水质CTD传感器及检测系统设计(2)
结 论 . 37
致 谢 . 38
参考文献 39
第1章 绪论 本文阐述了水质多参数检测电路的设计原理和定标实验成果。具体介绍了 pH 传感器、电导率传感器、温度传感器、压力传感器的设计思想，详细介绍了多参数水质检测电路的组成和工作流程。同时，本文阐述了在线CTD仪器在水质检测中的应用，并分析了不同类型CTD仪器的技术优缺点。在了解现有 CTD 技术的发展趋势的同时，结合地表水质检测具体需求，设计和研发了稳定可靠、易于文护、价廉的在线 CTD 仪器，应用到地表水检测中。同时结合具体程序流程阐述了 CTD仪的工作过程。 1.1 研究背景和意义 2015 年 4 月 16 日，国务院正式出台《水污染防治行动计划》，简称“水十条”。 “水十条”将坚持地表与地下、陆上与海洋污染同治理，市场与行政、经济与科技手段齐发力，节水与净水、水质与水量指标同考核的基本原则。“水十条”将施行最为严厉的源头保护和生态重建措施，基本内容涵盖全面控制污染物排放，全力节约保护水资源，全力保障水生态安全，充分发挥调节作用，明确和落实各方责任[1]。 环保部门公布的调查数据显示，2012年，全国十大水系、62个重要淡水湖泊分别有31%和39%的水质达不到饮用水要求，严重影响人们的健康、生产和生活[2]。 环保部公布的《2013中国环境状况公报》显示，2013年，中国黄河、长江、珠江、淮河、海河、松花江等十大水系的国控断面中，Ⅳ-Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为 19.3%和9.0%[1]。 环保部监测结果显示，2014 年十大流域好于Ⅲ类水质断面比例是 71.7%。IV、V 类是 19.3%，劣 V 类是 9%，相对于 2012 年、2011 年都有所改善。相对于 2012 年，好于Ⅲ类断面比例提高了 2.7 个百分点，劣 V 类的比例下降了 1.2 个百分点。相对于 2011 年，改善的程度更大一些，好于Ⅲ类断面比例提升了10.7个百分点，劣V 类的比例下降了4.7个百分点。 全国水环境的形势非常严峻，主要体现在三个方面： 第一，就整个地表水而言，受到严重污染的劣V 类水体所占比例较高，全国约10%，有些流域甚至大大超过这个数,如海河流域劣V类的比例高达 39.1%;第二，流经城镇的一些河段，城乡接合部的一些沟渠塘坝污染普遍比较重，并且由于受到有机物污染，黑臭水体较多，受影响群众多，公众关注度高，不满意度高;第三，涉及饮水安全的水环境突发事件的数量依然不少[1]CTD 测量技术是研究地表水质最基本的一种技术。该测量技术用来测量地表水的电导率、温度、深度的信息变化。CTD 仪可以获取不同深度水域的温度和电导率信息，并根据电导率结合温度补偿，计算出水质的pH、ORP 等重要信息，而这些信息对于地表水质的研究有着重要的价值。在水质保护方面，电导率作为水质标准的一种参数，有着非常重要的意义。由于 CTD 仪具有快速、实时、低成本和高精度测量的特点，受到高度重视，并得到快速发展。 1.2 本论文研究内容 本研究以范德堡法为电导率测量的基本方法，旨在开发一套稳定可靠、精度较高、易于文护的在线水质多参数监测仪，并应用到地表水检测，实时检测地表水的状况，全力保障水生态安全。 本文主要阐述水质的 pH、电导率、温度、压力的测量方法，并在实验室内开展标定实验。然后，对CTD监测仪进行长期的稳定性、可靠性、耐压性测试，应用到地表水检测项目中，施行长期的在线监测，给水质治理和保护提供了实时可靠的测量数据。 进行CTD 监测仪的硬件设计和开发： 讨论了电导率、温度、压力、pH的测量原理，分析现有方法的优缺点，自主设计了基于范德堡法的四电极电导率传感器，包括电极结构和信号的激励、响应放大电路；设计电导率、温度、压力、pH的信号滤波、放大电路和测量电路，基于主控单片机的信号采集和处理系统，RS232 的仪器通信模块电路，仪器的电源模块，并对 CTD 监测仪的整机电路进行调试；通过单片机进行电导率、温度、压力三个信号通道的AD数据采集，进行软件滤波和数据处理，从而计算出仪器测量所得的电导率、温度、压力、pH等基本参数。