CN109916986A - 自清洁的数字式余氯传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自清洁的数字式余氯传感器，通过端帽的网状的外壳与挡板配合，形成容置球珠的腔体，再通过微型马达驱动搅拌轴带动阴极转动，并在转动过程中与装在端帽内的球珠相互摩擦，实现了金电极自清洁的功能。微型马达在多功能线路板的控制下，可根据水质情况不同进行定时定速运转，从而解决不同水质的水流流速不稳定，或有间断，存在测值不稳定，不准确的问题。多功能线路板作为余氯传感器的控制器与阴极和阳极电性连接，一方面能够控制马达运转，另一方面可以测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出，实现了余氯传感器数字式输出的功能，保证数据传输的稳定性。

Description

自清洁的数字式余氯传感器

技术领域

本发明涉及一种余氯传感器，特别的涉及一种自清洁的数字式余氯传感器。

背景技术

余氯传感器又叫余氯电极或余氯探头，用于对余氯进行连续监测。主要适用于制水行业、灌装行业的余氯、二氧化氯或溶解臭氧的测量，也适用于饮用水、工业过程水消毒杀菌工艺的余氯浓度在线监测，并可用于游泳池等需要测量余氯浓度的场所。

余氯传感器按照测量原理不同，可分为隔膜式极谱(clark)型传感器和恒电压型传感器，隔膜式极谱(clark)型传感器是外被薄膜的有两个电极的电流计式传感器，隔膜式极谱(clark)型传感器主要由阴极(比如金电极)、阳极(氯化银电极)、电解液及阴极上覆盖的一层气透性薄膜构成。金电极是工作电极，氯化银电极作为对应的阳极与控制器进行连接。被测液中余氯通过隔膜扩散至阴极上，阴极与阳极间适当的极化电压可在阴极上将余氯还原，这些化学反应产生与所测量溶液中余氯成正比的电流，该电流经控制器的电子电路转换成标准的输出信号，并通过检测装置或控制器来显示。

目前，现有的余氯传感器的金电极清洁使用水流带动球珠打磨实现，因不同水质的水流流速不稳定，或有间断，存在测值不稳定，不准确的问题。此外，现有的余氯传感器都是以原始信号输出(或者为电压值输出或者电流值输出，)需要通过其他设备、仪器换算才能获得测值。输出信号因距离原因、信号干扰等因素，存在信号传输不稳定、不精确的问题，且无数据存储、更换时必须要做校正。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种内置马达旋转实现自清洁、数字化输出、数据传输稳定的余氯传感器。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种自清洁的数字式余氯传感器，包括管体、安装座、马达、搅拌轴、端帽、阴极、阳极和多功能线路板，所述管体的顶端封闭且底端开口，所述端帽的顶端开口且底端封闭，所述端帽中部安装有挡板，所述挡板将端帽内部空间分成上空间和下空间，对应所述下空间的端帽的外壳呈网状，所述下空间内装有多个尺寸大于所述端帽的外壳上的网孔的球珠；所述安装座包括座台、形成于所述座台底端中部的延伸凸柱和形成于所述座台顶端上的多个安装柱；所述多功能线路板安装于所述管体的顶端位置，所述座台插置于所述管体的底端开口内，所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接，所述端帽可拆卸连接于所述管体的底端，所述延伸凸柱伸入到所述端帽的上空间内；所述马达位于所述多功能线路板和所述安装座之间，且所述马达安装于多个所述安装柱上，所述搅拌轴的顶端与所述马达的转动轴固定连接，所述搅拌轴的底端依次穿过所述座台、所述延伸凸柱、所述上空间并经所述挡板上的避让孔后伸入到所述下空间内，所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接，所述搅拌轴轴向中空且所述搅拌轴底端形成有球头，所述球头设置于所述下空间内的避让孔处，用于阻挡所述下空间内的球珠经所述避让孔进入所述上空间，仅使所述下空间内的被测液能够经所述球头与所述避让孔之间的空隙进入所述上空间；所述阴极设于所述下空间内的球头上，所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路板上；所述阳极设于所述上空间内的所述延伸凸柱上，所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上；所述多功能线路板控制所述马达运转，且所述多功能线路板通过所述阳极、所述阴极测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出。

进一步的，所述多功能线路板包括MCU程序单元和均电连接至所述MCU程序单元的数字通讯单元、信号测量单元、隔离电源单元、数据存储单元和马达驱动单元，所述马达驱动单元用于控制所述马达的运转，所述隔离电源单元提供与外部供电系统隔离的信号用基准电源，用于向所述阳极和所述阴极提供偏置电压；所述信号测量单元用于测量电流原始信号并进行处理转换，形成数字原始信号；所述MCU程序单元用于对数字原始信号进行处理，通过预建的测量曲线及算法将数字原始信号转化为被测液的余氯值，所述数据存储单元用于存储设定信息、校正曲线及算法关键参数以及历史数据，所述数字通讯单元用于输出被测液的余氯值以及数据交互。

进一步的，所述信号测量单元测量的电流原始信号为nA级微弱电流信号，通过精密设计的运算放大电路转换为mV级的电压信号，通过信号处理电路将电压信号转换为MCU程序单元可处理的数字原始信号。

进一步的，所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接的结构是：所述座台的周侧的所述管体之间安装有若干密封圈。

进一步的，所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接的结构是：所述搅拌轴通过陶瓷轴承转动安装于所述延伸凸柱或所述座台内轴向设置的通孔内，并通过骨架油封进行密封。

进一步的，所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述搅拌轴由金属芯和包塑在所述金属芯外的塑封外壳组成，所述塑封外壳与所述安装柱相对的位置处形成有裸露出所述金属芯的环槽，所述金属芯与所述阴极电连接，所述安装柱上安装有弹簧片，所述弹簧片与所述环槽内的金属芯弹性接触，所述弹簧片通过导线接到所述多功能线路板上。

进一步的，所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述安装柱上形成有阳极接口，所述阳极的电性通过导线引出至所述阳极接口，所述阳极接口通过导线接到所述多功能线路板上。

进一步的，所述端帽通过螺纹可拆卸连接于所述管体的底端。

进一步的，所述管体的顶端具有电源接口和数字信号接口。

本发明的有益效果是：本发明提出一种自清洁的数字式余氯传感器，通过端帽的网状的外壳与挡板配合，形成容置球珠的腔体，再通过微型马达驱动搅拌轴带动固定在搅拌轴底端的阴极(金电极)转动，并在转动过程中与装在端帽内的球珠相互摩擦，实现了金电极自清洁的功能。阴阳电极在无水的时候为断开状态，信号归零，配合电导率测量原理的算法可以得到水质情况，有无水以及水质的大概电导率值；微型马达在多功能线路板的控制下，配合壳体设计，配合算出的水质状况，在无水的时候避免干转磨损电极球珠，在有水的情况下针对不同水质进行变级定速运转，不受流速影响，从而解决不同水质、水流流速不稳定、或有间断而存在测值不稳定、不准确的问题。多功能线路板安装在靠近管体顶端的位置，微型马达安装在安装座和多功能线路板之间，起到了防水的功能，多功能线路板作为余氯传感器的控制器与阴极和阳极电性连接，一方面能够控制马达运转，另一方面可以测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出，实现了余氯传感器数字式输出的功能，保证数据传输的稳定性，以达到长距离输出的目的。

本发明采用极化法测量水中的余氯，选用金作为工作(阴)电极、氯化银作为对应(阳)电极，通过精密设计阴阳电极面积比与距离，施加合适的偏置电压，得到稳定可靠的极化电流；通过受程序驱动控制的马达带动电极在水中匀速转动避免水流变化的影响；通过精密设计的运算放大电路将微弱的nA级极化电流放大转换为mV级电压信号，通过信号处理电路(A/D电路)转换成数字信号，通过大量实验确认的测量曲线以及pH、温度补偿算法算出测量水体中余氯值；通过MCU程序单元(MCU模块)实现传感器的控制、测量、运算等功能；通过数据存储单元(EEPROM以及flash模块)存储传感器的设定、校正参数以及历史数据等关键数据；通过隔离电源模块提供精密稳定的基准电源提供给测量电极以及电路；通过隔离通讯模块实现数据的交互。

附图说明

图1为本发明自清洁的数字式余氯传感器的结构示意图；

图2为本发明中端帽的结构示意图；

图3为本发明中安装座的结构示意图；

图4为本发明中搅拌轴的结构示意图；

图5为本发明自清洁的数字式余氯传感器的工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此，本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1、图2、图3和图4所示，一种自清洁的数字式余氯传感器，包括管体1、安装座2、马达3、搅拌轴4、端帽5、阴极110、阳极120和多功能线路板6，所述管体的顶端封闭且底端开口，所述端帽的顶端开口且底端封闭，所述端帽中部安装有挡板7，所述挡板将端帽内部空间分成上空间51和下空间52，对应所述下空间的端帽的外壳呈网状，所述下空间内装有多个尺寸大于所述端帽的外壳上的网孔的球珠8；所述安装座包括座台21、形成于所述座台底端中部的延伸凸柱22和形成于所述座台顶端上的多个安装柱23；所述多功能线路板安装于所述管体的顶端位置，所述座台插置于所述管体的底端开口内，所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接，所述端帽可拆卸连接于所述管体的底端，所述延伸凸柱伸入到所述端帽的上空间内；所述马达位于所述多功能线路板和所述安装座之间，且所述马达安装于多个所述安装柱上，所述搅拌轴的顶端与所述马达的转动轴固定连接，所述搅拌轴的底端依次穿过所述座台、所述延伸凸柱、所述上空间并经所述挡板上的避让孔71后伸入到所述下空间内，所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接，所述搅拌轴轴向中空且所述搅拌轴底端形成有球头41，所述球头设置于所述下空间内的避让孔处，用于阻挡所述下空间内的球珠经所述避让孔进入所述上空间，仅使所述下空间内的被测液能够经所述球头与所述避让孔之间的空隙进入所述上空间；所述阴极设于所述下空间内的球头上，所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路板上；所述阳极设于所述上空间内的所述延伸凸柱上，所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上；所述多功能线路板控制所述马达运转，且所述多功能线路板通过所述阳极、所述阴极测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出。

上述结构中，端帽的外壳为网状(比如网孔尺寸为1.5mm)，可以允许被测液(待测水质)进入到端帽内，端帽的网状外壳部分与挡板配合，形成了腔体，可以容置球珠，挡板中部形成有避让孔，以便于装在搅拌轴上的阴极(金电极)伸入到腔体内。这种结构的端帽设计可方便余氯传感器一体化和集成化。马达是一种微型马达，可安装在管体内的安装座的安装柱上，由于安装座与管体之间是密封固定连接的，因此，可以对微型马达进行保护。微型马达通过搅拌轴可带动固定在搅拌轴底端的阴极(金电极)转动，可与装在端帽的下空间内的球珠(比如2-3mm的陶瓷球珠)相互摩擦，从而起到清洁金电极的功能，微型马达在多功能线路板的控制下，可根据水质情况不同进行定时定速运转，从而解决不同水质的水流流速不稳定，或有间断，存在测值不稳定，不准确的问题。多功能线路板安装在靠近管体顶端的位置，起到防水的功能，多功能线路板作为余氯传感器的控制器与阴极和阳极电性连接，一方面能够控制所述马达运转，另一方面可以测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出，实现了余氯传感器数字式输出的功能，保证数据传输的稳定性，以达到长距离输出的目的。

优选的，参见图5，所述多功能线路板包括MCU程序单元61和均电连接至所述MCU程序单元的数字通讯单元62、信号测量单元63、隔离电源单元64、数据存储单元(EEPROM以及flash模块)65和马达驱动单元66，所述马达驱动单元用于控制所述马达的运转，所述隔离电源单元提供与外部供电系统隔离的信号用基准电源，用于向所述阳极和所述阴极提供偏置电压；所述信号测量单元用于测量电流原始信号并进行处理转换，形成数字原始信号；所述MCU程序单元用于对数字原始信号进行处理，通过预建的测量曲线及算法将数字原始信号转化为被测液的余氯值，所述数据存储单元用于存储设定信息、校正曲线等算法关键参数以及历史数据，所述数字通讯单元用于输出被测液的余氯值以及数据交互。

上述结构中，多功能线路板包含了信号处理、马达驱动、参数存储、数据通讯、微型中央处理单元(MCU)、电源隔离等功能。这样，在余氯传感器前段做了信号测量、信号处理、历史数据存储、校正数据存储，实现了小型化、高度集成化和智能化，余氯传感器无须再通过其他设备、仪器换算就可以获得测值，且可以进行数字化输出，从而解决了现有余氯传感器以原始信号输出(或者为电压值输出或者电流值输出，)存在的信号传输不稳定、不精确的问题，因此，本发明余氯传感器具有数据传输稳定，可以长距离输出等优点。

优选的，所述信号测量单元测量的电流原始信号为nA级微弱电流信号，通过精密设计的运算放大电路转换为mV级的电压信号，通过信号处理电路(A/D模块)将电压信号转换为MCU程序单元可处理的数字原始信号。具体实施时，利用金电极作为余氯传感器的阴极，氯化银电极作为余氯传感器的阳极，通过隔离电源单元提供偏置电压(150mV)，通过阴阳极反应，反馈电流值(nA值)，得到与次氯酸浓度成正比的电流原始信号值，通过精密运算放大电路将微弱的nA级电流信号，放大转换到mV级的电压信号，通过A/D电路转化为MCU程序单元(即单片机)可处理的数字原始信号，通过数字通讯单元可输入外部测量的温度值以及pH值，MCU程序单元获取该数字原始信号后再通过预建的测量曲线及pH、温度补偿算法得到被测液(比如待测水样)的余氯值；这样，经过温度和PH值校正后的测量值更能反应真是水样的余氯浓度。

优选的，所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接的结构是：所述座台的周侧的所述管体之间安装有若干密封圈24。这样，通过若干密封圈，比如一个或两个密封圈，可以实现管体与座台之间的密封，具体实施时，座台紧配装入管体内，可实现座台与管体的固定连接功能。

优选的，所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接的结构是：所述搅拌轴通过陶瓷轴承25转动安装于所述延伸凸柱或所述座台内轴向设置的通孔内，并通过骨架油封26进行密封。这样，通过陶瓷轴承可实现搅拌轴的转动功能，通过骨架油封可实现搅拌轴的密封功能，且结构简单，具有小型化、耐磨、防水、防腐蚀等优点。参见图3，陶瓷轴承和骨架油封安装在延伸凸柱中心的通孔内，便于安装实施。

优选的，所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述搅拌轴由金属芯42和包塑在所述金属芯外的塑封外壳43组成，所述塑封外壳与所述安装柱相对的位置处形成有裸露出所述金属芯的环槽，所述金属芯与所述阴极电连接，所述安装柱上安装有弹簧片130，所述弹簧片与所述环槽内的金属芯弹性接触，所述弹簧片通过导线接到所述多功能线路板上。这样，阴极(比如金电极)可通过金属芯(比如铜芯)将电性引出至座台的上部空间，再通过安装在安装柱上的弹簧片与金属芯弹性接触，可以将电性引出至弹簧片，进而可以通过导线接至多功能线路板上，这里，弹簧片与金属芯弹性接触，可以避免电连接的中断，保证信号传输的稳定。

优选的，所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述安装柱上形成有阳极接口140，所述阳极的电性通过导线引出至所述阳极接口，所述阳极接口通过导线接到所述多功能线路板上。这样，阳极(比如氯化银电极)可通过嵌设在座台、延伸凸柱及安装柱内的导线将电性引出至座台的上部空间，便于与靠近管体顶部安装的多功能线路板进行电性连接。

优选的，所述端帽通过螺纹可拆卸连接于所述管体的底端。为了便于安装座与管体的安装，需要端帽与管体的可拆卸连接，这里采用螺纹连接方式，可以快速实现拆装，且具有密封的作用。

优选的，所述管体的顶端具有电源接口A、B和数字信号接口C、D。这里，电源接口优选为9-28V的直流电源输入，多功能线路板采用9-28V直流宽电源，具有低功耗，安全系数高等优点，数字信号接口可以采用RS485接口或USB接口。

本发明采用极化法测量水中的余氯，选用金作为工作(阴)电极、氯化银作为对应(阳)电极，通过精密设计阴阳电极面积比与距离，施加合适的偏置电压，得到稳定可靠的极化电流；通过受程序驱动控制的马达带动电极在水中匀速转动避免水流变化的影响；通过精密设计的运算放大电路将微弱的nA级极化电流放大转换为mV级电压信号，通过信号处理电路(A/D电路)转换成数字信号，通过大量实验确认的测量曲线以及pH、温度补偿算法算出测量水体中余氯值；通过MCU程序单元(MCU模块)实现传感器的控制、测量、运算等功能；通过数据存储单元(EEPROM以及flash模块)存储传感器的设定、校正参数以及历史数据等关键数据；通过隔离电源模块提供精密稳定的基准电源提供给测量电极以及电路；通过隔离通讯模块实现数据的交互。以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：包括管体(1)、安装座(2)、马达(3)、搅拌轴(4)、端帽(5)、阴极(110)、阳极(120)和多功能线路板(6)，所述管体的顶端封闭且底端开口，所述端帽的顶端开口且底端封闭，所述端帽中部安装有挡板(7)，所述挡板将端帽内部空间分成上空间(51)和下空间(52)，对应所述下空间的端帽的外壳呈网状，所述下空间内装有多个尺寸大于所述端帽的外壳上的网孔的球珠(8)；所述安装座包括座台(21)、形成于所述座台底端中部的延伸凸柱(22)和形成于所述座台顶端上的多个安装柱(23)；所述多功能线路板安装于所述管体的顶端位置，所述座台插置于所述管体的底端开口内，所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接，所述端帽可拆卸连接于所述管体的底端，所述延伸凸柱伸入到所述端帽的上空间内；所述马达位于所述多功能线路板和所述安装座之间，且所述马达安装于多个所述安装柱上，所述搅拌轴的顶端与所述马达的转动轴固定连接，所述搅拌轴的底端依次穿过所述座台、所述延伸凸柱、所述上空间并经所述挡板上的避让孔(71)后伸入到所述下空间内，所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接，所述搅拌轴轴向中空且所述搅拌轴底端形成有球头(41)，所述球头设置于所述下空间内的避让孔处，用于阻挡所述下空间内的球珠经所述避让孔进入所述上空间，仅使所述下空间内的被测液能够经所述球头与所述避让孔之间的空隙进入所述上空间；所述阴极设于所述下空间内的球头上，所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路板上；所述阳极设于所述上空间内的所述延伸凸柱上，所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上；所述多功能线路板控制所述马达运转，且所述多功能线路板通过所述阳极、所述阴极测量被测液中与余氯成正比的电流信号，并处理转换为数字信号向外输出。

2.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述多功能线路板包括MCU程序单元(61)和均电连接至所述MCU程序单元的数字通讯单元(62)、信号测量单元(63)、隔离电源单元(64)、数据存储单元(65)和马达驱动单元(66)，所述马达驱动单元用于控制所述马达的运转，所述隔离电源单元提供与外部供电系统隔离的信号用基准电源，用于向所述阳极和所述阴极提供偏置电压；所述信号测量单元用于测量电流原始信号并进行处理转换，形成数字原始信号；所述MCU程序单元用于对数字原始信号进行处理，通过预建的测量曲线及算法将数字原始信号转化为被测液的余氯值，所述数据存储单元用于存储设定信息、校正曲线及算法关键参数以及历史数据，所述数字通讯单元用于输出被测液的余氯值以及数据交互。

3.根据权利要求2所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述信号测量单元测量的电流原始信号为nA级微弱电流信号，通过精密设计的运算放大电路转换为mV级的电压信号，通过信号处理电路将电压信号转换为MCU程序单元可处理的数字原始信号。

4.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述座台周侧与所述管体之间密封固定连接的结构是：所述座台的周侧的所述管体之间安装有若干密封圈(24)。

5.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述搅拌轴与所述延伸凸柱或所述座台之间密封转动连接的结构是：所述搅拌轴通过陶瓷轴承(25)转动安装于所述延伸凸柱或所述座台内轴向设置的通孔内，并通过骨架油封(26)进行密封。

6.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述阴极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述搅拌轴由金属芯(42)和包塑在所述金属芯外的塑封外壳(43)组成，所述塑封外壳与所述安装柱相对的位置处形成有裸露出所述金属芯的环槽，所述金属芯与所述阴极电连接，所述安装柱上安装有弹簧片(130)，所述弹簧片与所述环槽内的金属芯弹性接触，所述弹簧片通过导线接到所述多功能线路板上。

7.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述阳极的电性通过引线引出至所述多功能线路上的结构是：所述安装柱上形成有阳极接口(140)，所述阳极的电性通过导线引出至所述阳极接口，所述阳极接口通过导线接到所述多功能线路板上。

8.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述端帽通过螺纹可拆卸连接于所述管体的底端。

9.根据权利要求1所述的自清洁的数字式余氯传感器，其特征在于：所述管体的顶端具有电源接口和数字信号接口。