CN109406584A - 一种双通道数字tds传感器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水质检测技术领域中的一种双通道数字TDS传感器及其实现方法，该TDS传感器包括测试主板及第一探头、第二探头，测试主板通过数字接口与净水机主板连接，第一探头和第二探头插入净水机的快速接头中，测试主板、第一探头、第二探头及信号线密封封装在长条形的防水材料中；该方法包括分压法测量两电极间电阻、计算源水端和净水端电导率等步骤。本发明满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，且整个探测结构稳定，减少了加工成本，探测过程简单，节约了检测时间，提高了检测数据精确度。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，具体的说，是涉及一种双通道数字TDS传感器及其实现方法。
背景技术
净水机进入家庭、商用场合越来越普遍，但是除了体积大，废水率高之外，净水机行业一直存在净化前后的水质状况不明这个痛点。部分厂家目前使用独立的TDS探头测量水体的TDS（Total dissolved solids总固态溶解物）值。TDS探头采用各种技术测量水的电导率，并等效转化为TDS值，由于探头测得的原始信号是标准的模拟信号，需经过计算后方可得到TDS值。
而由于TDS探头的天生公差，全部电路完成后，需要经过标定才能达到较准确的读数。这中间需要电路调节、标准液校正等过程。目前净水机行业由于将相关电路集成在主板上，标定过程不易实现，而且标定过程有一定的专业性，导致绝大多数厂家放弃做标定，接受参差不齐的测量结果。这就造成净水机净化前后的水质TDS探测不准确，不利于客观评价净水机净水效果。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种双通道数字TDS传感器及其实现方法。
本发明技术方案如下所述：
一方面，一种双通道数字TDS传感器，其特征在于，包括测试主板及与所述测试主板连接的第一探头、第二探头，所述测试主板通过信号线对外提供数字通讯接口，所述数字接口与净水机主板连接，
所述第一探头和所述第二探头插入净水机的快速接头中，且所述第一探头与所述净水机水路的源水端快速接头连接，所述第二探头与所述净水机水路的净水端快速接头连接，所述第一探头内设有第一电极，所述第二探头内设有第二电极及温度传感器，
所述测试主板、所述第一探头、所述第二探头及所述信号线密封封装在长条形的防水材料中。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述数字接口为4PIN的连接接口。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一探头为直径9.5mm或6.4mm的探头，所述第二探头为直径9.5mm或6.4mm的探头。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一探头和所述第二探头的内部均填充有环氧树脂层，所述第一探头和所述第二探头均包括两根金属电极端，所述金属电极端的中段均设有压花，其尾端注塑有PVC材料，达到7 Bar强度的防水性能。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极外均设有电极密封层。
进一步的，所述电极密封层的材质为ABS材质或PE材质。
进一步的，所述金属电极端材质为钛合金材质。
进一步的，同一探头中，两根所述金属电极端之间的间距为2mm。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述测试主板的宽度为不大于13mm，且所述测试主板上的电路表面低压注塑有防水绝缘层。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述测试主板中设有单片机：所述单片机依次与第一参考电阻R参考1、所述第一电极串联形成闭合回路，所述单片机依次与第二参考电阻R参考2、所述第二电极串联形成闭合回路。
进一步的，所述第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，所述第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。进一步的，所述单片机还与所述温度传感器连接，所述温度传感器的另一端通过第五电阻R5接地。
另一方面，一种双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一探头中两个电极之间的电阻Rtds1；
步骤2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二探头中两个电极之间的电阻Rtds2；
步骤3、利用公式K=Q/R，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，其存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述步骤1中，第一参考电阻R参考1=第一电阻R1+第一可调电阻VR1，在所述步骤2中，第二参考电阻R参考2=第三电阻R3+第二可调电阻VR2。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括标定过程，具体包括：分别将第一探头和第二探头放入到电导率标准溶液中，根据公式K=Q/R，计算所述第一探头和所述第二探头的电导池常量Qtds1和Qtds2，并将其写入到存储器的配置文件中。
进一步的，所述电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413us/cm的KCL溶液。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括步骤4的温度补偿过程，根据公式K修正=K测量/（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为1.5-2.5之间的常量。
进一步的，所述常量a为2。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括曲线拟合的过程，采集不同探头的多个不同数据，并存入所述单片机的存储器中，并将不同探头的不同曲线拟合形成修正后的曲线，使测量值更接近理想曲线。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过双通道的测量，满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，通过测试得到的TDS值来提醒用户及时更换滤芯，避免滤芯失效带来的风险，实用性高，便于推广应用；通过将TDS测量电路模块化，解决企业重复研发的问题，并在TDS功能领域实现模块化，降低出错概率；本发明通过温度探针及对应独立的温度补偿电路，提高了测量结果的温度适应性；本发明还通过管道修正，以及程序控制测量脚的阻抗模式，解决了净水机行业TDS探头工作中的特殊问题；本发明整个探测结构稳定，减少了加工成本，探测过程简单，节约了检测时间，增加了检测数据精确度。
附图说明
图1为本发明应用实例的示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明内部的电路图。
图4为本发明中实现过程的流程图。
图5为本发明中曲线拟合前的曲线图。
图6为本发明中曲线拟合后的曲线图。
在图中，1、信号线；2、第一探头；3、第二探头；4、测试主板；5、数字接口；6、源水端快速接头；7、净水端快速接头。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1-2所示，一种双通道数字TDS传感器，包括测试主板4及与测试主板4连接的第一探头2、第二探头3，测试主板4、第一探头2、第二探头3及信号线1密封封装在长条形的防水材料中。
测试主板4的宽度不大于13mm，且测试主板4上的电路表面低温注塑有防水层，防水层将整个电路密封，达到极佳的防水效果。
第一探头2和第二探头3插入净水机的快速接头中，且第一探头2与净水机水路的源水端快速接头6连接，第二探头3与净水机水路的净水端快速接头7连接。图1中下端横线为净水机水路，其从源水端到净水端依次经过初效膜、RO膜及其他膜。其中：
第一探头2为直径9.5mm或6.4mm的探头，其内设有第一电极。第一电极包括两根金属电极端（优选为钛合金），金属电极端的中段设有压花，两根金属电极端之间的间距为2mm，两根金属电极密封在ABS材质或PE材质的电极密封层内。第一探头2内部填充环氧树脂材料，尾端由PVC材料将线材注塑为一个整体，充分实现防水。
第二探头3为直径9.5mm或6.4mm的探头，其内设有第二电极及温度传感器。第二电极内设有两根金属电极端（优选为钛合金）和一根温度传感器，金属电极端的中段设有压花，两根金属电极端之间的间距为2mm。两根金属电极端和温度传感器密封在ABS材质或PE材质的电极密封层内。第二探头3内部填充环氧树脂材料，尾端由PVC材料将线材注塑为一个整体，充分实现防水。
本实施例中，第一电极和第二电极均为TDS探针。
TDS探针需要定期更换，更换后，原机器的标定数据和新探头不匹配，将会影响到原有机器设备的测量准确度，本发明采用数字传感器，标定数据与探头一一对应，不会带来误差，测量结果更加准确。
测试主板4通过信号线1与数字接口5连接，数字接口5为4PIN任意端子的连接接口，数字接口5与净水机主板连接。本实施例中的数字接口5通过UART、I2C等数字通讯协议上传至净水机主板：在采用UART协议传输数据时，数字接口5的引脚定义为GND、RX、TX、VCC；在采用I2C协议传输数据时，数字接口5的引脚定义为GND、SCL、SCK、VCC。
通过线型封装，从第一探头2、第二探头3到测试主板4均做防水处理，整体作为一根导线来处理，无需额外的固定结构，整体结构简单、牢固，稳定性强，占用空间小，生产成本低。本发明中的净水机为家用，商用，全屋净水等场合，还可以用于鱼缸，游泳池，养殖等领域，其应用范围广。
如图3所示，测试主板4中设有单片机：单片机与第一参考电阻R参考1、第一电极（即两个金属电极端之间的电阻Rtds1）串联，通过分压法测得第一电极中两个金属电极端的电阻Rtds1；单片机与第二参考电阻R参考2、第二电极（即两个金属电极端之间的电阻Rtds2）串联，通过分压法测得异地电极中两个金属电极端的电阻Rtds2。
第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。优选的，单片机与第一电阻R1和第一可调电阻VR1串联后，经过第二电阻R2连接单片机内的模数转换器ADC；单片机与第三电阻R3和第二可调电阻VR2串联后，经过第四电阻R4连接单片机内的模数转换器ADC。
由于电阻元件在出厂时存在1%-5%的公差，其直接导致测量数据不准确，因此在本实施例中，通过调节第一可变电阻VR1的值确保第一参考电阻R参考1的一致性，通过调节第二可变电阻VR2的值确保第二参考电阻R参考2的一致性，从而消除电路元件带来的误差。
另外，单片机与温度传感器连接，温度传感器通过第五电阻R5接地，温度传感器与第五电阻R5的连接中点通过第六电阻R6与单片机内的模数转换器ADC连接。
通过温度传感器测得的温度数据对整个测试结果进行温度补偿，进一步精确测试结果。
如图4所示，一种双通道数字TDS传感器的实现方法，包括双通道数字TDS传感器的制作及校准过程，即包括PCB板及探头的装配、PCB板校准及防水处理、零点校准、探针校准、特征曲线写入及标准液中调精度的过程。各项校准过程具体以下步骤：
1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds1，其中，第一参考电阻R参考1=第一电阻R1+第一可调电阻VR1。
由于每个探头在生产时候的偏差，将会拥有不同的电导池常数Q，如果使用同样的电导池常数Q去计算电导率，将会带来偏差，因此本实施例中在得到第一电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds1后，进行第一电极的电导池常数Q的标定，具体的：
将第一探头2放入到电导率标准溶液中，根据公式K=Q/R得到Q=K×R，进而计算第一探头2的标定电导池常量Q，并将其写入到存储器的配置文件中。本实施例中，电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413us/cm的KCL溶液，即第一探头2的标定电导池常量Q=1413×Rtds1。
将第一电极的天生误差，通过标定技术消除，能确保探头测量的一致性。
2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds2，其中，第二参考电阻R参考2=第三电阻R3+第二可调电阻VR2。
同步骤1，将第二探头3放入到电导率标准溶液中，根据公式K=Q/R得到Q=K×R，进而计算第二探头3的标定电导池常量Q，并将其写入到存储器的配置文件中。本实施例中，电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413us/cm的溶液，即第二探头3的标定电导池常量Q=1413×Rtds2。
在第一探头2和第二探头3电导率的计算中，将采用实际的电导池常数Q，从而保证结果的准确性。
3、利用公式K=Q/R，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，其存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。
4、温度补偿过程。
根据公式K修正=K测量/（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时的电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为1.5-2.5之间的常量，本实施例中的常量a选择2。
5、曲线拟合过程。
如图5所示，横座标为标准溶液，纵坐标为实际测量值。图中坐标为理想曲线，与横坐标为1：1关系；其他曲线为三个不同的探头测得的曲线，即修正前左标1、左标2、左标3三个待测探头的实际测量值的曲线。
采集不同探头的多个不同数据，并存入所述单片机的存储器中，并将不同探头的不同曲线拟合形成修正后的曲线，使测量值更接近理想曲线，从而提高精度。
如图6所示，其为修正后的曲线，通过2～N（N≧2）个浓度点的标定，将测量值和标准值的对照关系写入单片机的存储空间内。采用数学上的平移和斜率修正等手段，使得修正后的探头曲线与理想曲线（虚线）高度重合，从而提高最终输出结果的精度。
6、管道参数补偿过程。当探头在标准容器中做好标定后，其测量得到的测量值为开放水体中的测量结果。当探头插入管道后，由于环境的变化，测量值会变小，变小的规律表现为某一次曲线关系。本发明中的管道参数补偿过程，使得本探头测量值修正为开放水体的测量结果，从而使避免数值变低带来的精度损失。
另外，由于电流从TDS探头电极的一极经过液体到另外一极，会产生极化现象，一会导致电流流向的电极快速积累污垢，二会导致电流流出电极快速消耗从而损坏。因此，本发明的的单片机内还设置有程序控制电流流向，让电流流出电极和流向电极周期性交换，使上述两个影响降到最低，从而延长探头使用寿命，降低了探头的维护成本。
本发明还解决了在同一水体中，第一探头2和第二探头3只有一路输出的情况。该问题产生的原因是第一探头2和第二探头3事实上通过水溶液形成了共地的条件，从而导致当净水机中第一探头2和第二探头3间的阻抗较低时，某一路探头一直为0的现象。本发明由程序控制测试脚上的阻抗，从而避免第一探头2和第二探头3采生共地的问题。
本发明通过测量液体的电导率，进而换算得到测量水体的TDS值，非特别注明情况下，本发明指出的均为电导率的精度。而通过电导率数据换算得到TDS值的过程非本发明的改进之处，因此不再细述。
本发明通过双通道（不限于双通道）的测量技术，满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，且整个探测结构稳定，减少了加工及安装成本，探测过程简单，节约了检测时间，增加了检测数据精确度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双通道数字TDS传感器，其特征在于，包括测试主板及与所述测试主板连接的第一探头、第二探头，所述测试主板通过信号线提供对外数字接口，所述数字接口与净水机主板连接，
所述第一探头和所述第二探头插入净水机的快速接头中，且所述第一探头与所述净水机水路的源水端快速接头连接，所述第二探头与所述净水机水路的净水端快速接头连接，所述第一探头内设有第一电极，所述第二探头内设有第二电极及温度传感器，
所述测试主板、所述第一探头、所述第二探头及所述信号线密封封装在长条形的防水材料中。
2.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一探头为直径9.5mm或6.4mm的探头，所述第二探头为直径9.5mm或6.4mm的探头。
3.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极外均设有电极密封层。
4.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述测试主板的宽度不大于13mm，且所述测试主板上的电路表面低压注塑有防水绝缘层。
5.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述测试主板中设有单片机：所述单片机依次与第一参考电阻R参考1、所述第一电极串联形成闭合回路，所述单片机依次与第二参考电阻R参考2、所述第二电极串联形成闭合回路。
6.根据权利要求5所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，所述第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。
7.根据权利要求5所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述单片机还与所述温度传感器连接，所述温度传感器的另一端通过第五电阻R5接地。
8.一种双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一探头中两个电极之间的电阻Rtds1；
步骤2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二探头中两个电极之间的电阻Rtds2；
步骤3、利用公式K=Q/R，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，并存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。
9.根据权利要求8所述的双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，还包括标定过程，具体包括：分别将第一探头和第二探头放入到电导率标准溶液中，根据公式K=Q/R，计算所述第一探头和所述第二探头的电导池常量Qtds1和Qtds2，并将其写入到存储器的配置文件中。
10.根据权利要求8所述的双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，还包括步骤4的温度补偿过程，根据公式K修正=K测量/（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时的电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为常量。
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