地表水多参数测量新技术研究

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pH、电导率是地表水水质的重要参数,针对这两个参数的测量,国内外使用最普遍的测量方法分别为pH玻璃电极法和电导率电极测量法。然而该类测量方法在实际应用中依然存在诸多问题,比如玻璃电极易碎、测量前需要充分浸泡、测量精度容易受到温度和被测溶液的影响;电导率电极的抗污染抗腐蚀能力比较差、电极的极化效应影响测量精度等。为了克服以上测量方法存在的问题,本文设计了一个以掺硼金刚石(boron-doped diamond BDD)电极为研究电极和对电极,饱和甘汞电极为参比电极的三电极传感器。掺硼金刚石电极是一种新型的电化学电极,该电极利用sp3键结构的掺硼金刚石薄膜作为电极材料,使得电极具有优异的导电能力及电化学特性,如电势窗口宽,背景电流低,物理化学稳定性强且吸附能力差等特点。基于该电化学三电极体系,本文采用计时电位法和方波电流法实现了对pH和电导率的同时测量,克服了碱性重金属离子对pH值测量的影响以及极化效应对电导率测量的影响。本文还设计了一个可同时测量散射光和透射光的浊度传感器,利用散射法和透射法的分段测量,拓宽了浊度的测量范围及测量精度。另外加上温度的测量,本系统实现了对地表水水质的多参数测量。本论文设计了多参数测量的软硬件系统,硬件部分主要设计了一个以C8051F120为核心的测量系统,该系统包括恒流源的设计,多路信号的选通,信号采集,A/D转换以及RS232通信等等;软件部分设计了一个基于MCGS嵌入版组态软件的工业控制系统,该控制系统可用于对外部工业设备的控制以及对测量数据的处理和显示。本文还设计了实验环节,该部分主要包含了三类实验,分别为电导率实验、pH实验以及浊度实验。通过电导率实验确定了一个最佳的电流激励,并确定了测量电压与电导率之间的线性关系。pH实验在选择最优条件(电流密度及BDD电极的掺硼浓度)的情况下进行,实验结果表明溶液的pH值与测量电压呈很好的线性关系。浊度实验测量了在0~1000NTU范围内,透射光信号和散射光信号的响应情况,通过对测量数据的分析明确了散射光测量法和透射光测量法的测量范围。本文设计的BDD三电极一体化传感器集地表水的pH和电导率参数测量于一体,弥补了传统测量技术存在的缺陷,推动了地表水pH和电导率参数测量技术的进步,提高了地表水多参数测量仪的稳定性,降低了仪器的制造成本。分段法散射和透射技术的联合应用,提高了浊度测量的宽度及准确度。本文的主要创新点如下:(1)在国内首次采用BDD电极实现了对地表水pH和电导率两个参数的同时测量;(2)采用BDD为工作电极的电化学三电极体系,设计并制作了同时测量地表水电导率和pH两个参数的一体化传感器。
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