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高锰酸盐指数在线自动监测仪器的研制

作　者: 刘海锋
导　师: 葛良全；蒲劲松
学　校: 成都理工大学
专　业: 辐射防护及环境保护
关键词: 高锰酸盐指数水质分析仪智能化在线自动监测系统
分类号: X832
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着科学技术的发展,世界各国在环境保护与监测工作中普遍把对水质的监测放在非常重要的位置。可对水体实现现场实时监测的新型水质监测仪器的研发,正逐步成为国内外科研工作者们工作的重点。本课题是一项多门类跨学科的应用性研究,从分析方法、化学试剂的配方及检测系统软硬件的整体设计都投入了大量的时间和精力,建立了较完整的高锰酸盐指数(以下简称CODMn)值在线检测方法。并以CODMn的常用分析方法为基础,将光度分析的高灵敏度和高准确度的特点与蠕动泵的自动取样及自动分析特点相结合,通过单片机来自动控制这一分析过程,成功研制成CODMn在线自动监测系统。文章分别从化学、机械、光学、电子以及通信等几个方面介绍了该分析仪器研制开发的全过程。首先根据酸性高锰酸钾法的光度滴定分析原理、当代分析仪器的发展方向,吸取国内外现有水质在线分析仪的优点,并结合本仪器的工作条件和使用要求,提出该CODMn在线自动分析仪的整体设计方案。仪器整体分为液路系统模块、光度检测系统模块、控制系统模块、人机交互界面模块、供电电源模块、恒温控制系统模块、数据存储/打印/传输模块等主要模块。液路系统采用世界先进技术的高精度蠕动泵,泵速可由控制程序设定,泵速均匀稳定,保证了进样精度;光电检测系统采用光度滴定法进行终点检测,较直观且易于判断;仪器的电路控制部分应用了低功耗、高性能的微控制器80C196KC和外围芯片,实现采样和进样的自动化;在整个测量循环中,通过对各蠕动泵运行的时间计量转换成对应消耗的各种试剂及水样的量,由微处理器对其进行计算处理,同时软件也进行了历史数据的显示与存储;具有智能化处理和中英文操作的功能,选用点阵式图形液晶显示,建立了良好的用户交互界面;考虑了系统的稳定性和实用性的两个角度,设计出8路输出的稳压电源电路;为满足反应室中消解反应对温度的较高要求,特设计了一套加热驱动及恒温控制系统;同时,为了满足不同客户的要求,采用标准RS-232/485串行通讯接口和4~20 mA模拟通讯接口,实现了将分析结果自动或有选择的同时传送到60 m以外的功能。总体设计使整个系统具有精度高、功耗低、功能强、稳定性好和操作方便等特点。经过试验与调试表明,该仪器既可用于在线分析,又可直接用于随时来样的检测分析,其整个过程为自动完成,再加上取样量和分析速度的可调整性,真正实现了过程分析的智能化,整个样品的分析过程可控制在35 min内完成,标准偏差不超过±0.5 mg/L,相对误差不超过±5 %,切实达到了省时,省力的效果。通过对实验数据的分析,讨论了仪器的某些相关性能、为今后更新性能的水质在线分析仪的研制开发积累经验和实验数据。对于目前的发展需要,文章在最后对整个论文研究的内容和方向以及笔者所做的工作进行了总结,并展望了分析仪器的发展前景以及研究方向。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-17
  1.1 论文选题背景和研究意义  10-12
    1.1.1 论文选题背景  10-11
    1.1.2 论文研究意义  11-12
  1.2 CODMn 监测仪国内外研究、应用现状  12-15
    1.2.1 国内CODMn 监测仪应用现状  12
    1.2.2 各项标准出台  12
    1.2.3 仪器性能达标  12-13
    1.2.4 国内CODMn 监测仪存在的问题  13-14
    1.2.5 国外仪器应用中存在的问题  14
    1.2.6 适合我国国情的监测仪器特点  14-15
  1.3 本论文的主要研究内容  15-16
    1.3.1 项目研发技术路线  15
    1.3.2 项目研究内容及研发重点  15-16
  1.4 论文特色与创新  16-17
第2章 CODMn 监测仪测量原理及实现方案  17-25
  2.1 高锰酸盐指数说明  17
  2.2 CODMn 监测仪的测量原理  17-18
    2.2.1 工作原理  17-18
    2.2.2 数据处理方法  18
  2.3 CODMn 监测仪功能原理  18-19
  2.4 CODMn 监测仪功能实现方案  19-25
    2.4.1 液路系统  20-22
    2.4.2 测量室单元  22
    2.4.3 仪器控制系统  22-23
    2.4.4 仪器的软件系统设计  23-25
第3章监测仪硬件系统的研究与设计  25-43
  3.1 电源模块的研究与设计  25-26
  3.2 微处理器系统  26-31
    3.2.1 80C196KC 微控制器  27-30
    3.2.2 ADC 转换电路  30-31
  3.3 光电检测系统  31-35
    3.3.1 功能原理  31
    3.3.2 光源/单色器  31-32
    3.3.3 光电检测器选型  32
    3.3.4 信号放大电路  32-35
  3.4 温度监测及恒温控制单元  35-37
    3.4.1 温度检测电路  35
    3.4.2 开关电源电路  35-36
    3.4.3 加热驱动电路  36-37
    3.4.4 控制方法的实现  37
  3.5 继电器控制电路  37-38
  3.6 存储与输出  38-41
    3.6.1 数据存储  38
    3.6.2 人机接口  38-40
    3.6.3 远程传输  40-41
  3.7 电路设计时的注意事项  41-43
第4章 CODMn 监测仪软件设计  43-56
  4.1 分析仪的软件设计概述  43-45
    4.1.1 软件模块化设计方案  43-44
    4.1.2 仪器主菜单设计  44-45
  4.2 系统主函数程序设计  45-48
  4.3 数据采集相关程序  48-50
    4.3.1 信号A/D 转换函数  48-49
    4.3.2 定时器程序  49-50
  4.4 CODMn 监测仪工作方式及软件算法  50-56
    4.4.1 测量循环及算法  50-52
    4.4.2 空白循环  52-54
    4.4.3 校准循环  54-55
    4.4.4 CODMn 监测仪工作曲线  55-56
第5章仪器性能测试  56-61
  5.1 试验条件  56
  5.2 仪器性能检测实验  56-58
    5.2.1 检测重复性实验  57
    5.2.2 准确度与精度  57
    5.2.3 检测限  57-58
    5.2.4 工作曲线  58
  5.3 监测仪方法与国标方法的比较  58-60
    5.3.1 标样测试比对  59
    5.3.2 实际水样测试比对  59-60
  5.4 主要指标  60-61
结论  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-65
攻读硕士学位期间取得学术成果  65-66
附录A：CODMn 在线自动监测仪实物图  66

高锰酸盐指数在线自动监测仪器的研制

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