余氯在线检测系统的研究

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1、余氯在线检测系统的研究李超祁欣*(:!匕京化工大学理学院•北京100029：摘要：介绍并研究了余氯传感器的工作原理和内部结构•余氯在线检测系统的原理•系统的硬件电路研究与设计极化电压电路、微弱电流信号转电压信号、二级放大电路、数据处理以及显示电路的设计。对本系统进行了零余氯值的测定并与PLC£200余氯仪进行了对比测试确定了标定曲线•验证了本系统性能的可靠性以及稳定性•可以用于日常生活用水的余氯检测。尖键词：余氯；传感器；标定曲线；在线检测中图分类号：TB942收稿日期:2012-05-14第一作者：男4987年生硕士生*通讯联系人E缶F龈胡皑卜服喲沁护诚Journal

2、ElectronicPublis^ig量时偌阳极和阴极乡间册里审渤盟极佗引言氯气是生活中常用的杀菌消毒剂，尤其在自来水行业中氯气被广泛应用于供水系统的消毒处理。余氯是指氯气与水接触一定时间后，水中所剩余的有效氯简称余氯⑴。在自来水行业中•出厂水余氯含量指的是游离性余氯•本文中所提到的余氯检测即为游离性余氯的检测。随着公众生活质量的提高人们越来越尖注生活中各类水源的余氯含量。使用氯气对自来水进行消毒时如果余氯过量则会与水中的有机物发生反应，生成致癌的三卤甲烷(THMs)等物质，危害人类健康⑵。而余氯浓度过低时，又无法对致病微生物起到有效的杀灭作用⑶。因此•余氯浓度的在线监

3、测•在饮用水质量监测、水产养殖、工业生产、环境监测等方面都是非常必要的⑷。DPD分光光度法是余氯检测的标准方法⑸利用化学试剂与余氯的显色反应，使用光电传感器测定其吸光度得到余氯含量但是分光光度法操作复杂实时检测性差操作界面不友好，不能满足在线监测的要求。目前国内的在线检测仪器基本是从国外进口，价格昂贵。因此开发价格低廉测量精度高的在线余氯检测仪器很有必要。本文采用极谱式余氯传感器测量速度快精度高稳定性好显示界面友好可以满足日常生活用水的余氯在线检测需要。1余氯传感器的工作原理水中添加氯气的消毒机理主要是依靠次氯酸和次氯酸根离子的强氧化作用⑹。氯气加入水中后，在几秒钟内很

4、快水解而产生次氯酸址+出。徽腾HOCI+FT+CI'次氯酸又会在水中发生电离HOCI徽勝H++ocr系统采用极谱式电板法通过检测水中次氯酸的浓度来测量水中余氯传感器原理图如图1所示。1一银阳极；2—传感器外壳；3—电解液；4一膜压帽；5—金阴极；6—聚四氟乙烯选择性渗透膜图1余氯传感器结构示意图Fig1Structureoftheresidualchlorinesensor余氯传感器的阳极是一根银棒构成银阳极«E柱形金电极构成金阴极。两电极同时浸在传感器探头内的电解液中。金电极外是一片带选择性的聚匹氟乙烯渗透膜该渗透膜只能选择性的透过次氯酸分子而次氯酸根离子和水中其它离

5、子不能透过该电压选择性渗透膜透过次氯酸分子次氯酸分子在银阴极发生还原反应，形成与次氯酸浓度成正比例尖系的微弱电流其化学反应方程式为阳极（银电极）CI一+AgJAgCI+e'阴极（金电极）2H++2e_+OCr"->H2O+Cr根据极谱式电极传感器的基本原理•需要在传感器的阴阳两电板之间加一极化电压•使电解液中的次氯酸分子与银电板发生还原反应，产生一个郤弱的电流所测电流遵循llkovic方程⑺I=nAFDc/6其中们为单位面积上交换的电子数量；A为工作哇极表面积；F为法拉第常数；D为去极化剂的扩散系数；c为去极化剂的浓度；6为工作电极和溶液间扩散层的厚度。通过检测此微弱电

6、流并将其变换成次氯酸浓度经过pH和温度补偿即得到水中的余氯含量。2硬件系统的建立对于极谱式余氯传感器，需要在阴极上加上一个极化电压在阳极上会输出一个与水中余氯值成比例的纳安级别的微弱电流。由于输出信号极为显弱需要对输出信号进行逬一步的转换以及放大处理以便获得水中余氯的准确数据。图2为系统工作流程示意图整个系统主要包括余氯传感器•电流转电压电路前置放大电路A/D换电路数据处理CPU通信接口显示模块等。Fig2Systemworkflowchart2.1余氯板化电压电路的设计该系统的极谱式余氯传感器•需要在两极之间加一50mV极化电压。电路设计如图3所示5V毎压经过稳压管D

7、1得到一个1.2V的电压基准使斥—个固定阻值的电阻和一个电位器进行分压，得到—个较小的电压•通过调节电位器的阻值•并经过V1994-2014ChinaAcademicJournaElectronicrMCP6002组成的迟滞跟隨器即可得到一个50mVGXD图3余氯极化电压基准电路设计图Fig3Thepolarizationvoltagereferencecircuitoftheresidualchlorineanalyzer2.2电流电压转换电路的设计两电极之间由于极化电压的作用，传感器会输出一个极为微弱的电流信号。为了对这个微弱的信号