CN107655881A - 一种高精度水质在线自动监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度水质在线自动监测仪，包括定量系统、进样系统、反应系统和控制系统，定量系统包括计量玻璃管，计量玻璃管的上方设有超声波传感器；进样系统包括蠕动泵和八通阀，蠕动泵和八通阀通过管路连接；反应系统包括消解装置和光源发射与接收装置，消解装置包括消解管和PT100传感器，消解管的两端还设有电磁阀，电磁阀与消解管相连，光源发射与接收装置包括光源发射器和光源接收器，光源发射器、光源接收器分设于消解管的两侧；控制系统包括单片机、存储器和显示模块。与现有技术相比，通过超声波传感器和分布式薄膜压力传感器可以准确的量取计量玻璃管内的液体和试剂瓶剩余的液体含量，具备多功能扩展性强、灵敏度高和低成本的优点。

Description

一种高精度水质在线自动监测仪
技术领域
本发明涉及水质监测仪器科技领域，尤其涉及的是一种高精度水质在线自动监测仪。
背景技术
目前国内水质在线自动监测仪按照分析方法的不同，主要分为电极法和分光光度法。分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。在分光光度计中，将不同波长的光连续地照射到一定浓度的样品溶液时，便可得到与不同波长相对应的吸收强度。如以波长(λ)为横坐标，吸收强度(A)为纵坐标，就可绘出该物质的吸收光谱曲线。利用该曲线进行物质定性、定量的分析方法，称为分光光度法，也称为吸收光谱法。用紫外光源测定无色物质的方法，称为紫外分光光度法；用可见光光源测定有色物质的方法，称为可见光光度法。它们与比色法一样，都以Lambert-Beer定律为基础。上述的紫外光区与可见光区是常用的。但分光光度法的应用光区包括紫外光区，可见光区，红外光区，但这些方法或操作步骤冗长繁琐，或干扰因素较多、或需要使用比较昂贵的大型分析仪器，而且对操作人员有很高的专业技能要求，因而，大都只能在实验室内完成，不能满足现场、快速在线检测的技术要求。基于此，我们需要研发一种高精度水质在线自动监测仪，可实现对水质汞、铅、镉、铬、砷等重金属含量的自动在线监测，能广泛应用于地表水质污染监测、海水污染监测和工业废水处理与城市污水处理的达标排放监测等领域，具备多功能扩展性强、测量范围宽、灵敏度高和低成本的优点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高精度水质在线自动监测仪，可实现对水质COD含量的自动在线监测，具备多功能扩展性强、测量范围宽、灵敏度高和低成本的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：包括定量系统、进样系统、反应系统和控制系统，所述的定量系统包括计量玻璃管，所述的计量玻璃管的上方设有超声波传感器；所述的进样系统包括蠕动泵和八通阀，所述的蠕动泵和八通阀通过管路连接；所述的反应系统包括消解装置和光源发射与接收装置，所述的消解装置包括消解管和PT100传感器，所述的消解管的两端还设有电磁阀，所述的电磁阀与消解管相连，所述的光源发射与接收装置包括光源发射器和光源接收器，所述的光源发射器、光源接收器分设于消解管的两侧，所述的光源发射器、光源接收器均与消解管相连；所述的控制系统包括单片机、存储器和显示模块，所述的存储器、显示模块均与单片机相连。
作为优选，所述的检测仪还包括试剂储存装置，所述的试剂储存装置包括试剂瓶，所述的试剂瓶通过进样管路与八通阀相连，所述的计量玻璃管通过计量管路与八通阀相连，所述的消解管通过消解管路与八通阀相连。
作为优选，所述的超声波传感器与单片机相连，所述的超声波传感器是用于液量定量，所述的超声波传感器的发送频率为200kHz，发射波束角12°。
作为优选，所述的试剂瓶底部的中心处还设有分布式薄膜压力传感器，所述的分布式薄膜压力传感器用于定性的检测试剂瓶中试剂的余量。
作为优选，所述的反应系统还包括加热丝和散热风扇，所述的加热丝和散热风扇用于补偿因环境因素的变化而产生的温度漂移。
作为优选，所述的检测仪还包括一个RS232串口、一个USB接口、一路DA输出，其中，所述的RS232串口用于与通讯输出；所述的USB接口用于连接外部存储设备(如U盘)、USB打印机、系统升级维护等；所述的DA接口用于对测量结果转换成4～20mA电流输出。
作为优选，所述的单片机采用32位Arm架构核芯板，所述的存储器包括64MB SDRAM运行内存及128MB NANDFLASH数据存储空间，所述的显示模块包括24位LCD显示屏和电容式触摸屏。
作为优选，所述的检测仪还包括以太网端口，所述的以太网端口用于蓝牙、GPRS、无线WIFI模块的使用。
本发明相比现有技术具有以下优点：(1)通过安装在定量管内的高频超声波传感器，发送200KHz的超声波信号，回波信号依次通过高频传感器、低噪声高速有源运算放大器、三阶巴特沃斯滤波器、可变增益放大器、以及精密的电压比较电路，经过相关处理后，输入单片机的输入捕捉中断，计算经历的往返时间，间接计算管内液面的高度，最终得到定量管内液体的液量；
(2)本发明进液系统采用全自动八通阀控制各个管路的进液，从而实现自动进液，而采用无接触进样系统进液，蠕动泵产生负压吸入试剂，试剂与泵管之间总是存在一个空气缓冲区避免了泵管腐蚀同时使得试剂混合更加简洁灵活；
(3)本发明使用的高度集成消解装置，整体体积小、可以快速安全加热至反应温度并保持密封性从而缩短消解反应时间，可靠地设计使消解光源测量共用一个消解管，从而避免了因消解与测量分开进行操作时带来的测量误差；
(4)本发明使用光源补偿装置来提供测量精度：由于光源发射强度随着外界环境的变化而变化，例如温度，湿度…,原始光源发射强度的变化直接影响测量精度，通过自主研发设计的光源补偿装置对原始光源进行同步补偿修正，减小误差，提高测量精度；
(5)本发明的水质在线自动监测仪采用试剂柜、进样系统与定量、控制显示、消解反应系统安装在独立可分解的装置里，实现干湿分离、安装方式多样化，本发明根据不同试剂使用量不同提供了科学合理的试剂瓶组合，以满足现场设备维护的需求；
(6)本发明通过装在试剂瓶底部的分布式薄膜压力传感器与控制、显示系统可以实时获得试剂剩余量的信息，现场维护人员可根据设备提示信息提前加装试剂，避免因试剂缺少造成的停机，同时也避免了传统设备需要打开瓶盖和机盖来检查剩余试剂的繁琐操作，更安全，更便捷。
综上，本发明的一种高精度水质在线自动监测仪，可实现对水质COD含量的自动在线监测，具备多功能扩展性强、测量范围宽、灵敏度高和低成本的优点。
附图说明
图1为本发明的一种高精度水质在线自动监测仪的结构示意图；
图2为本发明的一种高精度水质在线自动监测仪计量定量系统部分的结构示意图；
图3为本发明的一种高精度水质在线自动监测仪计量消解装置部分的结构示意图；
图4为本发明的一种高精度水质在线自动监测仪计量光源发射与接收装置部分的结构示意图；
图5为本发明的一种高精度水质在线自动监测仪计量控制系统部分的框图。
其中，1-计量玻璃管、2-超声波传感器、3-蠕动泵、4-八通阀、5-消解装置、6-光源发射与接收装置、7-消解管、8-PT100传感器、9-电磁阀、10-光源接收器、11-光源发射器、、12-单片机、13-存储器、14-显示模块、15-试剂瓶、16-分布式薄膜压力传感器、17-加热丝、18-散热风扇
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参照附图1-5，举例COD化学需氧量在线自动监测仪，本设备包括定量系统、进样系统、反应系统、控制系统。水样以及各种试剂通过进样系统分五次依次通过定量系统进入反应系统，水样和各种试剂在反应系统内发生氧化反应并获得水样的吸光度，控制系统通过反应系统的光源补偿及接收装置将获得的水样吸光度换算成COD值。水样及各种试剂在反应系统中完成氧化反应后散热风扇将混合液冷却至检测温度，光源信号采集电路借助光源补偿装置对两路信号进行采集，一路采集通过补偿装置透射出来的光信号，利用光电比色法检测原理，用于反应当前水质的检测元素值；另一路采集光源发射源通过补偿装置反射回来的光信号，用于补偿因环境因素的变化而产生的温度漂移，减小测量误差，提高测量精度。反应完成后控制系统通过定量系统、进样系统对反应系统的消解装置、定量系统的计量玻璃管管、进样系统的八通阀及其管路进行清洗。
进样系统包括蠕动泵和八通阀，将试剂按照要求装入对应的试剂瓶，控制系统打开八通阀对应的水样管路，蠕动泵正转抽取水样试剂，蠕动泵的优点在于抽取试剂过程中不直接与试剂接触利用负压将液体抽取和排出。试剂通过蠕动泵转动产生的负压将水样抽入计量玻璃管中，试剂在计量玻璃管中通过安装在计量玻璃管内的高频超声波传感器，发送200KHz的超声波信号，回波信号依次通过高频传感器、低噪声高速有源运算放大器、三阶巴特沃斯滤波器、可变增益放大器、以及精密的电压比较电路。经过相关处理后，输入单片机的输入捕捉中断，计算经历的往返时间，间接计算管内液面的高度，最终得到计量玻璃管内液体的液量。控制系统控制蠕动泵停止工作并将八通阀中的消解管路打开，反应装置中的两通高压阀打开，蠕动泵反转将计量玻璃管中的水样试剂通过八通阀及其管路压入消解管中。其它试剂按照以上方式依次进入消解管中。试剂全部进入消解管中后，控制系统驱动蠕动泵快速反转向消解管中充气搅拌各种试剂，然后反应装置中的两通高压阀关闭加热丝快速安全的将消解管加热至反应温度并且反应装置保持密封性。本反应装置高度集成化，加热迅速，可承受持续高压反应从而使反应时间缩短从而减少工作流程整体时间。反应系统中的光源发射与接收装置采用本公司独立研发设计的半透半反结构，本结构包括光源接收器和光源发射器，光源信号采集电路借助光源补偿装置对两路信号进行采集，一路采集通过补偿装置透射出来的光信号，利用光电比色法检测原理，用于反应当前水质的检测元素值；另一路采集光源发射源通过补偿装置反射回来的光信号，用于补偿因环境因素的变化而产生的温度漂移，减小测量误差，提高测量精度；本反应装置消解、光源测量共用一个消解管，从而避免了因消解反应与测量分开进行操作时带来的测量误差。检测完成后反应装置中的散热风扇将消解管中的废液冷却至排出温度，反应装置中的两通高压阀开启、八通阀中的消解池管路开启，蠕动泵快速正转将废液抽至计量玻璃管中，八通阀中的消解池管路关闭废液管路开启、蠕动泵反转将计量玻璃管中的废液通过废液管路排至废液桶，同上操作共计三次将消解管中的废液排空。废液排空后为了消除系统管路、计量玻璃管、消解池中的残留废液对下次测量数值的影响，本发明的COD在线自动监测仪将自动对系统管路、计量玻璃管、消解池进行纯水清洗。控制系统驱动八通阀中的纯水管路开启，蠕动泵正转将纯水抽入计量玻璃管通过200k超声波探头控制进液量，定量完成后八通阀中的纯水管路关闭消解池管路开启同时反应系统中的两通高压阀开启，蠕动泵反转将计量玻璃管中的纯水通过管路及八通阀压入消解池中，同上操作共计三次将纯水压入消解池中然后静置一段时间，半透半反中的光源发射与接收端通过控制系统检测出纯水的信号值储存在系统中用于本次测量的参考值。纯水将一直储存在消解池中直到下次流程开始。控制系统按照设定的时间间隔自动开始下一次检测流程，首先八通阀中的废液管路开启，蠕动泵反转进行一次计量玻璃管排空操作，此次操作是避免计量玻璃管中有残留液体在进行下一步排空消解池中的纯水时造成过抽，计量玻璃管排空后八通阀中的消解池管路开启、反应系统中的两通高压阀开启，蠕动泵正转将消解池中的纯水抽至计量玻璃管中，然后八通阀中的消解池管路关闭废液管路开启、蠕动泵反转将计量玻璃管中的纯水通过废液管路排至废液桶中。同上操作共计三次将消解池、计量玻璃管、管路中的纯水全部排空完成进样系统、定量系统、反应系统的自动清洗工作。
设备在使用一段时间后试剂瓶里的试剂量发生变化，这时本发明的COD在线自动监测仪利用压力传感器装置自动监测试剂剩余量方便设备的正常运行维护。与传统的通过人力进行查看设备试剂用量相比照，该压力传感器通过与本设备的配合使用，大大减轻了人工操作量。为了实现对试剂瓶中试剂剩余量精确有效的监测，选用可以定制的压阻式薄膜压力传感器，该压阻式压力传感器具有灵敏度高，低漂移性，耐挠曲性能佳和耐磨性能好的特点，并且结合本设备的结构特点和试剂瓶结构特点，让4个500ml试剂瓶和1个2000ml试剂瓶在设备中按照一排排列，每个试剂瓶底部放置一个薄膜压力传感器，并且传感器位置在试剂瓶底部中心处。此压阻式压力传感器是半导体压敏材料.半导体压阻式传感器在受到外力后,自身的几何形状几乎没有什么改变,而是其晶格参数发生改变,影响到禁带宽度.禁带宽度哪怕是非常微小的改变,都会引起载流子密度很大的改变,这最终引起材料的电阻率发生改变。在本称量方法中，将盛有试剂的试剂瓶放于压阻式压力传感器之上，由于压力传感器受到外界压力时，其电阻随着外界压力改变而改变，单片机通过与AD转换器的连接，数据通过单片机的计算与处理后得到实时电阻值，进而得到传感器的受外力值，处理后的值即为试剂剩余量，然后将此试剂剩余量的值在液晶显示屏上显示出来。随着设备的运行，试剂剩余量通过设备液晶显示屏实时显示，大大提高了工作效率，节省了人力。
本发明基于Arm+Linux+Qt系统开发，它使用了下述一系列优选技术方案，以适应现有市场的各种需求。
采用32位Arm架构核芯板，具有强大的数据处理能力，并配有64MB SDRAM运行内存及128MB NANDFLASH数据存储空间，采用成熟稳定的嵌入式Linux作为操作系统，为下述功能提供了良好的平台。
为给用户提供良好的使用体验，本发明采用24位LCD显示屏及电容式触摸屏，操作软件基于专业的QT界面开发库开发，使得本系统具有界面美观、操作流畅、数据呈现方式丰富等特点。
本发明基于32位Arm处理器的强大数据处理能力，通过RS232接口与重金属消解检测装置进行实时通讯，完成对消解检测装置的参数设置、流程控制以及数据采集，并对采集到的复杂数据进行分析处理和展示。
本发明基于Arm架构核芯板的集成优势以及嵌入式Linux系统的支持，支持丰富的通讯接口(RS232、AD/DA、USB、以太网端口)等，并可以根据需要进行扩展(例如蓝牙、GPRS、无线WIFI等)。
为了便于数据的查看和携带，本发明基于惠普hplip打印驱动和cups通用Linux打印接口，实现了USB实时联机打印功能。
为支持长期大数据量存储，本发明采用SQLite数据库对数据进行管理，使用大容量nandflash作为存储介质。
具体地，基于Arm+Linux+Qt的控制核心，是指采用Arm核芯板，嵌入式Linux多任务实时操作系统以及Qt开发库。其中，Arm核芯板，本案例采用ARM9系列中Atmel AT91SAM9263型号嵌入式处理器，工作于200MHz主频，配置64MB SDRAM运行内存，配置128MB NANDFLASH系统存储用于存储引导程序、Linux内核程序、根文件系统、应用程序以及应用数据和配置。
通过AT91SAM9263上的LCD控制器接口，本案例采用7寸1600万色LCD，分辨率800*480，配置相适应的电容式触摸屏，为良好的用户体验的提供了基础。
本案例中，提供了一个RS232串口、一个USB接口、一路DA输出。其中，RS232串口用于与通讯输出；USB接口用于连接外部存储设备(如U盘)、USB打印机、系统升级维护等；DA接口用于对测量结果转换成4～20mA电流输出；另外，以太网端口等用于扩展使用。
COD测定方法与原理：化学需氧量自动在线监测仪采用重铬酸钾氧化法,把水样、氧化剂、催化剂、屏蔽剂的混合液通过定量管和八通阀自动注入消解模块。在高温、高压下水样中的有机物快速被氧化，消解一定的时间，然后通过风扇对流冷却方式快速将消解后的产物冷却到检测温度。作为氧化剂的铬离子从正VI价被还原成正III价，生成绿色化合物，该化合物吸收特定波长的光。吸光度与样品中有机化合物的含量成正比，仪器通过光源检测器记录吸光度值换算出水样中的COD含量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：包括定量系统、进样系统、反应系统和控制系统，所述的定量系统包括计量玻璃管(1)，所述的计量玻璃管(1)的上方设有超声波传感器(2)；所述的进样系统包括蠕动泵(3)和八通阀(4)，所述的蠕动泵(3)和八通阀(4)通过管路连接；所述的反应系统包括消解装置(5)和光源发射与接收装置(6)，所述的消解装置(5)包括消解管(7)和PT100传感器(8)，所述的消解管(7)的两端还设有电磁阀(9)，所述的电磁阀(9)与消解管(7)相连，所述的光源发射与接收装置(6)包括光源发射器(11)和光源接收器(10)，所述的光源发射器(11)、光源接收器(10)分设于消解管(7)的两侧，所述的光源发射器(11)、光源接收器(10)均与消解管(7)相连；所述的控制系统包括单片机(12)、存储器(13)和显示模块(14)，所述的存储器(13)、显示模块(14)均与单片机(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的检测仪还包括试剂储存装置，所述的试剂储存装置包括试剂瓶(15)，所述的试剂瓶(15)通过进样管路与八通阀(4)相连，所述的计量玻璃管(1)通过计量管路与八通阀(4)相连，所述的消解管(7)通过消解管路与八通阀(4)相连。
3.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的超声波传感器(2)与单片机(12)相连，所述的超声波传感器(2)是用于液量定量，所述的超声波传感器(2)的发送频率为200kHz，发射波束角12°。
4.根据权利要求2所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的试剂瓶(15)底部的中心处还设有分布式薄膜压力传感器(16)，所述的分布式薄膜压力传感器(16)用于定性的检测试剂瓶(15)中试剂的余量。
5.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的反应系统还包括加热丝(17)和散热风扇(18)，所述的加热丝(17)和散热风扇(18)用于补偿因环境因素的变化而产生的温度漂移。
6.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的检测仪还包括一个RS232串口、一个USB接口、一路DA输出，其中，所述的RS232串口用于与通讯输出；所述的USB接口用于连接外部存储设备(如U盘)、USB打印机、系统升级维护等；所述的DA接口用于对测量结果转换成4～20mA电流输出。
7.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的单片机(12)采用32位Arm架构核芯板，所述的存储器(13)包括64MBSDRAM运行内存及128MBNANDFLASH数据存储空间，所述的显示模块(14)包括24位LCD显示屏和电容式触摸屏。
8.根据权利要求1所述的一种高精度水质在线自动监测仪，其特征在于：所述的检测仪还包括以太网端口，所述的以太网端口用于蓝牙、GPRS、无线WIFI模块的使用。
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