CN105758890A - 一种降水在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种降水在线监测系统及方法，包括有一雨水采集及输送模块，一EC/pH测量模块，一离子检测样品处理模块，一试剂抽取及离子检测进样模块，所述的雨水采集及输送模块中通过6测量切换阀的切换，控制雨水分别输送至EC/pH测量模块和离子检测样品处理模块；本发明具有如下有益效果；可实现降水样品中离子组分的在线自动测量功能；可实现pH电极的自动校准功能；可实现系统雨水管路及试剂管路的自动清洗功能。

Description

一种降水在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种降水在线监测系统及方法，属于环境保护和检测装置技术领域。

背景技术

酸雨是我国所面临的一大重要环境问题，降水监测是我国环境保护工作中的一项重要任务。随着我国自动化技术以及分析检测技术的发展，降水监测经历了人工采样监测、自动采样手工监测、在线监测三个阶段。目前国内外降水在线监测系统组成较为简单。

上述在线监测系统工作原理说明：接雨漏斗内雨水经样品抽取蠕动泵抽取输送至电导率测量槽及pH测量槽，通过电导率测量电极与pH测量电极完成雨水样品中pH值及电导率值的测定；通过留样/测量切换阀切换，部分雨水通过系统留样接口采集，并由监测人员带至实验室进一步分析雨水中的阴、阳离子组分。

当前该方式存在以下几点不足：1、雨水在从现场输送至实验室的过程中容易被污染，影响雨水样品的代表性；2、雨水离子的检测采用专业的离子检测仪器，对实验人员的操作技能要求很高，容易引入人为操作误差；3、雨水离子的人工检测工作量大，人工投入大；4、pH电极缺乏自动校准，校准维护工作量大；5、雨水管路缺乏清洗，对样品的影响较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可以实现雨水中阴阳离子在线监测以及pH电极自动校准的系统及方法。

本发明的系统组成如图1所示：

图中1：接雨漏斗；2：排水电动球阀；3：雨水过滤器；4：样品/清洗切换阀；5：样品泵；6：测量切换阀；7：留样切换阀；8：超滤组件；9：超滤组件排水阀；10：超滤泵；11：样品槽；12：样品槽液位检测装置；13：电导率测量电极；14：pH测量电极；15：电导率测量槽排水阀；16：pH测量槽排水阀；17：注射泵；18：多通道选向阀；19：空气环；20：保养液抽取泵；21：接雨漏斗排水阀；22：pH保养液；23：pH校准液1；24：pH校准液2；25：pH校准液3；26：纯水/空气切换阀；27：纯水；28：阳离子检测模块；29：阴离子检测模块；30：阳离子进样环；31：阴离子进样环；32：pH测量槽；33：EC测量槽。

本系统由雨水采集及输送模块、EC/pH测量模块、离子检测样品处理模块、试剂抽取及离子检测进样模块、管路清洗模块、pH保养模块组成、留样模块组成。

本发明技术特征1—雨水采集及输送模块：该模块由1接雨漏斗、2排水电动球阀、3雨水过滤器、4样品/清洗切换阀、5样品泵、6测量切换阀、21接雨漏斗排水阀组成。2排水电动球阀位于1接雨漏斗的下方，用于控制1接雨漏斗内雨水往下输送；3雨水过滤器位于2排水电动球阀和4样品/清洗切换阀之间，用于初步过滤雨水中的粗颗粒物；5样品泵位于4样品/清洗切换阀和6测量切换阀组成之间，用于提供1接雨漏斗内雨水往下输送的动力，且可通过6测量切换阀的切换，控制雨水分别输送至EC/pH测量模块和离子检测样品处理模块；21接雨漏斗排水阀位于2排水电动球阀的下方，同时开启21接雨漏斗排水阀和2排水电动球阀可将1接雨漏斗内多余的雨水样品直接排放掉。

本发明技术特征2—EC/pH测量模块：该模块由13电导率电极、14pH电极、32pH测量槽、33电导率测量槽、15电导率测量槽排水阀、16pH测量槽排水阀组成。32pH测量槽位于33电导率测量槽的后端，可避免pH测量槽内氯化钾保养液对EC测量的干扰；13电导率电极和14pH电极分别位于33电导率测量槽和32pH测量槽内部，可实现降水中电导率和pH的检测；15电导率测量槽排水阀、16pH测量槽排水阀分别位于33电导率测量槽和32pH测量槽的底部，可控制其内部雨水样品的自动排空。

本发明技术特征3—离子检测样品处理模块：该模块由8超滤组件、9超滤组件排水阀、10超滤泵、11样品槽、12样品槽液位检测装置组成。其中8超滤组件包含超滤滤膜组件，过滤精度优于0.45μm，且该过滤器具备底部曝气清洗滤膜的功能；10超滤泵位于8超滤组件和11样品槽之间，抽取8超滤组件内的雨水样品经超滤滤膜过滤后进入11样品槽；11样品槽内雨水量通过调节12样品槽液位检测装置位置进行调节，超滤后的雨水进入11样品槽时，系统通过实时检测液位检测装置信号控制10超滤泵的工作，当系统检测到液位信号时候，立即停止10超滤泵；样品进入11样品槽后静置，充分释放掉样品内部的空气。

本发明技术特征4—试剂抽取及离子检测进样模块：该模块由17注射泵、18多通道选向阀、19空气环、23pH校准液1、24pH校准液2、25pH校准液3、27纯水、28阳离子检测模块、29阴离子检测模块、30阳离子进样环、31阴离子进样环组成。其中17注射泵为试剂抽取提供动力，其样品出口朝下放置，19空气环两端分别连接18多通道选向阀公共端与17注射泵的OUT端，注射泵每次抽取样品时，首先将空气环内的空气抽取至注射器内，然后继续抽取液体样品至注射器内，因空气密度比液体小，故空气总是保持在液体样品上方，当注射泵往外输送液体样品时，总能确保液体样品先被输送，注射泵内的空气又回复到原空气环内，而注射泵内固有的死体积内部残留的总是空气，从而确保每次样品的抽取及输送过程注射器内无液体残留；18多通道选向阀的接口端分别与32pH测量槽、11样品槽、23pH校准液1、24pH校准液2、25pH校准液3、废液口、30阳离子进样环、空气连接；27纯水与17注射泵的IN端连接，注射泵每次抽取液体并输送完成后，都会先后抽取27纯水和空气对注射器、空气环及液体输送管路进行清洗和吹扫；30阳离子进样环、31阴离子进样环分别位于28阳离子检测模块、29阴离子检测模块内部，且30阳离子进样环位于31阴离子进样环前端，可避免29阴离子检测模块内部淋洗液中阳离子对28阳离子检测模块测量的干扰。

本发明技术特征5—管路清洗模块：该模块由4样品/清洗切换阀、5样品泵、6测量切换阀、27纯水、26纯水/空气切换阀组成。其中26纯水/空气切换阀位于27纯水与4样品/清洗切换阀之间。通过控制4样品/清洗切换阀、6测量切换阀、26纯水/空气切换阀的动作切换以及5样品泵的抽取动作，可实现对雨水分析管路的清洗及吹扫功能。

本发明技术特征6—pH保养模块：该模块由20pH保养液抽取泵、22pH保养液组成。其中20pH保养液抽取泵位于22pH保养液与32pH测量槽之间，通过20pH保养液抽取泵可抽取22pH保养液至32pH测量槽，实现pH电极的保养功能。

本发明技术特征7—留样模块：该模块由7留样/测量切换阀和相应管路组成。其中7留样/测量切换阀位于6测量切换阀与8超滤组件之间，通过开启7留样/测量切换阀可实现所采集雨水的留样功能。

本发明的效果是：

1、可实现降水样品中离子组分的在线自动测量功能；

2、可实现pH电极的自动校准功能；

3、可实现系统雨水管路及试剂管路的自动清洗功能。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

实施例一：降水样品中全参数检测

任务要求：实现降水样品的自动采集，并自动测量降水样品中的pH、电导率、水温、氟离子浓度、氯离子浓度、硝酸根离子浓度、硫酸根离子浓度、钠离子浓度、铵离子浓度、钾离子浓度、镁离子浓度、钙离子浓度。

1、降水自动采集：降水时，1接雨漏斗自动收集降水；停止降水时，1接雨漏斗停止收集降水；接雨漏斗按照此模式持续收集环境中的降水；

2、降水样品自动输送：当达到系统设定的测量时间时，2排水电动球阀打开，1接雨漏斗内的雨水样品由5样品泵抽取，顺序经过3雨水过滤器、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀、7留样切换阀进入8超滤组件；切换6测量切换阀，1接雨漏斗内的雨水样品由5样品泵抽取，顺序经过3雨水过滤器、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀先后进入33EC测量槽和32pH测量槽；

3、EC/pH检测：13EC电极和14pH电极分别对33EC测量槽和32pH测量槽内的雨水样品的电导率、水温及pH进行检测；

4、离子检测雨水样品处理：雨水在8超滤组件内静置5min，进一步沉淀去除样品中的颗粒后，开启10超滤泵负压抽取8超滤组件内的水样，该水样经超滤滤膜过滤后输送至11样品槽,12样品槽液位检测装置实时检测11样品槽内的液位，当12样品槽液位检测装置检测到液位时，停止10超滤泵,11样品槽内水样继续静置5min，充分去除水样中的气泡；

5、离子检测进样：17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的的公共端切换至11样品槽，开启17注射泵抽取11样品槽内样品25ml；18多通道选向阀的的公共端切换至与30阳离子进样环接通，17注射泵输送样品至30阳离子进样环和31阴离子进样环，完成对28阳离子检测模块和29阴离子检测模块的进样；

6、离子检测：系统开启28阳离子检测模块和29阴离子检测模块，分别对雨水样品中阳离子（包含钠离子、铵离子、钾离子、镁离子和钙离子）和阴离子（氟离子、氯离子、硝酸根离子和硫酸根离子）进行检测；

7、系统留样：当选择系统留样功能时，2排水电动球阀打开，切换7留样切换阀至留样接口，1接雨漏斗内的雨水样品由5样品泵抽取，顺序经过3雨水过滤器、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀、7留样切换阀进入留样接口；

8、系统排空：离子检测完成后，开启9超滤组件排水阀、15电导率测量槽排水阀、16pH测量槽排水阀、21接雨漏斗排水阀，分别对8超滤组件、33EC测量槽、32pH测量槽、1接雨漏斗内雨水样品进行排空；

9、试剂管路—色谱仪进样管路清洗：17注射泵出口三通阀切换至IN端，17注射泵出口三通阀抽取27纯水25ml；17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与30阳离子进样环接通，17注射泵输送纯水至30阳离子进样环和31阴离子进样环，完成对30阳离子进样环和31阴离子进样环的清洗；18多通道选向阀的公共端切换至与空气接通，17注射泵抽取空气25ml；18多通道选向阀的公共端切换至与30阳离子进样环接通，17注射泵输送空气至30阳离子进样环和31阴离子进样环，完成对30阳离子进样环和31阴离子进样环的吹扫，充分去除其管路内部残留的液体；

10、试剂管路—样品槽清洗：17注射泵出口三通阀切换至IN端，17注射泵出口三通阀抽取27纯水25ml；17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与11样品槽接通，17注射泵输送纯水至11样品槽；纯水与样品槽充分接触并静置5min后，17注射泵抽取11样品槽内的纯水；18多通道选向阀的公共端切换至与废液口接通，17注射泵将其内部抽取的纯水排放至废液口；

11、雨水管路清洗：切换4样品/清洗切换阀至清洗接口，纯水经5样品泵抽取，经26纯水/空气切换阀、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀、7留样切换阀至8超滤组件，纯水充分浸泡8超滤组件5min；切换6测量切换阀，纯水经5样品泵抽取，经26纯水/空气切换阀、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀对33EC测量槽、32pH测量槽进行浸泡清洗；切换26纯水/空气切换阀，空气经5样品泵抽取以同样的方式分别对8超滤组件、33EC测量槽、32pH测量槽进样管路进行吹扫；吹扫完成后，开启9超滤组件排水阀、15电导率测量槽排水阀、16pH测量槽排水阀，分别排空8超滤组件、33EC测量槽和32pH测量槽；

12、系统保养：切换4样品/清洗切换阀、纯水经5样品泵抽取，经26纯水/空气切换阀、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀、7留样切换阀至8超滤组件对其内部超滤滤膜进行浸泡保养；切换6测量切换阀，纯水经5样品泵抽取，经26纯水/空气切换阀、4样品/清洗切换阀、6测量切换阀进入33EC测量槽、32pH测量槽；开启16pH测量槽排水阀，32pH测量槽内纯水排空后，关闭16pH测量槽排水阀，开启20保养液抽取泵，抽取22pH保养液至32pH测量槽对14pH测量电极进行保养。

实施例二：pH电极自动校准

任务描述：实现pH电极的三点自动校准功能。当启动自动校准任务后，系统按照以下步骤执行：

1、抽取pH1校准液：17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与23pH校准液1接通，17注射泵抽取23pH校准液115ml；18的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送其内部液体至32pH测量槽接通；

2、14pH电极测量32pH测量槽内的pH1校准液，获取测量信号；

3、pH校准管路清洗：17注射泵出口三通阀切换至IN端，17注射泵抽取27纯水25ml；17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送纯水25ml至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的清洗；18多通道选向阀的公共端切换至与空气接通，17注射泵抽取空气25ml；18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送空气至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的吹扫；

4、抽取pH2校准液：17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与24pH校准液2接通，17注射泵抽取24pH校准液215ml；18的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送其内部液体至32pH测量槽接通；

5、14pH电极测量32pH测量槽内的pH2校准液，获取测量信号；

6、pH校准管路清洗：17注射泵出口三通阀切换至IN端，17注射泵抽取27纯水25ml；17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送纯水25ml至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的清洗；18多通道选向阀的公共端切换至与空气接通，17注射泵抽取空气25ml；18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送空气至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的吹扫；

7、抽取pH3校准液：17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与25pH校准液3接通，17注射泵抽取25pH校准液315ml；18的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送其内部液体至32pH测量槽接通；

8、14pH电极测量32pH测量槽内的pH3校准液，获取测量信号；

9、pH校准管路清洗：17注射泵出口三通阀切换至IN端，17注射泵抽取27纯水25ml；17注射泵出口三通阀切换至OUT端，18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送纯水25ml至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的清洗；18多通道选向阀的公共端切换至与空气接通，17注射泵抽取空气25ml；18多通道选向阀的公共端切换至与32pH测量槽接通，17注射泵输送空气至32pH测量槽，完成对32pH测量槽及其校准试剂管路的吹扫；

10、输出校准结果：根据pH1校准液、pH2校准液、pH3校准液的测量结果，输出校准结果；

11、系统保养：开启20保养液抽取泵，抽取22pH保养液至32pH测量槽对14pH测量电极进行保养。

Claims (9)

1.一种降水在线监测系统，包括有；

一雨水采集及输送模块，该模块由接雨漏斗（1）、排水电动球阀（2）、雨水过滤器（3）、清洗切换阀（4）、样品泵（5）、测量切换阀（6）、接雨漏斗排水阀（21）组成；

一EC/pH测量模块，该模块由电导率电极（13）、pH电极（14）、pH测量槽（32）、电导率测量槽（33）、电导率测量槽排水阀（15）、pH测量槽排水阀（16）组成；

一离子检测样品处理模块，该模块由超滤组件（8）、超滤组件排水阀（9）、超滤泵（10）、样品槽（11）、样品槽液位检测装置（12）组成；

一试剂抽取及离子检测进样模块，该模块由注射泵（17）、多通道选向阀（18）、空气环（19）、pH校准液1（23）、pH校准液2（24）、pH校准液3（25）、纯水（27）、阳离子检测模块（28）、阴离子检测模块（29）、阳离子进样环（30）、阴离子进样环（31）组成；

所述的雨水采集及输送模块中通过测量切换阀（6）的切换，控制雨水分别输送至EC/pH测量模块和离子检测样品处理模块。

2.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于还包括有：

一管路清洗模块，该模块由样品/清洗切换阀（4）、样品泵（5）、测量切换阀（6）、纯水（27）、纯水/空气切换阀（26）组成；

和一pH保养模块，该模块由pH保养液抽取泵（20）、pH保养液（22）组成。

3.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于试剂抽取及离子检测进样模块中注射泵（17）为试剂抽取提供动力，其样品出口朝下放置，空气环（19）两端分别连接多通道选向阀（18）公共端与注射泵（17）的OUT端。

4.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于雨水采集及输送模块中排水电动球阀（2）位于接雨漏斗（1）的下方，雨水过滤器（3）位于排水电动球阀（2）和样品/清洗切换阀（4）之间，样品泵（5）位于样品/清洗切换阀（4）和测量切换阀（6）组成之间，接雨漏斗排水阀（21）位于排水电动球阀（2）的下方。

5.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于EC/pH测量模块中pH测量槽（32）位于电导率测量槽（33）的后端，电导率电极（13）和pH电极（14）分别位于电导率测量槽（33）和pH测量槽（32）内部，电导率测量槽排水阀（15）、pH测量槽排水阀（16）分别位于电导率测量槽（33）和pH测量槽（32）的底部。

6.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于离子检测样品处理模块中超滤泵（10）位于超滤组件（8）和样品槽（11）之间，抽取超滤组件（8）内的雨水样品经超滤滤膜过滤后进入样品槽（11）；样品槽（11）内雨水量通过调节样品槽液位检测装置（12）位置进行调节，超滤后的雨水进入样品槽（11）时，系统通过实时检测液位检测装置信号控制超滤泵（10）的工作，当系统检测到液位信号时候，立即停止超滤泵（10）；样品进入样品槽（11）后静置，充分释放掉样品内部的空气。

7.根据权利要求1所述的降水在线监测系统，其特征在于试剂抽取及离子检测进样模块中多通道选向阀（18）的接口端分别与pH测量槽（32）、样品槽（11）、pH校准液1（23）、pH校准液2（24）、pH校准液3（25）、废液口、阳离子进样环（30）、空气连接；纯水（27）与注射泵（17）的IN端连接，阳离子进样环（30）、阴离子进样环（31）分别位于阳离子检测模块（28）、阴离子检测模块（29）内部，且阳离子进样环（30）位于阴离子进样环（31）前端。

8.根据权利要求2所述的降水在线监测系统，其特征在于所述的管路清洗模块中，纯水/空气切换阀（26）位于纯水（27）与样品/清洗切换阀（4）之间；

所述的pH保养模块，其中pH保养液抽取泵（20）位于pH保养液（22）与pH测量槽（32）之间。

9.一种如上述任一权利要求所述的雨水在线监测方法，包括有以下步骤；

雨水输送：开启接雨漏斗（1）和样品泵（5），雨水经雨水过滤器（3）过滤掉粗大颗粒物后输送至超滤组件（8）和样品槽（11）；切换测量切换阀（6），雨水输送至电导率测量槽（33）和pH测量槽（32）；

EC/pH检测：系统采集电导率电极（13）、pH电极（14）信号，经控制系统处理得到雨水样品中的EC/pH值；

离子检测雨水样品处理：雨水在超滤组件（8）内经沉淀进一步去除样品中颗粒后，开启超滤泵（10）负压抽取水样经超滤滤膜过滤后输送至样品槽（11）,样品槽液位检测装置（12）实时检测样品槽（11）内的液位，当样品槽液位检测装置（12）检测到液位时，停止超滤泵（10）,样品槽（11）内水样静置去除气泡；

离子检测进样：注射泵（17）OUT端与多通道选向阀（18）的公共端接通，多通道选向阀（18）的公共端与样品槽（11）接通，注射泵（17）抽取样品槽（11）内样品25ml；多通道选向阀（18）的公共端切换至与阳离子进样环（30）接通，注射泵（17）输送样品至阳离子进样环（30）和阴离子进样环（31），完成阳离子检测模块（28）和阴离子检测模块（29）的进样；

离子检测：开启阳离子检测模块（28），阴离子检测模块（29），对雨水样品中阳、阴离子分别进行检测；

系统排空：开启超滤组件排水阀（9）、电导率测量槽排水阀（15）、pH测量槽排水阀（16）、接雨漏斗排水阀（21），分别对超滤组件（8）、电导率电极（13）、pH电极（14）、接雨漏斗（1）内雨水样品进行排空；

试剂管路清洗：注射泵（17）IN端与纯水（27）接通，注射泵（17）抽取纯水（27）25ml；切换注射泵（17）OUT端与多通道选向阀（18）的公共端接通，多通道选向阀（18）的公共端切换至与阳离子进样环（30）接通，注射泵（17）输送纯水至阳离子进样环（30）和阴离子进样环（31），完成对其的清洗；多通道选向阀（18）的公共端切换至与空气接通，注射泵（17）抽取空气25ml；多通道选向阀（18）的公共端切换至与阳离子进样环（30）接通，注射泵（17）输送空气至阳离子进样环（30）和阴离子进样环（31），完成对其的吹扫；

雨水管路清洗：开启样品/清洗切换阀（4）、样品泵（5），纯水（27）经样品泵（5）抽取至超滤组件（8）对其进行清洗；切换测量切换阀（6），纯水（27）继续对pH测量槽（32）、电导率测量槽（33）进行清洗；切换纯水/空气切换阀（26），以同样的方式分别对超滤组件（8）、pH测量槽（32）、电导率测量槽（33）管路进行吹扫；开启超滤组件排水阀（9）、电导率测量槽排水阀（15）、pH测量槽排水阀（16），分别排空超滤组件（8）、电导率测量槽（33）和pH测量槽（32）；

系统保养：开启样品/清洗切换阀（4）、样品泵（5），纯水（27）经样品泵（5）抽取至超滤组件（8）对其内部滤膜进行保养；切换测量切换阀（6），继续对电导率电极（13）进行保养；开启pH测量槽排水阀（16），排放掉其内部纯水后，开启pH保养液抽取泵（20），抽取pH保养液（22）至pH测量槽（32）对pH电极（14）进行保养。