水质分析仪的工作原理及特点 分析仪是如何工作的

一、前言

     随着近年来我国经济的快速发展，城市的工业和生活垃圾大量增加，目前对垃圾进行处理的主要方法是卫生填埋，而进行填埋都是露天作业，垃圾经压实后，随着垃圾中生物的分解及遇到雨雪天气时，雨水和雪水渗入填埋区，会产生垃圾渗滤液。渗滤液属高浓度有机废水，浓度值变化范围大，其中含碳氢化合物、硝酸盐、硫酸盐及微量铜、镉、铅等重金属离子，细菌指标很高，如不进行处理直接排入水体，将严重污染当地的水环境。为了保护水环境，必须加强对污水排放的监测。检测点的设计和检测仪表（主要是水质分析仪）的质量对水环境监测起着至关重要的作用，本文结合某一污水处理厂的设计谈谈这方面体会。

二、水质分析仪的工作原理

     污水处理厂使用的分析仪有两种：pH计和溶氧分析仪。 

     1、pH计的工作原理

     水的pH值随着所溶解的物质的多少而定，因此pH值能灵敏地指示出水质的变化情况。pH值的变化对生物的繁殖和生存有很大影响，同时还严重影响活性污泥生化作用，即影响处理效果，污水的pH值一般控制在6.5～7之间。 水在化学上是中性的，某些水分子自发地按照下式分解：H2O=H++OH-，即分解成氢离子和氢氧根离子。在中性溶液中，氢离子H+和氢氧根离子OH-的浓度都是10-7mol/l，pH值是氢离子浓度以10为底的对数的负数：pH=-log，因此中性溶液的pH值等于7。如果有过量的氢离子，则pH值小于7，溶液呈酸性；反之，氢氧根离子过量，则溶液呈碱性。 pH值通常用电位法测量，通常用一个恒定电位的参比电极和测量电极组成一个原电池，原电池电动势的大小取决于氢离子的浓度，也取决于溶液的酸碱度。该厂采用了CPS11型pH传感器和CPM151型pH变送器。具体结构如图1所示，测量电极上有特殊的对pH反应灵敏的玻璃探头，它是由能导电、能渗透氢离子的特殊玻璃制成，具有测量精度高、抗干扰性好等特点。当玻璃探头和氢离子接触时，就产生电位。电位是通过悬吊在氯化银溶液中的银丝对照参比电极测到的。pH值不同，对应产生的电位也不一样，通过变送器将其转换成标准4～20mA输出。

　　2、溶氧分析仪的工作原理

     水中的氧含量可充分显示水自净的程度。对于使用活化污泥的生物处理厂来说，了解曝气池和氧化沟的氧含量非常重要，污水中溶氧增加，会促进除厌氧微生物以外的生物活动，因而能去除挥发性物质和易于自然氧化的离子，使污水得到净化。 测定氧含量主要有三种方法：自动比色分析和化学分析测量，顺磁法测量，电化学法测量。水中溶氧量一般采用电化学法测量。麦该厂采用了COS 4型溶氧传感器和COM252型溶氧变送器。 氧能溶于水，溶解度取决于温度、水表面的总压、分压和水中溶解的盐类。大气压力越高，水溶解氧的能力就越大，其关系由亨利（Henry）定律和道尔顿（Dalton）定律确定，亨利定律认为气体的溶解度与其分压成正比。 以COS 4氧量测量传感器为例，结构如图2所示。其中的电极由阴极（常用金和铂制成）和带电流的反电极（银）、无电流的参比电极（银）组成，电极浸没在电解质如KCl、KOH中，传感器有隔膜覆盖，隔膜将电极和电解质与被测量的液体分开，因此保护了传感器，既能防止电解质逸出，又可防止外来物质的侵入而导致污染和毒化。 向反电极和阴极之间施加极化电压，假如测量元件浸入在有溶解氧的水中，氧会通过隔膜扩散，出现在阴极上（电子过剩）的氧分子就会被还原成氢氧根离子： O2+2H2O+4e-® 4OH-。 电化学当量的氯化银沉淀在反电极上（电子不足）：4Ag+4Cl-® 4AgCl+4e-。 对于每个氧分子，阴极放出4个电子，反电极接受电子，形成电流，电流的大小与被测 图1 pH测量电极（左）和参比电极（右）的结构 图2 三电极COS溶氧传感器结构图 污水的氧分压成正比，该信号连同传感器上热电阻测出的温度信号被送入变送器，利用传感器中存储的含氧量和氧分压、温度之间的关系曲线计算出水中的含氧量，然后转化成标准信号输出。参比电极的功能是确定阴极电位。 COS 4溶氧传感器的响应时间为：3分钟后达到最终测量值的90%，9分钟后达到最终测量值的99%；最低流速要求为0.5cm/s。

三、特点

　　1、pH计的特点

     pH电极上的玻璃随着时间推移会逐渐老化，梯度（单位pH值变化所引起的电极输出电位的变化值）恶化，花费较长时间才能达到稳定电位。一般电极的使用寿命，可达两年。另外，温度对老化也有较大影响，100℃下贮存几周的老化程度相当于室温下贮存一年的老化程度。 pH计具有高精度、高可靠性、安装及维护方便等优点，同时对污染也较敏感，需要经常标定，一般每隔一个到一个半月标定一次，每两年更换一次电极。

　　2、溶氧仪的特点

     溶氧仪具有安装方便，标定周期长（3～4个月），对其他物质不敏感等特点，并且能监测隔膜和探头内电解质的使用情况，一般每一至三年更换一次电解质和隔膜。 COM252型溶氧变送器属智能化仪表，带有HART或Profibus通讯协议，还具有自诊断功能，当发生故障时，会显示故障代码，提示维护人员故障所在，通过查维护手册找出解决故障的办法，大大降低了维护时间和工作量。

四、安装及维护

　　1、pH计的安装和维护

     pH计的安装方式有流通式和浸入式两种。污水处理厂一般选用的是浸入式安装，如该污水处理厂的pH计安装在氧化沟的出口溢流槽内，此处的pH值较具有代表性，且水流平稳，对pH计不会造成大的冲击。 定期的维护有助于仪表的准确测量和延长仪表的使用寿命。应当注意传感器和变送器之间的专用电缆不能受潮，否则电极的高阻低压信号将无法传送至变送器。若电极不测量时，应将黄色保护套管套上，它能使电极处于湿润状态，有利于延长电极的使用寿命。每隔一个月左右，应对电极进行清洗，先用柔和的水流喷洗附着物，再将电极浸泡于清洗液中一段时间，而后用清水洗净。传感器支架也应清洗。每次清洗之后，要用缓冲剂溶液进行标定，目前国产的pH标定液中，pH=4的还可以，pH=7的不够准确，将会影响标定结果。所以可以使用生产厂家的标定液，生产厂家一般提供两瓶标准溶液，一瓶pH值等于7，用于标定仪表零点；一瓶pH等于4，用于标定仪表的信号输出斜率。

　　2、溶氧仪的安装和维护

     溶氧仪一般采用浸入式安装，在此应注意，一定要选用原厂的安装支架。厂家配带的安装支架为不锈钢制成，带有塑料链条，通过调整链条长度可以改变传感器的浸入深度，支架上的引导管保证了传感器始终处于垂直位置。支架部分都经过特殊设计，它可以将水面的波动传至浸入管，从而引起浸入管的轻微振动，使得通过浸入管在探头的表面产生一个附加的清洗效果。有的用户为了减少投资，自己制作安装支架，往往导致支架上的浸入管和传感器之间密封不严，污水渗入，使得专用电缆和传感器的连接处长期浸泡在污水中，容易造成传感器的损坏；有的甚至不做安装支架，直接将传感器投入水中，这样在传感器和电缆之间会形成较大的拉力，传感器更容易损坏。 溶解氧探头每周应用水轻轻清洗，发现膜头损坏应及时更换，电解液受污染也应及时更换。当污水中含有H2S、NH3、苯或酚这些成份时，对膜头是有害的。在这种场合下必须经常更换膜头。判断探头中电极的好坏只需看颜色即可，参考电极应是黑灰色，阴极（金电极）应呈黄色，而反电极必须发亮，否则应进行清洗或再生。

五、结束语

     随着我国对水资源保护的日益重视，污水的净化处理显得越来越重要，而与之配套的处理过程所需的检测仪表是必不可少的。水质分析仪作为污水处理行业中较为重要的仪表，除了选型和安装正确以外，定期的维护和标定也十分重要，而且是使仪表能够真正发挥作用的关键所在.

工作原理

氧传感器的关键部件是氧化锆，在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。为了使电池保持额定的工作温度，在传感器中设置了加热器。用氧分析仪内的温度控制器控制氧化锆温度恒定。氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器(又称氧探头、氧检测器)、氧分析仪(又称变送器、变送单元、转换器、分析仪)以及它们之间的连接电缆等组成。

主要原理

氧化锆探头是利用氧化锆浓差电势来测定氧含量的传感器，其核心的氧化锆管安置在一微型电炉内，位于整个探头的顶端。

氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量P小于空气氧含量P0(20.6%O2)时，空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电极反应:

O(P0)+4e-→2O-2

氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应:

2O-2 →O(P0)+4e-

由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E,该电势信号符合"能斯特"方程:

E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管温度(K), P0是空气氧含量(20.6%O2), P 是烟气含量。由(1) 式可见，在一定的高温条件下(一般)600℃)，一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下，其电势值在高温区域内对应氧含量。 在理想状态下，当被测烟气与参比气浓度一样时， 其输出电势E值为 0 mV, 但在实际应用中，锆管实际条件和现场情况均不是理想状态。 故事实上的锆管是偏离此值的。实际上，一定氧含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和，我们称为无浓差条件下锆管输出的电势值为本底电势或称为零位电势， 此值的大小又在不同温度下呈不同的值， 并且随锆管使用期延长而变化。 因此， 如不对此情况处理，会严重影响整套测氧仪的准确和探头寿命。