第一章 緒論第一節 醫院污水處理消毒工藝醫院污水來自門診、住院部、供應室、洗衣班等處的工作、生活、糞便污水，通過單獨排水系統化糞池、下水道系統，匯集到污水站水池中，經污水處理裝置處理排出。1.11 醫院污水處理方法 醫院污水處理的方法主要有物理、化學、物理化學法和生物氧化法。1.12 醫院污水處理工藝醫院污水處理工藝包括污水凈化、消毒、污泥無害化及排污檢測。（1）污水凈化:就是攔截、打撈漂浮物;沉淀、分離懸浮物;并通過生物氧化使微生物降解，讓處理后污水理化性能達到排放標準。（2）污水消毒:即殺滅病原微生物。國內外通常用氯或氯的化合物作為消毒劑投入水中水解成鹽酸、次氯酸等有效氯，使其穿過微生物細胞壁，氧化酶系統，損傷細胞膜，使蛋白質、RNA、DNA釋放而死亡。鹽酸、次氯酸也能破壞病毒的核酸致其死亡。常用氯消毒劑有液氯、漂白粉，也可用制氯機電解鹽水產生次氯酸或用二氧化氯發生器使與HCL作用，產生、。污水排放量不大的單位常用液氯或漂白粉，因制氯機存在原料成本、運輸、設備維護、故障修理問題。液氯屬嚴控有毒物品，購買手續環節多，因其有效氯含量、殺菌效果高于漂白粉且操作簡便，為許多排水量不大醫院首選。使用中，液氯通過真空投氯機水射器與水混合形成水化氯（），進入接觸消毒池與污水混合消毒。投氯量，一級處理投氯量約在3050mg/L，二級處理約在1525mg/L，實際投氯量根據余氯檢測結果調整。投氯量過小，滅菌效果差。投氯量過大，一會對管道設施產生腐蝕，二會殺滅非病原微生物，三會造成氯浪費，四會形成二次污染。氯是刺激性有毒物，常溫常壓下蒸發成氯氣，遇到眼結膜、呼吸道粘膜可附著在局部產生刺激作用;吸入濃度高，可侵犯呼吸道致肺水腫。液氯接觸皮膚、粘膜，可致化學性灼傷。氯瓶需防爆、防高溫。氯氣蒸發為吸熱過程，蒸發量大時產生冰凍，發現泄漏可用濕布包裹或噴水臨時處置，嚴重時推入近旁堿水池。氨水與氯氣作用形成氯化氨白煙，用于檢漏。（3）污泥無害化處理:即對化糞池、沉淀、生化處理池所排污泥采用消毒、發酵、焚燒方式進行殺滅病原微生物處理。蠕蟲及蠕蟲的卵比重大于水，污水處理過程中大量沉淀于污泥，如將未處理污泥施于土壤，既污染河流、水源，也可經蔬菜、植物和人類耕作感染人群。 為使排污系統有效工作，污泥需定期清理。清理時間，化糞池在37個月以上，調節、沉淀、生化池，視淤泥沉積情況。化糞池兼有沉淀、消化作用，能厭氧發酵使污泥熟化。在化糞池中，沉淀污泥在厭氧產酸菌作用下分解為有機酸、醇、S、P等，在厭氧甲烷菌作用下酸、醇分解為、，有機污染物被分解40%50%，病菌、蠕蟲及蟲卵被部分殺滅。化糞池不能清理太勤，以免影響污泥熟化。但要使污水有足夠停留空間沉淀分離，又要有足 夠消化空間，也不能長期不清理。各池中清理出的污泥，可用氯水消毒或用生石灰混合使pH值達12，存放7天后排除;也可堆肥發酵，利用無氧條件下厭氧菌、兼性厭氧菌分解有機污染物，產生高溫殺滅作用。有條件單位可焚燒或請環衛部門直接處理。（4）排污檢測:污水處理站化驗人員檢測處理后污水余氯和pH值，其余由環保、防疫部門檢測。余氯，污水站當班人員每日至少檢測2次，并作記錄;糞大腸菌群，專業人員檢測每月不少于1次;腸道致病菌，專業人員檢測每年不少于2次。污水處理站日常監測余氯常用的方法是鄰聯甲苯胺比色法。pH值測定，使用精密pH值試紙比色即可。1.13 醫院污水處理工藝流程 醫院污水處理方式根據污水排入的受納水體而定。當污水排入有集中污水處理廠的城鎮排水系統，以解決生物性污染為主，采用一級處理。當污水排放到無集中污水處理廠的城鎮排水系統或地面水域，需對污水生物性、理化性污染及有毒有害物處理，采用二級處理方式。二級污水處理工藝流程:污水池過濾沉淀加氯排水進水如圖，處理構筑物由化糞池、下水道、格柵、泵房、集水池、調節沉淀池、生物氧化處理池、二次沉淀池、接觸消毒池、污泥池、化驗室、堿水池組成。各類污水經化糞池、下水道，流入污水處理站的集水池、格柵、調節沉淀池，經污水泵提升進入生物氧化池，二次沉淀池，在接觸消毒池與氯水混合消毒后排出。漂浮物在格柵前被打澇，沉渣污泥定期清入污泥池消毒脫水。為使各類污水充分混合又避免污水泵頻繁啟閉，考慮污水流量、水質不恒定及污水曝氣、夜晚不開機、雨季調水因素設置調節池，工程上常使調節、沉淀為一池。二級污水處理與一級污水處理相比，僅在工藝上增加了生物氧化處理過程，即在構筑物上增加生物氧化處理池和二次沉淀池。二次沉淀池用以截留生化處理后殘留水中的活性污泥團或生物氧化膜。化驗時從消毒池出水取樣。堿水池是安全必備設施，當儲氯瓶嚴重泄漏而無法修復時，可將其推入堿水池中，使酸堿中和降低危害。 醫院常用的生化處理法有射流曝氣、生物接觸氧化等，即活性污泥法和生物氧化膜法。1.14幾種消毒方法的介紹氯消毒應用歷史最久，使用也最為廣泛。它的優點是:經濟有效，使用方便，剩余消毒劑對管網水有安全保護作用等。缺點是對于受到有機污染(包括天然的腐殖質類污染和人為的化學污染)的水體，加氯消毒可以產生對人體有害的鹵代消毒副產物，如三鹵甲烷類，鹵乙酸類等物質。因此，現代的消毒處理必須同時滿足對水質微生物學和毒理學兩方面的要求。1974年，氯化消毒的副產物三氯甲烷在美國首先被發現，經調查發現自來水中普遍存在較高濃度的氯仿(三氯甲烷)，二氯甲烷，一氯甲烷和氯仿等700多種有機化合物，其中許多為“三致”物質(即致癌，致突變，致畸)。鑒于氯化處理的弊端，近年興起了一些有效的替代消FCC方法，如紫外線法消毒，臭氧消毒，膜法消毒等等。二氧化氯消毒和臭氧消毒從二十世紀七八十年代以來在歐洲得到應用，它們共同的優點是:消毒能力高于氯，不產生氯代有機物，消毒副產物生成量小，飲水的口感好等。其中二氧化氯具有剩余保護作用;而臭氧因自分解速度過快，對管網無剩余保護，因此采用臭氧消毒的地方還需在出廠水中投加二氧化氯作為剩余保護。二氧化氯消毒和臭氧消毒的缺點是:費用過高，數倍于氯消毒;二氧化氯消毒和臭氧不穩定，使用時均需要現場準備，設備復雜，使用不便。此外，二氧化氯消毒和臭氧消毒的消毒副產物的危害仍需進行全面深入的研究。因此，盡管這兩項消毒技術，特別是二氧化氯消毒技術，有著很好的應用前景，但在短期內尚不能全面替代飲用水氯消毒技術。紫外線消毒是一種物理消毒方法，利用紫外線的殺菌作用對水進行消毒。紫外線污水消毒技術在國外經過20多年的發展， 已經成為成熟可靠、投資效益較高的綠色環保技術，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應用，成為替代傳統加氯消毒的主流工藝技術。為了解決非典型性肺炎疫情期間的消毒問題，國家環境保護總局發布的緊急通知中將紫外線消毒作為除加氯和臭氧外的另一種有效的消毒滅菌方法。紫外線消毒處理使用紫外燈照射流過的水，通過照射能量的大小來控制消毒效果。由于紫外線在水中的穿透深度有限，要求被照射的水深度或燈管之間的距離不能過大。與化學消毒方法相比，紫外線消毒的優點是:殺菌速度快，管理簡單，不需向水中投加化學藥劑，產生的消毒副產物少，不存在剩余消毒劑所產生的味道。不足之處是:費用較高，紫外燈管壽命有限，無剩余保護，消毒效果不易控制等。目前，紫外線消毒僅用于食品飲料行業用水和部分小型供水系統。根據我國的實際情況，氯化消毒在相當長的時期內仍將是我國大部分污水處理廠家的主要消毒方式。在加強水源保護，有效去除水中有機污染物，合理采用氯消毒工藝的基礎上，氯消毒仍將是一種安全可靠，可以廣泛應用的消毒方法。第二節 氯消毒機理為了保證出廠水在輸送過程中不被污染，要求水中保持一定濃度的余氯。實驗證明:接觸時問達30分鐘，游離余氯在0.3mg / L以上時，對腸道病原體、鉤端螺旋體、布氏桿菌等均有充分殺滅作用。游離性余氯的嗅覺和味覺閥濃度均為0.2-0.5mg / L,慢性閥劑量為2.5mg / L。因此我國2001年頒布的生活飲用水水質衛生規范規定，“在與水接觸30min后，游離性余氯應不低于0.3m妙，管網末梢水不應低于0.05mg/L(適用于加氯消毒) 。氯氣是一種黃綠色氣體，在大氣壓下，溫度為0時，每升重3.22克，其密度約為空氣的2.5倍:在-33.6時為液態;常溫下，加壓到0.6-0.8Mpa時也為液態，此時每升重1468.4克，約為水重的1.5倍。因此同樣重量的氯氣與液氯相比，體積相差450倍，故常使氯氣液化，便于灌瓶、貯藏、和運輸。氯氣能融于水，溶解度隨水溫升高而減少。在常壓下，如水溫在10時，可溶解1%; 20時刻溶解0.7%，當30時，只能溶解0.55%.氯氣的殺菌原理,氯氣加入水中后，在幾秒鐘內很快水解而產生次氯酸，其反應式為:次氯酸在水中分解為:氯的殺菌作用主要依靠次氯酸HC1 0。由于次氯酸的分子量很小，是中型分子，能很快擴散到帶負電的細菌表面，并透過細菌細胞壁而穿透到細菌內部，以氯的強氧化作用來破壞細菌賴以生存的酶系統，從而阻止細胞吸收葡萄糖，停止新陳代謝，使細菌死亡，以達到殺菌的目的。次氯酸根是離子態的，也具有一定的殺菌作用，但由于細菌表面帶負電，因同性相斥，而難以接近，所以次氯酸根的殺菌效果較差。因此，一般認為氯的消毒作用主要是通過次氯酸進行的。根據水中次氯酸與PH值的關系，在較低PH值條件下，次氯酸所占比例較大，因而消毒效果較好。盡管次氯酸根難于直接起到消毒作用，但是由于水中存在次氯酸與次氯酸根的平衡關系，當次氯酸被消耗后，次氯酸根就會轉化為次氯酸，繼續進行消毒反應。在計算水中消毒劑的含量和存在形式時，次氯酸與次氯酸根都被計入。天然水體中一般含有少量的氨氮。加氯產生的次氯酸會與氨氮反應，生成氯胺:上式中 ，, 和分別是一氯胺，二氯氨和三氯胺(三氯化氮)，統稱為氯胺。氯胺本身的氧化能力遠低于次氯酸，本身的直接消毒作用很弱。但是當水中次氯酸被消耗后，氯胺可以通過逆反應，在生成次氯酸進行消毒。因此在計算水中消毒劑的含量時，氯胺被計為化合性氯。化合性氯的消毒能力低于游離性氯，因為化合性氯產生的次氯酸的濃度遠低于水中不含胺氮時游離性氯的濃度。由于水中含有一定的微生物，粘泥，有機物及其他還原性化合物要消耗掉一部分有效氯，這部分被消耗掉的氯稱為需氯量，這時的加氯控制點即轉效點。結合氯是氯與水中某些化合物反應生成的具有氧化能力的氯的化合物。例如: , 和,其含氯總量稱為結合氯或化合性氯，加入水中的氯量如高于需氯量與結合氯之和時，剩余的氯在水中多以次氯酸和次氯酸根存在，稱為游離(余)氯，或自由性氯。水中余氯的總和為總氯，平時所分析的余氯實際是游離氯與部分具有氧化能力的結合氯之和。由上述可見，水中的總氯包括游離氯和氯胺。游離氯包括次氯酸，次氯酸根離子和溶解的元素氯。而氯胺包括一氯胺，二氯胺，三氯化胺和有機氮化物的所有氯化衍生物。第三節 幾種測定余氯方法目前余氯測定方法大體分為兩大類:化學法和電化學法。1.N,N-二乙基對苯二胺DPD)分光光度法方法提要:DPD與水中游離余氯迅速反應而產生紅色。在碘化物催化下，一氯胺也能與DPD反應顯色。在加入DPD試劑前加入碘化物時，一部分三氯胺與游離余氯一起顯色，通過變換試劑的加入順序可測得三氯氨的濃度。本方 法 適 用于經氯化消毒后的生活飲用水及其水源水中游離余氯和各種形態的化合余氯的測定。本方法最低檢測質量為0.1 vg，若取l0ml水樣測定，最低檢測質量濃度為0.Ol mg/L。高濃度的一氯胺對游離余氯的測定有干擾，可以用亞砷酸鹽或硫代乙酞胺控制反應以除去干擾。氧化錳的干擾可通過作水樣空白扣除。鉻酸鹽的干擾可用硫代乙酞胺排除。2.3,3,5,5-四甲基聯苯胺比色法方法提要:在PH值小于2的酸性溶液中，余氯與3,3,5,5-四甲基聯苯胺反應，生成黃色的醒式化合物，用目視比色法定量。本方法可用重鉻酸甲溶液配制永久性余氯標準色列。本方法適用于經氯化消毒后的生活飲用水及其水源水中總余氯及游離余氯的測定。最低檢測余氯質量濃度為0.005mg/L。超過0.12mg/L的鐵和0.05mg/L的亞硝酸鹽對本方法有干擾。3.丁香荃連氮分光光度法方法提要:丁香荃連氮在PH值為6.6的緩沖介質中與水樣中游離余氯迅速反應，生成紫紅色化合物，于528nm 波長以分光光度法定量。以上方法都為化學實驗檢驗方法，所需試劑種類多，配制麻煩，儀器攜帶不方便，操作流程繁瑣，不適于實時在線測量，難以實現生產過程的自動控制。因此在現代化污水處理廠中大量應用可在線測量的基于電化學原理的測量方法。電化學分析方法是儀器分析中普遍應用的一類方法，這類方法具有快速、靈敏、準確的特點，所用儀器結構相對簡單，造價低廉，通過和電子及微控制器技術的緊密結合，能夠使測量和數據處理過程實現高度的自動化。第四節 余氯測量的意義氯氣是一種常用的消毒殺菌劑，尤其是在給排水工業中應用非常廣泛。但是，氯氣又是一種有毒物質，當氛氣的濃度太大時，能夠對人體的皮膚、貓膜、呼吸道等器官造成損傷，甚至危及生命。如果氯氣的濃度太低，又難以起到消毒殺菌的作用。因此，在很多場合都必須嚴格控制氯氣的濃度，以便達到既能消毒殺菌，又不危害人體健康的目的。在給排水工業中，余氯(包括C12, HC10等無機活性氯)和總氯(包括無機活性氯化物以及CH3C1, NH2C1等有機氯代物)是評判水質好壞的兩個重要參數，是經常需要測定的指標之一.為了能更好地控制水質，必須實現余氯、總氯的現場快速測定和余氯的在線檢測。醫療廢水中存在大量的細菌和其他有機污染物，對周圍環境影響十分嚴重。因此，國家環保部門要求醫療機構的所有廢水必須處理后才能排放。目前，一般處理方法是在廢水中通入氯氣將細菌殺滅。既在密封反應罐中，氯酸鈉溶液與鹽酸性活性劑在負壓條件下由控制系統控制，定量輸送到反應系統中，經負壓爆氣反應產生二氧化氯與氯氣混合氣體，經吸收系統吸收后形成一定濃度的二氧化氯消毒劑，然后，進入污水池中，對污水進行消毒。顯然，消毒劑的供應量必須恰當，才能保證既能對廢水進行有效地消毒，又能保證消毒后的水中剩余氯的含量不致過高。否則，大量的余氯會污染地下水及周遍土地，造成新的污染。為檢驗氯氣的供應量是否適當，一般通過檢測處理后的水中剩余氯的含量來進行。能夠精確、適時跟蹤檢測出余氯的含量，并根據余氯含量隨機調整氯氣的供應量，是精確進行消毒的基礎。第二章 余氯測量原理第一節 余氯測量方法的選擇縱觀通常采用的國內外各生產廠商的在線余氯分析儀，大部分儀表測量的是游離(自由)余氯，如ALLDOS公司的314-650, E十H 公司的CCM253/CCS141, Capital公司的1870EC, Ficher&Porter公司的T17M4400,Wallace&Tieman公司的DEPOLOX4等。其中部分儀表更換傳感器或增加緩沖藥劑后還可用來測量總余氯，如1870EC,T17M4400等。根據測量原理的差異，電化學測量方法又可分為電位測量和電流測量兩種方法.1.電位測量法檢測電路處理顯示121-電極（pt） 2-參比電極（Ag/AgCI）圖2.1 點位測量法原理原理圖如圖1.1所示。電位測量法是利用電池反應來進行測量的，通過電池的電流為零的條件下，利用電極電位和濃度間的關系進行測定的一種電化學分析法。在測定離子的濃度時，電位法僅僅測定溶液中的自由離子，它不破壞溶液中的平衡關系。電位測量時，將一支指示電極與另一支合適的參比電極試液中，構成一個電化學電池，并通過測定該試液的電動勢或電極電位，以求得被測物質的含量。電位分析中使用的電極有離子選擇電極和基于電子交換反應的電極，它們均可作為指示電極或參比電極。測量時組成電池：指示電極|試液|參比電極電位法測量得到的電動勢遵循能斯特方程式中E-指示電極電位E0-參比電極電位R-氣體常數，8.3151J/KT-溶液的絕對溫度KF-法拉第常數，96484.6Cn-電極反應中得失電子數氧化態離子濃度還原態離子濃度2.電流測量法方法簡介：在浸于待測溶液中的檢出電極和相對電極之間加上恒定電壓，從電極之間流過的電流可以測定出游離余氯的濃度。該方法可以實現余氯自動連續測量。具體的在下一節將詳細介紹。第二節 電流法測量原理余氯是指氯投入水中后，除了與水中細菌、微生物、有機物、無機物等作用消耗一部分氯量外，還剩下了一部分氯量，這部分氯量就叫做余氯。余氯可分為化合性余氯和游離性余氯，總余氯即化合性余氯與游離性余氯之和。平時所分析的余氯實際是游離氯與部分具有氧化能力的結合氯之和。在分析了目前關于在線式余氯分析儀器的發展現狀后，確定采用目前比較先進的電化學電流分析方法。電化學是物理化學的一個組成部分，它研究化學載流子(電子、空穴、離子等)的運動規律，電化學分析法是建立在溶液的電化學性質基礎上的一類分析方法。溶液的電化學性質是指電解質溶液通電時，其化學組成和濃度隨電位、電流、電導或電量等化學特性而變化的性質。電化學分析法的實質就是利用這些性質，通過電極這個變換器，把被測物質的濃度轉化成電化學參數而加以測量。本章通過對電解過程的分析，揭示出了電解過程中擴散電流與溶液濃度之間的關系。2.2.1 測量過程中的電化學應用電化學電流分析法測量余氯的實質是以余氯(主要成分為次氯酸)作為電解質進行電解反應，通過擴散電流的大小反映出次氯酸的濃度，從而達到進行測量的目的。測量原理圖如圖2.1所示電位設定電流讀取工作電極WE反電極CE圖2.2 電流測量法原理圖對工作電極和反電極施加以恒定極化電壓，被測介質內的次氯酸，在工作電極還原后，產生擴散電流信號陣。其反應式如下：陰極(工作電極WE)陽極(反電極CE)反應過程中溶液的電化學性質及其變化規律分析如下。2.2.2 法拉第定律法拉第根據多次試驗結果進行歸納總結，于1833年提出了法拉第定律(Faradayslaw)，它表達了電解過程中通過電解池的電量和電極上起了變化的物質的量之間的關系，內容如下：(1)電解時，電極上發生變化的物質的量與通過電解池的電量成正比，即與電流強度和通過電流的時NJ的乘積成正比;(2)在不同的電解質溶液中，當分別通過等量的電流時，在電極上發生變化的每種物質的量與它們的化學當量成正比，并且在電解池中每通過96484.6庫侖(稱為一個法拉第，以F表示)的電量(以Q表示)，就表示在電極上已經有1克當量的物質起了變化。法拉第定律可用公式表示為: （2-1）式中n為電極反應物質的當量數.假設電極反應過程中物質在電極表面的單位流量為，由式（2-1）法拉第定律可以求得相應的電流值為: （2-2） 式中A為電極的表面積。2.2.3 擴散方程根據菲克(Fick)第一定律:放電粒子擴一散通過單位截面積的速度正比于濃差梯度 ，即: （2-3）式中J稱為擴散流量，單位，表示電極表面附近溶液中放電離子的濃度梯度，單位為。D為擴散系數，即單位濃度梯度下的粒子的擴散速度，單位為，與溫度、粒子的大小和溶液粘度等有關。負號表示擴散方向與濃度增大的方向相反。在穩態擴散(濃度及濃度梯度不隨時間而改變)條件下，為常數，即 （2-4）式中為溶液深處的濃度，近似等于通電前整體溶液的濃度;為通電時電極表面附近放電粒子的濃度;為擴散層的有效厚度。在實際情況下，只有存在對流(自然對流或者強制對流)時才能達到穩態擴散，因此傳感器測量時應當放在保持一定流速的待測水中，以補充在電極上消耗掉的反應物。設電極反應為，即每消耗l mol的反應物。就通過n F的電量，F為法拉第常數。所以擴散流量(參考式2-2)以電流密度(單位面積的電流)可表示為: （2-6）式中負號表示反應粒子移動方向指向電極表面。將式(2-3)和式(2-4)代入，可以得到 （2-7）在穩態條件下，溶液中存在大量惰性電解質時(忽略擴散層中放電粒子的電遷移效應)，擴散速度就等于整個電極過程的速度，即等于外電流密度，則 (2-8)隨著陰極電流密度增加電極表面附近放電粒子的濃度降低，在極限情況下，這時擴散速度達到最大值，陰極電流密度也就達到極大值，即極限擴散電流密度為 (2-9)由上式可知道，極限擴散電流密度與放電粒子的整體濃度成正比例，與擴散層有效厚度成反比例。因此當電流密度均勻時，可以得到此時外電流為 （2-10）由式(2 -10)可以看到，對于確定的電極，當待測水樣的流速恒定在一定范圍時，擴散層有效厚度6基本保持不變，外電流與放電粒子整體濃度成正比例，因此通過測量此電流值，即可確定所含余氯濃度。第三章 余氯測量系統的硬件設計以微處理器為核心的各種各樣的嵌入式控制系統已經日益廣泛的應川在通訊系統、網絡設備、語音、計算機外設、家電、儀器儀表等各個領域，并且隨著大規模集成電路技術的不斷發展，微處理器的性能越來越高，體積越來越小，系列越來越多，價格也越來越便宜。而在測量系統中的典型應用主要包括單片機(MCU)和數字信號處理器(DSP)單片機實際上是一塊集成電路，它在一塊硅片上集成了中央處理器CPU、存儲器RAM, ROM或EPROM和各種輸入、輸出接口，甚至定時器、計數器、并行口、串行口、A/D轉換器等。它實際上是一臺微型計算機。由于單片機具有功耗小、抗干擾能力強，體積小、功能全、價格低、軟件豐富、面向控制、開發應用方便、容易產品化等優點，能夠方便地嵌入到產品內部，組成各種智能式測量控制系統，因此得到極其廣泛的應用。DSP在本質上也是一種單片機，主要應用在需要大規模數字信號處理領域，例如通信、圖像、語音處理，因此集成了更加適合于數字信號處理的軟件和硬件資源，可以進行復雜的大規模運算，并且能夠靈活地組成各種應用系統。DSP在功能上比單片機更加強大，相應地系統開發也較復雜，并且價格也比單片機系統要高。而在本測量系統的應用中，出廠水余氯是變化十分緩慢的量，并且系統中只進行少量的數字信號處理。因此對系統的數據采集，數據處理等的速度要求不高，單片機系統完全能夠滿足要求，因此本測量儀器采用單片機系統。第一節 測量系統總體設計硬件系統的設計要保證測量數據的準確性，不受外界環境的干擾;要保證測量的范圍能夠滿足實際的需要:還要保證數據的采集速度能夠滿足需要，并且能夠實現必要的人機交互。按照以上硬件設計要求，設計該在線余氯測量儀的整體系統框圖原理圖如圖3.1所示。AT89C528155A/D轉換鍵盤及顯示D/A轉換i-v轉換及放大電路調理電路4-20mA余氯傳感器圖3.1 系統總體框圖系統測量的工作原理是，在余氯傳感器中次氯酸HCIO被還原，產生還原電流I，電流I轉換為電壓V并經過放大濾波等處理，經A/D轉換為數字信號后送入微控制器AT89C52，控制器對數據進行處理后，顯示，并輸出一個用于控制的4-20mA標準信號。以下就各部分的設計分別進行闡述。第二節 傳感器電路設計3.2.1 傳感器選型在此次設計中選用499ACL-01余氯傳感器。499ACL-01型傳感器，是一種隔膜覆蓋的電流傳感器，其由（鉑）陰極、（銀）陽極和電解液構成，陰極上覆蓋著一層允許氣體滲透的多孔隔膜。傳感器工作期間，被測溶液中的余氯（次氯酸與次氯酸根離子）通過隔膜擴散至陰極上，施加在陰極上的極化電壓將余氯(CL)還原成氯離子(CL-1)，進而在陰、陽電極之間產生能由分析儀器檢測出來的電流，該電流與余氯擴散到陰極的速率成正比，即最終與被測溶液中余氯的濃度成正比。l 不需要預處理系統，不需要繁瑣、昂貴的反應試劑；l 自動修正溶液pH值（最高可達pH 9.5）l 隔膜更換方便，無需專用工具；l 自動補償由于溫度變化對傳感器隔膜滲透性的影響；l 自動壓力平衡，防止隔膜變形；l 可以與Detla和Rosemount Analytical決大多數分析儀器配套使用；l VP電纜接頭，使傳感器更換時，無需更換電纜。傳感器技術規格l 測量范圍 ：0-10ppm（mg 余氯/L）l 濕材料* ：Noryl，Viton，鉑或聚四氟乙烯（只適用于-56 選型代碼）l 陰 電 極 ：鉑（通常的濕材料*）l 精 度 ：取決于化學比對測試儀器的精度l 適用的pH 值修正范圍：6.0-9.5pHl 采樣電導率 ：50s/cml 響應時間 ：25C 時，22 秒完成最終讀數的95%l 壓力 ：0-65psig（0-549KPa，絕壓）l 溫度 ：32-122F（0-50C）l 過程連接 ：1”MNPTl 電解液 ：約25毫升l 電解液使用壽命：約3個月，要想獲得最好的測量結果，請每月更換電解液l 電纜長度（標準一體化電纜）：25英尺（7.6米）l 電纜長度（最長）：300英尺（91米）l 采樣流量/流速 ：如表3-1：流通式1-5克/分鐘（3.8-19升/分鐘）明渠通道（敞開水池）1英尺/秒（0.3米/秒）低流量流通池（PN 24091-00）8-15克/小時（30-57升/小時）低流量流通池（PN 24091-01）2-5克/小時（8-19升/小時）3.2.2傳感器結構圖3.2 傳感器結構示意圖1-腹膜 2-工作電極WE, 3-反電極CE,4-電解液,5-參考電極RE傳感器采用覆膜式探頭，內充滿pH值恒定的電解質溶液，用一層滲透膜將電解質溶液與被測介質隔離1f來水無法通過覆膜滲透到電解液內，但次氯酸卻可以。探頭內裝止電極，分別為工作電極(Au)，反電極(Ag/AgCl)和參考電極，電極浸入電解質溶液內。覆膜材料選用聚四氟乙烯PTFF(俗稱鐵氟龍、塑料王)，聚四氟乙烯是一種乳白色的合成材料，它的化學穩定性極好，即使在“王水”、濃堿中也不起變化，而且.不溶于任何已知有機溶劑，其性能比玻璃更為穩定，是目前化學穩定性最佳的合成材料。它的溫度適用范圍也很寬，為-195-200目聚四氟乙烯具有強烈的憎水性，因此可以防止被測介質內的水分侵入到探頭內部。由此可以看出聚四氟乙烯仆常適合作為探頭的覆膜材料3.2.3 傳感器電路設計傳感探頭內的前置轉換放大電路示意圖如下圖4.2所示。圖3.3 前置轉化放大電路為解決信號穩定問題，在傳感器上設置一個第三電極即參考電極RE,RE電極的主要作用是控制WE電極和CE電極之間的電位，使其處于某一選定值，R2,R1,C1.IC1構成恒電位儀電路，Vbias為偏置電壓。工作電極WE將擴散電流引出，經過放大器IC2放大濾波，再經過CMOS模擬開關CD4053來選擇器放大倍數，R3,R4之比嚴格滿足9: 1，使其放大倍數的變化為10倍，從而可以在兩個量之間進行切換。輸出的信號經過AD轉換后送入處理芯片。第三節 A/D轉換器模塊設計3.3.1AD轉換器選型余氯量通過傳感器轉換后是電壓信號，屬于模擬量，只有轉換成數字量之后才能被處理器采集進行分析運算等操作，因此要選擇合適的A/D轉換器。轉換器的種類很多，根據轉換原理可分為逐次逼近式、雙積分式、電荷平衡式等。逐次逼近式A/D速度較快，而雙積分和電荷平衡式的轉換速度較慢，但轉換精度。選擇A/D要考慮的主要是A/D 轉換器的主要技術指標，有轉換精度（包括分辨率和轉換誤差）、轉換速度等。選擇A/D 轉換器時，除考慮這兩項技術指標外，還應注意滿足其輸入電壓的范圍、輸出數字的編碼、工作溫度范圍和電壓穩定度等方面的要求。1、分辨率分辨率是指A/D轉換器所能分辨的模擬輸入信號的最小變化量。設A/D 轉換器的位數為n滿量程電壓為FSR，則A/D 轉換器的分辨率定義為分辨率=由上式可以看出，輸出二進制數的位數n越多，A/D 轉換的分辨率數值越小，分辨能力越高。位數越高，分辨率越高另外也可以用百分數來表示分辨率，此時的分辨率稱為相對分辨率。相對分辨率定義為：目前一般都簡單地用A/D轉換器的位數n來間接代表分辨率。如12 位分辨率A/D 轉換2、 轉換誤差轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D 轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位LSB 的倍數表示。例如給出，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。3、 轉換時間轉換時間是指A/D 轉換器從轉換控制信號到來開始到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。一般微秒（us ）或毫秒（ms） 來表示通常轉換時間是根據模擬輸入電壓值來規定的。2.3.2 選擇結果本測量選用了雙積分式A/D轉換器ICL7135，余氯量的變化是十分緩慢的，因此對A/D轉換的速率要求不高，選用可滿足要求。ICL7135是四位半CMOS雙積分A/D轉換器，采用28腳雙列直插式封裝，雙電源5V供電，量程為2V,A/D結果為01.9999V，精度1，以多路BCD碼形式輸出結果，具有數據輸出選通脈沖，方便與微處理器的接口。1、主要性能l CMOS集成電路；l 雙積分變換技術；l 單一參考電壓；l 采用BCD碼掃描輸出；l 能用閃爍顯示的方式表示超量程狀態；l 具有6路輸入輸出（I/O）輔助信號，可以與微控制器相連，進行復雜控制；l 具有自動轉換量程的超量程和欠量程信號；l 允許差分輸入；l 具有自動極性判別功能和自動校零電路；l 雙電源供電；l 準確度高：0.005%1個字；l 輸入漏電流低：1pA；l 分辨率高：14位；l 零讀數漂移低：；l 輸入阻抗高：；l 轉換速度慢：3次/s；l 噪聲低：2、極限參數l 正電源電壓：+6V。l 負電源電壓：9V。l 模擬輸入電壓： l 參考電壓：l 時鐘輸入電壓： l 存儲溫度范圍：-65+160.l 功耗：陶瓷封裝：1000mW;塑料封裝：800mW。引線焊接溫度（10s）：+300。3、7135主要特點如下：l 在每次A/D轉換前，內部電路都自動進行調零操作。l 在2000字（2V滿量程）范圍內，保證轉換精度1字。l 具有自動極性轉換功能。l 輸出電流典型值1PA。l 所有輸出端和TTL電路相容。l 有過量程（OR)和欠量程（UR)標志信號輸出，可用作自動量程轉換的控制信號。l 輸出為動態掃描BCD碼。l 對外提供六個輸入,輸出控制信號(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于數字電壓表外,還能與異步接收 /發送器,微處理器或其它控制電路連接使用。l 采用28外引線雙列直插式封裝，外引線功能端排列如圖4.4所示。圖3.4 ICL7135外引線功能端排列各外引線功能端文字符號說明如下：l V- 負電源端，l V+ 外接基準電壓輸入端，l AGND模擬地，l INT積分器輸出，外接積分電容（Cint)端，l AZ外接調零電容（Caz)端，l BUF緩沖器輸出，外接積分電阻（Rint)端，l Rr+、Rr-外接基準電壓電容（Cr)端，l INTO、INHI被測電壓（低、高）輸入端，l V+正電源端，l D5、D4、D3、D2、D1位掃描選通信號輸出端，其中D5（MSD）對應萬位數選通，其余依次為D4、D3、D2、D1（LSD，個位），l B8、B4、B2、B1BCD碼輸出端，采用動態掃描方式輸出，l BUST指示積分器處于積分狀態的標志信號輸出端，l CLK時鐘信號輸入端，l DGNG數字電路接地端，l R/H轉換/保持控制信號輸入端，l ST選通信號輸出端，主要用作外部寄存器存放轉換結果的選通控制信號l OR過量程信號輸出端，l UR欠量程信號輸出端。在電路內部，CLK和R/H兩個輸入端上分別設置了非門和場效應管的輸入電路，以保證該兩端在懸空時為高電平。V+ = +5V，V- =-5V，TA=25，時鐘頻率為120KHz時，每秒可轉換3次。功耗：1000mW（MAX）；電源電壓：V+：+6V（MAX）；V-：-6V（MAX）4、ICL7135數字部分數字部分主要由計數器、鎖存器、多路開關及控制邏輯電路等組成。ICL7135一次A/D轉換周期分為四個階段：1、自動調零（AZ）；2、被測電壓積分（INT）；3、基準電壓反積分（DE）；4、積分回零（ZI）。具體內部轉換過程這里不做詳解，主要介紹引腳的使用。l R/H（25腳）當R/H=“1”（該端懸空時為“1”）時，7135處于連續轉換狀態，每40002個時鐘周期完成一次A/D轉換。若R/H由“1”變“0”，則7135在完成本次A/D轉換后進入保持狀態，此時輸出為最后一次轉換結果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數據有保持功能。若把R/H端用作啟動功能時，只要在該端輸入一個正脈沖（寬度300ns），轉換器就從AZ階段開始進行A/D轉換。注意：第一次轉換周期中的AZ階段時間為9001-10001個時鐘脈沖，這是由于啟動脈沖和內部計數器狀態不同步造成的。l /ST（26腳）每次A/D轉換周期結束后，ST端都輸出5個負脈沖，其輸出時間對應在每個周期開始時的5個位選信號正脈沖的中間，ST負脈沖寬度等于1/2時鐘周期，第一個ST負脈沖在上次轉換周期結束后101個時鐘周期產生。因為每個選信號（D5-D1）的正脈沖寬度為200個時鐘周期（*只有AZ和DE階段開始時的第一個D5的脈沖寬度為201個CLK周期），所以ST負脈沖之間相隔也是200個時鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態（R/H=“0”）則ST無脈沖信號輸出。ST信號主要用來控制將轉換結果向外部鎖存器、UARTs或微處理器進行傳送。l BUSY（21腳）在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時為低電平。因此利用BUSY功能，可以實現A/D轉換結果的遠距離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK“與”后來計數器，再減去10001就可得到原來的轉換結果。l OR（27腳）當輸入電壓超出量程范圍（20000），OR將會變高。該信號在BUSY信號結束時變高。在DE階段開始時變低。l UR（28腳）當輸入電壓等于或低于滿量程的9%（讀數為1800），則一當BUST信號結束，UR將會變高。該信號在INT階段開始時變低。l POL（23腳）該信號用來指示輸入電壓的極性。當輸入電壓為正，則POL等于“1”，反之則等于“0”。該信號DE階段開始時變化，并維持一個A/D轉換調期。l 位驅動信號D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅動信號分別輸出一個正脈沖信號，脈沖寬度為200個時鐘周期，其中D5對應萬位選通，以下依次為千、百、十、個位。在正常輸入情況下，D5-D1輸出連續脈沖。當輸入電壓過量程時，D5-D1在AZ階段開始時只分別輸出一個脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開始時才輸出連續脈沖。利用這個特性，可使得顯示器件在過程時產生一亮一暗的直觀現象。l B8、B4、B2、B1（16、15、14、13腳）該四端為轉換結果BCD碼輸出，采用動態掃描輸出方式，即當位選信號D5=“1”時，該四端的信號為萬位數的內容，D4=“1”時為千位數內容，其余依次類推。在個、十、百、千四位數的內容輸出時，BCD碼范圍為0000-1001，對于萬位數只有0和1兩種狀態，所以其輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當輸入電壓過量程時，各位數輸出全部為零，這一點在使用時應注意。最后還要說明一點，由于數字部分以DGNG端作為接地端，所以所有輸出端輸出電平以DGNG作為相對參考點。基準電壓，基準電壓的輸入必須對于模擬公共端COM是正電壓。3.3.2A/D轉換器電路設計1、設定工作方式：(1)ICL7135有兩種轉換方式，由A/D轉換控制端確定，當接低電平時，轉換結束后保持轉換結果，輸入一個正脈沖侯(寬度大于300ns)，啟動ICL7135開始另一次轉換;當接高電平時，自動連續轉換，周期為40002個時鐘。在本系統中采用連續轉換方式，接+5V高電平。(2)轉換結果的讀取:以中斷形式讀取A/D轉換結果，ICL7135的端接AT89C52外部中斷，完成一次A/D轉換后，該引腳輸出5個負脈沖 ，分 別選通新的A/D轉換結果的高位至低位的BCD碼數據輸出，供AT89C52讀取。(3)時鐘設定: 將AT89C52芯片的ALE輸出脈沖進行1/16分頻后接到ICL7135的時鐘輸入端CLOCK，由于在本系統中AT89C52時鐘頻率采用12MHz，則ICL7135的工作時鐘為，這時轉換速度為，即每秒鐘3次左右，這對于測量余氯量是適合的.2、AD轉換器外圍電路3、A/D轉換器采樣時鐘的單片機控制電路單片機的ALE端輸出的1MHZ的輸出脈沖經過74LS393進行1/16分頻后接到7135的CLK端，并且由單片機和8155的時鐘共同控制，具體電路如下圖：第四節 數據處理系統設計3.4.1單片機選型根據CPU的字長(即數據運算和傳送的位數)，目前應用比較多的低檔單片機有4位機、8位機、16位機等，高端的有32位單片機，例如目前最通用的32位RISC處理器-ARM7處理器系列。32位單片機主要應用在多媒體演播機、機頂盒、路由器和調制解調器等Internet設備。4位機適用于比較簡單的控制場合，例如玩具，簡單的智能電器等。通過分析各型單片機性能結合本系統的實際需要，本測量儀選用了ATMEL公司生產的AT89C52單片機，它是一種低功耗、高性能8位CMOS型微處理器。主要功能特性如下:l 兼容MCS51指令系統l 8k可反復擦寫(1000次)Flash ROMl 32個雙向I/0口l 2568bit內部RAMl 3個16位可編程定時/計數器中斷l 時鐘頻率024MHzl 2個串行中斷l 2.7-6V寬工作電壓范圍l 2個外部中斷源l 內置一個模擬比較放大器l 2個讀寫中斷口線l 3級加密位l 低功耗睡眠功能l 軟件設置睡眠和喚醒功能l 可編程串行通道可反復擦寫的8k bytes F1nsh存儲器可有效地降低開發成本，256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),可以充分滿足需要，無需另外擴展存儲器;器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容最常用的MCS-51指令系統，方便了軟件程序的開發。3.4.2單片機功能介紹ATMEL公司是美國20世紀08年代中期成立并發展起來的半導體公司。該公司的技術優勢在于推出發Flash存儲器技術和高質量、高可靠性的生產技術，它率先將獨特的Fhash存儲技術注入于單片機產品中。其推出的AT89系列單片機，在世界電子技術行業中引起了極大的反響，在國內也受到廣大用戶歡迎。AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能cmos8位單片機，片內含8k bytes。的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256k byte.隨機存取數據存儲器(RAM)。器件采用六TMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51的指令系統及8052產品引腳兼容，32個可編程I/O口線、3個16位定時/計數器、三級加密程序存儲器、低功耗空閑和掉電模式、片內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。其功能方框圖如圖4.3:引腳功能說明:. Vcc:電源電壓. GND:地. P0口:P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。 作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。圖4.3 AT89C52引腳圖在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址(低8位)和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，PO口接收指令字節，而在程序校驗時.輸出指令字節，校驗時要求外接上拉電阻。. P1口:P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口.做輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。. P2口:P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”,通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。做輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器時，此口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口輸出鎖存器的內容.Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線，更重要的用途時它的第二功能，如下表所示：表4-2 P3口的第二功能端口引線第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時/計數0）P3.5T1（定時計數1）P3.6（外部數據存儲器xie選通）P3.7（外部數據存儲器讀選通）此外，P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程