太原理工大學碩士研究生學位論文 散射式濁度儀的設計與實現 摘要 水的濁度是由于不溶解物質的存在而應起的 對于不溶性的 分散物 質所應起的濁度 可以通過測量散射光的強度求出 光的散射作用是液體 的一種特性 可以用來測定濁度 根據國際標準i s 0 7 0 2 7 使用光學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 根據儀器設計的不同 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 例如有色物質 的存在能影響 濁度的測定 用大于8 0 0 n m 波長進行測量 可減少這些影響 在該波長范 圍內 某些污水中的藍色對濁度測定有輕微影響 空氣氣泡也可能干擾測 定 但是對試樣進行仔細處理可以將這些干擾降至最小的程度 含溶解性 物質的水樣 僅能使通過該水樣的光線衰減 而含不溶性物質的水樣不僅 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 程度不同地產生散射光 散射光強度取決于入射光的波長 測量角以及水 中懸浮顆粒的形狀 光學特性和粒子大小分布 隨著儀器儀表向著智能化方向的發展 嵌入式系統技術也獲得了廣泛 的發展空間 與此同時 人們生活水平不斷的提高 水質 尤其是飲用水質 越來越得到人們的關注 水的濁度是反映水質優劣的一個十分重要的指標 從衛生的角度來看 降低水的濁度對人體健康有不少好處 針對市場上濁 度儀存在的優缺點 本選題結合嵌入式系統技術 單片機技術和自動化儀 太原理 人學碩十研究生學位論文 器儀表 對濁度儀的硬件和軟件進行設計研究 設計并實現了一種更符合 生產 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 國外稱為m c u 作為系統的硬件平臺 其低功耗工作 模式 既提高了運算的速度 又降低了功耗 使濁度儀具有更長的使用周 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 現狀及 發展前景 闡述了本設計的重要性及廣泛的應用前景 詳細闡述了基于 a t m e g a l 6 處理器濁度儀的軟 硬件設計 水樣池的設計 光電系統 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 有機物干擾的處理 給出了調試過程和試驗結果 通過大量的基礎試驗結果表明 這種設計方法可以很好地消除上述干 擾 總結歸納了散射式濁度儀的可行性 可靠性 關鍵詞 散射光 濁度儀 氣泡干擾 顏色干擾 i i 太原理i 大學碩士研究生學位論文 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 大學碩士研究生學位論文 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 大學碩 研究生學位論文 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 大學碩十研究生學位論文 圖表索引 圖2 1 水中微粒的光學現象 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特性 2 2 圖5 l電源電路圖 2 3 圖5 2 發光電路圖 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 的閉環增益與頻率的關系 2 9 圖5 7 a d 6 2 3 一級運算放大電路圖 3 0 圖5 8l m 3 5 8 二級運算放大電路圖 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 機的串口調試顯示畫面 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 大學碩士研究生學位論文 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 數據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特性 6 5 圖6 1 2 定性分析的光譜相應特性 6 6 表5 1l m 3 5 8 作為一級運放的測量數據 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 作為一級運放的各管腳電壓值 3 l 表5 5 運放的放大倍數測量值 表6 1 無氣泡測量數據 5 7 表6 2 有氣泡測量數據 表6 3 有機物測量數據 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度 瑞利散射的透射光強度 濃度 濁度 墨 衰減系數 單位體積微粒數 v 微粒體積 五 入射光波長 瑞利散射的入射光強 n 水的折射率 n 微粒的折射率 0 瑞利散射的散射系數 彳 米氏定律的微粒表面積 毛 米氏定律的散射光強 k 總的散射光強 k u 米氏定律的系數 太原理 i 人學碩十研究生學位論文 k 米氏定律的散射系數 九 入射光譜帶寬 0 測量角 試管直徑內徑 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 標準仿真接口 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 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 所呈交的學位論文 是本人在指導教師的指導下 獨立進行研究所取得的成果 除文中已經注明引用的內容外 本論文 不包含其他個人或集體已經發表或撰寫過的科研成果 對本文的研究 做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本聲明的 法律責任由本人承擔 論文作者簽名 塹絲日期 生21 關于學位論文使用權的說明 本人完全了解太原理工大學有關保管 使用學位論文的規定 其 中包括 學校有權保管 并向有關部門送交學位論文的原件與復印 件 學校可以采用影印 縮印或其它復制手段復制并保存學位論文 學校可允許學位論文被查閱或借閱 學校可以學術交流為目的 復制贈送和交換學位論文 學校可以公布學位論文的全部或部分內 容 保密學位論文在解密后遵守此規定 o 導師簽名 冬豇 鷲止 e t l i i i 蘭竺z 太原理工大學碩十研究生學位論文 第一章緒論 近年來 隨著科學技術的迅猛發展 與此相適應的新一代工業過程檢測儀表將朝著 數字化 智能化和微型化的方向發展 因此 人們正在利用新的測量原理和檢測技術 開發新的檢測儀表產品 擴大自動檢測的新領域 水的濁度是水質的一項重要指標 水 的濁度就是因水中微粒物質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的存在導致水的透明度的降低 是水樣的一種光 學特性 也就是說濁度是種水中微粒物質所產生的光效應 水中濁度的測量是建立在光 學測量的基礎上的 所以可以用光學方法來測量濁度 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 腦蠟按一定規格制成標準蠟燭 規定燃燒速度 在垂直的玻璃管下點燃 用目視來確定 水柱高度后測定標準蠟燭單位 這種濁度單位在歐洲應用較多n l 另一種為光電式濁度儀 1 9 2 6 年美國水質學者提出福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物 懸浮液可以作為濁度標準液 l l 光電式濁度儀根據其應用 可以分為臺式和在線式兩種 臺式濁度儀主要應用于水的抽樣檢測 在實驗室等比較常用 在線式濁度儀可以對水樣 進行連續測量 比較適合生產企業得生產檢測 在線濁度儀一般都采用散射光測量法 現在很多儀器儀表公司都推出了筆式濁度儀 結構精巧 功能強大 使用很為方便 1 2 濁度儀生產現狀及發展前景 國外許多儀器儀表公司都生產了技術先進 性能優良的濁度儀 目前 在眾多的濁 度儀產品中 國內外濁度儀都是采用散射光測量法 從網上查找到的國外濁度儀生產廠 太原理j l j 大學碩士學位論文 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 國內研制和生產工業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用 1 2 1 與國外濁度儀相比 技術性能也有一定的差距 長時問以來 工業濁度儀在分柝儀器中也是不多 隨著國民經濟和科學技術的發展 國 內關于濁度和濁度儀的研究開始多了起來 整體來說 研究機構的數量和產品也比較多 了 從網上查找到的國內濁度儀生產廠商如下 上海分析儀器生產的w g z 系列濁度儀 廈門飛華器材的散射光智能濁度儀 中和醫械生產的濁度儀等等 包括現在很多水廠和 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 濁度儀的應用越來越廣泛 因為濁度是評價水質的重要依據 根據國家標準 g b 5 7 4 9 1 9 8 5 生活飲用水衛生標準 中規定生活飲用水的濁度 5 n t u 規定水廠的 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安全 保證城市供水細菌 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要求的重要參數 在出 水部分需要進行在線測量濁度 要求出水濁度 s n t u 對于工業水處理來說 濁度是工業水處理檢驗水質要求的重要參數 需要入水 出 水都進行濁度在線測量 有低濁度和高濁度測量的分別 對于水環境監測來說 濁度也是必須測量的重要參數 因為濁度的大小往往可以直 接判斷出水環境污染的程度 p h 值 濁度 氨氮 溶氧四大參數是監測水環境的指標 對于啤酒釀造工業來說 進行麥芽汁處理韻各個階段 在生產高品質啤酒的澄清階 段 為保證產品的質量 都需要測量濁度f 5 6 1 4 選題依據 隨著環保事業的發展 對環境保護越來越重視 在水質檢測中 濁度是水質指標的 重要參數 在實際工作中 目視比濁法 分光光度法 實質為透射光測定法 占據很 2 太原理1 大學碩十學 i 7 論文 大的比率 嚴格按照國際標準i s 0 7 0 2 7 水質 濁度的測定 設計的國外濁度儀 測量 效果好 整機價格昂貴 零配件及維修費用比較高 且不方便等特點 設計一種新型的 智能化的高可靠性的智能濁度儀具有非常現實的意義 智能濁度 儀要具有性能優良 測量效果好 價格適中 維護量小 操作簡單并且采用新技術 高 水平 標準化的國產濁度儀器 濁度儀的設計需要考慮許多很實際的技術問題 包括光源部分設計 水樣池部分的 設計 信號的處理等等 實現各種實用的功能 需要從實際著手解決 1 5 論文的主要研究工作 本課題所研究開發的基于8 位a v r 為微處理器的濁度儀的設計與實現 是對濁度 儀進行的基礎性研究 主要研究內容為濁度儀的概述 零濁度水 濁度的測量原理 設 計出基于國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 散射式低濁度儀 其內以8 位a v r 為微處理器 通過c p u 組織 協調濁度儀內各部分的工作 可調節精密基準電源并聯 穩壓器和比較器控制光源 標準2 3 2 串行數據通訊接口 具體內容主要包括 1 緒論 概述濁度儀的生產現狀及發展前景 本課題研究的背景 意義 本文的主 要工作 論文的組織 2 濁度儀形成機理 介紹濁度定義 濁度單位 濁度標準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 測量的線性關系 4 水樣池設計及光電器件選型 根據國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 的要 求 設計水樣池 根據散射光測定法對發光器件的要求 對發光器件和接受器件選型 5 濁度儀硬件設計 整體設計濁度儀的硬件 包括電源電路 發光電路 運算放大 電路和a t m e g a l 6 控制電路 6 濁度儀軟件設計及試驗測量 先簡單介紹了a v r 單片機的i c c a v r 編譯器和a v r 的集成開發環境o d e a d 轉換的寄存器進行所需要的設置 u s a r t 異步串行通信口 進行設置 編寫異步串行通信程序和對通信的上位機p c 機的顯示畫面進行了簡單描述 最后是試驗測量 氣泡的處理 有機物的干擾 顏色的干擾 3 太原理工人學碩十學位論文 7 結束語 對全文做了總結和進一步工作的建議 4 太原理工人學碩十學位論文 2 1 濁度概述 2 1 1 濁度定義 第二章濁度儀形成機理 根據國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 中濁度的定義t 7 由于不溶性物質的 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 對光的效應是不同的 即濁度是不同的 濁度是表示水質最重要的物理外觀指標 2 1 2 濁度單位 濁度單位使用的種類較多 根據國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 規定了濁 度單位 福爾馬肼濁度單位 階兀j 1 7 1 傳統濁度的定義多種多樣 下列為些常見的濁度標準溶液單位田 1 度 國家標準g b 5 7 5 0 1 9 8 5 中規定 相當于l m g 定粒度的硅藻土在1 0 0 t h n l 水中所產生的混濁程度為1 度 因此濁度測量中使用硅藻土作為標準 由于該標準受到 種類 質量 配制條件 穩定性等多種因素的影響 且有配置復雜 再現性不好等問題 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 中所產生的光 學阻礙現象為基礎 規定l m g l 的s i 0 2 所構成的混濁度單位 該單位實用 但不夠嚴 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 的標準溶液 用此溶液稱量稀釋 可以配制出各種濃度的標準濁度溶液 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 當1 l 水中含有l m g 此種懸浮物 質時 其濁度單位稱為1 f t u 為國際標準1 s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 規定的濁度 單位 7 1 5 太原理t 大學碩士學位論文 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 準物質時 l l 水中含有l m g 的福爾馬肼 f o r m a z i n e 聚合物懸浮物質時 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 現在國際上和我國都用n t u 作為濁度測量的統一單位 給生產測量帶來了極大的 方便 當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 聚合物作為基準物 質 散射濁度單位 用n t u 表示 溶液配制方法同國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的 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準 在適當 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 以此作為濁度標準液 7 1 溶液的濃度即濁度 2 2 濁度標準 2 2 1 零濁度水 參照參照采用國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測定 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整和福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準溶液的稀釋川 2 2 2 福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標準溶液 不同濁度值的福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準溶液 是用零濁度水和經檢定合格的容量 器具 按比例準確稀釋福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標準物質而獲得 4 0 0 n t u 以上的福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準物質需要存放在冰箱的冷藏室內 4 8 0 2 低溫避光保存 以稀釋為第濁度值的標準溶液不穩定 不易保存 應隨用隨配 當難于獲得福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準物質時 可按國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁 度的測定 所規定的方法配制 嚴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 大學碩士學位論文 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 準確稱取1 0 0 0 9 硫酸肼 溶于零濁度水 溶液轉入1 0 0 r o t 容量瓶中 稀釋至刻度 均勻 過濾后備用 準確稱取1 0 0 0 9 六次甲基四胺 溶于零濁度水 并轉入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 標準溶液制備 準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 標準濁度液 4 0 0 0 n t u 福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準溶液制備 準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 標準濁度液 我國目前使用的濁度標準物質 國家標準物質研究中心研制的標準值為4 0 0 n t u 的 福爾馬肼 f o r m a z i n e 濁度標準物質 缺點如下 1 福爾馬肼 f o r m a z i n e 是不穩定 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 穩定性 不好 特別是低濁度 1 0 0 n m 時 重復性不好 穩定性差 需現用現配 刁 2 3 濁度測量方法 濁度是一種光學效應 是由于水樣中的懸浮顆粒與光相互作用 水中物質對光線產 生折射 散射與吸收 從而使入射光衰減 根據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現象的量 7 太原理工大學碩士學位論文 入 射 光 圖2 1 水中微粒的光學現象 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測量基礎上 根據國際標準i s 0 7 0 2 7 水質一濁度的測 定 實現了定量測定方法 至今日視測量法設備簡單 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儀器測量濁度 吼 光學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 這種類型的儀器結構比較 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檢驗標準方法 由于水中有機 物質等對光有吸收 產生誤差 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 太原理丁人學碩十學位論文 i r kr i o n 2 一1 式中打為散射光強 厶為入射光強 由于水中物質對光散射無定向 因此可選擇不同角度測量散射光的強度 根據國際 標準1 s 0 7 0 2 7 1 9 8 4 水質一濁度的測定 實現了定量測定方法 規定散射測量的角度為 9 0 0 士2 5 0 這類儀器性能穩定 同時測量是在無光黑色背景下進行 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度 再按這兩者光強度之比值測定其 濁度大小 可按下式求得 i k d 2 2 或 尼d 2 3 式中 散射光強度 透射光強度 同時測量透射光強度與散射光強度 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 大學碩十學位論文 2 4 本章小結 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 第一節首先根據國際標準i s 0 7 2 7 水質一濁度的測定 介紹了濁度的定義 濁度 的定義表達了水中不同大小 重量 形狀的懸浮物和各種雜質對光所產生的效應 不直 接表示水樣中各種雜事的含量 卻與其存在的數量相關 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 的定量關系 應用起來相互之間也沒有太大的差別 知識應用統一 相互具有可比性 是理想應用原則 n t u 是比較好的一種濁度測量單位 第二節介紹了濁度標準 作為濁度的基本標準溶液必須具備光學性質上的同一性 重現性和穩定性 按照濁度標準液的配置方法 用原材料配制成濁度標準溶液的懸浮顆 粒折光率和顆粒大小不會發生變化 福爾馬肼 f o r m a z i n e 標準溶液是純的化學試劑 相比較而言 重現性和穩定性算是比較好 光學性質同一 恒定 是較好的濁度標準溶 液 第三節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 由于濁度標準的確定 散射光測定法也稱為現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 標準 測量方法為整個濁度儀設計的基礎 1 0 太原理 大學碩士學位論文 3 1 濁度測量原理 3 1 1 散射光強度 第三章濁度儀工作原理 設有一束平行光穿過一均勻懸浮液 根據比爾定斜1 0 j f l l 盟 0 3 1 d t 定義 r 為濃度 k 為衰減系數 i 為入射光強 在穿過濁度液厚度工后 光強為 i 當懸浮液中的懸浮顆粒直徑小于光波波長時 其散射光強 可以用瑞利定律 務 2 籀 2 l p 2 其中 為單位體積微粒數 v 為微粒體積 且為入射光波長 l o 為入射光強 和n 分別為水和微粒的折射率 k 為系數 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 如果微粒表面積一一定 散射光強k 與懸浮液的濃度成正比 太原理l 大學碩士學位論文 通過瑞利定律和米氏定律 在一定波長范圍內的非相干光 通過顆粒大小均勻的溶 液 無論是瑞利散射還是米氏散射 所產生的散射光強度與濃度均成正比 厶2 b m 3 5 其中 磁為散射系數 為溶液濃度 1 為發生散射處的入射光強 3 1 2 濁度儀中接收的散射光強度 當懸浮液為濁度液時 測量溶液中的散射光大小 可以得到溶液的濁度值 通過在 散射角度對光強和溶液濃度的關系進行證明 可以得到濁度液的散射光強和濁度液之間 的關系 使用標準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 設有一強度為 的光束沿工正方向入射到溶 液中 到達工處的光強l 根據比爾定律為 i x k o 厶e 一 l 缸 1 2 太原理t 大學碩十學位論文 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 k 為衰減系數 光束在工處發生散射 其9 0 方向的散射光 經過y 方向的傳播衰減后 在y 處 到 達接收二極管的垂直距離 的光強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 即濁度儀的接收二極管的接收范圍內 所產生的9 0 方向的散 射光 經過y 方向的傳播并衰減后 總的散射光強 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 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度與濁度t 不是線性關系 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 大學碩十學位論文 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系 用泰勒級數將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 太原理工人學碩士學位論文 令k 2 k s x o 所以 i k 2 l o t x 散射光強與濁度和光程長成正比 3 3 本章小結 3 1 6 第一節介紹了濁度的測量原理 首先得到了散射光的強度 即在一定波長范圍內的 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 所產生的散射光 強度與濃度均成正比 接著介紹了濁度儀中的接受的散射光強度 通過在散射角度對光 強和溶液濃度的關系進行證明 可以得到濁度液的散射光強和濁度液之間的關系 第二節介紹了散射式濁度儀測量的范圍 通過對總的散射光強 求導數 得到了 最大濁度值 通過對總的散射光強j 用泰勒級數展開 求得散射式濁度儀測量的線性 關系 即散射光強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 散射光強與濁 度和光程長得線性關系 1 5 太原理工大學碩十學位論文 第四章水樣池設計及光電器件選型 4 1 水樣池的設計 試驗室濁度測量用的水樣池 分三個部分 一是機械設備 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 光電器件 水 樣池的性能將直接關系到整臺儀器的測量