CN104656613B - 智能化降雨pH‑Q实时监控装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种智能化降雨pH‑Q实时监控装置，包括承水筒、集水槽、容器A、B、C、标准液储存池、智能控制模块。容器内设有pH电极，容器侧壁上设置压力传感器和温度传感器。工作方法为：溶液达到压力传感器高度，压力传感器响应信号传送至反馈调节模块，反馈系统对相应的阀门进行调控。pH电极和温度传感器产生的数据信号传送至温度校正模块，自动温度补偿器对电极电位进行校正。校正后的结果送入数据计算模块，计算出实时pH值。最后根据选择输出模块选择需要导出的参数组，得到pH随降雨时间t、降雨流量Q_t以及流量Q_t随时间t的变化关系。本发明可以实现降雨pH的连续在线监测，可校正由于电极老化、进出水波动以及温度变化对pH带来的影响，实现实时准确测定雨水pH和流量。

Description

智能化降雨pH-Q实时监控装置及其工作方法

技术领域

本发明为一种简便有效的降雨pH和流量实时连续监测装置，可实时反映雨水pH和流量的变化过程，属于降雨pH监测环境技术领域。

背景技术

从20世纪80年代以来,我国降雨自动采样器和监测仪得到了一定的发展,有多种国产的采样器和监测仪产品问世。目前，国内监测站和高校实验室对雨水pH的监测，都是依据《大气降水样品的采集与保存》(GB13580.2—92)进行测定。该方法主要是通过将降雨的全过程样(降水开始至结束)合并成一个样品，然后测定其pH，得到降水pH平均值。但降雨初期和中后期雨水的成分不同，而且在雨水混合过程中存在稀释作用，所以雨水pH其实是一条随时间上下波动的曲线，混合样pH均值不能反映降水pH的实时变化过程。

此外，在单个容器中测定雨水pH时，由于要保持降雨连续性，装置需要一直处于连续进出水状态，进出水波动可能导致测定的pH不准确；电极老化对电极电位也有一定影响；温度的变化也会对电极的测定有一定的影响；采样桶的材料因采集的雨水浸泡时间过长对结果也会造成很大影响。

因此，需要一种可以连续测定降雨过程中pH和流量的装置。

发明内容

本发明针对目前降雨pH测定的不足，提供一种智能化降雨pH-Q实时监控装置及其工作方法，本发明可以反映雨水中pH和流量的实时变化过程，对不同降雨的酸度进行比较，为区域酸雨研究提供依据，可校正由于电极老化、进出水波动以及温度变化对pH带来的影响，实现实时准确测定雨水pH和流量。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，一种智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，设有承水筒、集水槽、容器A、B、C、标准液储存池、智能控制模块；承水筒通过雨水管道连接所述集水槽，集水槽通过雨水管道分别连接所述容器B、C；所述标准液储存池通过标准液管道分别连接所述容器A、B、C；

所述容器A、B、C上分别设有盖板，容器A、B、C内分别设有pH电极、搅拌刷；容器A、B、C底部分别设有出水槽；容器A为对照组，用于校正电极老化对电极电位的影响；容器B、C为工作组，容器B、C轮流工作；

所述容器A内侧壁上设有第一温度传感器、第一压力传感器，第一压力传感器高度大于所述容器A内pH电极底部高度；

所述容器B内侧壁上设有第二温度传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器，第二、三、四压力传感器自上而下依次设置，第四压力传感器高度大于所述容器B内pH电极底部高度，第二压力传感器与第三压力传感器之间的距离等于所述第四压力传感器与容器B底部之间的距离；

所述容器C内侧壁上设有第三温度传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器，第五、六、七压力传感器自上而下依次设置，第七压力传感器高度大于所述容器C内pH电极底部高度，第五压力传感器与第六压力传感器之间距离等于所述第七压力传感器与容器C底部之间的距离；第七、四、一压力传感器高度相同；

所述集水槽内设有第八压力传感器，集水槽上设有排水口，集水槽与所述承水筒之间的雨水管道上设有第一流量计，集水槽与所述容器B之间的雨水管道上依次设有第一阀门、第二阀门、第二流量计，集水槽与所述容器C之间的雨水管道上依次设有第一阀门、第三阀门、第三流量计；

所述标准液管道上设有第四流量计，通向容器A、B、C的标准液管道上分别设有第四阀门、第五阀门、第六阀门，第四流量计位于所述第四、五、六阀门的上游；

所述智能控制模块包括反馈调节模块、温度校正模块、数据计算模块和选择输出模块，其中反馈调节模块主要由所述压力传感器、反馈调节系统组成，反馈调节模块接收所述压力传感器产生的数据信号，并通过所述反馈调节系统控制所述阀门和出水槽的开关；

温度校正模块主要由所述温度传感器和自动温度补偿器组成，温度校正模块接收所述pH电极和所述温度传感器产生的数据信号，通过自动温度补偿器对电极电位进行校正；

数据计算模块接受经自动温度补偿器校正过的电极电位数据，并利用数学模型进行计算，得出降雨实时pH值、对应的降雨时间t和降雨流量Q_t；

选择输出模块主要由选择输出开关组成，用于选择需要输出的参数组(pH，t，Q_t)，输出计算得到的pH随降雨时间t、降雨流量Q_t以及流量Q_t随时间t的变化关系曲线数据。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，智能化降雨pH-Q实时监控装置的工作方法，包括以下步骤：

①第一次使用时，所述容器A、B内需预先装入标准液分别至所述第一压力传感器、所述第四压力传感器高度；雨水由承水筒收集，经雨水管道流入第一流量计，测算降雨流量Q_t；然后雨水进入集水槽后，触发第八压力传感器，智能控制模块启动，容器A、B内pH电极立即开始工作，pH电极和温度传感器产生的数据信号，将传送至数据计算模块进行处理；第一、二阀门打开，雨水经管道流入容器B，多余雨水经集水槽排水口排出；

②随着雨水的流入，当容器B中混合液到达第三压力传感器高度时，触发第三压力传感器，第六阀门打开，标准液储存池开始往容器C中添加标准液，保持第六阀门和第二阀门的开启度一致，使标准液管道流量即第四流量计与雨水管道流量即第二流量计读数一致；

③当混合液触发第二压力传感器时，1s后打开第三阀门，然后2s后关闭第二阀门，与此同时打开容器B出水槽，排出容器B内的混合溶液，终止传送容器B中pH电极的数据信号，待容器B内溶液全部排出后立即关闭出水槽；

④当步骤②中第六阀门打开时，由于第二、三压力传感器之间的间距离等于第七传感器(23)到容器C底部距离，同时第六阀门和第二阀门的开启度一致，雨水管道和标准溶液管道内液体的流量一致，保证容器B中溶液到达第二压力传感器位置时，容器C中溶液刚好达到第七压力传感器的位置，此时，容器C开始工作，pH电极启动，数据信号和温度信号经由电缆传送至智能控制模块；

⑤混合液抵达C容器第六压力传感器时，第五阀门打开，标准液储存池向容器B中加标准溶液，保持第五阀门和第三阀门的开启度一致，使标准液管道流量及第四流量计与雨水管道流量即第三流量计读数一致；

⑥当混合液触发第五压力传感器时，1s后打开第二阀门,然后2s后关闭第三阀门，与此同时打开容器C出水槽，排出C容器内的混合溶液，终止传送容器C中pH电极的数据信号至智能控制模块，待溶液全部排出后关闭容器C出水槽；

⑦此时再次轮换至B容器工作，重复步骤④⑤⑥，各传感器对应的触发反应对应反馈调节模块中所列传感器功能执行；

⑧直至降雨停止，第八压力传感器再次发出指令，打开容器A、B、C出水槽排液，溶液排尽后容器A、B、C出水槽自动关闭；然后打开第四阀门和第五阀门添加标准液，标准液高度达到第四传感器、第一传感器高度时关闭第四阀门、第五阀门，关闭智能控制模块，系统停止运行；

⑨根据选择输出开关，选择需要导出的数据组(pH，t，Q_t)，得到雨水pH随降雨时间t的变化关系(t-pH曲线)、雨水pH随降雨流量Q_t的变化关系(Q_t-pH曲线)和雨水流量Q_t随时间t的变化关系(t-Q_t曲线)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明基于目前降雨pH测定的现状，建立pH-Q实时监测控制装置，反映雨水中pH和流量的实时变化过程，对不同降雨的酸度进行比较，为区域酸雨研究提供依据；

第二，本发明设计的智能化降雨pH-Q实时监控装置，包括承水筒、集水槽、出水槽、流量计、压力传感器、温度传感器、pH电极、智能控制模块(反馈调节模块、温度校正模块、数据计算模块和选择输出模块)、标准液储存池、若干雨水和标准液管道、阀门和搅拌刷。本发明设置三组容器，一组作为对照组，校正电极老化对电极电位的影响；其余两组为工作组，轮换工作。容器侧壁上设置压力传感器和温度传感器。当溶液达到压力传感器高度时，触发压力传感器，压力传感器将信号传送至智能控制模块中的反馈调节模块，反馈系统对相应的标准液阀门、雨水阀门和出水槽进行调控，实现工作组的轮换工作和数据传送等功能。pH电极和温度传感器产生的数据信号传送至温度校正模块，通过自动温度补偿器对电极电位进行校正。校正后的结果送入数据计算模块，利用计算模型计算出实时的雨水pH值。根据选择输出模块上的参数选择输出开关，选择需要输出的参数组(pH，t，Q_t)。最终得到pH随降雨时间t、降雨流量Q_t以及流量Q_t随时间t的变化关系(分别对应t-pH曲线，Q_t-pH曲线，t-Q_t曲线)；

第三，本发明可以实现降雨pH和流量的连续在线监测，通过设置对照系统，可以排除电极老化对监测结果的影响；两个反应器的轮换工作，可以反映降雨pH实时变化的特征，避免单个容器内进出水波动对系统稳定性的影响；同时两个反应器间延迟时间的设置，充分保证了两个反应器时间上的对接，进一步加强结果的准确性和可靠性；

第四，目前，酸雨与全球气候变暖、臭氧层破坏并列为世界三大生态环境灾难。酸雨危害人体健康、腐蚀建筑物、危害农作物生长、恶化环境等等。通过研究降雨pH和流量的实时变化过程，对不同降雨的酸度进行比较，为采取有效的防治措施，减轻酸雨污染提供有效的参考依据。对营造健康稳定的生态环境，促进地区社会、经济的可持续发展，加快城市化建设的步伐，具有极其重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明智能化降雨pH-Q实时监控装置的结构示意图；

图2是本发明智能化降雨pH-Q实时监控装置的智能控制模块的示意图；

图1中：1是承水筒，2是雨水管道，3是第一流量计，9是第二流量计，10是第三流量计，35是第四流量计，4是集水槽，5是第八压力传感器，18是第二压力传感器，19是第三压力传感器，20是第四压力传感器，21是第五压力传感器，22是第六压力传感器，23是第七压力传感器，24是第一压力传感器，11是标准液储存池，12是标准液管道，25是第一温度传感器，26是第二温度传感器，27是第三温度传感器，6是第一阀门，7是第二阀门，8是第三阀门，13是第四阀门，14是第五阀门，15是第六阀门，16是pH电极，17为搅拌刷，28-30为出水槽，31是排水口，32为智能控制模块，33是显示仪，34是盖板。A、B、C分别为三个反应容器，其中A为对照组，B和C为工作组。

图2中：智能控制模块32主要由四部分构成，分别为反馈调节模块、温度校正模块、数据计算模块和选择输出模块。其中反馈调节模块主要由若干压力传感器(5，18-24)、反馈调节系统组成。温度校正模块主要由温度传感器(25-27)和自动温度补偿器组成。选择输出模块主要由选择输出开关组成，可控制需要输出的数据组。

具体实施方式

本发明的实施过程是：设置三个容器A、B、C作为系统的发生器，其中A为空白对照系统，不流入雨水，仅添加标准溶液，差值的变化反映电极老化引起的电极电位变化。B和C为主反应器，利用智能控制系统添加标准溶液和雨水，使系统在B和C容器间轮换工作，实时监测雨水pH。盖板34始终保持装置的密闭状态，防止外界雨水流入该装置。

(1)装置具体工作流程如下：

①雨水由承水筒1收集，经雨水管道2流入第一流量计3，测算降雨流量Q_t。然后雨水进入集水槽4后，触发第八压力传感器5，智能控制模块32启动，第一、二阀门6和7打开，雨水经管道流入容器B，多余雨水经排水口31排出。由于容器A、B中已事先装入标准溶液至第一、四传感器24和20高度，所以一旦智能控制模块32启动后，容器A和B内电极立即开始工作。电极和温度传感器产生的数据信号，将传送至数据计算模块进行处理。第一次使用该装置时，容器内需预先装入标准容器至第一、四传感器24、20高度，以后则无需再加入(因为步骤⑧每次运行过程中已自动在容器中添加标准溶液，而第一次使用前并未添加)。

②随着雨水的流入，当B容器中混合液到达第三压力传感器19高度时，触发第三压力传感器19，第六阀门15打开，系统开始往C容器中添加标准溶液，保持第六阀门15和第二阀门7的开启度一致，使标准液管道流量即第四流量计35与雨水管道流量(即第二流量计9读数)一致。

③当混合液触发第二压力传感器18时，1s后打开第三阀门8,然后2s后关闭第二阀门7，与此同时打开出水槽29，排出B容器内的混合溶液，终止传送B容器电极的数据信号，待容器内溶液全部排出后立即关闭出水槽29阀门。

④当②中第六阀门15打开时，由于S(第二、三压力传感器触发器18、19间距离)＝S(第七压力传感器23触发器到C容器底部距离)，同时第六阀门15和第二阀门7的开启度一致，雨水管道和标准溶液管道内液体的流量一致，因此可以保证B容器中溶液到达第二压力传感器18位置时，C容器中溶液刚好达到第七压力传感器23的位置，此时，C容器开始工作，电极启动，数据信号和温度信号经由电缆传送至控制模块。

触发第二压力传感器18时，1s延迟后第三阀门8打开，2s延迟后第二阀门7关闭，是为了保证C容器中第1s的测定电位为标准溶液的电位(使B和C容器的测定背景值相同，便于换算)。C容器第2s的测定电位即为B容器最后1s的电位值，因此，C容器第3s测定值才是新一轮的数值，根据此原理建立式(1)。此设计将B和C容器测定结果进行衔接，保证结果可靠性。

⑤C容器的工作原理同B容器。随着雨水的进入，混合液抵达第六压力传感器22时，第五阀门14打开，储存池向B容器中加标准溶液，保持第五阀门14和第三阀门8的开启度一致，使标准液管道流量即流量计35与雨水管道流量(即流量计10)读数一致。

⑥当混合液触发第五压力传感器21时，1s后打开第二阀门7,然后2s后关闭第三阀门8，与此同时打开出水槽30，排出C容器内的混合溶液，终止传送C中电极的数据信号至智能模块，待溶液全部排出后关闭出水槽30阀门。

⑦此时再次轮换至B容器工作，工作原理同④⑤⑥，各传感器对应的触发反应对应反馈调节模块中所列传感器功能执行。

⑧直至降雨停止，第八压力传感器5再次发出指令，打开出水槽28、29、30排液，溶液排尽后出水槽自动关闭；然后打开第四阀门13和第五阀门14添加标准液，达第四压力传感器20、第一压力传感器24高度时关闭第四、五阀门13、14，关闭智能控制模块，系统停止运行。

⑨根据显示仪33上的选择输出开关，选择需要导出的数据组(pH，t，Q_t)，得到雨水pH随降雨时间t的变化关系(t-pH曲线)、雨水pH随降雨流量Q_t的变化关系(Q_t-pH曲线)和雨水流量Q_t随时间t的变化关系(t-Q_t曲线)。

(2)压力传感器功能

a、触发第八压力传感器5，启动智能控制模块32，打开第一阀门6和第二阀门7(注意，此过程是一次触发，只有在最初降雨时才触发。后续进水过程中第一阀门6一直保持打开状态，而第二阀门7则受各传感器的控制)。待集水槽雨水流尽，第八压力传感器5再次发出指令，关闭第一、二、三阀门6、7、8，打开出水槽28、29、30排放混合液；待混合液排尽打开第四、五阀门13、14添加标准液，直至第一、四压力传感器24、20高度时关闭第四、五阀门13、14，关闭智能控制模块，系统停止运行。

b、触发第三压力传感器19(或第六压力传感器22)，反馈调节模块发出指令：打开阀门第六阀门15(或第五阀门14)，系统开始往C(或B)容器中加标准溶液，通过控制阀门开启度，使标准液管道的流量即第四流量计35与第二流量计9(或第三流量计10)读数一致。

c、触发第四压力传感器20(或第七压力传感器23、第一压力传感器24)，反馈调节模块发出指令：关闭第五阀门14(或第六阀门15、第四阀门13)，停止往B(或C、A)容器中添加标准溶液，同时B(或C、A)容器内电极开始工作，检测溶液pH，产生的数据经由电缆传送至智能控制模块。

d、触发第二压力传感器18(或第五压力传感器21)，反馈调节模块发出指令：1s后打开第三阀门8(或第二阀门7),然后2s后关闭第二阀门7(或第三阀门8)并打开出水槽29(或出水槽30)，排出B(或C)容器内混合液，终止传送B(或C)中电极的数据信号。

(3)数据计算模块计算过程

由于温度对电极的测定有一定的影响，因此在智能控制模块中设置了温度校正模块，接受温度传感器25-27传送的温度信号，通过自动温度补偿器对电极电位进行校正，并将校正过的数据传送到数据计算模块进行计算。

数据计算模块主要接受已校正过的电极电位数据，并利用以下数学模型进行计算，得出降雨实时pH值。数据计算模块计算过程如下：

设标准溶液的浓度为C₀，体积为V₀，整个系统的工作时间(即降雨时间)为t，t时刻流量计3的读数为Q_t，第j个容器的工作耗时t_j(因为两个容器轮换工作，若用B₁，C₁，B₂，C₂…计数，较复杂，容易混淆，因此j按照容器工作顺序依次编号为1,2…n)。第j个容器i时刻，降水pH为pH_j(i)，第二流量计9(或第三流量计10)读数为Q_j(i)(当管道和阀门开启度确定时，管道内流量为定值，记为q)，pH电极读数记为E_j(i)(经自动温度补偿器校正的)。对于A容器，因为其一直处于工作状态作对照之用，其读数记为A_t(经自动温度补偿器校正的)。

根据能斯特方程，计算模型可推导为：

……式(1)

……式(2)

当j＝1时，式(2)中，E_j-1(1)-E_j(1)＝0，

式中，t——系统运行总时间(降雨时间)，s，据式1计算所得；

t_j——第j个容器运行时间，s(j＝1,2，……，n)；

n——运行的容器个数；

C₀——标准溶液的浓度，mol/L；V₀——标准溶液的体积，m³；

Q_j(i)——第j个容器，_i时刻雨水流量(即流量计(9)或(10)测得的管道雨水流量)，m³/s(当阀门开启度确定时，管道内雨水流量为定值，记为q)；

pH_j(i)——第j个容器，i时刻雨水pH(i＝1,2，……，t_j)；

E_j(i)——第j个容器，i时刻校正过的电极电位读数；(i＝1,2…，t_j)

A_t——t时刻校正过的A容器电极电位读数；

E^θ——电极标准电极电位；T——开尔文温度(K)；

R——气体常数(8.314J/(mol.K))；F——法拉利常数，96485C/mol。

注：上式中t_j指单个容器的运行时间(单次循环计算使用)，t指整个系统运行的时间(即降雨时间，据式1计算所得)。

数据计算模块主要是根据编成程序的式(1)和(2)，运行计算出pH_j(i)，并得出其对应的降雨时间t(据式1)和降雨流量Q_t(第一流量计3的读数)。选择输出模块设有选择开关，可以选择输出的数据选项pH，t，Q_t。用户根据实际需要导出参数组，可以得到雨水pH随降雨时间t的变化关系(t-pH曲线)、雨水pH随降雨流量Q_t的变化关系(Q_t-pH曲线)和雨水流量Q_t随时间t的变化关系(t-Q_t曲线)。

(4)系统正常运行要求

①电极和容器体积的要求

A、B、C三容器中选用相同型号的电极，各参数及其性能保持一致。为确保系统的正常运行，pH电极的灵敏度要满足如下要求。

假设pH电极灵敏度为y，标准溶液氢离子浓度为C₀，体积为V_o，雨水氢离子浓度为C_m，体积为V_m，则电极灵敏度需满足以下条件。

当pH₀＜pH_m时， ……式(3)

当pH₀＞pH_m时， ……式(4)

目前，监测系统采用的pH值一般保留到小数点后两位，因此，本系统选取的pH电极灵敏度为0.01。正常降水pH约为5.6，以此作为C_m，标准溶液选用pH为7的纯水(经过标定)，根据式(4)，只需控制V_o/V_m≤1035即可。

图1中，假设雨水管道内流量(即流量计9和10读数Q_j(i))为qmL/s，若容器底面积为S,第一、四、七压力传感器24、20、23到容器底部的距离位置为h₁，则只需满足式5，即可保证系统的灵敏度达到要求。

S×h₁≤1035×q ……式(5)

②阀门开启度的设计

该装置中标准液管道12和雨水管道2(集水槽与容器B、C之间的雨水管道)采用相同的管径，控制第二、三、四、五、六阀门(7,8,13,14,15)的开启度使其保持一致，则可保证标准溶液和雨水在管道中的流量相同，即Q_j(i)始终保持定值，记为q。

③传感器位置的要求

考虑到pH电极探头需要完全浸泡在溶液中方可测定pH，而第四、七、一压力传感器20、23和24控制电极工作并传送数据。因此，应保证第四、七、一压力传感器24，20和23到容器底部的距离h₁高于pH电极的探头到容器底部距离h₂(如图1所示，h₁＞h₂)。

为保证容器间反应时间的连续性以及pH电极监测的及时性，除通过反馈调节延迟阀门开启关闭的时间外，容器中传感器间的距离设置也至关重要，如第二压力传感器18和第三压力传感器19间的距离与第七压力传感器23距容器底部距离相等，第五压力传感器21和第六压力传感器22间的距离与第四压力传感器20距容器底部距离相等，即图1中的h₁。这样使得B容器内溶液触发第三压力传感器19时，C容器开始添加标准溶液；B容器溶液触发第二压力传感器18时，C容器标准溶液刚好到达第七压力传感器23的位置，触发第七压力传感器23，是C容器中的电极启动工作，并传送数据至智能模块。触发第四、五、六压力传感器20、21、22也是同样的原理。

④出水槽的设计

待容器内混合液排放完全后，出水槽28、29、30自动关闭，准备进入下一轮工作，添加标准溶液。所以，要保证容器内的混合溶液在添加标准溶液前已排放完全。因此，出水槽(28-30)排水时间要满足式6要求。

设排水时间为t'，第六、七压力传感器22、23(或第三、四压力传感器19、20)间的距离为h₃，则

……式(6)

⑤结果的修正

考虑到各型号pH电极测定pH时需要一个稳定时间，而不同电极稳定时间不同。所以，导出的数据组任意时刻的结果都应是前面某一时刻降水结果的延迟，而且延时时间相同，因此该延迟现象属于pH读数的整体延迟，不影响雨水pH的整体变化趋势。具体延迟时间取决于该pH电极的稳定时间，当确定某一电极型号后，该电极的延迟时间间隔即可确定。此时只需修改曲线的时间坐标，扣除电极的稳定时间，即可得到对应时刻的pH值。

Claims (6)

1.一种智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，设有承水筒(1)、集水槽(4)、容器A、B、C、标准液储存池(11)、智能控制模块(32)；承水筒(1)通过雨水管道(2)连接所述集水槽(4)，集水槽(4)通过雨水管道(2)分别连接所述容器B、C；所述标准液储存池(11)通过标准液管道(12)分别连接所述容器A、B、C；

所述容器A、B、C上分别设有盖板(34)，容器A、B、C内分别设有pH电极(16)、搅拌刷(17)；容器A、B、C底部分别设有出水槽(28、29、30)；容器A为对照组，用于校正电极老化对电极电位的影响；容器B、C为工作组，容器B、C轮流工作；

所述容器A内侧壁上设有第一温度传感器(25)、第一压力传感器(24)，第一压力传感器(24)高度大于所述容器A内pH电极(16)底部高度；

所述容器B内侧壁上设有第二温度传感器(26)、第二压力传感器(18)、第三压力传感器(19)、第四压力传感器(20)，第二、三、四压力传感器(18、19、20)自上而下依次设置，第四压力传感器(20)高度大于所述容器B内pH电极(16)底部高度，第二压力传感器(18)与第三压力传感器(19)之间的距离等于所述第四压力传感器(20)与容器B底部之间的距离；

所述容器C内侧壁上设有第三温度传感器(27)、第五压力传感器(21)、第六压力传感器(22)、第七压力传感器(23)，第五、六、七压力传感器(21、22、23)自上而下依次设置，第七压力传感器(23)高度大于所述容器C内pH电极(16)底部高度，第五压力传感器(21)与第六压力传感器(22)之间距离等于所述第七压力传感器(23)与容器C底部之间的距离；第七、四、一压力传感器(23、20、24)高度相同；

所述集水槽(4)内设有第八压力传感器(5)，集水槽(4)上设有排水口(31)，集水槽(4)与所述承水筒(1)之间的雨水管道(2)上设有第一流量计(3)，集水槽(4)与所述容器B之间的雨水管道上依次设有第一阀门(6)、第二阀门(7)、第二流量计(9)，集水槽(4)与所述容器C之间的雨水管道上依次设有第一阀门(6)、第三阀门(8)、第三流量计(10)；

所述标准液管道(12)上设有第四流量计(35)，通向容器A、B、C的标准液管道(12)上分别设有第四阀门(13)、第五阀门(14)、第六阀门(15)，第四流量计(35)位于所述第四、五、六阀门(13、14、15)的上游；

所述智能控制模块(32)包括反馈调节模块、温度校正模块、数据计算模块和选择输出模块，其中反馈调节模块主要由所述压力传感器(5、18、19、20、21、22、23、24)、反馈调节系统组成，反馈调节模块接收所述压力传感器产生的数据信号，并通过所述反馈调节系统控制所述阀门(6、7、8、13、14、15)和出水槽(28、29、30)的开关；

温度校正模块主要由所述温度传感器(25、26、27)和自动温度补偿器组成，温度校正模块接收所述pH电极(16)和所述温度传感器(25、26、27)产生的数据信号，通过自动温度补偿器对电极电位进行校正；

数据计算模块接受经自动温度补偿器校正过的电极电位数据，并利用数学模型进行计算，得出降雨实时pH值、对应的降雨时间t和降雨流量Q_t；

选择输出模块主要由选择输出开关组成，用于选择需要输出的参数组(pH，t，Q_t)，输出计算得到的pH随降雨时间t、降雨流量Q_t以及流量Q_t随时间t的变化关系曲线数据。

2.根据权利要求1所述的智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，所述数据计算模块的计算过程为：

设标准溶液的浓度为C₀，体积为V₀，整个系统的工作时间即降雨时间为t，t时刻所述第一流量计(3)的读数为Q_t，第j个容器的工作耗时t_j，j按照容器工作顺序依次编号为1,2…n；第j个容器i时刻，降水pH为pH_j(i)，第二流量计(9)或第三流量计(10)读数为Q_j(i)，当管道和阀门开启度确定时，管道内流量为定值，记为q；经自动温度补偿器校正的pH电极读数记为E_j(i)；对于A容器，因为其一直处于工作状态作对照之用，其经自动温度补偿器校正的读数记为A_t；

根据能斯特方程，计算模型可推导为：

当j＝1时，式(2)中，E_j-1(1)-E_j(1)＝0，

式中，t——系统运行总时间(降雨时间)，s，据式1计算所得；

t_j——第j个容器运行时间，s(j＝1,2，……，n)；t_j指单个容器单次循环计算使用的运行时间；

n——运行的容器个数；

C₀——标准溶液的浓度，mol/L；V₀——标准溶液的体积，m³；

Q_j(i)——第j个容器，i时刻雨水流量，即第二流量计(9)或第三流量计(10)测得的管道雨水流量，m³/s；当阀门开启度确定时，管道内雨水流量为定值，记为q；

pH_j(i)——第j个容器，i时刻雨水pH(i＝1,2，……，t_j)；

E_j(i)——第j个容器，i时刻校正过的电极电位读数；(i＝1,2…，t_j)

A_t——t时刻校正过的A容器电极电位读数；

E^θ——电极标准电极电位；

T——开尔文温度(K)；

R——气体常数，8.314J/(mol.K)；

F——法拉利常数，96485C/mol。

3.根据权利要求1所述的智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，所述pH电极的灵敏度要满足如下要求：

假设pH电极灵敏度为y，标准溶液氢离子浓度为C₀，体积为V_o，雨水氢离子浓度为C_m，体积为V_m，则电极灵敏度需满足以下条件：

当pH₀＜pH_m时，

当pH₀＞pH_m时，

本系统选取的pH电极灵敏度为0.01，正常降水pH约为5.6，以此作为C_m，标准溶液选用pH为7的纯水，根据式(4)，只需控制V_o/V_m≤1035即可；

假设雨水管道内流量，即第二流量计(9)和第三流量计(10)读数Q_j(i)，为qmL/s，若容器底面积为S,第一、四、七压力传感器(24、20、23)到容器底部的距离位置为h₁，则只需满足式5，即可保证系统的灵敏度达到要求；

S×h₁≤1035×q ……式(5)。

4.根据权利要求1所述的智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，所述容器A、B、C出水槽(28、29、30)排水时间为t为：

设排水时间为t'，第六、七压力传感器(22、23)之间的距离或第三、四压力传感器(19、20)间的距离为h₃，则

5.如权利要求1所述的智能化降雨pH-Q实时监控装置，其特征是，所述容器B、C与集水槽之间的雨水管道(2)与所述标准液管道(12)直径相同。

6.如权利要求1所述的智能化降雨pH-Q实时监控装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

①第一次使用时，所述容器A、B内需预先装入标准液分别至所述第一压力传感器(24)、所述第四压力传感器(20)高度；雨水由承水筒(1)收集，经雨水管道(2)流入第一流量计(3)，测算降雨流量Q_t；然后雨水进入集水槽(4)后，触发第八压力传感器(5)，智能控制模块(32)启动，容器A、B内pH电极立即开始工作，pH电极和温度传感器产生的数据信号，将传送至数据计算模块进行处理；第一、二阀门(6、7)打开，雨水经管道流入容器B，多余雨水经集水槽排水口(31)排出；

②随着雨水的流入，当容器B中混合液到达第三压力传感器(19)高度时，触发第三压力传感器(19)，第六阀门(15)打开，标准液储存池(11)开始往容器C中添加标准液，保持第六阀门(15)和第二阀门(7)的开启度一致，使标准液管道流量即第四流量计(35)与雨水管道流量即第二流量计(9)读数一致；

③当混合液触发第二压力传感器(18)时，1s后打开第三阀门(8)，然后2s后关闭第二阀门(7)，与此同时打开容器B出水槽(29)，排出容器B内的混合溶液，终止传送容器B中pH电极的数据信号，待容器B内溶液全部排出后立即关闭出水槽(29)；

④当步骤②中第六阀门(15)打开时，由于第二、三压力传感器(18、19)之间的间距离等于第七传感器(23)到容器C底部距离，同时第六阀门(15)和第二阀门(7)的开启度一致，雨水管道和标准溶液管道内液体的流量一致，保证容器B中溶液到达第二压力传感器(18)位置时，容器C中溶液刚好达到第七压力传感器(23)的位置，此时，容器C开始工作，pH电极启动，数据信号和温度信号经由电缆传送至智能控制模块(32)；

⑤混合液抵达C容器第六压力传感器(22)时，第五阀门(14)打开，标准液储存池(11)向容器B中加标准溶液，保持第五阀门(14)和第三阀门(8)的开启度一致，使标准液管道流量及第四流量计(35)与雨水管道流量即第三流量计(10)读数一致；

⑥当混合液触发第五压力传感器(21)时，1s后打开第二阀门(7),然后2s后关闭第三阀门(8)，与此同时打开容器C出水槽(30)，排出C容器内的混合溶液，终止传送容器C中pH电极的数据信号至智能控制模块(32)，待溶液全部排出后关闭容器C出水槽(30)；

⑦此时再次轮换至B容器工作，重复步骤④⑤⑥，各传感器对应的触发反应对应反馈调节模块中所列传感器功能执行；

⑧直至降雨停止，第八压力传感器(5)再次发出指令，打开容器A、B、C出水槽(28、29、30)排液，溶液排尽后容器A、B、C出水槽(28、29、30)自动关闭；然后打开第四阀门(13)和第五阀门(14)添加标准液，标准液高度达到第四传感器(20)、第一传感器(24)高度时关闭第四阀门(13)、第五阀门(14)，关闭智能控制模块(32)，系统停止运行；

⑨根据选择输出开关，选择需要导出的数据组(pH，t，Q_t)，得到雨水pH随降雨时间t的变化关系(t-pH曲线)、雨水pH随降雨流量Q_t的变化关系(Q_t-pH曲线)和雨水流量Q_t随时间t的变化关系(t-Q_t曲线)。