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该仪器属于单光束光度计。光源采用520nm 高亮LED,为固定波长吸光度测量方式,不能进行波长扫描测量。适用于经臭氧消毒后的工业、生活饮用水及其水源水中臭氧的快速定量测定。剖析一台在用的仪器,为用户自己维护保养提供有关电路分析及绘制的电路图。
一、仪器外貌及技术指标GDYS-101SC2型臭氧测定仪,放置在铝箱中,便于化验员携带到现场使用:
仪器底部,有电池仓、商标。这台仪器是长春吉大小天鹅仪器有限公司2015年12月生产的:
使用一只9V叠层电池供电:
技术指标:测定下限:0.05mg/L
测定范围:0.00~2.50mg/L
精 度:±5%
测量方法:DPD法
光 源:520nm超高亮发光二极管
电 源:DC9V叠层电池
二、仪器测量原理 采用KI(碘化钾)、DPD(4-氨基-N.N-二乙基苯胺) 显色法。其原理是:利用水中的臭氧能与碘化钾反应生成游离碘,在PH6.2~6.5时,DPD与游离碘反应生成红色化合物,在波长520nm处测量溶液的吸光度,其吸光度与溶液浓度成正比,从而测定水中臭氧的浓度。
反应方程式如下:
绘出仪器工作原理框图:
仪器工作原理:根据按键指令,单片机将光源520nm LED点亮,光线通过比色槽中的比色瓶后,被光敏传感器接收并转换为频率信号,这个频率信号的频率与被测样品溶液颜色浓度成正比,送入单片机进行分析计算,其结果由液晶显示器显示出来。
仪器测量时使用的两种试剂,厂家用塑料管分装并密封好,便于简化操作,提高工作效率:
分析样品使用的10ml比色瓶:
按一下红色启动按钮,自检后,“- - - -”表示仪器处于准备状态,可以正常工作:
在比色槽空白状态下,按一下“调零”按钮,仪器进行调零并显示“0.00”:
按照操作规程准备好样品,将装有试样的比色瓶装入比色槽:
按下“浓度”按钮,仪器进行样品臭氧浓度检测(若有臭氧残留,会显示数字):
当被样品臭氧浓度超过仪器测量范围,将显示 “X.XXc”;
当电池电压不足,将显示“Lo”,停止工作,应及时更换电池。
三、仪器拆解及电子元件功能识别卸下底部左边两颗固定螺丝(另一边是卡口),即可打开:
仪器内部结构:
这是传感器组件:
位于光室一侧的发射光源板:
卸下光源发射板固定螺丝:
光源板只在中心安装一颗520nm高亮LED,其余未安装,看来光室采用的是通用模具或简化了电路:
这是光室另一侧,光传感器板:
卸下固定螺丝,光传感器板内部也非常简单,只有一枚光敏传感器(U1):
这枚光敏传感器是可编程
光/频转换器,型号TSL230,是美国TAOS公司研制的智能光敏传感器,在单块芯片上集成信号调理、模数转换、跨导运放等电路,从而减少了系统设计对外围电路的需求,简化了传感器与微处理器、数字信号处理器的接口,提高了系统的可靠性。在低倍显微镜下观看,比以前的分光光度计采用的硅光电池的结构要复杂得多:
卸下两侧电路板后的光室,空空如也:
点亮LED看看,520nm是绿光范围的光谱:
这是在比色槽中的灯光情况:
电路主板,由于采用了智能光敏传感器,相当简洁。主板上有不少空位及两个空插针座,看来是简化版:
主板上,STC90C516RD+单片机是宏晶科技(STC)推出的新一代超高速/低功耗的单片机,内置分析程序,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择,内部集成MAX810专用复位电路,时钟频率在12MHz以下时,复位脚可直接接地。旁边的Xt是12MHz晶振,为单片机提供时钟基准:
CD4013BM(U2)是美国TI公司(德州仪器,Texas Instruments)的 4000 系列 CMOS 逻辑系列的双触发器和闩锁,这里只用一半(F/F 1),起到开关电源功能;下方的7250Q (U3)是TI公司的微功耗低压差( LDO)5V稳压器,给光传感器、MCU及显示电路提供稳压电源:
蓝色元件(P1)是美国BOURNS(柏恩斯)公司的精密微调电位器(10KΩ),调节光源LED工作电流值:
卸下主板四颗固定螺丝,取下主板:
主板背面有四只微动按钮,机壳上固定的是液晶显示板:
液晶显示板上,HD44100H(U1)是日立公司的LCD显示器控制IC,旁边的HEF4093BT (U2)是四2输入端施密特触发器电路:
四、仪器电路原理分析根据电路板,绘出仪器主板电路图(供参考)
电路工作原理:安装上9V电池后,U2处于微功耗工作状态,DC-DC电源芯片U3的控制脚(第4脚)为高电平,没有工作,无5V电压输出,整机不工作。按下电源开关按钮后,U2向U3的控制脚(第4脚)发出接通电源信号(低电平),U3工作输出5V,整机启动,自检通过后,可以开展检验工作。当按下面板上的功能键“调零”或“浓度”后,MCU接通LED约0.5秒钟(这样设计是为了避免传感器一直工作,延长寿命,节约电池),光敏传感器接受到光信号进行处理后,输出相应的频率信号,由MCU第10脚接收,并按照内置的程序进行分析后,显示出来。按下“选择”按钮,对显示的结果可以在小数点后两位或三位选择;当被样品臭氧浓度超过仪器测量范围,将显示“X.XXc”。检测完后,再按一下电源开关按钮,关机。如果MCU监测到电池电压低于要求, 将显示“Lo” 并停止工作,提示更换电池。
仪器电路关键点的参数(数字万用表实测,供检修时参考): 光源LED工作瞬时电流4.2mA左右(按下“浓度”按钮时);可以通过测量R8(270欧姆)上的压降(约1.13V左右),换算得到(I=V/R),如果太小,可以调整P1,减小电阻值、增大电流。
仪器主要工作电压为5V,给单片机、光源LED、显示板供电。可以测量稳压器
(U3)1、7、8脚得到;
光敏传感器
(U1)正常工作时,LED亮灯瞬间(按下“浓度”按钮时)
,第6脚输出瞬时电压变化大约20mV(2.514V~2.494V),可以测量传感器排线插座的左上角插针得到。有条件,可以用示波器观察有无频率信号输出。
五、结束语 该仪器结构比较简单、功能单一,使用9V电池供电,整机没有市电接入,经久耐用。使用1年多时间,还没有电路上的问题发生。但在使用中的注意事项较多,一些问题是没有按照使用说明书的要求操作产生的,应认真掌握使用说明书的要求,规范操作,定期校验。长期不用,将电池取出,避免跑碱漏液损坏仪器。
近几年,智能光敏传感器的采用,使得光度计电路得以简化,精度及可靠性大大提高,这类国产仪器与进口仪器的差距缩小,性价比进一步提升,对广大用户是一件好事。
(由于无损拆解有局限,难免没有错误,欢迎指正。)