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本科毕业论文(外文翻译)
翻译题目 低成本水质检测设备的实现，发展以及分析
低成本水质检测设备的实现，发展以及分析
Indu .K Jishmi Jos Choondal
M.Tech Real Time Embedded Systems, Dept. of CSE Assistant Professor, Dept. of CSE
M S Ramaiah University of Applied Sciences M S Ramaiah University of Applied Sciences
Bangalore, INDIA Bangalore, INDIA
indu.k.warrier@gmail.com jishmi.cs.et@msruas.ac.in
摘要：今年来，社会中面临的最严重的问题就是饮用水水质很差。水质检测之所以重要，是因为被污染的饮用水会比其他疾病源头更加快速的传播疾病。在现有技术下，大众还没有意识到水的饮用性。同样的，准确并且有效率的低成本的系统的缺少造成了意识的缺失。该论文致力于用于水质检测的低成本设备的建立，发展以及分析现有产品的表现。已有的仪器可以测量类似PH值，溶解性总固体，导电性，以及温度等参数。测量结果经过蒸馏水,食盐水,自来水,洗碗水。并且已研究了水，凝乳，以及表现。
关键字：水质检测；水质检测仪器；PH；TDS；导电率；温度；
I简介
大众获得健康，干净的生活环境有以下标准：首先需改善供应的饮用水质；其次，伴随着高效的水源管理，会使卫生设施改善，而设施的改善甚至会促进国家的经济而减少贫困率。全球范围而言，预估有超过18亿人使用被粪便污染的水源。这些被污染的水源变为传播类似伤寒、霍乱、痢疾和腹泻等传染病的源头。被污染了已不适合饮用的水据估计每年在发展中国家以及不发达国家都会引起大量的腹泻死亡案例。这些案例就解释了对安全健康的生活来说，检测水质是不可或缺的。全球统计而言，五岁以下的死亡案例据说有五分之一是由于包括水传染在内的不安全的饮用水所造成的。由于城镇化以及工业化产生的污水没能被高效的处理，导致上百万人的饮用水被不正常或化学污染。主要的挑战包括了建立干净的水源供应系统，改变缺水，地下水位降低，污染加剧，城镇化的现状。许多人已获得了更好的教育以及财政状况，然而生活在拥挤的城市并不难通过付费得到干净的饮用水。将来，干净的水资源再也不是免费的自然资源了。饮用水的质量受水的生物、物理指标、化学和放射学特征的影响。人类的干预以及自然的影响也会影响水的质量。
目前水质测量系统的数据不能容易的为大众所知，尤其对印度而言。为了使公众掌握不同水质测量方法，精确有效率的系统以及仪器已设计出来，在前进的态势面前，互联网技术也可用来获取关于水质参数的信息，但是这些设备对普通人来说还是太贵了。所以设计必须变得更加低廉，所有人都能负担的起，如此一来，持续的实时水质测量即使只在家，招待所，酒店以及公众机构也可完成，来确保干净安全的饮用水可以为所有人获得而无需考虑他们在社会中的经济地位。这篇论文致力于构思，发展一种群众买的起的水质检测设备，并且分析他在稳定性中的表现以及与现有产品相比成本与平均值的标准差。这篇论文在下面几节中包含了背景理论的细节，方法和结果。
II背景理论
水质主要受微生物和非微生物因素的影响。大多数非微生物参数都可以用更少的下个相对迅速地分析,并且可以在网上测量，使用模拟与事件检测算法自动提供实时数据，在发生例如水污染等不正常情况[5]时触发警报。非微生物参数包括降雨事件，水的流速和颜色,pH值、总溶解固体(TDS),温度。
- PH
PH值被定义为的碱度的测量或饮用水中酸度,这基本上是测量在水中的氢离子浓度。pH值分析有助于 大广泛应用,比如工业或国内应用。它从废水处理过程到工业过程中调节水均有应用。监测饮用水pH值很重要有许多原因：例如 人体代谢过程不能承受不平衡的pH值[1]。任何生物体液中pH值的变化甚至可以导致身体中毒素的产生并且削弱人体生成酶和激素的能力，而这些结果会破坏中枢神经系统[1]。它也可以影响大脑的电生理活动以及改变酶形状的能力，这就会导致人体正常代谢活动功能的失败。pH值测量可以 使用玻璃电极相结合的办法,是氢溶液中离子通过选择性障碍迁移, 从而产生一个可测量的势差(电压) 与溶液的pH值成正比。饮用水的pH值应该是6.5至9之间[7]。
B电导率
当盐溶解在水中时水就会导电的。它是由测量离子的浓度或盐溶解度所决定[7]。导电率直接相关于水的总溶解固体(TDS)。水的导电性主要依赖于水的温度，水中的离子或离子浓度,其流动性(离子)和氧化态。水电导率突然改变主要是因为污染[1]。在排水系统泄漏或农业径流的情况中,增加如硝酸盐、氯化物、氟化物和磷酸盐的离子浓度可以提高导电性,但在某些情况下,导电率会降低。这两种的情况下，都对饮用水的质量有负面影响。水的盐度通过水位和水流变化导致电导率的变化。温度变化使电导率发生剧烈波动，导致分层从而水的密度发生变化，这些变化使吸收这些水对人体有害。纯净水不导电[2]。
C.TDS
TDS表明有机盐以及类似钾、镁、钠、碳酸盐和重碳酸盐矿物质的无机盐溶解在水中的含量。它可以用每毫升单位体积的水或PPM(PPM)来表达。在饮用水中,TDS可在化学物质处理水时发现,当水通过分销系统传输时，自然资源,通过与工业废水或污水混合。TDS和电导率有关,如公式(1)所示，转换因子是一个随盐在水中不同含量而变化的常数。
TDS =转换因子times;电导率 (1)
对氯化钠溶液而言，转换因子是500和对氯化钾溶液而言,其值为570。对自然水,转换因子是670。
D温度
由于化学反应造成水温发生重大变化，将影响水的电导率和TDS。这种现象可以由仔细观察确认。离子迁移率和离子的浓度也会导致溶液的电导率发生变化。温度通过摄氏温标测量出来。
III方法学
基于使用如国家仪器仿真的电路软件工具得到pH值、电导率、TDS和温度参数的鉴定方法来进行建模。系统的框图表示在图1。
图1 水质监测系统的框图
系统包括四个子系统即pH值测量子系统、电导率测量子系统, TDS测量子系统和温度子系统。从这些子系统得到的输出被发送到微控制器的模拟数字转换器(ADC)并显示在屏幕上。
- pH值测量子系统
图2是pH值测量子系统的框图。结合玻璃电极中的参比电极总是随着液体PH值的变化而持续不断的产生电压。介于plusmn;414 mv 之间酸度计电极的输出毫伏被发送到一个使用会输出电压的TL081集成电路(IC电压跟随器)的电压输出器。
图2 pH值测量电路框图
不能直接将负电压给单片机,电压必须被赋予一个阈值来获得一个正电压,该正电压可以输入单片机。通过使用LM317 IC设计稳压电路和使用OP07 IC设计分压器电路,所需的阈值可以变为到负电压。使用LM741 IC设计加法放大器将电压跟随器输出电压加起来并将该电压发送到单片机的ADC。图3所示为电路仿真图表示pH值为7的输入电压。
图3 PH信号调节电路
B .导电性和TDS测量子系统
图4表示电导率测量子系统的框图。电导电极是通过浸在溶液中测量电导率的一个双电池镀铂电极。交流电（AC）应用于正电极和负电极的环路增益。将环路增益的输出给整流电路，而将交流电转换成直流电(DC)。由于两电极之间的离子运动,溶液导直流电但无法衡量直流信号,因为电流将会将传导电流的分子电离，使得穿过电极的确定不可靠，导致难以获得电导率值。
图4 电导率测量电路框图
图5 电导率信号调节电路
但是如果交流信号大于1 khz频率,因为分子撤出，所以即使在其位置来回运动，分子也没有分裂为两原子。为了产生交流信号,在低频下也能产生稳定输出的文氏桥振荡器已被用于设计。图5表示使用TL084 I的模拟电导率测量电路设计。TDS也可以用上面的电路，因为水的TDS和电导率是直接相关的,如(1)。
单位测量电导率微西门子/厘米(mu;S /厘米)。TDS以毫克每单位体积的水（mg / L）或以百万分之一（PPM）测量。
C.温度测量子系统
在温度测量子系统中，LM35温度感应IC通过焊接变为防水传感器。 测量在摄氏度标准下进行。
D.模拟电路的开发
用于测量pH，电导率，TDS，温度用硬件实现并且分析性能。设计中使用的微控制器是开源硬件UNO。为了测量水的温度，LM35被转换成图6中所示的防水传感器。
图6 温度传感器
图7 Ph值测量电路
图7 - 8是用如印刷电路板(PCB)制作的硬件开发的pH和电导率测量电路,ICS的主动和被动部件。
图8 电导率测量电路
所用的pH电极是复合玻璃电极，电导率电极是镀铂电极。已对pH电极的pH电极和用于导电性电极的氯化钾溶液两个电极进行校准。 pH电极的校准基于两点校准程序。
IV结论
- 仿真结果
本节将讨论通过软件工具Multisim和硬件得到的仿真结果。图9展现了pH值为4时， pH测量电路产生输出电压。电压调节器IC产生1.25V的电压，分压器IC产生625mV的电压，直流电源用于提供对应于pH值的电压。
图9 pH值为4时的输出
电导测量电路的仿真结果如图10所示。当输入电位器设置为85％时，文式桥振荡器产生正弦波并且可以用二极管设计的桥式整流电路将AC信号转换为DC信号。
图10 电导率测量的仿真结果
B.硬件结果分析
将设计的pH测量电路的结果与市场上已有的产品结果进行比较。通过验证例如蒸馏水，具有不同浓度的氯化钠的盐水，自来水，餐具和水，凝乳，红茶和黑咖啡等不同样品，来比较得出结论。图11-12描述了设计的pH电路和一产品在测量蒸馏水以及洗碗水的读数之间的差异。从结果看，证明来自市场的产品和设计电路自身在测量pH值平均值上均具有读数的稳定性。
图11 .比较蒸馏水的pH测量值
图12.比较洗碗水的pH测量值
对于较低和较高的pH值，与开发的设备相比，市场上的产品偏离平均值更大。在产品的整个适用范围内，读数的稳定性更好，但仅在中性pH下是稳定的。图13表示设计设计与买到产品在较低pH值下测量凝乳的结果。
图13 测量凝乳的pH值比较
图14中，对开发装置和市场上的产品进行电导率测量结果比较。 使用TDS测量仪，并且使用如（1）中的线性关系确定EC。 当2g盐与半升水混合时，预期的TDS值为4000ppm每百万（PPM），理论上电导率约为8V。 来自实验的TDS和电导率的测量值分别为7.92和3960PPM。
图14 设计器件和市场产品之间的电导率测量比较
实现设计的成本必须与国外和印度市场上的实际产品比较，以确定该设计系统成本低的。 图15中的条形图详细地展示了比较。以美元计价时，不同公司pH仪，单独pH探头，电导率探头和仪表的价格。
图15 成本比较
进行比较的公司有Atlas-Scientific，Scilog，Milwaukee和Indiamart。 不同产品的成本相比，开发设备的总体设计成本约为60美元，市场价格从100-2000美元不等。
V结论
在本文中，讨论了一种可负担的低成本水质测试装置的建模，开发和分析。在国家仪器的模拟软件multisim上进行模型的设计。在不同情况下，分析究电路在不同阶段的模拟结果。在硬件上实施，结果与市场上可用的产品进行比较。通过比较设计设备和产品的pH测量值，便可发现对于pH值为7时，两种结果都是稳定的（偏差不超过0.04），但是在较低和较高的pH下，与设计的电路相比，在较低和较高处测量，产物得到的结果平均值不太稳定。设计设备的电导率测量误差大大降低到0.07，而相比之下产品产生0.15的误差时，在稳定情况下，测量误差在0.15处的产品与平均值相比并没有产生较大偏差。水的T
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