水处理仪表原理与应用

水处理过程仪表的原理与应用摘要：水处理过程中，仪表的应用非常广泛，选择合适的仪表对于水处理过程的控制异常重要。

本文选择了流量计、总磷总氮在线测定仪、浊度计等三种仪表，分别解释了三种仪表的原理以及其在水处理过程中的应用。

不仅结合了数学方法，还基于时下该仪表的运用实况提出相关建议。

Abstract: In the process of water treatment, the instrument is widely used,and choosing a suitable instrument for water treatment process control is very important. This paper choose the flow meter, total nitrogen and total phosphorus online tester, hazemeter , respectively explaining the principle and its application in water treatment process. Not only combinating of the mathematical method, but also based on the instrument utilization put forward the related proposal.1 自来水流量计的应用与原理1.1 自来水流量计的应用目前自来水流量的测量，倾向于使用非接触式的电子检测仪表。

非接触式流量计大多采用超声技术。

目前国内很多厂家推出了超声流量计，它们大多应用了微电脑处理技术，实现了测试的智能化。

在国外，日本、德国、瑞士几家公司产品，其性能和原理大致相同。

目前的流量计的基本测量原理和方法有以下三种：时间差法、相位差法、频率差法。

现在国内外的大多数非接触式超声流量计使用的都是频差法。

例如富士株士会社生产的FLB-1型超声流量计使用的就是这种方法。

它提供了可供选择的两种探头安装方法。

如图1所示。

其中V 法适用于小管径的管道，而Z 法则适用于2000mm 或更大管径的管道。

另外，当无法提供合适的安装间距时，宜于采用Z 法，因为Z 法仅需V 法间距的一半，同时，在流体速度很高时，也应选择Z 法。

当管内壁的污垢很厚时，也不适用反射式的V 法而选用Z 法。

但不论采用哪种方法，都很难排除随机的噪声干扰，造成较大的误差。

因此，我们设计了一种新型的相关式超声流量计。

1.2 测量原理分析相关检测技术在国内外文献中研究得很多，但在自来水流量测量中付诸实现仍是较难的课题，本文所采用的相关检测方法如图2所示。

在管道上装有两组传感器，上游传感器和下游传感器，两组传感器之间距离为L 。

相关检测的实质是测出流体通过线性系统时，走过L 长的距离所需的时间τ。

设上游传感器测得的信号是x(t)，下游传感器测得的信号是y(t)，对这两个信号进行互相关计算：dt t y t x t y t x E Rxy T T )()()]()([)(0lim τττ+⎰=+∙=∞→ （1）将系统的输入信号x(t)和输出信号y(t)随时间的变化的记录分别看做是随机过程{})(t x k 和{})(t y k 的一个样本函数。

由于系统是线性的，且不考虑噪声干扰的情况下，可以认为{})(t x k 和{})(τ+t y k 是完全相似的，只是后者在时间上滞后τ。

事实上，由于附加噪声的干扰，二者的波形不可能完全相似。

为了描述二者的畸变程度，引入差值函数e （t ）。

)()()(τ+-=t Ay t x t e （2） 其中，A 是某一常数。

显然，如果存在一个常数a 使得e(t)=0，则有)()(τ+=t ay t x （3） 如上所述，由于噪声的存在，常数a 是找不到的。

为了判断x(t)和y(t+τ)波形相似程度，可采用随机函数方差的概念。

dt t Ay t x TD T 20)]()([1τ+-⎰= （4） 作为衡量x(t)和y(t+τ)之间波形差异的一个尺度。

按最小均方差为判据，D 越小，则y(t+τ)的波形与x(t)的波形相似程度越高。

令0/=dA dD ，可以解出D 为最小值的A 为 dtt y dt t y t x A T T )()()(200ττ+⎰+⎰= （5） 将式（5）代入式（4），化简后可得： dt e t x TD xy T )](1)[(1220min τ-⎰= （6） 式中，)(τxy e 是相关系数)(τxy l 的估计值，且 )0()0()()(y x xy xy R R R l ∧∧∧∧=ττ （7） 其中，)0(x R ∧和)0(y R ∧是在τ=0时的自相关函数的估计值；)(τxy R ∧是互相关函数的估计值。

由式（6）可以看出，当1)(=∧τxy l 时，min D =0。

说明x(t)的波形与y(t+τ)的波形完全相似。

此外，当1)(〈∧τxy l 时，min D ≠0。

表明这两个波形彼此不完全相似。

而且)(τxy l ∧值越小，则min D 值越大，两个波形之间的差别也将越大。

如果对所有的τ值0)(=∧τxy l 恒成立，那么我们就认为y(t+τ)和x(t)之间毫无相似之处。

对于给定的信号来说，)0(x R 和)0(y R 分别为某个常数，故)(τxy l ∧的值只取决于)(τxy R 的值及其变化。

可见，互相关函数)(τxy R 是y(t+τ)和x(t)两个信号波形相似程度的度量。

由于系统是线性的，系统的输出信号和输入信号随时间的变化规律相同，只是它们在时间上相差一个τ=0τ值，此值即为信号在该系统内的传递时间。

在作相关运算时，互相关函数的)(τxy R 值将随x(t)与y(t+τ)之间的相对延时值τ的不同而改变。

只有τ的取值正好等于信号x(t)在系统中的传递时间0τ时，y(t+τ)与x(t)二者的波形最为相似。

此时，在互相关图上，)(τxy R 也将出现峰值，如图3所示。

因此，根据)(τxy R 值的位置，可以确定信号x(t)在系统中传递时间0τ。

1.3 测试系统的软硬件设计根据上述测量系统的数学模型，测试系统的硬件包括超声发射电路、传感器、超声接收电路、配用电路以及单片机和显示电路等部分组成。

如图4所示。

在本系统中，最为主要的是根据测量方法的数学模型，通过软件在单片机计算出0τ。

因为L 是固定的常数，0τ计算出来之后，即可根据0/τL v =计算出自来水的流速，进一步根据管径的大小计算出流量值。

2 总磷、总氮在线测定仪2.1 总磷、总氮在线监控设备的发展与性能参数近来年，国内、外的总磷、总氮在线监控设备日新月异，总磷、总氮一体机运行的准确度、精密度都在提高，占市场份额较大的，常见的进口品牌有日本岛津TNP4110型、日本堀场TPNA 一300型、美国哈希NPW 一150型等，国产品牌有广州新洁XJ 一2011型、宇星科技Yx —TNP 型、湖南力合LFTN(P)一DW 型等。

主流产品日本岛津TNP4110型和美国哈希NPw 一150型共占市场份额80％以上。

国家标准已经明确，总磷、总氮仪器系统应具有设定、校对和显示时间功能；当意外断电且再度上电时，在测定的样品，应具有自动清洗、自动复位到重新开始测定状态；当试样或试剂不能导入反应器时，系统能通过蜂鸣器报警并显示故障内容；目前，各国产、进口品牌仪器大部分都具有数字显示与储存、自动清洗、自动复位、报警及故障显示功能。

2.2 总磷、总氮一体在线测定仪测定原理通过某家厂商提供一款总磷、总氮一体在线测定仪测定原理显示，其总磷的分析方法引用了《(GBll893—89)水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》、《总磷水质自动分析仪技术要求》(HJ/T 103—2003)相关规定，测定流程：采样(自动稀释)后加入过硫酸钾、硫酸后通过紫外光照射、加热进行氧化分解，定量量取反应液添加氢氧化钠调至中性后加入L 一抗坏血酸、硫酸、钼酸铵、酒石酸锑钾混匀，在880nm 吸光度测定得出结果；总氮的分析方法引用了《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)、《总氮水质自动分析仪技术要求》(HJ/T 102—2003)相关规定，测定流程：采样(自动稀释)后加入过硫酸钾、氢氧化钠后通过紫外光照射、加热进行氧化分解，定量量取氧化分解反应液添加盐酸，在220nm 吸光度测定溶液得出结果。

2.3总磷、总氮一体在线测定仪的应用总磷、总氮在线测定仪在国外已广泛使用，技术上已经成熟，而目前我国污水处理厂大部分尚未安装总磷、总氮一体在线测定仪，国内市场前景广阔。

将总磷、总氮在线测定仪应用于污水处理厂的水质监测中，具有污水处理厂预警及出水控制的双重作用，促进污水处理厂及时调整工艺参数，保障出水稳定达标，从而进一步改善我国水环境，严格控制水体富营养化的发生。

3 浊度仪的工作原理与应用3.1 浊度仪的原理灯源发出的白炽光经聚光镜会聚后照射在针孔上；准直物镜将针孔出射的光线变成一束平行度很好的平行光出射；平行光经样品后分解成透过光和散射光（分别记为Tp）和Td），并进入积分球内。

在积分球内壁上装有二保光敏元件，它们分别接收透过光和散射光。

通过光讯号和散射光讯号经电路放大和处理后按下式显示：浊度=K×散射光通量/透过光通量=K×Td/Tp式中 K:比例常数。

假定样品是无色的，进入液体的入射光通量为I0,出射光通量亦为I0。

出射光通量、散射光通量和平行透过去时光通量三者关系为（不考虑比色器皿的反射、吸收等）：I0=Tp+Td如果样品带色，进入液体的入射光将部分被吸收，设液体透过率为T，此时出射光通量I0，散射光通量Td,和平行透过光通量Tp,有关系。

I0=T×I0Tp=T×TpTd=T×Td也就是说：无论透过光或散射光它们的强度都衰减了同一系数T。

此时浊度测量值仍将不变：浊度=K×散射光通量/透过光通量=K×Td,/Tp,=K×T×Td/T×Tp=K×Td/Tp3.2 浊度仪的应用在饮用水工艺流程中，浊度计的应用相当广泛，以下就是浊度计相关的应用点。

饮用水工艺流程应用点浊度仪类型选择滤前（原水，预处理，混凝，沉淀，滤池反冲洗）滤后（滤后水，深度处理，出厂水，管网）光源种类红外光可见光检测方式浸入式/管道插入式流通池检测结构无样水瓶光检测器直接测量无样水瓶光检测器直接测量消泡器无需消泡器消泡器比率测量技术比率测量技术无需比率测量技术4 总结本文列举流量计、总磷总氮在线测定仪、浊度计等仪表的原理及应用，通过以上论述，我们可以发现在水处理过程中，仪表的选择与使用至关重要，直接关系到水处理的最终结果。