黃色與綠色的干擾 同時也可以使用分光光度計測量 其已入選我國各類水質(zhì)檢驗標(biāo)準(zhǔn)方法 由于水中有機(jī) 物質(zhì)等對光有吸收 產(chǎn)生誤差 使之測量波動性比較大 透射測量原理如圖2 2 所示 9 l l 2 3 2 散射光測定法 根據(jù)瑞利定律 l i 光源l 2 透射光 圖2 2 透射測量原理 f i 9 2 2t m n s m i s s i o n l i g h tm e a r m tp r i n c i p l e s 8 太原理丁人學(xué)碩十學(xué)位論文 i r kr i o n 2 一1 式中打為散射光強(qiáng) 厶為入射光強(qiáng) 由于水中物質(zhì)對光散射無定向 因此可選擇不同角度測量散射光的強(qiáng)度 根據(jù)國際 標(biāo)準(zhǔn)1 s 0 7 0 2 7 1 9 8 4 水質(zhì)一濁度的測定 實現(xiàn)了定量測定方法 規(guī)定散射測量的角度為 9 0 0 士2 5 0 這類儀器性能穩(wěn)定 同時測量是在無光黑色背景下進(jìn)行 從而大大提高了靈 敏度 且測量范圍適合于飲用水 礦泉水等 因此廣泛應(yīng)用 9 1 散射測量原理如圖2 3 所示 9 l 3 l i 光源l 2 表面散射l 3 直角散射 圖2 3 散射測量原理 f i 9 2 3s c a t t e r i a g i i g h tm c n t 呻c i p l 8 2 3 3 透射光一散射光比較測定法 同時測量投射于水樣光束的透射光和散射光強(qiáng)度 再按這兩者光強(qiáng)度之比值測定其 濁度大小 可按下式求得 i k d 2 2 或 尼d 2 3 式中 散射光強(qiáng)度 透射光強(qiáng)度 同時測量透射光強(qiáng)度與散射光強(qiáng)度 將兩者之比 散透比作為濁度值 這種方 法也稱為積分球濁度 由于對散射光 透射光同時測量 能夠大大提高一起的穩(wěn)定性 也可以減少水中色度的影響 9 1 比率法測量原理如圖2 4 所示 9 1 9 太原理一 大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 4 本章小結(jié) l i 光源l 2 透射光l 3 折射光 圖2 4 比率法測量原理 f i 9 2 4t r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n gm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s 第一節(jié)首先根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 7 2 7 水質(zhì)一濁度的測定 介紹了濁度的定義 濁度 的定義表達(dá)了水中不同大小 重量 形狀的懸浮物和各種雜質(zhì)對光所產(chǎn)生的效應(yīng) 不直 接表示水樣中各種雜事的含量 卻與其存在的數(shù)量相關(guān) 接著介紹了濁度的單位 作為 濁度的單位各個國家都有不同的計量單位 度 m g l p p m 刖 n t u 之間沒有絕對 的定量關(guān)系 應(yīng)用起來相互之間也沒有太大的差別 知識應(yīng)用統(tǒng)一 相互具有可比性 是理想應(yīng)用原則 n t u 是比較好的一種濁度測量單位 第二節(jié)介紹了濁度標(biāo)準(zhǔn) 作為濁度的基本標(biāo)準(zhǔn)溶液必須具備光學(xué)性質(zhì)上的同一性 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性 按照濁度標(biāo)準(zhǔn)液的配置方法 用原材料配制成濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液的懸浮顆 粒折光率和顆粒大小不會發(fā)生變化 福爾馬肼 f o r m a z i n e 標(biāo)準(zhǔn)溶液是純的化學(xué)試劑 相比較而言 重現(xiàn)性和穩(wěn)定性算是比較好 光學(xué)性質(zhì)同一 恒定 是較好的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶 液 第三節(jié)介紹了濁度的測量方法 測量方法中重點介紹了光電式濁度儀的測量方法 由于濁度標(biāo)準(zhǔn)的確定 散射光測定法也稱為現(xiàn)在濁度儀的最主要的測定方法 本章所涉及到的濁度的定義 單位 標(biāo)準(zhǔn) 測量方法為整個濁度儀設(shè)計的基礎(chǔ) 1 0 太原理 大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 濁度測量原理 3 1 1 散射光強(qiáng)度 第三章濁度儀工作原理 設(shè)有一束平行光穿過一均勻懸浮液 根據(jù)比爾定斜1 0 j f l l 盟 0 3 1 d t 定義 r 為濃度 k 為衰減系數(shù) i 為入射光強(qiáng) 在穿過濁度液厚度工后 光強(qiáng)為 i 當(dāng)懸浮液中的懸浮顆粒直徑小于光波波長時 其散射光強(qiáng) 可以用瑞利定律 務(wù) 2 籀 2 l p 2 其中 為單位體積微粒數(shù) v 為微粒體積 且為入射光波長 l o 為入射光強(qiáng) 和n 分別為水和微粒的折射率 k 為系數(shù) 一v 從式中 如果入射光波長五和微粒體積礦一定 散射光強(qiáng)i 與懸浮液的濃度成正比 j o i o 3 3 肌b 參礦2 籀 2 一為瑞利散射的散射徽 當(dāng)懸浮液中的懸浮顆粒直徑大于等于光波波長時 其散射光光強(qiáng)i u 可以用米氏定 穢 2 i u k u a n o 3 4 其中 4 為微粒表面積 k 為系數(shù) 如果微粒表面積一一定 散射光強(qiáng)k 與懸浮液的濃度成正比 太原理l 大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過瑞利定律和米氏定律 在一定波長范圍內(nèi)的非相干光 通過顆粒大小均勻的溶 液 無論是瑞利散射還是米氏散射 所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度與濃度均成正比 厶2 b m 3 5 其中 磁為散射系數(shù) 為溶液濃度 1 為發(fā)生散射處的入射光強(qiáng) 3 1 2 濁度儀中接收的散射光強(qiáng)度 當(dāng)懸浮液為濁度液時 測量溶液中的散射光大小 可以得到溶液的濁度值 通過在 散射角度對光強(qiáng)和溶液濃度的關(guān)系進(jìn)行證明 可以得到濁度液的散射光強(qiáng)和濁度液之間 的關(guān)系 使用標(biāo)準(zhǔn)的福爾馬肼聚合物為濁度液 濁度單位為n t u 濁度液的濁度液就是其 濃度 在下列公式中 統(tǒng)一用濁度符號r 來表示濃度符號 f 1 3 l j l f s k j l y i o r x x x 2 圖3 一l 卻到x 2 9 0 0 方向的散射光 f i g 3 1 s c a t t e r i n g l i g h t o n 9 護(hù)o r i e n t a t i o nf r o m x t t o 卻 如圖3 1 所示 y 軸的右方為濁度液 設(shè)有一強(qiáng)度為 的光束沿工正方向入射到溶 液中 到達(dá)工處的光強(qiáng)l 根據(jù)比爾定律為 i x k o 厶e 一 l 缸 1 2 太原理t 大學(xué)碩十學(xué)位論文 其中 k 為光以入射角為0 0 從空氣入射到濁度液中的透射系數(shù) k 為衰減系數(shù) 光束在工處發(fā)生散射 其9 0 方向的散射光 經(jīng)過y 方向的傳播衰減后 在y 處 到 達(dá)接收二極管的垂直距離 的光強(qiáng)l 為 is k 羽 e 一 帶入i 蜀i o e 一 得i s k s k o t o e k i t x e 一蜀黟 在x 附近取無限小d x 產(chǎn)生的散射光為出 則 仉 k 5 k o t i o e k i t x e 開d x 3 7 3 6 3 8 在而到x 2 的范圍內(nèi) 即濁度儀的接收二極管的接收范圍內(nèi) 所產(chǎn)生的9 0 方向的散 射光 經(jīng)過y 方向的傳播并衰減后 總的散射光強(qiáng) 為 2 警v 聊g k t l x t e k t x z 由上面得到總的散射光強(qiáng) k 2 警和椰g k t x i e k i x 2 砌 k 警l o e x r y x t 1 e x r a 令 缸 x l h k k f s k o 厶e 訕q 1 e g t r 3 q 3 1 1 3 1 2 其中 a x x 2 一五為測量光程長 可以看出總散射光強(qiáng)度與濁度t 不是線性關(guān)系 由兩部分組成 e 一 7 0 隨濁度增加而減少 1 e k t 隨濁度增加而增加 最大值為l 1 3 k 盥 出 9 f肌f 幢 彤 如弦 i 太原理 大學(xué)碩十學(xué)位論文 3 2 散射式濁度儀測量的范圍 3 2 1 最大濁度值 濁度最大時的t m 可以通過魯 o 求得 等叫百k s k o 厶e x j r y x 1 0 百似 瑚 t 一 n 老 k j a x f 3 1 3 t i n 即為濁度測量的上限值 隨 xt 五 y 的增加而下降 由于接收二極管的前端 帶有透鏡 缸可以為無窮小量 3 2 2 散射式濁度儀測量的線性關(guān)系 用泰勒級數(shù)將l k j s 云k o 厶e 一置m 1 一p 一焉 展開 礦局叫 t 一k f y 五 莖 掣 一 l 一墨 爭 二苧絲 智 l 略去二階無窮小量 卜警厶呲r y k 丁缸 k k k o i o 1 一k l t y x j t a x 在低濁度時 k t y x j 3 1 3 1 舢 3 1 5 坐p 廠 h耕蒜 磷h 0 乙 太原理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 令k 2 k s x o 所以 i k 2 l o t x 散射光強(qiáng)與濁度和光程長成正比 3 3 本章小結(jié) 3 1 6 第一節(jié)介紹了濁度的測量原理 首先得到了散射光的強(qiáng)度 即在一定波長范圍內(nèi)的 非相干光 通過顆粒大小均勻的溶液 無論是瑞利散射還是米氏散射 所產(chǎn)生的散射光 強(qiáng)度與濃度均成正比 接著介紹了濁度儀中的接受的散射光強(qiáng)度 通過在散射角度對光 強(qiáng)和溶液濃度的關(guān)系進(jìn)行證明 可以得到濁度液的散射光強(qiáng)和濁度液之間的關(guān)系 第二節(jié)介紹了散射式濁度儀測量的范圍 通過對總的散射光強(qiáng) 求導(dǎo)數(shù) 得到了 最大濁度值 通過對總的散射光強(qiáng)j 用泰勒級數(shù)展開 求得散射式濁度儀測量的線性 關(guān)系 即散射光強(qiáng)與濁度和光程長成正比 本章從理論上說明了濁度儀的工作原理 并深入研究了最大濁度值 散射光強(qiáng)與濁 度和光程長得線性關(guān)系 1 5 太原理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 第四章水樣池設(shè)計及光電器件選型 4 1 水樣池的設(shè)計 試驗室濁度測量用的水樣池 分三個部分 一是機(jī)械設(shè)備 即水樣池 二是用來裝 濁度溶液的試管 盛裝濁度液的試管放在水樣池中測量 三是光電系統(tǒng) 光電器件 水 樣池的性能將直接關(guān)系到整臺儀器的測量