CN202916716U - 用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，它包括用于采集臭氧水温度的温度采集芯片、用于控制臭氧发生器臭氧发生量的微控制器，以及用于给装置中各电路提供工作电压的电源单元；所述温度采集芯片的信号输出端经放大电路后与微控制器连接，微控制器的控制信号输出端经匹配接口电路连接至用于控制臭氧发生器臭氧发生量的可调高压电源。采用度采集芯片代替现有技术中的臭氧浓度传感器，根据采集到的臭氧水的温度，以及臭氧水中臭氧浓度与温度的变化关系，通过微控制器调整臭氧发生器的臭氧发生量来实现臭氧水中臭氧浓度的控制，降低了生产成本，为臭氧水制备装置的普及提供了基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，适用于臭氧水的制备领域。
背景技术
臭氧（O3）是1840年以后逐渐被人们认识的。臭氧由三个氧原子组成，由于它有较高的氧化还原电位，所以有极强的氧化能力，可以降解水中多种杂质，杀灭多种致病菌、霉菌、病毒，杀死诸如饰贝科软体动物幼虫（达98％）及水生物如剑水蚤、寡毛环节动物、水蚤轮虫等，因而早在1886年在法国就进行了臭氧杀菌试验。臭氧水处理之所以在世界上得到长足的发展，不只是由于其有效的去杂与杀菌能力，而且在于经它处理后在水中不产生二次污染（残毒），多余的臭氧也会较快分解为氧气，而不似氯剂在水中形成氯氨、氯仿等致癌物质，因而被世界公认为最安全的消毒剂。
目前臭氧水的制备方法主要采用高压电解空气、氧气或水使之产生臭氧气体，臭氧气体通过一根气体管道送入射流管或混合器进行气水混合，以便制造臭氧水；而水溶臭氧浓度会随水温的升高而降低，为了控制臭氧水中臭氧浓度的恒定，一般采用臭氧传感器检测水中臭氧浓度，并根据检测结果利用微控制器控制臭氧发生器的臭氧发生量，来实现闭环控制。
例如专利号为200920225309.5的中国实用新型公开了一种自动控制农用臭氧水机，包括臭氧发生器、气水混合器和连通管，所述的臭氧发生器上设有微电脑控制器，臭氧发生器壳体上设有电脑显示屏，混合器上设有臭氧浓度检测探头，该探头通过信号线与微电脑控制器连接，臭氧发生器内设有逆变电源，该逆变电源包括变频器和变压器，微电脑控制器与变频器的控制电路电连接。其缺点是：臭氧浓度检测探头成本高，导致臭氧水制备装置很难在普通工薪家庭普及。
发明内容
本实用新型是要克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，采用温度采集芯片采集臭氧水的温度，并根据水溶臭氧浓度与温度的变化关系实现臭氧浓度的控制，达到降低成本的目的。
本实用新型的技术方案是：它包括用于采集臭氧水温度的温度采集芯片、用于控制臭氧发生器臭氧发生量的微控制器，以及用于给装置中各电路提供工作电压的电源单元；所述温度采集芯片的信号输出端经放大电路后与微控制器连接，微控制器的控制信号输出端经匹配接口电路连接至用于控制臭氧发生器臭氧发生量的可调高压电源。
温度采集芯片的型号为AD590或DS18B20。
微控制器的型号为PIC16F1823。
本实用新型的有益效果是：采用度采集芯片代替现有技术中的臭氧浓度传感器，根据采集到的臭氧水的温度，以及臭氧水中臭氧浓度与温度的变化关系，即可通过微控制器调整臭氧发生器的臭氧发生量来实现臭氧水中臭氧浓度的控制，大大降低了生产成本，为臭氧水制备装置的普及提供了基础。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图。
图2是本实用新型的电路原理图。
图3是本实用新型一个具体实施例中温度与臭氧半衰期的曲线图。
图中的标号说明：1-温度采集芯片；2-微控制器；3-电源单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
如图1所示，本实施例包括温度采集芯片1、微控制器2和电源单元3；其中温度采集芯片1的信号输出端经放大电路4后与微控制器2连接，安装于臭氧气水混合器出水管的外侧，用于采集臭氧水的温度，并将该温度信号传输至微控制器2；微控制器2的控制信号输出端经匹配接口电路5连接至用于控制臭氧发生器臭氧发生量的可调高压电源，根据温度采集芯片1发送过来的温度信号，输出不同的直流电压，经匹配接口电路5控制可调高压电源的电压，控制臭氧发生器的臭氧气体发生量，达到控制臭氧水中臭氧浓度的目的；电源单元3用于向本例装置中的各个电路提供工作电压。
如图2所示，所述温度采集芯片1采用型号为AD590的模拟温度采集芯片，也可采用型号为DS18B20的数字温度采集芯片；所述微控制器2的型号为PIC16F1823，也可以采用51系列、AVR系列或ARM系列，当微控制器2本身不带A/D转换功能时，需要外接A/D转换电路。温度采集芯片1经运算放大电路4（U3，型号LM358）运放后连接至微控制器2（PIC16F1823）的引脚9，微控制器2的引脚13经开关S2和电阻R6后连接至匹配接口电路5（U4，型号LM358），该匹配接口电路（U4）的输出引脚1接有用于与所述可调高压电源连接的接口J7；电源单元3采用型号为7805的稳压电路为各电路及元器件提供工作电压。
下面举一具体例子来说明本实施例的原理：
臭氧水中的臭氧气体在不同温度条件下分解的速度不同，低温时在水中分解速度慢，高温时在水中分解速度快。分解速度常用半衰期来表示，半衰期是指某种特定物质的浓度经过某种反应降低到剩下初始时一半所消耗的时间。一级动力学反应可以用公式N(t)=N0e-kt来表示，其中N(t)是指t时刻物质的量，N0是指初始物质的量，k为反应速率常数，因此半衰期可以表示为t1/2=ln2/k。有研究表明：在特定的试验条件下可测得，臭氧水中臭氧在4℃时其半衰期为132min，10℃时其半衰期为128min，20℃时其半衰期为27min 30℃时为6min。如下表：
| 温度（℃） | 4 | 10 | 20 | 30 |
| 半衰期(min) | 132 | 128 | 27 | 6 |
对于以上数据，在实际使用中，应根据实际的臭氧气水混合装置，测得不同温度下的实际浓度半衰期。
在此以以上表格做控制原理说明，根据以上数据，可以进行数据模拟，得到如图3所示的温度与臭氧半衰期的曲线图，模拟得到两者的关系式：Y=305.97e-0.1261X，其中Y为半衰期，X为温度。由该关系式和公式k=ln2/t1/2（由t1/2=ln2/k推得），由此可计算出不同温度下的臭氧气水浓度半衰期和反应速率常数，数据如下表：
| 温度 | 参数1 | 参数2 | 半衰期 | 反应速率常数 |
| 1 | 305.97 | -0.1261 | 270 | 0.0026 |
| 5 | 305.97 | -0.1261 | 163 | 0.0043 |
| 10 | 305.97 | -0.1261 | 87 | 0.008 |
| 15 | 305.97 | -0.1261 | 46 | 0.0151 |
| 20 | 305.97 | -0.1261 | 25 | 0.0277 |
| 25 | 305.97 | -0.1261 | 13 | 0.0533 |
| 30 | 305.97 | -0.1261 | 7 | 0.099 |
| 35 | 305.97 | -0.1261 | 4 | 0.1733 |
| 36 | 305.97 | -0.1261 | 3 | 0.231 |
| 40 | 305.97 | -0.1261 | 2 | 0.3466 |
由臭氧浓度随时间衰变的关系式N=N0e-kt。如t设定为5min，初始浓度设定为10mg/L。可得不同温度下，臭氧水浓度的变化，如下表所示：
| 初始浓度 | 温度 | 时间 | 反应速率常数 | 5分钟后浓度 |
| 10 | 1 | 5 | 0.0026 | 9.87 |
| 10 | 5 | 5 | 0.0043 | 9.79 |
| 10 | 10 | 5 | 0.008 | 9.61 |
| 10 | 15 | 5 | 0.0151 | 9.27 |
| 10 | 20 | 5 | 0.0277 | 8.71 |
| 10 | 25 | 5 | 0.0533 | 7.66 |
| 10 | 30 | 5 | 0.099 | 6.1 |
| 10 | 35 | 5 | 0.1733 | 4.2 |
| 10 | 36 | 5 | 0.231 | 3.15 |
| 10 | 40 | 5 | 0.3466 | 1.77 |
从上表可以看出，臭氧水的初期臭氧浓度为10mg/L时，5分钟后，在20度时，为8.71mg/L；在40度时为1.77mg/L，如要使臭氧水的浓度在一定时间后保持一个定值，初期臭氧浓度应随需要的作用时间和工作的温度改变而改变。
设定臭氧水在5分钟后应保持最小浓度5mg/L，则不同温度条件下，初始臭氧浓度应为：
| 5分钟后臭氧浓度 | 温度 | 时间 | 反应速率常数 | 初期应有浓度 |
| 5mg/L | 1 | 5 | 0.0026 | 5.07mg/L |
| 5mg/L | 5 | 5 | 0.0043 | 5.11mg/L |
| 5mg/L | 10 | 5 | 0.008 | 5.2mg/L |
| 5mg/L | 15 | 5 | 0.0151 | 5.39mg/L |
| 5mg/L | 20 | 5 | 0.0277 | 5.74mg/L |
| 5mg/L | 25 | 5 | 0.0533 | 6.53mg/L |
| 5mg/L | 30 | 5 | 0.099 | 8.2mg/L |
| 5mg/L | 35 | 5 | 0.1733 | 11.89mg/L |
| 5mg/L | 36 | 5 | 0.231 | 15.87mg/L |
| 5mg/L | 40 | 5 | 0.3466 | 28.29mg/L |
假设臭氧发生器的高频电源由可由0到5V控制，气水混合后其臭氧浓度为0到30mg/L，若控制为线性输出，则A=0.167*B：其中A为控制电压，B为臭氧输出浓度。由此可得出输出电压控制表：
| 温度 | 臭氧浓度 | 控制参数 | 电压输出 |
| 1 | 5.07 | 0.167 | 0.847 |
| 5 | 5.11 | 0.167 | 0.853 |
| 10 | 5.2 | 0.167 | 0.868 |
| 15 | 5.39 | 0.167 | 0.9 |
| 20 | 5.74 | 0.167 | 0.959 |
| 25 | 6.53 | 0.167 | 1.091 |
| 30 | 8.2 | 0.167 | 1.369 |
| 35 | 11.89 | 0.167 | 1.986 |
| 36 | 15.87 | 0.167 | 2.65 |
| 40 | 28.29 | 0.167 | 4.724 |
微控制器2根据上述原理，输出相应的电压，即可控制臭氧水中臭氧浓度恒定。
对于前述公式Y=305.97e-0.1261X和A=0.167*B，实际使用时，应根据不同装置的实测数据进行模拟得到，有可能是线性的也有可能是非线性的。
Claims (3)
1.一种用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，其特征在于：它包括用于采集臭氧水温度的温度采集芯片（1）、用于控制臭氧发生器臭氧发生量的微控制器（2），以及用于给装置中各电路提供工作电压的电源单元（3）；所述温度采集芯片（1）的信号输出端经放大电路后与微控制器（2）连接，微控制器（2）的控制信号输出端经匹配接口电路连接至用于控制臭氧发生器臭氧发生量的可调高压电源。
2.根据权利要求1所述的用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，其特征在于：所述温度采集芯片（1）的型号为AD590或DS18B20。
3.根据权利要求1或2所述的用于控制臭氧水中臭氧浓度的装置，其特征在于：所述微控制器（2）的型号为PIC16F1823。
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