PH在线检测仪的结构设计 毕业论文.docx

ph在线检测仪的结构设计摘要随着人们生活水平的提高，人们对饮用自来水的饮用要求有了进一步提高。高精度稳流器是为检测自来水三个主要测量标准（含氯量、浓度、ph值）中的含氯量而进行研制。其主要功能是使随机性较大的水速流至稳流器后的到某一基本恒定的均速。以使于随时方便地检测自来水的含氯量。该产品是在原先进的设备基础上进行的大胆的改进而成。经几个月的研制、检测，结果表明它不但能很好地满足技术要求，达到出水均速约30升/小时。而且结构比原型更为简单，且安装方便，外型上也做了一定的改进。本报告主要讨论稳流器的设计过程中发现的问题，同时对产品的性能作了一番汇报，并设计出改善后设备。关键词：检测；稳流器；改进yesterday is dead, forget it; tomorrow does not exist, dont worry; today is here, use itanimo !xviabstractrequires to water for drinking are made more strict with the improvement of peoples living level .high intensive constant velocity instrument is researched for checking one of the three main measuring criteria-the quality of cl .its chief function is to gain a approximately constant velocity when random velocity water flow through it .this product has great improvement on the base of former equipment. the results prove that the product not only reach technical requirements (outside velocity approximate 30l/h ),but also is simple in structure and conveniently installed ,and its appearance is more wonderful .this report mainly discusses the devise process and questions during design .in the same time ,the properties of the product are discussed in this report . keywords: detection；current regulator；improved目录第一章 绪论引言随着我国改革开放的进一步发展，工农业生产得到了迅猛的发展。但由于片面追求经济利益，忽视了对环境的保护。工业污水、废气、废烟等不经过处理直接排放，不仅造成了对大自然的极大污染，而且影响着人类的健康、安全。当前，工业所带来的污染问题对自然环境和人们的身心健康带来了不容忽视的危害。国务院关于环境保护若干问题的决定提出了2010年环境保护的目标，即要实施对污染物排放总量的控制。ph值是控制污水和工业废水排放的一个重要指标，国家环保局在工业废水排放标准中明确规定了排放污水和工业废水的ph值(ph值定义为1l中已经电离的氢离子浓度的负对数，即ph=-logh+。)必须在65-85之间，中国环境监测总站则规定包括黑色冶金、合成洗涤剂、化肥、农药等在内的排污企业中，ph值为废水排放总量控制监测的必测项目。长期以来作为一种重要的数据测量仪表，测量仪一直被广泛地应用于各种工业现场。在90年代以前，人们主要使用机械式测量仪。但由于机械式测量仪内部结构复杂，活动部件较多，故可靠性差，易出现机械故障。此外在机械式测量仪的使用过程中，需定时更换记录纸和记录笔，使其在长期运行中费用较高。为了弥补机械式测量仪的不足，有必要研发一种新型测量议。进入90年代，市场上出现了一种新型记录仪表-ph在线检测仪。这种检测仪使用了微处理器和大存储量的flash存储器，能够自动地记录工业过程数据，并可对记录数据进行分析处理，同时还具有usb接口功能，可以进行数据的转移传输，以及可靠性高和长期运行费用低(30w)等优点，因而迅速被广大用户所接型受。目前，很多ph值的测量仍是采样分析，这只能反映采样时的瞬时值，只有连续测量才能客观的、真实的反映该排放废水的ph值。近年来随着微电子技术和智能化技术的发展出现了以微处理器为核心的ph测量仪。ph测量仪代替手工分析，节省了人力、减轻了劳动强度、改善了劳动条件。仪表监控在准确、灵敏、及时、连续等方面具有自身的优势，这对现代化监控系统的运行是十分必要的。大家都知道当今社会提倡可持续发展观，节能减排已是时代的趋势，资源的重复利用已被大力提倡， ph在线检测仪作为一种先进的ph值检测设备已被大量需求，然而中国市场上的大多数ph在线检测仪都是进口的，价格昂贵，所以发展国产ph在线检测仪已是市场经济的需要。为此，我做此课题的研究，希望有所成就，引领ph在线检测仪的国产化。ph在线检测仪的工作原理是利用国产7312型ph玻璃白金电极在经过稳压稳流处理后的水流中电位差换算出ph值，经闭环控制系统调整缓冲液控制阀，进行ph值的调整，从而达到对水质的连续检测，进而保证测量的准确度及稳定性。ph在线检测仪是水处理过程的关键仪器，本设计的目的就是通过改进国产的7312 型测量仪进而设计出满足测量精度要求且结构简单、操作方便、外观漂亮的测量仪进而取代进口设备。第二章 原始数据及技术要求2.1原始数据：1、进水压力 0.05-0.115（mpa）,可调。2、出水速度 25-35升/小时。3、进水压力波动正负0.1mpa时，出水速度误差正负5%。2.2技术要求：1、保证技术指标实现情况下，结构简单。2、安装方便。3、金属构件要防锈。4、管及水接触膜体采用硬聚乙烯材料。5、阀体必须固定在箱体内，且有150150mm2观察窗口。6、箱体与墙采用壁挂式，装装拆方便。7、箱体外型美观。第三章 关键问题及难点3.1保证流过ph在线检测仪中液体流量的稳定。由于流过管道的液体的密度的差异性以及管道的粗糙度和管道的弯曲性和水源流量的差异性造成了液体流量的不稳，所以为保证这个问题的解决，我们就需要在ph在线检测仪中引进稳流阀，通过稳流阀的稳流从而解决这个问题。那么我们就讨论稳流阀的原理，从原理上看，当出口载气阻力增加时，气体流出稳压阀速度变慢，导致p3和p2的压强升高。这一升高导致针阀向右移动，开度减小，通过针型阀的气体流量减小，从而保证了p3的稳定，简单的说就是单位时间内，通过这各阀的气体流量控制在一个设定值。怎样去设定，就看这个阀的灵敏度和先进程度： 机械式的就采用高精度弹簧，通过调节弹簧的压缩高度来实现控制。 电子式就需要传感器等敏感元件，通过仪表信号控制为基础控制其流量，从而实现稳流控制 。在一条直线上的为一个进气口一个出气口, 进气口处标有箭头，垂直于进出口之上的可接 压 力 表或不用堵住. 输出压力的大小通过旋钮调节,逆时针方向转动输出压力减小,反之, 顺时针方向转动输出压力增大.旭析气体属于精密阀门，在使用过程中应当缓慢调节.为了达到良好的使用效果, 长时间不用应逆时针转动使输出压力为零(即关闭)。还有的稳压阀为1个进口2个出口,与旋钮轴在一条直线的为进气口，通常进气口处标有箭头在进气口旁边的并且与进气口平行的为出气口，有的还有另一个出口，在气体稳流阀侧面可接压力表或不用堵住. 输出流量的大小通过旋钮调节,逆时针方向转动输出流量增大,反之, 顺时针方向转动输出流量减小. 旭析气体属于精密阀门，在使用过程中应当缓慢调节.为了达到良好的稳流效果,一般要在稳流阀前加接稳压阀。3.2 可靠金属构件要防锈处理。由于流过ph在线检测仪的水中含有大量的正负离子，将会与金属构件发生化学反应，甚至电化学反应，这样不仅腐蚀金属构件，还会影响液体的酸碱性，从而影响ph在线检测仪的准确性，所以与水接触的结构件采用硬聚乙烯材料。3.3 电极的敏感性。由于ph值是通过稳压稳流处理后的水流中电位差换算而出的，所以电极的敏感性也影响测值的准确性。以玻璃电极为指示电极，白金电极为参比电极组成电池。在25理想条件下，氢离子活度变化10倍，使电动势偏移59.16mv。为了提高测定的准确度，校准仪器时选用的标准缓冲溶液的ph值与水样的ph值接近，这样就能尽量保证ph在线检测仪的检测误差在允许范围内，所以这里我将采用玻璃电极。第四章 总体设计以往人们在测量自来水含氯量时，总是就地取水样，通过化学方法测出含氯量。这种方法不仅测量精度低，而且其更严重的局限是只能静态地测量，对活动的水源就显得素手无策。而且其测量时间就显得长。因为为了提高其测量精度必须反复进行测试以缩小误差。显然，这种方法已越来越不能适应现代化节奏。我们对进口稳流器进行了剖析，进行了大胆的尝试和改进。研制了现在的稳流阀。其简单原理为：因为进口水流速度随机性较大。阀腔内的针阀芯随着进口水速的变化而相应地控制流进阀体的水量。从而使出口速度基本为恒速，从稳流阀接出来的电极能精确地测出水中的含氯量。为了便于观察，在阀体前安装柱状有机玻璃体，里面装一袋细砂，可以粗略地观察稳流速度。再将阀体设置在箱体中，据实验表明，这种稳流阀能很好的达到稳流，为精确地测量含氯量打下良好的基础。箱体推架用型铝组成，前面观察窗口前用有机玻璃折弯成型。背部用薄铁皮折弯而成，直接在薄铁皮上打孔。达到装拆方便，能直接与墙上钉子配合。最后对箱体进行色彩组合，已达到最佳效果。在附件设计中，在进水管入口端安装一球形止回阀。以防一旦关掉水源后，观察窗口中水流带动细砂回流。这样，稳流器全套完成。第五章 稳流阀体设计稳流阀体得总体设计思路是由上座和底座两片硬塑料圆盘围成一腔体。中间以膜片间隔。这样膜片一边为水，一边为空气。在空气侧加一缓冲簧，以与水流压力相平衡。而在水侧，以一复位簧抵住阀芯。使阀芯位置随进水压力的变化而作相应的变化。以达稳流目的。这里外壳材料均用硬聚氯乙烯加工而成。腔内考虑到耐用性问题，故将水侧原铝材夹板和压钉换成不锈钢材料。以防水对铝质材料进行腐蚀，因而在阀体设计中还牵扯到防腐蚀问题，具体设计如下：5.1 底座及上座设计在总体设计思想中已经提到，底座及上座均为由硬聚氯乙烯加工而成的150圆盘。在接合处中间各去掉一 ，形成一腔体。底座为进水腔，上座为空气腔。如图5-1图5-1为防止进水腔的水进入空气腔。在上座与底座间加了一层=0.7的膜片。该膜片由耐油橡胶制成，更加强了密封性。而在空气墙侧，为使于空气压缩流动，在上座下端形成一空气孔与大气相通，为进多加注密封性，底座与上座的连接用了8对螺钉螺母（镀锌）。因为原有的硬纪律乙烯班为方形，加工时先在方板上画150圆，锯掉余量。但怎么去加工光滑呢？在没有特殊夹具的情况下，只能先在压板中心打一小孔，然后塞入一段圆铁棒。这样利用普通车床上的夹具夹住圆铁棒，就可以加工了。但是这又产生了新的问题，对上座而言，只要小孔钻在空气腔侧就没有问题了，但对底座而言，因为阀芯处孔径很小。于是索性另外加工一个小螺纹零件，旋入底座。如图5-2 图5-2另外，为给圆盘上的8个螺钉孔定位，最理想的是使用分度仪，但是因为设备问题，只能用量角器手工进行定位。为了让稳流后的水进入观察窗口和让有机玻璃观察窗口中的水进入排水管。需要在上座和底座设计出一条流水通道，因为水腔与空气腔是分离的，水不能直接进通过上座进入观察口。我们作了如下设计，从水腔角印开一孔贯通底座及上座。流入观察口。再从观察口开一孔通到排水管，示意如图5-3 图5-35.2 加长柱设计 加长柱的作用是在不考虑水压变化时，可以利用调节其中的调节螺钉方便地调节阀芯位置。调节螺钉与加长柱间为螺纹连接。这样，其调节精度可以大大提高。为防止水腔中的水从螺纹泄出，调节螺钉与加长柱间另加一o型密封圈，而加长柱本身与底座用胶粘合，以防漏水及松动。阀芯装入调节螺钉，调节螺钉中孔应比阀芯直径略大，以使阀芯主动灵活，具体如图5-4 图5-4另外，调节螺钉与阀芯间装入复位簧，以利调节。为使阀芯主动灵活，可在阀芯顶端加一小钢珠，效果可稍好。进水管直接安装在加长柱上，接合处用胶密封防漏，如图5-5 图5-55.3 腔内零部件设计前面已经提到，因为分水腔与空气腔两部分，考虑到水腔中零件防腐问题。阀芯、压钉、夹板均为不锈钢材料，而空气腔内并帽、后夹板可用铝材。复位簧与缓冲簧均为65mn材料，根据其尺寸可以查询其刚度以利计算。5.4 进出水管设计进出水管材料均采用硬纪律乙烯材料，在进水管入口端还安装了一个止回阀以防倒流，因此根据阀结构进水管入口端开一条槽以疏流通，这将在附件设计中说明。5.5 观察口（有机玻璃体）前面已提及，为方便观察水流缓急，在上座正中安装一柱状有机玻璃腔体，工作时，腔体内细砂随水流而运动。为达最佳效果，腔体内壁做成锥形，如图5-6。 图5-6腔体上下各用一螺钉（也是有机玻璃材料）旋紧。而且下面应用胶水粘牢防漏。为达尽善，可在上面螺钉上方打一小孔。这样当刚开水源时，来不及从出水口出去的水就可从小孔流出。为了测量水中含氯量，在腔体下端装两个电极，可将电极接头直接做成螺钉状旋入，如图5-6。因为有机玻璃体为圆柱状，为将它方便地装在上座上，我们作了如下设计。将一块长方形板扣除一条圆弧，将它与有机玻璃体用胶粘合在一起，这样就可用螺钉直接将该板与上座相连，具体结构见图5-7。 图5-7原本在设计时采用四个对称螺钉，经实践发现用两个螺钉已够用且不漏水，另外，在上座与板间进出水孔处应家量垫圈防漏。第六章 电极测量室结构设计由于ph值是通过稳压稳流处理后的水流中电位差换算而出的，所以电极的敏感性也影响测值的准确性。以玻璃电极为指示电极，白金电极为参比电极组成电池。在25理想条件下，氢离子活度变化10倍，使电动势偏移59.16mv。为了提高测定的准确度，校准仪器时选用的标准缓冲溶液的ph值与水样的ph值接近，这样就能尽量保证ph在线检测仪的检测误差在允许范围内，所以这里我将采用玻璃白金电极。6.1 玻璃白金电极原理测量时用玻璃电极作指示电极，白金电极作参比电极。如下图 6.1.1玻璃电极玻璃电极由ag-agcl 电极和特制的球型玻璃膜构成。将它插入待测溶液.其电极电位与溶液ph 值有下列关系 式中 g=g0-2.303rtfpt6.1.2白金电极电极的阴极表面做得很小，一般其直径在1-50m的范围，形成的还原电流在na级，因此，需要专门的电子放大装置。阳极原电池型的阳极材料同样要求很高，纯度在99.999%以上。一般阳极作成圆筒状，其表面积需阴极面积大数十倍。薄膜一般采用聚四氟乙烯（f4）或聚四氟乙烯-聚六氟丙烯的共聚体，也曾用聚氯丙烯，聚乙烯，聚丙烯等。其主要性能符合do电极的耐高温（200），透气性能好的要求。其厚薄也很有讲究，膜越薄，灵敏度越高，一般在0.01-0.05mm的范围。膜性能对一个好的电极响应非常重要。需要膜对氧具有高度的透性和对co2低的透性。 电极响应 我们对电极性能的简单分析表明，电极响应与电极常数，k有关： k=dd。 d为膜的扩散系数，d为膜厚度。 k越大，响应越快。当然，电极的结构将会极大影响电极的性能。压力补偿膜罐内使用的电极一般都装备有压力补偿膜，小型玻璃发酵罐用的电极通常采用气孔平衡式。压力补偿膜重是应付高压灭菌时电解质受热膨胀的需要。一般多采用硅胶制造。6.2 电极测量室结构设计内参比溶液: ca2+水溶液。液膜(内外管之间)：0.1mol/l二癸基磷酸钙(液体离子交换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。其极易扩散进入微孔膜，但不溶于水，故不能进入试液溶液。二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间来回迁移，传递钙离子，直至达到平衡。由于ca2+在水相（试液和内参比溶液）中的活度与有机相中的活度差异，在两相之间产生相界电位。 电极的结构特点：在原电极上覆盖一层膜或物质，使得电极的选择性提高第七章 机箱设计箱体的设计，首先牵扯到造型，在技术要求中，要求箱体结构简单，采用壁挂式，装拆方便，外型美观。这些要求都可由造型设计来满足。造型设计是指对产品形态和色彩的一种计划，其具体作用是使产品除有特定的功能目的外，又具没得外观品质。我们在以下的报告中将从“人性化”角度出发，在满足功能要求的前提下，制造一个美观的稳流器箱体。该箱体材料主要为铝与有机玻璃。7.1 外形在规划该箱体时，我开始采用了长、高为0.618:1的黄金分割比。轮廓效果用观察，因为该箱体采用壁挂方式。一般置于人眼等高处，且考虑到阀体体身大小，认为该方案为不可取。因为阀体体身长高为相差不大，见图7-1.属于大材小用。 图7-1经考虑，我们根据视觉效果，采用长高比约为1/2。与前者相比，该结构显得小巧，且箱体内部对阀体而言也不显得太大，见图7-1。我们从一开始就考虑使用型铝（见图7-2）作箱体的基本骨架，但是用这种型铝的仪器仪表箱在以往都是采用卧式放置（见图7-3方案1）那么是否直接将卧式放置形状进行尺寸变化呢？还是采用立式放置呢？我们认为，方案1对卧式较适用。外型也相当美观。但我们现在箱体要求采用壁挂方式。将两方案进行比较，感觉到采用方案1时，型铝向前突出，而且根据现在已选定的箱体尺寸，我们决定选用方案2.从图7-2可以看出，方案1将型铝放在前后面，而方案2将型铝放在上下面。 方案1 方案2图7-2方案虽已选定，但型铝需要支撑，在通常设计中，人们可能选用四根角铁竖在型铝的四个角上作支架，但在我们现在设备中，为简单美观，我们直接采用前后板进行支撑，简单单不失其稳定，为保险起见，同时也是固定阀体的需要，我们在箱体内竖一支架板加以支撑，这将在后面讨论。前后板分别由有机玻璃和薄铁皮折弯而成，我们在手工试制阶段，劳动强度比较大，当成批生产时，将由机器直接对薄铁冲压折弯，而有机玻璃也可造一模具后制造，其结构件图7-3,7-4。 前板 后板图7-3 图7-4现在又有新的问题产生了，从左侧或右侧看，前板和后板之间存在一定间隙，怎样去盖住它而又显得美观呢？我们采用连接支持来解决。原来我采用图7-5中方案1，两边两螺栓直接与前板和后板固定，但是这样产生了两个问题，第一、螺栓与前板与后板联接，而不是与型铝联接。这样在该处联接封条，前板（或后板）与型铝不联，造成该处不紧凑，易松动，。第二、两边用螺栓。在最后装配时，总有一粒螺母将无法拧上，所以最后我们采用方案2（图7-5）。螺栓直接与型铝相联，这样解决了两个问题。 方案1 方案2 图7-5最后，在上下面各置一块铝板作顶板，底板外型设计告一段落。7.2 阀体固定在上面铝型材支架问题中以讨论过支架板，支架板得作用，一是更好地稳定整个箱体，二是为固定阀体，我们也有两种不同方案，见图7-6，一是将支架板安装在上座与轴垫之间，二是支架板安装在底座与加长柱联接处。经分析，我们认为方案1较优，它将观察口后面的阀体部分全部挡住，使人的视觉集中在观察口，这正是我们所要求的。 方案1 方案2图7-6这时又产生两个问题，一是支架板如何安装在箱体上，二是阀体如何与支架板联接。在解决第一问题时，我们也有两种方案，一种方案是将支架板上下两端折弯90。与型铝直接相连，另一种方案就是我们现在所采用的方案。在支架板后上下各置一角铁条，将角铁条的一角与型铝联接，另一角与支架板联接，之所以采用这种方法主要考虑到第一方案中支架板折弯较困难，因支架板厚度为5mm。至于阀体与支架板联接，我们直接采用四个螺钉从支架板贯入上座。7.3 安装（装配次序）首先将支架板和上下型铝用角铁条联接，将稳流体（除附件）安装在支架板上。而这就牵扯到进水管、出水管的放置问题，进水管的问题较简单，在底板钻一足够大的孔即可，对于出水管，设计时因为考虑到支架板的位置对联接直接位置的影响，将出水管孔放置在有机玻璃面板侧，这样倒也不是不能安装，只是显得相当别扭。在具体加工时，我们将出水管孔置在联接封条上，这样安装显得方便（详见总装图及实物），这样以后，是将杯垫及有机玻璃观察口（已胶合）用两个螺钉联接到上座，面板可直接卡入联接封条缺口，至于后板怎样与支架及墙壁联接呢？因为这时已无法上螺母，因此只能采用螺钉联接，但铝支架厚度太小，不能牢固联接，于是又不得不采用两块角铁条，先让与支架上下面联，然后将支架与角铁条（侧面）一起攻丝，这样就可以将薄铁皮后板装上。在考虑箱体与墙壁联接时，一开始采用四个挂钩安装在薄铁皮上，但遇到与上面薄铁皮与支架安装同样的问题，不能上螺母，而从经济角度考虑加螺纹孔附件显得累赘，于是干脆直接在薄铁皮上钻几个孔，只要在墙上钉几个钉子即可固定，其挂孔形状如图7-7图7-7最后，我们将附件（止回阀）安装在进水管的进口端，开始我们对止回阀的设计有几种方案，其中一种方案为在进水管口上安装一滑块以调节，后论证得到不可用，对此不作讨论，这里只讨论以下两种方案，这两种方案的共同点是都将阀球安装在进水管上。 方案1 方案2 图7未找到目录项。-8由图易得，两种方案上半部分基本相同，方案1的想法是使部分螺纹反向，这样就可将三个部件紧密结合在一起，但是它没有解决漏水的问题，相比较而言，方案2较简单，它不仅将各部分紧密结合在一起，而且解决了防漏问题。至此稳流器全套安装完毕。第七章 弹簧计算为保证缓冲簧良好地工作，我们对缓冲簧进行一番分析。技术要求： 旋向：右旋 工作圈数：n=5 总圈数： n1=8.5 两端并紧要求：热处理hrc-45已知条件 d=23.5d1=19.9 t=6d2=21.7cl=1.8h0=35弹簧许用应力 =42kg/mm2 (材料为65mn)弹簧指数 c=d2d =12.1曲度系数 k=4c-14c-4+0.615c =1.12最大工作负荷 pn=d38kd2 =3.96kg/mm2弹簧刚度 p=gd48nd23=0.21kg/mm2 (g=8000kg/mm)最大工作负荷下变形 fn=pnp=18.9mm 工作极限负荷 pj=d38kd2 j=6.6kg （j1.67）工作极限负荷下变形 fj=pjp =31.4mm最小工作负荷 p1=12pj=3.3kg最小工作负荷下变形 f1=p1p =15.7mm最小工作负荷下高度 h1=h0-f1=19.3mm工作极限负荷下高度 hj=h0-fj=3.6mm最大工作负荷下高度 hn=h0-fn=16.1mm单圈展开长度 l=d2=68.1mm展开长度 l=l.n=340.7mm细长比 b=h0d2 1.62.6 故稳定弹簧工作图如下总结此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。现是我们导师给出ph在线检测仪的结构设计的毕业设计任务书，清楚自己的设计任务和目的。通过老师给我的讲解，我初步了解了自己的工作内容，先是认真写开题报告，构建出此次设计的总体方案，计算其尺寸，画出中