PDF《水质监测传感 器》

水质监测传感器 国家海洋环境监测中心 宋成庆 摘要本文介绍了 目前水质监测 的关键器件 ― 水质传感器 中应用最 为广泛的 几中 , 并分 别叙述了它们当前的发展水平 、 基本原理 、 技术性能指标 , 阐述了这些水质传感器在使 用 中应注意的技术问题和措施 , 以提高 国内水质传感器 的研制水平和 应用效果 .

前言随着经济的 发展 , 人们对环境尤其是水环境保护 的要求与 日俱增 , 特别关心水环境 中重要水质参数的变化情 况.过去大量水质参数都是通过现场采样在实验分析化验得到 的,这种方式已不能适应现在飞速发展的客观形势 . 为了满足人们的要求和 不同产业部 「 丁 的需要 , 近年来出现了各种形式可现场使用并能连续 自动监测多种水质参数的水质检 验测 量仪器 . 在这些水质检验测量仪器中关键器件是传感器 , 因为它是水质监测 的耳 目.由于国 内作为水质监测耳 目的水质传感器 , 在对可以反映水质几 个重要参数的连续实时 监测 还不能较长时间可靠稳定地工作 , 还有许多技术问题要突破 , 特别是用作海洋环境 监测的水质传感器 中个别项 目现在还是空 白.这些 已经影 响到 我国环境监测 水平的提高 和水质浮标技术的发展 . 因此 , 水质传感器成为 目前 国 内海洋环境监测 急待解决的关键 技术 . 为 了发展这项技术 , 我们许多科技工作者多年来都在进行这项工 作.本文就是针 对这项工作 , 就国内外几种应用较为广泛的水质传感器 现有技术进行探讨 .

一、温度温度是水质最重要的参数之 一.温度对水生生物至 关重要 , 是生活和 生产中必须掌 握的基本物理量 . 水质监测 中第一位工作就是测 温.采用传感器和仪器对水质的温度进 行测量已经有很长的历史 , 使用的传感器也有多种型式 , 应该说温度传感器是所有水质 传感器中技术最为成熟 、 故障率最低的一种 . 在水质的温度传感器中使用 最多的是热电偶 、 集成温度传感器和铂 电阻 . 随着技术 的发展 , 石英晶体温度传感器和红外温度传感器也已经实现了商品化 . 由于热 电偶 的检 测灵敏度较低 , 现在在许多需要精确测定水温的场合 已不使用 . 集成温度传感器是伴随 一10一着大规模集成电路 技术发展起来的半 导体温度传感器 , 这其中具有代表性的是美 国AD公司生产的 A D

5 90 . 由于它是一种电流型元件 , 信号可以远距离传输且不易受到外界电 磁场 的干扰 , 在许多需要对水质温度进行 自动检测控制的场合中被大量采用 . 我国的深 海资料浮标上采用了这种温度传感器 . A D

59 0 的测 温范围可 以在一 4一15

0 ℃ , 测量精度 为士

0 .

3 ℃ . 铂电阻是当今使用最广泛的温度传感器 . 在连续对温度进行监测 、 记录和控 制中大量采用 R .

1 0

0 铂电阻 . 由于铂电阻温度传感器 的测 量范 围可以做得很宽 , 而且测量 精度可以做得很高 (精度可以达到士

0 .

0 2 '

C 以上) , 性能稳定可靠 . 许多现场便携式仪器 和海洋仪器也采用铂 电阻作为温度传感器 . 温度传感器的抗污染能力强 , 水体的污垢等只影 响其响应时间而不影响它的测量精 度.它的响应时间<

1 s .

二、电导率电导率用 以评价水体中所溶解的固体总量 . 现今海水等盐度的测量主要是通过 电导 率来计算的 . 用电导率可以测定水体中酸 、 碱或其它离子型污染物的存在情况 , 但不能 区分它们 . 电导率是度量溶液的导 电能力 , 定义 为1c耐,溶液阻抗的倒数 , 单位是 S / c m . 室温 下蒸 馏水的 电导率小于 1卿/ c m , 雨水的 电导率为

5 0 岭/ c m , 海水 的 电导率大 约为

2 00 0卿/ e m . 电导率测定 主要采用 电导池方式 , 电导池有两个或多个装在绝缘池中的金属 电极或 碳 电极组成 . 测量与水体的体积及周围的金属物无关 . 电导率的测定方法按 电导池的形 式分为感应式和 电极式两种 , 在测定低电导率时 , 电极式要 比感应式容易满足灵敏度的 要求 , 但电极存在极化和容易污染等问题 . 感应式不存在极化与污染等间题 , 但感应式 的灵敏度限制了电导池尺寸的减小 . 由于二 电极法容易使电极与溶液的界面产生极化 . 阻抗增加 , 特别是在测定 电导率 高的溶液时测量误差增大 . 为克服上述缺点 , 日本 u 一10型水质检验器采用了四 电极法 . 它是在两个电极间施加 电压通以 电流 , 另两上电极检 出其间电压的关 系,用这种方式检 测出电导率 . 加 电压电极 由于有 电流 , 电极与溶液间的界面产生极化 , 电压检测电极 由 于没有电流流过不产生极化 '

这样 , 采用四 电极法不受极化的影 响,提高了在高电导率 测 定范围内的测 量精度 . 电导池安装应保证电极间的液体能循环流 动.在垂直管道 中,应将 电导池的正面对 着水体 . 在固体含量较大的水中 , 电导池的安装应能防 止腐蚀和 避免在 电导池中发生固 体物的淤积 . 现在国内现场电导率测量仪器以感应式 电导池为主 , 从而限制了其体积的 缩小 . 电导率传感器的测量范围一般 为0一100卿/ c m , 分辨率达到

0 .

0 1 , 重视性为 士1 % , 响应 时间<

1 s .

三、溶解氧 (LK〕 ) 溶解氧对于水生生物特别是鱼类生存十分重要 , 要保证鱼类等的生存 , 水中溶解氧 一11一的含量应保持在

4 ~

6 c g / l . 溶解氧是水质标准的一个重要参数 , 它的测 定是水污染和废物 处理控制应用的一个重要组成部分 , 在锅炉 、 冷却水及 水处理装置 中它是控制腐蚀的一 个重要参数 . 因此 , 溶解氧的 测 定对海洋 、 江河 、 湖泊等水质的 测 定极为重要 . 典型的溶解氧传感器包括 :

1 . 原 电池式 . 这种传感器由电解液和两个电极组成 , 常做成探头式 . 随着 电池 与电 解液之间氧含量的 平衡 , 电极上需要一 个产生极化的电压 , 这就发生 电化学反应从而在 电极上产生一个与 电解液中氧浓度成正 比的电流 . 在实际 应用 中采用隔膜电极法 . 金属 (银) 被具有氧气透过性薄膜密封成为阴极 , 阳极是金属 (铅) . 两者浸入碱陕电解液中 , 阳极与阴极通过外 电路 闭合 . 在使 用时 , 样 品中的氧气通过透过性薄膜扩散与阴极产生 还原反应 .

0 2 + ZH Z O +

4 e 一一一4OH一阳极与其产生 氧化反应 , 在外 电路 产生 电流 2几一 一2璐+ +

4 e - 这个电流与通过透过性薄膜扩散的氧成正 比,检测 出这个电流 , 就能测出样品 中的 溶解氧 . 由于原电池式溶解氧传感器结构简单 , 在现场测量义器中被大量采用 .

2 . 极谱式 . 这种传感器类似于原 电池 式,但两个电极使用了贵金属 , 它需要一个极 化电压从而减少 阴极上的氧 . 产生的电流同样与 电解液中的氧浓度成正比 . 为了保证测 量精度 , 必须对 样品温度加以控制 .

3 . 多阴极 电池 . 该传感器用

3 个 电极与 电解液相联 , 氧在阳极上产生 , 阴极上 消耗 . 由于电池 内部是平衡的 , 因而就不会有氧的增减 . 该电池的主要优点是污垢只影 响响应 时间 , 而不消耗 电极 .

4 . 论电极 . 锭 电池有多种类型 , 通用的一种是 由一个环佗电极和 一个 内环参比 电极 组成 . 与锭接触的氧会引起化学反应而在 电极表面生成亚轮 阳离子 , 庐离子的浓度正 比 于电池中溶解的氧浓度 . 由于溶解氧传感器大多是用于环境污染监测 , 因而需要定期更换 , 或采用 消除器 、 搅 拌器或特殊样品体 系.原电池和极谱电池要有一 个20cm/s以上的速度 来消除滞 流层薄 膜,同时保持 电池的清洁 . 为了得到 更高的测 量精度 , 还要进行温度补偿 , 现在在水质 测 量仪器中这项工作大都采用单片机来完成 . 溶解氧传感器的量程一般为 o一20mg/l,分辨率达

0 . olm g / l , 精度 士0.lm g / l , 响应时间<

2 s .

四、PH在给排水工程 中要测 定PH,大多数水处理体 系都要测 量PH,在海洋环境监测 和 水产 养殖生产中 , 水质的 P H 值是必须经常测量的项 目.水质的 PH 值通常为

6 .

0 ~

9 .

0 . 对PH值的测 量虽然有多种方法 , 但最常用的是采用玻璃 电极法 , 这种方法是用 一个 P H 玻璃膜电极 , 一个参比 电极和 一个高输入阻抗的 电位差计 . 当将 特殊玻璃 薄膜两侧置 入PH值不 同的两种溶液中 , 玻璃电极薄膜两面产生与两侧 P H 差成正 比的电现象 , '

利用 一12一这种现象测 出PH值.PH传感器是采用 与PH响应的玻璃 P H 电极及作 为为基 准的 比较 电极和 对玻璃 P H 电极温度特胜进行补偿的温度补偿电极构成的 . 过去 PH 计的 电极是分离开的 , 在使用 中 有许多不便 . 现 在将玻璃膜 电极和 参比电极及温度补偿器组 合在一起成 为复合 电极 . 在 操作时先将 P H 电极放入作为基准的标准液中进行校 正,然后再对样品进行测 定.现在校 正工作一般也采用 了微处理机来进行 . 采用离子敏场效应管和光纤传感器 的PH传感器 已实现了商品 化,在许多场合得到 应用 . , 由于 P H 传感器要经常定期清洗 . 在设计时常制成容易拆卸的插接式 为进行清洗 有采用 超声波清洗和 机械清洗 , 如旋转刷 . P H 传感器 的测量范围一般 为O~

1 4 P H , 分辨 率达

0 .

0 1 P H , 精度为士

0 . OS P H .

五、浊度浊度是用来测量液体 中的不溶固体和透明度的 . 浊度不仅和水体中泥土 、 粉沙 、 浮 游生物 、 微生物等悬浮物有关 , 也和悬浮物质的颗粒种类 、 粒径大小 、 形状 、 颜色和可 溶性有 色化合物有关 . 它 是水体中悬浊物对光线的散射和吸 收作用的结果 . 浊度的测量 是 由一束射入液体的光线的散射情 况来确定的 . 由于这种测量对温度的敏感性 , 大部分 浊度传感器都有温度补偿或加热源与恒温装置来维持恒温 . 常用的 测量是 比浊 计浊度单 位(NTU).用光散射测 定浊 度的 比浊 计运 用最为广泛 . 完全清洁水为

0 N T u , 泥水一般 都超过

1 0

0 N l ,U . 测 量光衰减的浊 度传感器一般 由一个带有相 互间成

1 8

0 或9少角的玻璃 窗口 的塑料 金属 管构成 . 一个窗 口 发出光线 , 另 一个窗 口 接收光线 . 窗口间成了

9 . 角时 , 测量不受 颜色 的影 响.然而 , 颜色会吸收某些光线 . 由于 窗口间成

9 0

0 角时可以 减少颜色的干扰 , 现在有的浊度传感器采用了双制式 , 即透射散射方式 . 光源光束照射样品 时,透射样品 的透射光与样品 中的混浊 成份散射产生散射光 , 透射光与散射光的强度分别被光 电管检 出,运算两者的强 度 比率 , 用求 出强度 比率与浊度检出线的方式来表示 浊度 . 这种方式 具有受样品颜色与光通量变动影 响十分小的特点 . 这方面代表性产品是 日本的 u 一1

0 型 水质检验器 , 其浊 度测量

0 ~

8 0

0 N T u , 分辨率

1 N T u , 重现性 士3%,响应时间<

2 s . 在浊度传感器窗 口 上的沉积物同样会影响浊度的测 量.因此 , 浊 度传感器要经常清 洗.为实现浊度的连续 自动监测 , 有的浊度传感器上设计了 自动清洗装置 , 定时对传感 器 的窗口 进行清洗 , 消除污染 . ........