CN107449749A - 水质检测设备及其水质检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种水质检测设备及其检测系统。所述检测设备包括：水质检测模块、通信模块以及控制模块；所述水质检测模块包括：光谱水质检测单元pH检测单元温度检测单元以及检测容器。所述检测容器由水样检测池、连接在所述水样池两端的输入管道和输出管道组成；所述光谱水质检测单元设置在所述检测池两侧；所述pH检测单元以及温度检测单元设置在所述输入管道或所述输出管道上；所述光谱水质检测单元、pH检测单元以及温度检测单元与所述控制模块连接，传输所述水质参数、pH以及温度至所述控制模块，所述控制模块与所述通信模块连接。其整合了多个不同的水质检测功能单元，可以实现多种水质参数的同步在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，尤其涉及一种水质检测设备及其水质检测系统。
背景技术
水是生命之源，人类在生活和生产活动中都离不开水。水质的优劣不仅与工农业生产安全和人类健康密切相关。然而，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，水环境污染问题也日趋严重，各种水质或水体污染事件频发，凸显了我国水环境形势不容乐观。
在水污染整治过程中，水体的水质检测技术是其中非常重要的基础技术。需要使用相关的仪器或者设备对水质的各项参数进行检测，从而实现对水质优劣的评价等。
现有许多不同的仪器检测设备可以对各项水质参数(如COD、TOC、TURB 和NO3-N等)进行检测。例如，COD分析仪,TOC分析仪,浊度计,NO3-N分析仪等。
在实现本发明过程中，发明人发现相关技术存在以下问题：现有的检测仪器或者设备只能对单一参数进行测量，无法实现在线检测。其不利于数据的整合，而且需要多种设备结合才能完成综合评价，成本较高。另外，现有的仪器设备无法自动清洗，水样容器随着使用时间的增加，容器壁上不可避免的存在残留物，若不能及时清洗将直接影响检测结果。
为了实现连续监测，现有还提供了一些可实现在线检测的水质检测装置。但是这些水质检测装置为了实现检测水样的输入，通常是采用直接接入水管的方式进行检测。这样的水质检测装置在进行二次标定或者校准时，需要人工将检测仪器从水管中卸下或者取出，然后在接入标准水样进行二次标定或者校准，整个过程都需要人工参与，比较耗费时间和精力，不利于用户的使用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种具备自动检测和标定功能的水质检测设备及其水质检测系统，以解决现有的检测仪器测量参数单一，无法进行自动清洗以及二次标定的问题。
本发明实施例的第一方面提供一种水质检测设备。所述水质检测设备包括：水质检测模块、通信模块以及控制模块；
所述水质检测模块包括：用于通过光谱分析获取水质参数的光谱水质检测单元、用于检测水质的pH的pH检测单元、用于检测温度的温度检测单元以及用于容纳待测水样的检测容器；所述检测容器由水样检测池、连接在所述水样池两端的输入管道和输出管道组成；所述光谱水质检测单元设置在所述检测池两侧；所述pH检测单元以及温度检测单元设置在所述输入管道或所述输出管道上；所述光谱水质检测单元、pH检测单元以及温度检测单元与所述控制模块连接，传输所述水质参数、pH以及温度至所述控制模块，所述控制模块与所述通信模块连接。
可选地，所述水质检测设备还包括用于清洁所述检测池的超声清洗模块；所述超声清洗模块与所述控制模块连接。
可选地，所述输入管道包括：待测水样输入口和标准水样输入口。所述待测水样输入口设置有用于泵入待测水样的动力水泵；所述动力水泵与所述控制模块连接。
可选地，所述检测池的截面具有预定的宽度，包括沿水流动方向对称设置的侧壁、前壁以及后壁；
所述侧壁为石英玻璃材料制成，所述前壁与所述输入管道连接，所述后壁与所述输出管道连接。
可选地，所述光谱水质检测单元包括光源、光接收板以及光电检测模块；所述光源与光接收板相对设置在所述侧壁处，所述光接收板用于接收由光源发出的，穿过所述检测池的光；所述光源接收板与所述光电检测模块连接。
可选地，所述光源包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯；所述光接收板包括用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。
可选地，所述光电检测模块包括：电流电压转换电路、放大电路以及滤波电路；所述电流电压转换电路用于将所述光接收板产生的电流信号转换为对应的电压信号；所述放大电路用于将所述电压信号放大预定的倍数后输出；所述滤波器用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号。
可选地，所述与所述接收红外光的Si质光电晶体连接的光电检测模块还包括一带通滤波器；所述带通滤波器设置在所述放大电路内。
可选地，所述水质参数包括：色度、浊度、COD、TOC、硝酸盐氮以及UV254吸收系数。
本发明实施例的第二方面提供一种水质检测系统。包括如上所述的水质检测设备以及上位机；
所述上位机通过所述通信模块与所述水质检测设备建立通信连接信道，通过所述通信连接信道传递控制指令或者接收来自所述水质检测设备的数据。
本发明实施例提供的技术方案中，整合了多个不同的水质检测功能单元，可以实现多种水质参数的同步检测。而且，不同的水质参数之间还可以相互参考，提高水质参数的检测准确性。另外，通过额外设置的通信模块，可以实现水质参数的在线检测和远程控制。
附图说明
图1为本发明实施例的的水质检测系统的一个实施例示意图；
图2为本发明实施例的光谱水质检测单元的一个实施例示意图；
图3为本发明实施例的光电检测模块的一个实施例电路框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1为本发明实施例提供的一种水质检测系统。所述水质检测系统可以包括若干个水质检测设备100以及上位机200。
该水质检测设备100可以应用在合适的检测水样中进行水质检测，提供相应的水质参数。多个不同的水质检测设备100可以分别设置在不同的采样点，用以实现某个水域的水质参数检测。
上位机200通过所述通信模块与所述水质检测设备建立通信连接信道，通过所述通信连接信道传递控制指令或者接收来自所述水质检测设备的数据。
用户可以通过上位机控制与上位机连接的水质检测设备的工作或者运行，用户还可以通过上位机整合或者获取到来自不同水质检测设备的数据从而更全面的体现某个大范围区域内，水体质量的情况。
进一步的，所述水质检测系统还可以进一步的包括服务器或者其他类型的云端平台300。该服务器作为另一个高层级的控制终端，可以获取这些信息或者对水质检测设备发出控制指令，实现水质在线监控和远程操作。
请继续参阅图1，所述水质检测设备100可以包括：水质检测模块110、通信模块120以及控制模块130。
其中，所述通信模块120具体可以是任何合适类型的，用以实现有线或者无线通信的功能模组。例如，该通信模块120可以通过以太网、串口传输等有线传输方式与上位机连接，将检测结果传输至上位机中，进行相应的数据处理等。该通信模块120还可以支持无线通信，可以通过-GPRS方式或 NB-IoT等LPWAN物联网的协议，将检测结果上传至特定的服务器或者云端管理平台。
所述控制模块130具体可以是任何合适的，具有一定逻辑运算能力的芯片或者集成电路。所述控制模块130可以包括一个或多个处理器131以及存储器132。图1中以一个为例。
其中，处理器131、存储器132可以通过总线或者其他方式连接，图1中以通过总线连接为例。
存储器132作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，处理器131通过运行存储在存储器132中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。
存储器132可以包括存储程序区和存储数据区。其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储通过水质检测模块110获取的数据等。此外，存储器132可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。
当然，所述控制模块130还可以包括多个不同的输入或者输出端口(如 GPIO接口、UART串行接口等)，用于与相应的功能模块连接，建立通信连接从而实现对功能模块的数据获取或者控制，实现所述水质检测设备的功能。
所述水质检测模块110包括：用于通过光谱分析获取水质参数的光谱水质检测单元111、用于检测水质的pH的pH检测单元112、用于检测温度的温度检测单元113以及用于容纳待测水样的检测容器。
所述检测容器由水样检测池1141、连接在所述水样池两端的输入管道 1142和输出管道1143组成。在水质检测过程中，待检测水样从输入管道输入至水样检测池内，进行光谱分析后，再从所述输出管道1143排出。
所述光谱水质检测单元111设置在所述检测池1141两侧，基于光谱分析方法对所述检测池内的水样进行检测。所述pH检测单元112以及温度检测单元113则分别设置在所述输入管道或所述输出管道上，检测在输入管道或者输出管道中流过的液体的pH值和温度。
在一些实施例中，所述输入管道可以设置为两个，包括待测水样输入管道和校准溶液输入管道，从而实现水质检测系统的自动校准功能。与水质检测过程相类似的，所述检测系统可以预设一定的自动校准周期。然后，当到达校准时刻时，发出相应的控制信号，控制标准液输入管道阀门打开，泵入标准溶液对光源及光电探测器进行校准，并将校准后的值作为新的基准值。
具体的，所述pH检测单元112和温度检测单元113具体可以采用任何合适的，接触式或者非接触式的传感器来获取在输入管道或者输出管道中流动的液体(水样)的pH和温度。
例如，所述pH检测单元112是基于玻璃电极法的pH检测装置。检测电极设置在所述输入管道内，用于检测在输入管道内流过的液体的pH。所述温度检测单元113可以是基于红外线的温度检测装置。红外线探头设置在所述输出管道上，用于检测输出管道流过的液体的温度。
所述光谱水质检测单元111、pH检测单元112以及温度检测单元113与所述控制模块130连接，传输所述水质参数、pH以及温度至所述控制模块130。所述控制模块130与所述通信模块120连接，可以通过所述通信模块120向其他终端或者平台传输上述的参数，由此实现水质的在线检测。
在实际操作过程中，所述控制模块130可以通过通信模块120，接收来自服务器或者其他用户终端的控制指令，控制水质监控模块110启动，进行水质的参数的检测，并将获取的水质参数重新通过通信模块120发送到对应的云端平台或者用户终端，从而实现水质检测的远程控制。在另一些实施例中，所述控制模块130还可以根据用户设置的水质采样周期，以预定周期进行水质参数的检测。
在一些实施例中，由于光谱水质检测单元111、pH检测单元112以及温度检测单元113通常采集获得的信号为模拟信号，而所述控制模块130通常需要输入的是数字信号。因此，为了保证控制模块130对于采集信号的处理，所述水质检测设备还可以包括A/D采集模块170。
所述A/D采集模块可以具有与光谱水质检测单元111、pH检测单元112 以及温度检测单元113的模拟信号输入端口。在所述A/D采集模块对这些模拟电压信号进行模数转换以后，可以将相应的数字信号通过控制模块的GPIO 接口，输入至控制模块130中，由控制模块130对其进行后续处理。
当然，根据实际情况或者实现水质检测设备的功能需求，所述水质检测设备可以增加或者减少一个或者多个功能模块(如电源管理模块180、显示屏 190以及时钟模块150)。例如，通过设置该电源管理模块180，可以输出多个不同的供电电压，为整个水质检测设备进行供电，同时集成有过热保护和限流电路等功能电路，能够确保电源系统和芯片运行的稳定性。或者设置有显示屏190或者其他显示装置(如LCD屏或者LED屏)，用于向用户显示相应的水质参数检测结果。
相对于开放型流通池的水质检测设备(即直接进入水体检测型)，本发明实施例提供的水质检测设备一方面可以按需检测(例如，设定固定的检测时间进行检测、临时手动控制检测或者远程控制检测，支持的检测方式较多，能够充分的满足用户的各种需求。同时，检测池可以仅在检测的时候泵入检测样品，避免检测池长时间通水造成的检测池的侧壁上杂质堆积等现象的发生。
另一方面，本发明实施例提供的水质检测设备无需试剂、加热回流等，对于样品无污染并且可以快速同步测量水中吸收光谱、COD、TOC、硝酸盐氮、色度、浊度SS、温度、PH值等多个参数。
在一些实施例中，由于长期使用过程中，可能会存在一些残留物质在管道或者检测池内。因此，为了确保水质采样结果的准确性，通常应当在检测前，对管道和检测池进行清洁。
如图1所示，在较佳的实施例中，所述水质检测设备还可以包括：用于清洁所述检测池的超声清洁模块140。
所述超声清洗模块140与所述控制模块130连接，可以设置在输入管道附近，通过超声波清洁的方式对整个管道进行清洗。该超声清洗模块具体以使基于超声换能器实现，用以产生一定频率和强度的超声波的清洁装置。
在实际操作过程中，所述控制模块130在进行水质检测后，发出控制信号，控制超声清洗模块140发出超声波，对检测池、输入管道以及输出管道进行清洗。输出超声波清洁一定时间后，将液体从输出管道排出，从而保证检测池及其连接管道的清洁。
通过设置超声波清洗功能，可以避免检测池的侧壁受污染，影响光谱分析结果的同时也能够避免标准溶液与检测样品间的交叉污染。
本发明实施例提供的水质检测设备中，光谱水质检测单元111是其中最重要的检测单元，可以实现多种不同的水质指标或者参数的检测，例如，色度、浊度、COD、TOC、硝酸盐氮以及UV254吸收系数等。
图2为本发明实施例提供的光谱水质检测单元111的结构框图。图3为本发明实施例提供的功能电路框图。以下结合图2和图3所示，详细描述该光谱水质检测单元111的结构及光谱分析原理：
如图2所示，在一些实施例中，所述输入管道210包括：待测水样输入口211和标准水样输入口212。所述待测水样输入口211设置有用于泵入待测水样的动力水泵。所述动力水泵与所述控制模块130连接。
通过设置该动力水泵，用户可以通过控制模块控制动力水泵随时从输入管道泵入检测池内，从而实现在线水质检测。
另外，考虑到在水质检测仪使用过程中，设备的光源、用于接收光源的传感器或者其他相关硬件装置可能存在的损耗或者偏移，所述水质检测设备还可以提供二次标定功能。
在进行二次标定时，可以从标准水样输入口212输入标准溶液，然后根据对标准水样的水质检测结果，完成对于光谱水质检测单元的标定，从而有效的提高水质参数或者指标的准确率。
具体的，请继续参阅图2，所述检测池220的截面具有预定的宽度，包括沿水流动方向对称设置的侧壁221、前壁222以及后壁223。
所述侧壁221为石英玻璃材料制成，所述前壁222与所述输入管道210 连接，所述后壁223与所述输出管道260连接。
检测池220是用于容纳待检测水样的容器，可以实现对于水质的光谱分析，从而确定待检测水样的一种或者多种参数或者指标。
更具体的，如图2所示，所述光谱水质检测单元111包括光源230、光接收板240以及光电检测模块250。
所述光源230与光接收板240相对设置在所述侧壁处。如图2所示，所述光源发出的光线穿过检测池内的待检测水样，然后被光接收板240接收。
所述光源接收板将相应的光信号转换为电信号，并通过所述光电检测模块250传输至控制模块中。由此，控制模块可以根据光线穿过所述待检测水样后发生的变化来检测水样的参数。
在本实施例中，为了完成上述水质指标或者参数的检测，所述光源具体可以包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯。所述光接收板则相对应地包括：用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。
在本实施例中使用单色LED作为光源具有体积小、驱动电压低，能耗低，亮度高、寿命长、成本低等特点，且能满足比较复杂的环境下使用。
以下详细描述通过上述三种类型的光，进行光谱分析后，检测获得上述各项指标的具体原理：
1、色度(水样颜色深浅的亮度)：本实施例中是指检测为水样的真色。即指去除悬浮物后水样呈现的颜色。本发明实施例提供的所述光谱水质检测单元采用检测可见光的吸光度来测量色度。
2、浊度(TURB)：是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，包括悬浮物对光的散射和溶质分子对光的吸收。本发明实施例提供的所述光谱水质检测单元采用检测溶质分子对光的吸收来进行浊度的测量。
较佳的是，由于水样中的有机物会对浊度的测定产生干扰，但有机物的吸收峰一般在260nm—300nm(不属于红外光的波长范围)。因此，若使用红外光进行浊度检测时，可以最大限度的减少水中溶解的光吸收物质的影响。
3、化学需氧量(COD)：是指水体中易被强氧化剂氧化的还原性物质(主要为有机物)的浓度。由于在水中多种还原性的有机物对紫外光都有特征吸收。因此，基于该选择性吸收原理，在本实施例中，可以使用标准溶液建立特定波长处吸光度值与COD浓度值的关系，从而根据对特定波长的紫外光的吸光度值计算待测水样中COD的浓度。
4、总有机碳(TOC)：指水中溶解性和悬浮性各种有机污染物含碳的总量。总有机碳具有相类似的特性，在本实施例中，可以采用与COD检测相类似的方法，通过检测水样的在一定波长的紫外吸光度间接获取TOC的含量。
5、硝酸盐氮：是指水中亚硝酸氮、氨氮等含氮化合物中在有氧的条件下，经无机化合物作用最终形成的分解物。
在本实施例中，所述光谱水质检测单元111利用硝酸根离子在220nm波长处的吸收度的特性进行硝酸盐氮含量的检测。
较佳的是，还可以对该吸光度值进行校正。校正是基于可溶性有机物在 220nm和275nm波长处均有吸收，而硝酸根离子在275nm无吸收的特性进行的。在本实施例中，利用275nm的吸光度值作为补偿测量，来校正硝酸盐氮的值。在得到校正后的吸光度后，通过对比硝酸盐氮的标准曲线即可查到被检测水样中硝酸盐氮的量。
6、UV254吸收系数：水中某些有机物通常在254nm波长处出现吸收峰。在本实施例中，将该波长下的吸光度作为水中有机物浓度的综合指标，用以作为评价水体质量的参数。
由于水等常用溶剂在近红外波段的温度敏感性极高,因而不能忽视温度对溶液的近红外光谱测量带来的影响。本发明实施例提供的水质检测设备以朗伯-比尔定律为基础，利用纯溶剂在不同温度下的吸光度变化量作为温度校正量,从而对样品光谱进行修正，确保最终采集的水质指标或者分析结果的准确性。
具体的，如图3所示，所述光电检测模块250可以包括：电流电压转换电路310、放大电路320以及滤波电路330。
其中，所述电流电压转换电路310用于将所述光接收板产生的电流信号转换为对应的电压信号。所述放大电路320用于将所述电压信号放大预定的倍数后输出。所述滤波电路330用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号。
最终输出的稳定的电压信号可以传输到控制模块中，由控制模块进行相应的光谱分析或者由控制模块通过通信模块转发到其他的云端平台中进行光谱分析。
在较佳实施例中，由于Si质光电晶体的感光范围非常大，因此当使用其作为红外线接收器时，为排除其他光线的干扰，所述与所述接收红外光的Si 质光电晶体连接的光电检测模块还包括一带通滤波器。所述带通滤波器设置在所述放大电路内，选择性的红外光线的频率通过而截止其他频率的光线，从而排出其他光线的干扰。
综上所述，本发明实施例提供的水质检测设备及其系统，具有在线和多参数检测的特点。该系统包括水质检测设备、通信模块和相应的管理平台，可同步测量水中COD、TOC、TURB、色度、硝酸盐氮、温度以及pH等多个参数，实现了水质检测的实时化、快速化、自动化和便携化，具有良好的应用前景。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种水质检测设备，其特征在于，包括：水质检测模块、通信模块以及控制模块；
所述水质检测模块包括：用于通过光谱分析获取水质参数的光谱水质检测单元、用于检测水质的pH的pH检测单元、用于检测温度的温度检测单元以及用于容纳待测水样的检测容器；
所述检测容器由水样检测池、连接在所述水样池两端的输入管道和输出管道组成；所述光谱水质检测单元设置在所述检测池两侧；所述pH检测单元以及温度检测单元设置在所述输入管道或所述输出管道上；
所述光谱水质检测单元、pH检测单元以及温度检测单元与所述控制模块连接，传输所述水质参数、pH以及温度至所述控制模块，所述控制模块与所述通信模块连接。
2.根据权利要求1所述的水质检测设备，其特征在于，还包括用于清洁所述检测池的超声清洗模块；所述超声清洗模块与所述控制模块连接。
3.根据权利要求1所述的水质检测设备，其特征在于，所述输入管道包括：待测水样输入口和标准水样输入口；
所述待测水样输入口设置有用于泵入待测水样的动力水泵；所述动力水泵与所述控制模块连接。
4.根据权利要求1所述的水质检测设备，其特征在于，所述检测池的截面具有预定的宽度，包括沿水流动方向对称设置的侧壁、前壁以及后壁；
所述侧壁为石英玻璃材料制成，所述前壁与所述输入管道连接，所述后壁与所述输出管道连接。
5.根据权利要求4所述的水质检测设备，其特征在于，所述光谱水质检测单元包括光源、光接收板以及光电检测模块；
所述光源与光接收板相对设置在所述侧壁处，所述光接收板用于接收由光源发出的，穿过所述检测池的光；所述光源接收板与所述光电检测模块连接。
6.根据权利要求5所述的水质检测设备，其特征在于，所述光源包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯；
所述光接收板包括用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。
7.根据权利要求5或6所述的水质检测设备，其特征在于，所述光电检测模块包括：电流电压转换电路、放大电路以及滤波电路；
所述电流电压转换电路用于将所述光接收板产生的电流信号转换为对应的电压信号；所述放大电路用于将所述电压信号放大预定的倍数后输出；所述滤波器用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号。
8.根权利要求7所述的水质检测设备，其特征在于，所述与所述接收红外光的Si质光电晶体连接的光电检测模块还包括一带通滤波器；所述带通滤波器设置在所述放大电路内。
9.根据权利要求5所述的水质检测设备，其特征在于，所述水质参数包括：色度、浊度、COD、TOC、硝酸盐氮以及UV254吸收系数。
10.一种水质检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的水质检测设备以及上位机；
所述上位机通过所述通信模块与所述水质检测设备建立通信连接信道，通过所述通信连接信道传递控制指令或者接收来自所述水质检测设备的数据。
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