CN106404681A - 水质检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水质检测方法及系统。本发明提供的水质检测系统包括：取样装置、试剂添加装置、光电检测装置、主控装置，光电检测装置包括透明长方体容器、发光元件、正向受光元件、侧向受光元件和处理分析电路，利用光学检测方法实现了液体离子浓度和浊度的检测，检测方法简单、高效，实现了全自动化、可持续在线监测水质。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种水质检测方法及系统。
背景技术
随着人们对城市末端供水和饮用水的持续关注，对传统的自来水供水系统和净化水的水质提出了更多的量化指标要求。一般取得水浊度、硬度和余氯含量的结果需取水样送实验室通过光谱分析得到数据，周期长，费用高，无法实现及时性、信息化、网络化和民用实用化。特别是随着互联网+和物联网等现代技术的发展，在环境监测，城市供水系统、家庭饮用水和水净化都迫切需要一种可以持续在线监测水浊度、硬度和余氯的方法和设备，以提供城市供水系统各个末端水质数据结合GIS快速定位和预防城市供水危机、水净化系统效果对比及监测关键耗材的劣化跟踪及更换提醒，漏水报警等。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的水质检测方法及系统，利用光学检测方法实现了液体离子浓度和浊度的检测、检测方法简单、高效，实现了全自动化、可持续在线监测水质。
第一方面，本发明提供的一种水质检测方法，其特征在于，包括：获取待测水样；浊度检测模块检测所述待测水样的浊度值上传至水质检测模块；PH值检测模块检测所述待测水样的PH值上传至所述水质检测模块；温度检测模块检测所述待测水样的温度值上传至水质检测模块；水质检测模块将所述待测水样的浊度值、PH值、温度值通过无线网络传输至云平台。
第二方面，本发明提供的水质检测方法，包括：位于待测水样一侧的发光元件发出的入射光射入所述待测水样，位于所述待测水样另一侧的正向受光元件接收经过所述待测水样后的透射光，若所述正向受光元件的输出信号大于检测阈值，则根据所述正向受光元件的输出信号得到正向标定光强，否则更换待测水样重新测量；位于所述待测水样侧面的侧向受光元件接收所述待测水样散射的散射光，根据所述侧向受光元件的输出信号得到散射光光强，同时根据所述正向受光元件的输出信号得到所述待测水样的透射光光强，根据所述散射光光强与所述待测水样的透射光光强计算得到所述待测水样的水样浊度；向待测水样中添加试剂，待所述试剂与所述待测水样充分混合后，得到混合溶液，所述发光元件发出的入射光射入所述混合溶液，所述正向受光元件接收经过所述混合溶液后的透射光，根据所述正向受光元件的输出信号得到所述混合溶液的透射光光强，根据所述混合溶液的透射光光强、所述正向标定光强和入射光光强计算得到所述待测水样的离子浓度。
第三方面，本发明提供了用于实现第二方面所述的水质检测方法的水质检测系统，包括：取样装置、试剂添加装置、光电检测装置、主控装置；所述取样装置包括进水口和出水口，所述出水口处设有取样电磁阀；所述试剂添加装置包括试剂添加口、试剂出口，所述试剂出口处设有试剂电磁阀；所述光电检测装置包括透明长方体容器、发光元件、正向受光元件、侧向受光元件和处理分析电路，所述透明长方体容器的顶部设有进样口和试剂投放口，所述出水口与所述进样口连接，所述试剂出口与所述试剂投放口连接，所述透明长方体容器的底部设有废水口，所述废水口设有废水电磁阀，所述发光元件的发光方向垂直于所述透明长方体容器的第一侧面，所述正向受光元件的光敏面平行于所述透明长方体容器的第二侧面，所述侧向受光元件的光敏面平行于所述透明长方体容器的第三侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相对，所述处理分析电路分别与所述正向受光元件、所述侧向受光元件的信号输出端连接，所述处理分析电路用于根据所述正向受光元件、所述侧向受光元件的输出信号得到水质数据；所述主控装置与所述取样装置、所述试剂添加装置、所述光电检测装置连接，所述主控装置用于根据预设的程序或用户的操作控制所述取样装置、所述试剂添加装置、所述光电检测装置。
优选地，所述透明长方体容器的材料为高透光玻璃。
优选地，所述透明长方体容器外壁或内壁上设有吸光层。
优选地，所述发光元件为LED光源。
优选地，所述光电检测装置还包括整流稳压电路，所述整流稳压电路与所述发光元件连接。
优选地，所述发光元件还包括弧形聚光结构。
优选地，所述正向受光元件和所述侧向受光元件的前端还分别设有接收镜，所述接收镜用于会聚接收到的光。
优选地，主控装置用于根据试剂投放量控制试剂电磁阀的打开的时间。
优选地，其特征在于，还包括通讯装置，所述通讯装置与所述光电检测装置连接，所述通讯装置用于将水质数据上传至云平台。
本发明提供的水质检测方法及系统，能够全自动化、可持续在线监测水质，并能够对多种水质参数(如浊度、硬度和余氯等)等进行测量，检测方式简单高效，设备体积小巧，便于安装，系统通过与互联网连接，实现了检测数据的及时上传、统计分析、反馈，方便用户能及时查看各地的水质。
附图说明
图1为本发明实施例提供的离子浓度检测原理图；
图2为本发明实施例提供的液体浊度检测原理图；
图3为本发明实施例提供的水质检测系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的光电检测装置的俯视图。
附图标记：
1-取样装置；11-进水口；12-出水口；13-取样电磁阀；
2-试剂添加装置；20-试剂管；21-试剂添加口；22-试剂出口；23-试剂电磁阀；
3-光电检测装置；31-透明长方体容器；32-发光元件；33-正向受光元件；34-侧向受光元件；35-进样口；36-试剂投放口；37-废水口；38-废水电磁阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例一
本发明实施例提供的一种水质检测方法，包括：获取待测水样；浊度检测模块检测待测水样的浊度值上传至水质检测模块；PH值检测模块检测待测水样的PH值上传至水质检测模块；温度检测模块检测待测水样的温度值上传至水质检测模块；水质检测模块将待测水样的浊度值、PH值、温度值通过无线网络传输至云平台。
上述水质检测方法，通过集成多种传感器，将检测数据实时传出给云平台，可在线监控各种水质参数，提高了用水安全。
实施例二
本发明实施例提供的另一种水质检测方法，包括以下三个步骤：
步骤一，位于待测水样一侧的发光元件发出的入射光射入待测水样，位于待测水样另一侧的正向受光元件接收经过待测水样后的透射光，若正向受光元件的输出信号大于检测阈值，则根据正向受光元件的输出信号得到正向标定光强，否则更换待测水样重新测量。
其中，当待测水样太脏时，不利于后续浊度和离子浓度的测量，因此先进行透明度测量，保证待测水样的水质满足检测的要求。
步骤二，位于待测水样侧面的侧向受光元件接收待测水样散射的散射光，根据侧向受光元件的输出信号得到散射光光强，同时根据正向受光元件的输出信号得到透射光光强，根据待测水样的散射光光强与待测水样的透射光光强计算得到待测水样的水样浊度。
步骤三，向待测水样中添加试剂，待试剂与待测水样充分混合后，得到混合溶液，发光元件发出的入射光射入混合溶液，正向受光元件接收经过混合溶液后的透射光，根据正向受光元件的输出信号得到混合溶液的透射光光强，根据混合溶液的透射光光强、正向标定光强和入射光光强计算得到待测水样的离子浓度。
其中，入射光光强可以根据实际发光元件的型号参数和发光元件的当前工作状态等得到。
如果在实际检测时不需要检测水样浊度，也可以省略步骤二；同样，如果不需要测量离子浓度，可省略步骤三。
上述方法检测液体中的离子浓度的原理为：不同的离子和特定试剂混合后，因离子浓度的不同，混合液体会呈现不同的颜色深度，溶液呈现颜色是因为溶液选择性地吸收了某种颜色的光而引起的，如表1给出了溶液颜色和其吸收光的颜色及波长。如图1所示，用与混合液体的颜色互补的光源照射混合溶液，混合溶液中某种离子的含量越高，混合溶液的颜色越深，可穿透的互补光线越低，对穿透混合溶液后的透射光光强进行检测，根据溶液颜色深度和单色光吸收量线性关系的原理，得到混合溶液的透射光强与步骤一中的待测水样的正向标定光强的差值，计算出相对的离子含量的量化指标，作为水样中该离子含量的量化指标。
选用不同颜色的发光元件和不同种类的试剂，本发明提供的水质检测方法可广泛用于其它离子浓度的测量。
表1
如图2所示，上述方法检测液体的浑浊度的原理为：利用光线在浑浊水样中会发生散射，通过检测待测水样的散射光光强和透射光光强的比值，测算出液体浊度的量化参数。考虑到二次散射所引起的光强增强和浊液吸收所引起的光强衰减大体持平，其散射光在90度方向的总散射光强ISS可有以下等式：
ISS≈K2I0TΔx
其中，K2为散射系数，T为浊度，Δx为测量光程长，I0为透射光光强；由以上等式可知，低浊度情况下，散射光强与浊度成正比。
本发明实施例提供的水质检测方法，利用不同离子和特定试剂混合后因离子浓度的不同呈现不同的颜色深度的混合溶液，检测通过混合溶液的光的衰减程度检测液体中的某种离子浓度，通过散射光和透射光的比值得到液体的浊度，测试装置无需与待测水样接触，检测方法安全、简单、高效，可广泛用于多种离子浓度的测量。
实施例三
为了更好地实现实施例二中的水质检测方法，本发明实施例还提供了相应的水质检测系统，如图3所示，包括：取样装置1、试剂添加装置2、光电检测装置3、主控装置(图1中未示出)。
取样装置1包括进水口11和出水口12，出水口12处设有取样电磁阀13，进水口11通过管道与待测水样的水源连接，通过取样电磁阀13的开闭，控制待测液体的取样，方便实时检测水质。
试剂添加装置2包括试剂管20，试剂管20包括试剂添加口21和试剂出口22，试剂出口22处设有试剂电磁阀23，通过试剂添加口21向试剂管20中添加测试水质用的试剂。测试时，主控装置会根据试剂投放量控制试剂电磁阀23的打开的时间，精确掌控试剂投放量，提高了测量精度。试剂添加装置2中可以设置多个试剂管20，用于存放不同的试剂，每个试剂管20的试剂电磁阀23均相互独立控制，使得一台设备能检测不同的水质参数。
光电检测装置3包括透明长方体容器31、发光元件32、正向受光元件33、侧向受光元件34和处理分析电路(图1中未示出)。透明长方体容器31的顶部设有进样口35和试剂投放口36，出水口12与进样口35连接，试剂出口22与试剂投放口36连接，透明长方体容器31的底部设有废水口37，废水口37设有废水电磁阀38，打开废水电磁阀38即可排出透明长方体容器31内的待测水样。如图4所示，发光元件32的发光方向垂直于透明长方体容器31的第一侧面，减少由于光从空气、玻璃和液体穿透时候产生的反射和折射对测量的影响，正向受光元件33的光敏面平行于透明长方体容器31的第二侧面，以增大正向受光元件33接收光的有效面积，第一侧面与第二侧面相对，侧向受光元件34设在与入射光的光路垂直的方向，侧向受光元件34的光敏面平行于透明长方体容器31的第三侧面，以增大侧向受光元件34接收光的有效面积；发光元件32发出的入射光从第一侧面进入透明长方体容器31中，经待测水样衰减后从第二侧面射出的透射光被正向受光元件33接收，经待测水样散射的散射光被侧向受光元件34接收。处理分析电路分别与正向受光元件33、侧向受光元件34的信号输出端连接，处理分析电路用于根据正向受光元件33、侧向受光元件34的输出信号得到水质数据。
主控装置与取样装置1、试剂添加装置2、光电检测装置3连接，主控装置用于根据预设的程序或用户的操作控制取样装置1、试剂添加装置2、光电检测装置3。
其中，透明长方体容器31的材料为高透光玻璃，减小容器材料对光的衰减，提高测量精度。透明长方体容器31的外壁或内壁上设有吸光层，减少光的二次反射和折射对测量精度的影响。
水质测量对光源的色度、光强等参数要求较高，为保证光源的质量和稳定性，发光元件32优选稳定性和单色性较好的LED光源。另外，还专门配有与发光元件32连接的整流稳压电路，用于稳定发光元件32的供电电压，提高出射光的稳定性。
待测水样较差的水质会极大地衰减出射光和散射光，降低正向受光元件33和侧向受光元件34的输出信号，这不利于检测，可以从以下两个方面减弱上述影响，一是提高出射光的光强为了提高出射光的光强，二是提高受光元件接收光的面积。为了提高出射光的光强为了提高出射光的光强发光元件32还包括弧形聚光结构，发光元件32发出的光在弧形聚光结构的作用下集束发送，降低了出射光的发散角，提高了发光元件32出射光的光强，有利于受光元件接收到经待测水样衰减、散射的光。为了提高受光元件接收光的面积，正向受光元件33和侧向受光元件34的前端还分别设有接收镜，接收镜有利于会聚接收到的光，使得正向受光元件33和侧向受光元件34能够检测光强的微弱改变，有助于提高系统的检测精度。
本发明实施例提供的水质检测系统还包括通讯装置，通讯装置与光电检测装置连接，通讯装置用于将水质数据上传至云平台，利用云平台对数据进行处理。本发明实施例提供的水质检测系统可在环保水质检测、城市供水分析、水质净化分析等领域广泛应用，解决互联网+背景下水质大数据在线采集的需求。
为了更好地理解上述系统，下面以检测水样的浊度、水样中的氯离子为例，简述水质检测系统的工作流程。由于余氯试剂与氯离子溶液呈黄色，利用黄色液体对蓝色光的吸收作用，选用蓝色LED光源作为发光元件32。具体工作流程如下：
1、主控装置收到检测浊度的指令后打开取样电磁阀13，此时试剂电磁阀23和废水电磁阀38处于关闭状态，待测水样在水压作用下快速进入透明长方体容器31内，取样量根据水样水压和取样电磁阀13的开关时间进行控制，待透明长方体容器31内的待测水样达到取样量后，关闭取样电磁阀13。
2、打开蓝色LED光源，光源发出的光经过透明长方体容器31内的待测水样后被正向受光元件33接收；处理分析电路将正向受光元件33的输出信号与检测阈值比较，若正向受光元件33的输出信号大于检测阈值，则根据正向受光元件的输出信号得到正向标定光强，则否则打开废水电磁阀38排出透明长方体容器31内的水样，重新取样进行测量。
3、处理分析电路接收正向受光元件33和侧向受光元件34的输出信号，得到待测水样的散射光光强与透射光光强，并计算得到待测水样的水样浊度。
4、打开试剂电磁阀23，投入一定剂量的余氯试剂；待余氯试剂与待测水样充分混合后得到混合溶液，打开蓝色LED光源；处理分析电路接收正向受光元件33的输出信号，得到混合溶液的透射光光强，结合正向标定光强和入射光光强计算得到待测水样的氯离子浓度。
5、打开废水电磁阀38，排出废水；废水排尽后，取样电磁阀13进行冲洗清洁，为下次检测做准备。
综上所述，本发明实施例提供的水质检测方法及系统，能够全自动化、可持续在线监测水质，并能够对多种水质参数(如浊度、硬度和余氯等)等进行测量，检测方式简单高效，设备体积小巧，便于安装，系统通过与互联网连接，实现了检测数据的及时上传、统计分析、反馈，方便用户能及时查看各地的水质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种水质检测方法，其特征在于，包括：获取待测水样；浊度检测模块检测所述待测水样的浊度值上传至水质检测模块；PH值检测模块检测所述待测水样的PH值上传至所述水质检测模块；温度检测模块检测所述待测水样的温度值上传至水质检测模块；水质检测模块将所述待测水样的浊度值、PH值、温度值通过无线网络传输至云平台。
2.一种水质检测方法，其特征在于，包括：
位于待测水样一侧的发光元件发出的入射光射入所述待测水样，位于所述待测水样另一侧的正向受光元件接收经过所述待测水样后的透射光，若所述正向受光元件的输出信号大于检测阈值，则根据所述正向受光元件的输出信号得到正向标定光强，否则更换待测水样重新测量；
位于所述待测水样侧面的侧向受光元件接收所述待测水样散射的散射光，根据所述侧向受光元件的输出信号得到散射光光强，同时根据所述正向受光元件的输出信号得到所述待测水样的透射光光强，根据所述散射光光强与所述待测水样的透射光光强计算得到所述待测水样的水样浊度；
向待测水样中添加试剂，待所述试剂与所述待测水样充分混合后，得到混合溶液，所述发光元件发出的入射光射入所述混合溶液，所述正向受光元件接收经过所述混合溶液后的透射光，根据所述正向受光元件的输出信号得到所述混合溶液的透射光光强，根据所述混合溶液的透射光光强、所述正向标定光强和入射光光强计算得到所述待测水样的离子浓度。
3.一种用于实现权利要求1所述方法的水质检测系统，其特征在于，包括：取样装置、试剂添加装置、光电检测装置、主控装置；
所述取样装置包括进水口和出水口，所述出水口处设有取样电磁阀；
所述试剂添加装置包括试剂添加口、试剂出口，所述试剂出口处设有试剂电磁阀；
所述光电检测装置包括透明长方体容器、发光元件、正向受光元件、侧向受光元件和处理分析电路，所述透明长方体容器的顶部设有进样口和试剂投放口，所述出水口与所述进样口连接，所述试剂出口与所述试剂投放口连接，所述透明长方体容器的底部设有废水口，所述废水口设有废水电磁阀，所述发光元件的发光方向垂直于所述透明长方体容器的第一侧面，所述正向受光元件的光敏面平行于所述透明长方体容器的第二侧面，所述侧向受光元件的光敏面平行于所述透明长方体容器的第三侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相对，所述处理分析电路分别与所述正向受光元件、所述侧向受光元件的信号输出端连接，所述处理分析电路用于根据所述正向受光元件、所述侧向受光元件的输出信号得到水质数据；
所述主控装置与所述取样装置、所述试剂添加装置、所述光电检测装置连接，所述主控装置用于根据预设的程序或用户的操作控制所述取样装置、所述试剂添加装置、所述光电检测装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述透明长方体容器的材料为高透光玻璃。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述透明长方体容器外壁或内壁上设有吸光层。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发光元件为LED光源。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光电检测装置还包括整流稳压电路，所述整流稳压电路与所述发光元件连接。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发光元件还包括弧形聚光结构。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述正向受光元件和所述侧向受光元件的前端还分别设有接收镜，所述接收镜用于会聚接收到的光。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括通讯装置，所述通讯装置与所述光电检测装置连接，所述通讯装置用于将水质数据上传至云平台。
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