智能氨氮传感器设计

分类：开题报告    更新时间：09-03    来源：网络

 一、课题综述及研究意义

水中氮化合物的多少，可作为水体受到含氮有机物污染程度的指标。反映水体受含氮化合物污染程度的几种形态的氮是氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机氮。测定水中各种形态的氮化合物，有助于评价水体被污染程度和“自净”程度。氨氮普遍存在于地面水及地下水中。水中的氨氮是指以游离态氨(或称非离子氨，NH3)和氨离子(NH4+)形式存在的化合态氮的总量，是反映水体污染的一个重要指标。水中氨氮的来源主要是生活污水中含氮有机物受微生物作用分解的产物、某些工业废水及农田排水。氨氮含量较高时，对鱼类呈现毒害作用，对人体也有不同程度的危害。

一定条件下，水中的氨和铵离子有下列平衡方程式表示：NH3 + H2O = NH4+ + OH-。目前测定氨氮的方法主要有纳氏比色法、苯酚－次氯酸盐( 或水杨酸－次氯酸盐) 比色法、电极法、蒸馏－滴定法、靛酚蓝比色法。纳氏比色法是氨氮的经典测定方法， 被许多国家列为标准分析方法。但由于试剂毒性大及方法的灵敏度不够高，水中钙、 镁和铁等金属离子、硫化物、醛和酮类、颜色以及浑浊等均干扰测定，需要作相应的预处理。苯酚－次氯酸盐比色法具有灵敏、稳定等优点，干扰情况和消除方法与纳氏试剂比色法相同。电极法通常不需要对水样进行预处理和具有测量范围宽、快速、灵敏、可靠等优点。蒸馏－酸滴定法适用于氨氮含量较高时的测定。而且蒸馏需要一定的时间，测定的时间比较长。靛酚蓝比色法对氨氮具有特殊的敏感性和相关性，具有较高的准确度、精确度和敏感度。

二、课题拟采取的研究方法和技术路线

近年来，随着传感技术、计算机技术和通信技术的发展，原本功能比较单一的传感器变送器逐渐过渡到具备一定的数据处理能力，能够自识别、自校正和自补偿，且具备一定的网络功能智能传感器。本文所述智能氨氮传感器采用氨气敏、铵离子、pH 和温度四电极复合结构，不需要化学试剂，适用于水体氨氮含量的原位快速检测，并且通过数据融合处理提高了其测量精度。

水体氨氮的原位快速检测原理水体中的氨气和铵离子的浓度与水的离子积常数Kw和NH3碱离解度常数Kb有关，而不同温度下水的离子积常数Kw和 NH3 碱离解度常数Kb是变化的。通过查表1可以得到0～50℃范围水的离子积常数Kw 和NH3碱离解度常数Kb，进而可以通过下式计算水体中的氨气和铵离子的浓度比例 ：

 

其中 ：△ * = pKw － pKb ； pKw = － lgKw ； pKb = － lgKb，当水样的pH提高到11以上时，NH3 + H2O = NH4++OH- 的反应向右移动，可使铵盐转化为氨气 ；当水样的pH值在7以下时，反应向左移动，氨氮全部以铵离子形式存在。所以，利用氨气敏、铵离子、pH 和温度探头同时测量出水体中的 NH3 浓度、NH4+ 浓度、pH 值和温度，就可以计算出当前水体的氨氮含量。

 

三、主要参考文献

[1]HongbinWang,HuaGui,WenrongYang,DaLi,WeiTan,MinYang,ColinJ.Barrow.Ammonianitrogenremovalfromaqueoussolutionusingfunctionalizedzeolitecolumns[J].DesalinationandWaterTreatment,2014,524-6:.

[2] IEEE Standards Board. IEEE standard for a smart transducer interface for sensors and actuators-transducer to microprocessor communication protocols and TEDS formats (IEEE1451.2) [S]. USA:Institute of Electrical and Electronics Engineers I, 1997.

[3]何群华.水体中氨氮测定方法的研究进展[J].广东化工,2013,14:154-155+160.

[4]JiaruiHuang,JunhaiWang,CuipingGu,KunYu,FanliMeng,JinhuaiLiu.Anovelhighlysensitivegasionizationsensorforammoniadetection[J].Sensors&Actuators:A.Physical,2009,1502:.

[5]王剑松.离子敏场效应晶体管(ISFET)pH计在产品质量检测中的应用[J].计量与测试技术,2011,01:19-20.

[6]刘林斌.水中氨氮测定方法比较[J].广州化工,2011,10:110-111.

[7]姜书汉.智能传感器的主要功能和应用发展[J].物联网技术,2011,05:34-35.

[8]丁启胜,马道坤,李道亮.溶解氧智能传感器补偿校正方法研究与应用[J].山东农业大学学报(自然科学版),2011,04:567-571+578.

[9]陈一辉,李伟民,伍培,刘火安,张勤.氨氮测定方法的对比研究[J].环境工程,2011,S1:234-236.

[10]王晓燕,秦海鹏,丁启胜.传感信号检测与智能仪表一体化实验装置研制[J].实验技术与管理,2014,03:66-69+78.

[11]邓翔宇.水质监测中氨氮测定的影响因素分析[J].资源节约与环保,2014,04:123-124.

[12]白雪娟,胡建坤,杨勇,曹彧.氨氮自动监测仪(水杨酸盐法)测定水中氨氮含量的条件优化[J].供水技术,2014,04:49-52.

[13]丁启胜. 基于电化学的水产养殖智能水质传感器的研究[D]. 北京：中国农业大学, 博士学位论文, 2012.

[14]星成霞,王应高,龚丽华,赵静.中水氨氮电极电位测定法研究及应用[J].工业水处理,2009,06:55-58.

[15]王春华,赵岩,杨昌勇,黄岩.集成化离子敏场效应传感器的研究进展[J].微纳电子技术,2008,02:63-68.

[16]于丽莉,霍亮生,周峰.氨氮测定中数据的分析与处理[J].电子测试,2008,08:32-36.

[17]孙振东,李小霞,刘文耀.基于DSP的海水氨氮测量仪[J].电子测量与仪器学报,2003,04:43-45+52.

[18]刘秀宁.氨氮自动监测研究[J].环境导报,2002,06:10-11.

[19]刘文耀,郑伟,孙振东,姜泓,王香然,陈晓晴,王金涛.基于三电极复合探头的氨氮在线测量[J].天津大学学报,2001,02:133-136.

[20]王文萍,郭周芳,尚伟伟,顾晨.水中氨氮的测定方法[J].水科学与工程技术,2012,03:26-28.

[21]俞凌云,赵欢欢,张新申.水样中氨氮测定方法研究[J].西部皮革,2010,05:27-33.

[22]徐陆妹,陈荣乐.生活饮用水中氨氮检测方法的研究[J].中国卫生检验杂志,2010,03:673-674.

[23]詹晓燕,刘臣辉,范海燕,吕信红.水体中氨氮测定方法的比较——纳氏试剂光度法、靛酚蓝比色法[J].环境科学与管理,2010,11:132-134+131.

[24]张彩霞,马小芬,申霖,邓家春,华玉林,印寿根.离子敏场效应晶体管(ISFET)的研究进展[J].材料导报,2007,06:9-12.

[25]林国锋. 青霉素-ISFET生物传感器及信号调理电路研究[D].哈尔滨理工大学, 硕士学位论文,2007.

[26]丁启胜,台海江,王晓燕. 水体氨氮原位快速检测智能传感器的研制[J]. 物联网技术,2013,03:35-39.

二、毕业设计（论文）工作实施计划www.eeeLW.COm

（一）毕业设计（论文）的理论分析与软硬件要求及其应达到的水平与结果

该氨氮智能传感器包括氨气敏探头、铵离子探头、pH 和温度探头、信号调理模块、铁电存储器、微控制器 MSP430、总线接口模块、电源管理模块。利用四种探头，本文通过两种方法检测水体氨氮。第一种是测量水温、pH 值和离子态铵可以得到一个氨氮含量。第二种是测量水温、pH 值和游离态氨可以得到另一个氨氮含量，然后再参考 pH 值和温度对二者进行融合，得到最终的氨氮含量。采用这种方法可以在不用化学药剂对水样进行预处理的情况下，得到较为精确的水体氨氮含量。