CN108645844B - 一种自动化溶液显色反应传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化溶液显色反应传感器，包括测量控制单元、设置有安装孔和通孔的测量槽、固定在安装孔并伸入测量槽内的可见光颜色探头，及分别与各通孔单向连接的进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵，其中测量槽底部设有带单向阀的排水排气孔；所述测量控制单元，用于分别控制进气泵和排气泵进行进气或排气，并控制测量溶液进水泵和显色试剂进水泵分别向测量槽内泵入待测溶液和显色试剂，以及控制可见光颜色探头读取测量槽内溶液RGB各个通道的数值，将其与预存的比色样本数据进行比较，选取颜色空间数据并进行计算获得测量溶液的离子浓度数据。本发明可实现无人值守的在线式全自动测量，具有自动化程度高、人力成本低等特点。

Description

一种自动化溶液显色反应传感器

技术领域

本发明涉及一种自动化溶液显色反应传感器，属于传感器的技术领域。

背景技术

随着物联网技术的发展，各类在线式传感器被应用于工业生产、环境监测、农业养殖等各个行业。其中，在线式离子浓度传感器由于可以实时监测溶液中各类离子的物质的量浓度，对于土壤、水体中总氮、总磷、pH值、溶解氧等指标的测量和控制具有重要意义。

但是，市面上现有的在线式离子浓度传感器的离子浓度探头均采用敏感膜换能器结构，价格昂贵，使用寿命短，，在使用过程中需投入大量的人力维护成本，在推广过程中存在较大阻力。

在实际生产中，如池塘工业化养殖、野外环境指标监测等场景下，通常使用各类显色反应试剂及试纸替代离子浓度传感器。该类反应操作流程简单，无需专业培训，材料价格低廉。但是，需要人工进行滴定、比色，增加了人力成本。如何设计一种自动化溶液显色反应传感器，替代人工操作，实现自动化的滴定、比色、清洗，从而降低人力维护成本，是一个具有较高研究及应用价值的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种自动化溶液显色反应传感器，解决现有的在线式离子浓度传感器价格昂贵，使用寿命短，且在使用过程中需要频繁进行人工保养、校准，导致无法实现无人值守的全自动滴定测量的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种自动化溶液显色反应传感器，包括测量控制单元、设置有安装孔和若干个通孔的测量槽、固定在安装孔并伸入测量槽内的可见光颜色探头，及分别与各通孔单向连接的进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵，其中测量槽底部设有带单向阀的排水排气孔；所述测量控制单元，用于分别控制进气泵和排气泵进行进气或排气使测量槽内形成正压或负压，并控制测量溶液进水泵将待测溶液泵入测量槽内且控制显色试剂进水泵向测量槽内泵入显色试剂，以及控制可见光颜色探头读取的测量槽内待测溶液在RGB各通道上的数值，将其与预存的比色样本数据进行比较，选取颜色空间数据并进行计算获得测量溶液的离子浓度数据。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括与通孔单向连接的清洗液进水泵，所述测量控制单元还用于控制清洗液进水泵将清洗液泵入测量槽内。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括继电器，所述测量控制单元分别通过继电器与进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵相连。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述可见光颜色探头采用冷光源、光电二极管、电流频率转换器组成的测量电极。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述进气泵和排气泵均采用为带有单向阀的微型空气马达。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述测量溶液进水泵、显色试剂进水泵均采用带有单向阀的由微型电机驱动的蠕动泵。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述可见光颜色探头固定在安装孔上的空隙，及进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵分别与各通孔单向连接之间的空隙采用防水材料密封。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括连接进气泵和排气泵的空气过滤装置。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括连接测量溶液进水泵和显色试剂进水泵的液体过滤装置。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述测量槽由耐腐蚀材料浇注而成。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的自动化溶液显色反应传感器，通过测量槽及各类微型水泵实现了测量溶液、清洗液、显色试剂的自动泵入、滴定和排出，能够在无需人工操作的情况下完成显色试剂滴定、比色、探头清洗等工作，降低了传感器的维护成本，实现无人值守的在线式全自动测量。在非实验室环境下对量化精度要求不高的野外环境指标检测、池塘工业化养殖等应用场景中，与以往的离子浓度传感器相比，在生产成本、维护成本、可靠性及使用寿命上具有明显的优势。

本发明的效果是改进了现有的在线式离子浓度传感器价格昂贵，使用寿命短，且在使用过程中需要频繁进行人工保养、校准这一弊端，具有成本低廉、结构可靠、自动化程度高、大幅度降低人力成本、自动保养免维护的特点，适用于非实验室环境下对量化精度要求不高的野外环境指标检测、池塘工业化养殖等应用场景。

附图说明

图1为本发明自动化溶液显色反应传感器的结构示意图。

其中标号解释：1-测量槽、2-测量控制单元、3-可见光颜色探头、4-进气泵、5-排气泵、6-测量溶液进水泵、7-清洗液进水泵、8-显色试剂进水泵、9-排水排气孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种自动化溶液显色反应传感器，包括测量槽1、测量控制单元2、可见光颜色探头3、进气泵4、排气泵5、测量溶液进水泵6、显色试剂进水泵8优选还可以包括清洗液进水泵7。

其中，所述测量槽1为一中空容器，优选采用由耐腐蚀材料浇注而成，测量槽的上半部分为圆柱体，下半部分为倒锥体，通过支架直立放置于水平面上；在测量槽1的顶端设置有安装孔和若干个通孔，测量槽底部设有一个带单向阀的排水排气孔9，底部的排水排气孔9与外部通过单向阀连接，外部空气与液体不能通过该孔进入测量槽内部；本实施例中设置1个安装孔及5个通孔，但本发明不限于该种结构；所述1个安装孔用于可见光颜色探头3的固定且在固定后探头伸入测量槽内，可以不与测量槽内壁接触。

所述5个通孔分别用于进气泵4、排气泵5、测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8的连接，使其在连接通孔后可以向测量槽导入气体或液体且均是单向连接。所述进气泵4通过其中一个通孔单向连接后连通至测量槽内，进气泵4能够将外部空气泵入测量槽内部，测量槽内部气体不能通过进气泵逸出到外部；所述排气泵5通过其中一个通孔单向连接后连通至测量槽内，排气泵5能将测量槽内部气体泵出到外部，外部空气不能通过排气泵进入测量槽内部；所述测量溶液进水泵6通过其中一个通孔单向连接后连通至测量槽内，测量溶液进水泵6能够将外部测量溶液泵入测量槽内部，测量槽内部液体不能通过测量溶液进水泵流出到外部；所述清洗液进水泵通过其中一个通孔单向连接后连通至测量槽内，清洗液进水泵7能够将外部清洗液泵入测量槽内部，测量槽内部液体不能通过清洗液进水泵流出到外部；所述显色试剂进水泵8通过其中一个通孔单向连接后连通至测量槽内，通过显色试剂进水孔与测量槽连接，显色试剂进水泵8能够将外部显色试剂泵入测量槽内部，测量槽内部液体不能通过显色试剂进水泵流出到外部。以及，需要排水排气时通过测量槽底部带单向阀的排水排气孔9单向排出。

并且，所述测量控制单元通过控制线分别连接可见光颜色探头3、进气泵4、排气泵5、测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8，从而控制它们工作。优选地，还包括继电器，所述测量控制单元2分别通过继电器与进气泵4、排气泵5、测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8相连，通过控制继电器的工作状态控制各部件的工作。

优选地，所述可见光颜色探头3采用采用冷光源、光电二极管、电流频率转换器组成的测量电极，测量电极可由硅光电二极管组成。

并且，为了更好的实现单向作用，所述进气泵4和排气泵5均采用为带有单向阀的微型空气马达；所述测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8均采用带有单向阀的由微型电机驱动的蠕动泵。

为了进一步地提高密闭性，所述可见光颜色探头3固定在安装孔上的空隙，及进气泵4、排气泵5、测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8分别与各通孔单向连接之间的空隙采用防水材料密封。

还可以包括连接进气泵3和排气泵4的空气过滤装置，通过过滤可以防止空气中的杂质进入测量槽1。还包括连接测量溶液进水泵6、清洗液进水泵7、显色试剂进水泵8的液体过滤装置，通过过滤可以防止液体中的杂质进入测量槽1。

本实施例中，所述测量控制单元2，用于分别控制进气泵4和排气泵5进行进气或排气使测量槽内形成正压或负压，并控制测量溶液进水泵6将待测溶液泵入测量槽内且控制显色试剂进水泵8向测量槽内泵入显色试剂，以及控制可见光颜色探头3读取测量槽内待测在溶液RGB各通道的数值，将其与预存的比色样本数据进行比较，选取颜色空间数据并进行计算拟合获得测量溶液的离子浓度数据。并在测量完毕后，控制清洗液进水泵7将清洗液泵入测量槽1内，完成对测量槽1内壁的清洗作业。

为了验证本发明能够实现传感器全自动滴定测量，特列举一验证例子进行说明。具体如下：

本验证例中自动化溶液显色反应传感器，包括测量控制单元、测量槽、可见光颜色探头、进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、清洗液进水泵、显色试剂进水泵。

测量控制单元是一个单片机系统，采用STM32微处理器芯片作为中央处理器，自带5V锂聚合物电池作为供电电源。测量控制单元通过RS232总线连接可见光颜色探头，通过RS485总线连接继电器模块，使用MODBUS协议对继电器模块进行控制。继电器模块分别连接进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、清洗液进水泵、显色试剂进水泵。

测量槽是由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料浇注成型的立式中空容器，上半部分为圆柱体，下半部分为倒锥体，使用不锈钢支架直立放置于水平面上。测量槽顶端开有6个带内螺纹圆孔，分别为见光颜色探头安装孔、进气孔、排气孔、测量溶液进水孔、清洗液进水孔、显色试剂进水孔。其中光颜色探头安装孔内径为DN15（二分之一英寸），其余各孔内径为2毫米。测量槽最底端开有1个带螺纹圆孔，为排水排气孔，内径为DN15（二分之一英寸），与外部通过DN15止逆阀连接，外部空气与液体无法通过该孔进入容器内部。

可见光颜色探头是由冷光源、硅光电二极管测量电极、电流频率转换器组成，此处选用自带LED冷光源的TCS230芯片。芯片装在聚碳酸酯材质的筒状外壳中，外壳透明防水，外径为DN15（二分之一英寸），通过可见光颜色探头安装孔插入测量槽之中，且不接触测量槽内壁。可见光颜色探头与安装孔之间的空隙使用中性硅酮胶密封。

进气泵是带有2毫米止逆阀的微型空气马达。进气泵使用内径2毫米的硅胶软管通过通孔与测量槽连接，其间的空隙使用中性硅酮胶密封。进气泵能够将外部空气泵入测量槽内部，测量槽内部气体无法通过空气泵逸出到外部。空气泵与外部空气之间装有聚丙烯PP高效滤纸。

排气泵是带有2毫米止逆阀的微型空气马达。排气泵使用内径2毫米的硅胶软管通过通孔与测量槽连接，其间的空隙使用中性硅酮胶密封。排气泵能够将测量槽内部空气泵出到外部，外部气体无法通过排气泵进入测量槽内部。排气泵与外部空气之间装有聚丙烯PP高效滤纸。

测量溶液进水泵是带有2毫米止逆阀的由12V微型电机驱动的蠕动泵。测量溶液进水泵使用内径2毫米的硅胶软管通过通孔与测量槽连接，其间的空隙使用中性硅酮胶密封。测量溶液进水泵能够将外部测量溶液泵入测量槽内部，测量槽内部液体无法通过测量溶液进水泵流出到外部。测量溶液进水泵与外部测量溶液之间装有不锈钢过滤网。

清洗液进水泵是带有2毫米止逆阀的由12V微型电机驱动的蠕动泵。清洗液进水泵使用内径2毫米的硅胶软管通过通孔与测量槽连接，其间的空隙使用中性硅酮胶密封。清洗液进水泵能够将外部清洗液泵入测量槽内部，测量槽内部液体无法通过清洗液进水泵流出到外部。清洗液进水泵与外部测量溶液之间装有不锈钢过滤网。

显色试剂进水泵是带有2毫米止逆阀的由12V微型电机驱动的蠕动泵。显色试剂进水泵使用内径2毫米的硅胶软管通过通孔与测量槽连接，其间的空隙使用中性硅酮胶密封。显色试剂进水泵能够将外部显色试剂泵入测量槽内部，测量槽内部液体无法通过显色试剂进水泵流出到外部。显色试剂进水泵与外部显色试剂之间装有不锈钢过滤网。

本验证例的工作原理是：当需要通过显色反应测量溶液离子浓度时，传感器需要对测量槽内液体进行排出，并泵入测量溶液。具体为：首先，测量控制单元控制继电器启动进气泵，将外部空气泵入从通孔测量槽内部使测量槽内形成正压，将测量槽内现有的液体经由排水排气孔流出到测量槽外部，随后继电器复位。然后，测量控制单元控制继电器启动排气泵和测量溶液进水泵，将测量槽内部空气从通孔泵出到外部，使测量槽内形成负压，将需要的测量溶液经由测量溶液进水泵流入测量槽内，并至少没过可见光颜色探头高度，随后继电器复位。测量控制单元控制继电器启动排气泵和显色试剂进水泵，使测量槽内形成负压，显色试剂经由显色试剂进水泵从通孔流入测量槽内，并开始与测量溶液发生显色反应，随后继电器复位，此处使用水质氨氮快速检测试剂作为显色试剂。等待5分钟后，显色反应充分完成，测量控制单元通过RS232总线读取可见光颜色探头输出的RGB各个通道的数值，并与随机存储器内预先存储的比色样本数据进行比较，取颜色空间上与其最接近的样本数据，经计算拟合后即可获得测量溶液的离子浓度数据。

当测量完成后，对可见光颜色探头和测量槽内壁进行清洗，首先测量控制单元控制继电器启动进气泵，将外部空气从通孔泵入测量槽内部使测量槽内形成正压，测量溶液经由排水排气孔流出到测量槽外部，随后继电器复位。然后，测量控制单元控制继电器启动排气泵和清洗液进水泵，将测量槽内部空气从通孔泵出到外部使测量槽内形成负压，清洗液经由清洗液进水泵流入测量槽内，并至少没过可见光颜色探头高度，随后继电器复位。最后，测量控制单元控制继电器启动进气泵，使测量槽内形成正压，清洗液经由排水排气孔流出到测量槽外部，进气泵在排出全部清洗液之后持续工作一段时间以使用气流吹干可见光颜色探头和测量槽内壁，随后继电器复位。此处使用超纯水作为清洗液，上述过程可重复多次以确保可见光颜色探头和测量槽内壁清洗干净。

综上，本发明实现了测量溶液、清洗液、显色试剂的自动泵入、滴定和排出，能够在无需人工操作的情况下完成显色试剂滴定、比色、探头清洗等工作，降低了传感器的维护成本，实现无人值守的在线式全自动测量，具有自动化程度高、人力成本低、自动保养免维护等特点，适用于无人站点的在线式环境指标检测、智能化工业生产、智慧农业和工业化生态养殖等应用场景。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种自动化溶液显色反应传感器，其特征在于，包括测量控制单元、设置有安装孔和若干个通孔的测量槽、固定在安装孔并伸入测量槽内的可见光颜色探头，及分别与各通孔单向连接的进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵，其中测量槽底部设有带单向阀的排水排气孔；所述测量控制单元，用于分别控制进气泵和排气泵进行进气或排气使测量槽内形成正压或负压，并控制测量溶液进水泵将待测溶液泵入测量槽内且控制显色试剂进水泵向测量槽内泵入显色试剂，以及控制可见光颜色探头读取测量槽内待测溶液在RGB各通道的数值，将其与预存的比色样本数据进行比较，选取颜色空间数据并进行计算获得测量溶液的离子浓度数据；可见光颜色探头是由冷光源、光电二极管、电流频率转换器组成，为自带LED冷光源的TCS230芯片；芯片装在聚碳酸酯材质的筒状外壳中，外壳透明防水，外径为二分之一英寸；可见光颜色探头与安装孔之间的空隙使用中性硅酮胶密封；测量溶液至少没过可见光颜色探头高度；

还包括与通孔单向连接的清洗液进水泵，所述测量控制单元还用于控制清洗液进水泵将清洗液泵入测量槽内；

还包括继电器，所述测量控制单元分别通过继电器与进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵、清洗液进水泵相连；

测量完成后，对可见光颜色探头和测量槽内壁进行清洗，首先测量控制单元控制继电器启动进气泵，将外部空气从通孔泵入测量槽内部使测量槽内形成正压，测量溶液经由排水排气孔流出到测量槽外部，随后继电器复位；然后，测量控制单元控制继电器启动排气泵和清洗液进水泵，将测量槽内部空气从通孔泵出到外部使测量槽内形成负压，清洗液经由清洗液进水泵流入测量槽内，并至少没过可见光颜色探头高度，随后继电器复位；最后，测量控制单元控制继电器启动进气泵，使测量槽内形成正压，清洗液经由排水排气孔流出到测量槽外部，进气泵在排出全部清洗液之后持续工作一段时间以使用气流吹干可见光颜色探头和测量槽内壁，随后继电器复位。

2.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：所述进气泵和排气泵均采用带有单向阀的微型空气马达。

3.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：所述测量溶液进水泵、显色试剂进水泵均采用带有单向阀的由微型电机驱动的蠕动泵。

4.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：所述可见光颜色探头固定在安装孔上的空隙，及进气泵、排气泵、测量溶液进水泵、显色试剂进水泵分别与各通孔单向连接之间的空隙采用防水材料密封。

5.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：还包括连接进气泵和排气泵的空气过滤装置。

6.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：还包括连接测量溶液进水泵和显色试剂进水泵的液体过滤装置。

7.根据权利要求1所述自动化溶液显色反应传感器，其特征在于：所述测量槽由耐腐蚀材料浇注而成。

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