CN106180159A - 一种基于数据采集卡的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据采集卡的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，包括电动力修复反应器、直流稳压电源、标准电阻、数据采集卡、计算机。此污染土壤电动力修复电流实时采集记录装置设计简单，造价低廉，并且可以同时实现1‑16个电动力修复系统的电流实时采集与记录，可实现不间断长期连续记录，为污染土壤电动力修复研究提供了可靠精确数据，为电动力修复技术在污染土壤修复中提供了可靠保障。

Description

一种基于数据采集卡的污染土壤电动力修复系统电流实时采 集装置

技术领域

本发明涉及一种污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，具体涉及一种基于数据采集卡的电流实时记录采集装置，应用于污染土壤电动力修复反应装置中电流数据的采集与记录。

背景技术

随着经济的高速发展，环境污染问题突显并成为影响人类健康和公众安全的突出社会问题。环境中的污染物往往通过各种途径进入土壤、水体以及大气，最终归趋于土壤或河流、湖泊底泥等污染介质中，并且已经远超出这些介质自身的净化能力，从而在这些介质中无限富集。污染物进一步通过这些介质危及到人类身心健康，因此也引起了世界各国的广泛重视。

电动力修复技术作为一种环境友好型修复技术被广泛应用于污染土壤及相似介质的修复研究中，其主要是利用直流电场对离子的电迁移作用以及电渗流作用，使得污染介质向两极迁移，从而实现污染物从土壤中去除的目的。该技术可适用的污染物十分广泛，对重金属、类金属、有机污染物、放射性核素等均具有明显的修复去除效果，其能同时适用于饱和及非饱和土壤，能实现异位及原位修复，其最大的优势在于能适用于黏性或半黏性土壤，更适合综合治理渗透性系数低的密质污染介质的修复，具有相当高的经济效益。此外，电动力修复技术易于与其他技术联用，如电动力与植物修复技术耦合，被认为是极具应用潜力的一种绿色环境友好修复技术。因此，电动力修复技术在污染介质修复领域具有比较大的应用潜力。

电动力修复技术发展了近20年，但其实际推广应用还不是很广泛，其还存在一些技术难题，制约着其进一步推广，如电动力修复技术所需能耗均比较高：在进行电动力修复技术的研究中，随着电动力修复的进行，污染介质往往容易在施加的电场下发生沉淀、溶解、氧化还原、络合、吸附/解吸附等多种变化，表现为电动力修复体系电流、电阻随时间不断变化。在实际工作中往往通过监测体系的电流、电阻变化信息来获得土壤中介质的变化信息。电流是电动力修复体系中一个非常重要的参数，因此，非常迫切的需要对电动力修复体系中的电流进行24小时的实时、准确的记录，从而对电动力修复过程中的各种反应进行控制与分析指导。

目前市场上可以购买到的实时电流数据采集器种类非常少，包括无纸记录仪，而这些产品往往存在以下缺点：

(1)无纸记录仪虽然可以实时记录电路中的电流，但是将其应用于电动力修复装置中时，往往需要在需要监测的每个电流电路中分别连接电流电压转换器，其大大增加了应用成本；

(2)无纸记录仪可同时采集的通道数有限，一般仅可以实现1至4个通道的数据采集，并且随着通道数目的增多，所需成本呈线性递增，不利于其推广应用；

(3)最关键的问题在于所述无纸记录仪采样精度有限，其最低可采集到的电流值为几十个毫安，对于要求精确的电动力修复实验，特别是实验室研究来说，回路中电流值范围往往在0到几十个毫安之间，其不可用，无法满足对电动力修复电流变化的全部范围的电流采集与记录。

综上所述，开发一种结构简单、成本低廉、易于操作、采集精度高的电动力修复电流数据采集系统已经成为一种迫切需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、构建成本低廉、易于操作的电动力修复装置电流数据实时采集系统，旨在解决电动力修复技术研究及应用过程中对电动力修复体系动态变化进行直观判断的电流数据实时动态获取与记录的难题。

本发明的技术方案：

首先，本发明提供一种基于数据采集卡的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，所述污染土壤电动力修复电流实时采集装置系统组成包括：电动力修复反应器、直流稳压电源、标准电阻、数据采集卡、计算机；所述电动力修复反应器是长方形、多边形、圆形或者不规则形状的容器，容器内放置修复对象，容器内设置阳极槽和阴极槽，分别插入阳极板、阴极板并填充阳极电解液和阴极电解液；所述直流稳压电源正、负极分别与电动力修复反应器阳极、阴极电板相连；在直流稳压电源的负极端和电动力修复反应器的阴极端之间串联接入一个标准电阻，使其与直流稳压电源、电动力修复反应器构成一个完整的电流回路；所述标准电阻两端分别通过导线与数据采集卡相应端口相连；所述数据采集卡与计算机连接；所述计算机通过数据采集卡对标准电阻两端的电压差值进行数据采集与记录，从而获得电流回路中动态电流值；

优选的，所述电动力修复反应器包括一个至数个实验室电动力修复反应器、实际场地电动修复反应器或其组合，具体的并联方式可以如说明书附图2所示；

优选的，所述数据采集卡可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机；

优选的，通过单独接地线模式或者共用接地线模式，可以实现同时对1至16个单独的电动力修复反应装置系统的电流回路中电流进行采集，采样频率低至0.1s/s；

优选的，本系统可以通过计算机支持多种通信方式(如TCP/IP、无线网络、蓝牙等)实现网络化监测电动力修复；

本发明关键在于将所需采集的电动力修复装置回路中的电流值转换为标准电阻两端的电压差值进行实时记录采集，实现了对电动力修复系统中低至毫安级别电流的多通道、等时间间隔的连续自动数据采集，从而为电动力修复研究及应用过程中有效控制能量消耗并提高污染物去除率提供更好的指导。本发明中所使用的数据采集卡为本领域内常见的数据采集卡，并不需要特殊的制备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过选用的标准电阻阻值及功率大小，可以实现低至毫安级别，甚至比毫安级别更低的电流的数据实时在线采集；

(2)采用高精度多通道的数据采集卡，可实现多通道同时采样，且采样精度高(转换精度达到14位)，采样速率快(最快可达到2.5us)；

(3)结构简单，成本及其低廉，操作方便，易于实现，易于推广应用；

(4)计算机有更强大的数据处理能力和更为完善的网络功能，支持多种通信方式(如TCP/IP、无线网络、蓝牙等)，从而实现远程控制等网络化监测手段。

附图说明

图1为本发明污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置结构示意图。其中图1a为实验室型污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置结构示意图，图1b为实际场地型污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置结构示意图。

其中，1为电动力修复反应器、2为直流稳压电源、3为标准电阻、4为数据采集卡、5为计算机，图中所示连接线均为导电线。

图2为基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置结构示意图。

其中，A0为阴阳极液均为去离子水的长方形电动力修复反应器、A1为阴阳极液均为0.1M NaOH的长方形电动力修复反应器、A2为阳极液为去离子水，阴极液为0.1M NaOH的长方形电动力修复反应器、A3为阳极液为0.1M NaOH，阴极液为0.1M Na₂HPO₄的长方形电动力修复反应器。

图3为基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集流程图。

图4为基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置电流值图。

其中，I0，I1，I2，I3分别为A0，A1，A2，A3电动力修复反应器中所获取的在线电流值。

具体实施方式

下面结合实施例及附图2，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。

实施例1

基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置，包括4个电动力修复反应器、4个5R标准电阻、1个数据采集卡、1台计算机；

4个电动力修复反应器分别为：A0为阴阳极液均为去离子水的长方形电动力修复反应器、A1为阴阳极液均为0.1M NaOH的长方形电动力修复反应器、A2为阳极液为去离子水，阴极液为0.1M NaOH的长方形电动力修复反应器、A3为阳极液为0.1M NaOH，阴极液为0.1M Na₂HPO₄的长方形电动力修复反应器。

该实例中所用电动力反应器尺寸：长20cm，宽10cm，高10cm；阳极板和阴极板均为石墨毡电极，两电极板间距为15cm；被修复对象污染土壤填充于电动力修复反应器两电极板之间，电极板周围加入电解液，两电极板之间形成一个离子导电通道。直流稳压电源通过引出的正极线和负极线分别与电动力修复反应器中的正极、负极连接，与两极板之间的离子通道形成一个完整电流回路；标准电阻分别与直流稳压电源的负极和电动力修复反应装置的负极板连接，串联进此电路；标准电阻的两端另外通过导线与数据采集卡相对应的采集端口相连；计算机通过USB接口与数据采集卡连接，数据采集卡将采集到的信号量传输到计算机，利用计算机强大的处理能力对数据进行计算分析，通过计算机各种完善的网络将数据进行上传。

在所需采集的电动力修复装置电源输出负极端回路接入标准电阻，将其与配有专用或通用插卡式数据采集卡和软件开发平台的个人计算机相互连接。优选的，可以基于程序语言对数据采集卡进行二次开发，具体为利用LabVIEW图形化编程语言(例如：杨忠仁,饶程,邹建,彭珍莲.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报(自然科学版),2004,02:32-35；李威宣,黄建新.基于LabVIEW平台的通用数据采集卡的驱动方法及数据采集[J].电子质量,2005,07:14-16.)，直接调用功能模板内图标引入延时设计了可依需求更改的任意采样间隔，模拟多通道单采样双精度类型方式，通过编写时间公式节点执行数组读取及写入的程序框图。

被修复对象为雄黄矿区周边实地采集的砷污染农田土壤(总砷浓度为128ppm)，将其填充于电动力修复反应器两电极板之间并进行压实处理；在两电极槽内按表1所示对应加入电解液，运行过程中保持电极液与土壤表面高度一致。两电极板端通过直流稳压电源输入电压值为30V，电压梯度为2V/cm，设置数据采集卡采样间隔为2分钟/次。图3为基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置运行过程中60min内电流的变化趋势。其中I0，I1，I2，I3分别为A0，A1，A2，A3电动力修复反应器中所获取的在线电流值。对于每个回路，每小时记录了30个电流值。

表1基于四个电动力修复反应器同时运行的污染土壤电动力修复系统电流数据实时在线采集装置实验参数

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (5)

1.一种基于数据采集卡的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，其特征在于：所述污染土壤电动力修复电流实时采集装置系统组成包括：电动力修复反应器、直流稳压电源、标准电阻、数据采集卡、计算机；所述电动力修复反应器是长方形、多边形、圆形或者不规则形状的容器，容器内放置修复对象，容器内设置阳极槽和阴极槽，分别插入阳极板、阴极板并填充阳极电解液和阴极电解液；所述直流稳压电源正、负极分别与电动力修复反应器阳极、阴极电板相连；在直流稳压电源的负极端和电动力修复反应器的阴极端之间串联接入一个标准电阻，使其与直流稳压电源、电动力修复反应器构成一个完整的电流回路；所述标准电阻两端分别通过导线与数据采集卡相应端口相连；所述数据采集卡与计算机连接；所述计算机通过数据采集卡对标准电阻两端的电压差值进行数据采集与记录，从而获得电流回路中动态电流值。

2.根据权利要求1所述的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，其特征在于，所述电动力修复反应器包括一个至数个实验室电动力修复反应器、实际场地电动修复反应器或其组合。

3.根据权利要求1所述的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，其特征在于，所述数据采集卡可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash等总线接入个人计算机。

4.根据权利要求1所述的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，其特征在于，通过单独接地线模式或者共用接地线模式，可以实现同时对1至16个单独的电动力修复反应装置系统的电流回路中电流进行采集，采样频率低至0.1s/s。

5.根据权利要求1所述的污染土壤电动力修复系统电流实时采集装置，其特征在于计算机支持多种通信方式(如TCP/IP、无线网络、蓝牙等)实现网络化监测电动力修复。