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测量水污染的传感器 [摘要] 监测水和废水需要用到通用传感器和专用传感器。本文介绍了用于监测明渠和管线系统的水和废水的各种传感器。 美国1972年制定的“清洁水法规”（CWA）和1974年制定（1986年修正）的“安全饮用水法规”（SDWA），以及在这之前制定额“美国国家污染物排放消除系统”使得美国所有额工业部门都清楚地意识到了水污染问题。这几项法规要求对水和废水进行严格的监测，包括监测化工产排放物的浓度、冷却水的渗漏、废水处理、过程水净化、地表水迳流等。 这样大量的工作只有通过使用各种传感器才能完成。与传统流量、水位、压力和温度装置配合使用的是一组特别适用于监测环境参数，如明渠流量、溶解氧、pH、电导率和浊度等的传感器。 在选用适应这些目的的传感器时，首先要考虑的是被监测水中可能存在的化学物质种类。例如，若传感器要与烃类物质接触则传感器就必须是防爆的；如果被监测的流体是腐蚀性的，传感器就应该是防腐蚀的。 同样，还要记住的就是大多数水和废水装置都基本上用不着维护。因此，设计或定制的传感器应尽可能简单以减少出现早期故障或失灵的可能性。 明渠流 所谓明渠流是指其部分流路暴露于大气中的液体传输。这包括天然水路，如河流、阴沟、水道、水槽和在重力作用下的管流。典型的需要测量流量的明渠包括下水道，水和废水处理厂，工业废物排放以及天然水路。 明渠流量测量的方法包括： ? 时间重量测定法——该法使用一个容器和一只秒表，常常用来校准或校验其他流量而定装置的准确度。 ? 稀释法——往管道中加入一种示踪液，然后在下游测定其浓度。 ? 速度域法——速度域装置（通常是在明渠测量中常用的测量仪器）测定一个一直横断面的平均速度。 ? 梯度/水力半径法——该法测量涵洞的流量，其流量可以用Manning公式计算。要用Manning公式，就必须知道流速、渠长、水力半径和粗糙度因子。 粗糙度因子的设计值通常可以在参考书中查到，同事取决于渠的构成材料。其他影响粗糙度因子的因素包括：渠的曲直，渠中有无淤泥、障碍，流体的深度和悬浮物。粗糙度因子随着时间而变化，通常是增大。 ? 水力装置法——这种测量明渠测量的方法是一种在渠中能对各种流速产生一已知效应的装置。最常用到水力装置法的是堰和水槽。 堰基本上是一个坝，其顶部通常呈矩形、梯形或V型开口。水力装置是明渠尤其是大的明渠测量装置中最简单最便宜的。流量是水位或水头——即从堰的上游某点至堰顶边的水位差的函数。一旦知道了水位差（水头）就可以用水头/流速关系式求出流速。 上游水位一般可以通过测量与渠旁通的静井中液位而得到。位于渠边缘的静井既保证了测量精度，又不会影响渠的流动。其可以通过普通液位测量装置测得，这包括浮标、气泡器，电气的、超声的或淹没的压力传感器等。堰中的实际流量范围是20:1.水中的淤泥和其他固体物质会在堰中逐渐沉积起来而影响到测量的精度。 水槽有特殊的几何结构，当流体流过时其流速随水位的改变而增加。这种几何结构给出了水槽中某一特殊点的水位和流速的直接关系。最普通的水槽是细腰槽和帕尔默尔—博拉斯槽。 虽然水槽比起相同容量的堰来讲成本上要贵2~3倍，但水槽有不少优点。例如： ? 尺寸相同时，水槽能测更大的流速； ? 有更小的水头损失； ? 有更大的流速范围（35:1）； ? 能冲走固体物。 溶解氧（DO） 溶解氧的测定是水污染和废物处理过程控制应用中的一项重要组成部分。之所以在废水分析中测量溶解氧是因为有机固体物质的生物降解取决于氧。溶解氧同样用来控制腐蚀，特别是在锅炉和冷却水中。在溪流、江河、湖泊和其他水系中，常常测定溶解氧以确定鱼类及其他水生动物有足够的氧维持其生命需要。要维持鱼类的生存，水中溶解氧应保持在4~6毫克/升。 典型用于分析溶解氧的传感器包括： ? 原电池——该种传感器由电解液和两个电极组成。通常为探头式的。随着电极与电解液之间氧含量的平衡，电极上需要一个产生极化的电压。这就会发生电化学反应从而在电极上产生一与电解液中氧浓度成正比的电流。 ? 极谱电池——该传感器类似于原电池，但使用了两个贵金属电极。它需要一个极化电压从而减少阴极上的氧。产生的电流同样与电解液中的氧浓度成正比。为了保证测量精度，必须对样品温度加以控制。 ? 多阴极电池——该电池用3个电极与电解液相联。氧在阳极上产生，阴极上消耗。由于电池内部是平衡的，因而就不会有氧的增减。该电池的主要优点是污垢只影响响应时间，而无电极消耗。 ? 铊电池——铊电池有多种类型。通用的一种是由一个外环铊电极和一个内环参比电极组成。与铊接触的氧会引起化学反应而在电极表面生成亚铊阳离子，该离子的浓度正比于电池中溶解的氧浓度。 大多数测量溶解氧的传感器都是在污水中使用，因而需要有清除器、搅拌器或特殊样品体系。原电池和极谱电池要有一个最小速度——一般