CN110244014A - 基于开源硬件的水质检测仪 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于开源硬件的水质检测仪，涉及检测技术领域，包括处理单元以及与处理单元连接的TDS测量电路、PH测量电路、输出单元；所述TDS测量电路包括探头；所述PH检测电路包括电极。本申请处理核心使用了开源硬件，在接口统一的情况下，随着开源硬件的升级，可以通过更换处理核心方式实现整体测量速度、精度、稳定性、通讯可靠度等，通过减少产品测试的成本方式降低整体制造成本。本申请提供了一种价格低廉、实用方便的并且具有较高测量精度的水质检测仪，可应用于生活用水、食品加工、化工企业、游泳池、环境监测、水培等领域的水质检测，特别是非专业领域的使用。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种用于检测水质的设备。
背景技术
现有的水质检测仪主要涉及两类：一类价格低廉，简单易用，但检测参数少、准确性差，并且一般不能将数据传给其他控制系统用于长时间的在线监测，或者进行水质状况二次分析；另外一类较为专业的检测仪器，长期运行稳定性好、数据全面准确，也支持检测数据输出，但成本高、体积大、使用复杂，难以在非专业领域推广。
发明内容
本发明目的在于提供一种价格低廉、实用方便的并且具有较高测量精度的水质检测仪，可应用于生活用水、食品加工、化工企业、游泳池、环境监测、水培等领域的水质检测，特别是非专业领域的使用。
本发明提供的技术方案是：一种基于开源硬件的水质检测仪，包括处理单元以及与处理单元连接的TDS测量电路、PH测量电路和输出单元；所述TDS测量电路包括探头；所述PH检测电路包括电极。
进一步的技术方案中，上述水质检测仪包括核心电路板和与其连接固定的扩展模块，所述处理单元设于所述核心电路板上。
进一步的技术方案中，上述水质检测仪包括在其一端设置的检测部；所述检测部内部设有通过流道与外部连通的样本腔，所述流道用于减小外部液体进入所述样本腔后的流速；所述TDS测量电路的探头和PH测量电路的电极设置在样本腔内。
在一些实施例中，包括具有半导体制冷片的温控电路，所述温控电路与处理单元连接。
在一些改进实施例中，所述半导体制冷片设置在所述流道的壁上和/或所述样本腔的壁上。
在一些改进实施例中，所述半导体制冷片的散热面一侧设有保温层，所述散热面与保温层之间设有散热层。
在一些改进实施例中，其设有与所述散热层连接的散热部。优选的，所述散热层与所述散热部通过热管连接。
本发明技术方案的一个改进可以是，包括具有电量检测电路的供电单元。
本发明技术方案的一个改进可以是，所述输出单元包括显示输出单元、通讯输出单元和/或声音输出单元。
本发明技术方案的一个方面的有益效果是：处理核心使用了开源硬件，在接口统一的情况下，随着开源硬件的升级，可以通过更换处理核心方式实现整体测量速度、精度、稳定性、通讯可靠度等，通过减少产品测试的成本方式降低整体制造成本。
本发明技术方案的一个方面的有益效果是：在水质检测仪上集成了TDS测量电路和PH测量电路，同时测量水的导电率和氢离子浓度，便于综合评价水质，特别是通过数据对比，进一步判断水中杂质偏向于可溶无机盐还是大分子有机物，如导电率较高，氢离子浓度不高在一些配合环境其他指标的情况下，可以判断内部可能有其他极性不易电离小分子存在。
本发明技术方案的一个方面的有益效果是：解决了水质测量中的精确度和便捷性的问题，因为水质检测的结果跟随温度的变化比较明显，同样成分的水溶液，其在不同温度下的测量结果有显著差异，统一测量温度有助于统一水质测量标准，便于后期综合分析。
附图说明
图1是本发明一个实施例的电路结构示意图；
图2是本发明一个具体实施例的组装结构示意图；
图3是本发明图2具体实施例的剖面示意图；
图4是本发明一个具体实施例的温控电路示意图；
其中，10、核心电路板，11、处理单元，20、扩展模块，21、TDS测量电路，22、PH测量电路，23、显示输出单元，24、通讯输出单元，25、声音输出单元，26、供电单元，27、探头，28、电极，30、检测部，31、样本腔，32、流道，33、孔，40、半导体制冷片，41、温控电路，42、散热层，43、保温层，44、散热部，45、热管。
具体实施方式
首先，基于本发明一般实施例的相关部件和原理，进行如下说明。
开源硬件，如arduino系列，是一种用来反映自由释放详细信息的硬件设计，如电路图、材料清单和电路板布局数据，通常使用开源软件来驱动硬件。开源硬件一般使用统一的电路板结构和接口形式，其电路布局经过一定的稳定性测试，并且因为其一般的法律授权和标准BOM清单，综合成本比独立开发的控制模块低。开源硬件延伸着开源软件代码的定义，包括软件、电路原理图、材料清单（BOM），设计图等都使用开源许可协议，自由使用分享，完全以开源的方式去授权方式。开源硬件把软件惯用的GPL，CC等协议规范带到硬件分享领域。
TDS (Total Dissolved Solids)，中文名：总溶解固体，又称溶解性固体总量，表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。一般来说，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，水就越不洁净。因此，TDS值的大小，可作为反映水的洁净程度的依据之一。TDS传感器一般是水电导率传感器，包括相对设置的两个探头，在两个探头上施加交流电压，通过检测两个探头之间的液体导电率经过标定得到液体的TDS值。
PH值是最常用的水质检测指标之一,天然水的PH值多在6-9范围内;饮用水PH值要求在6.5-8.5之间;某些工业用水的PH值应保证在7.0-8.5之间,否则将对金属设备和管道有腐蚀作用。PH值和酸度、碱度既有区别又有联系。PH值表示的水的酸碱性的强弱,而酸度或碱度是水中所含酸或碱物质的含量。水质中的PH值的变化预示了水污染的程度。PH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，主要包括一对电极，即玻璃电极和参比电极。玻璃电极由玻璃支杆、玻璃膜、内参比溶液、内参比电极、电极帽、电线等组成。参比电级提供恒定的电极电位，常用甘汞电极或银/氯化银电极。其工作原理是用氢离子玻璃电极与参比电极组成原电池，在玻璃膜与被测液体中氢离子进行离子交换过程中，通过测量电极之间的电位差，来检测溶液中的氢离子浓度，从而测得被测液体的PH值。由于PH值与温度有关，所以，可以增加一个温度电极进行温度补偿，组成三极复合电极。
半导体制冷片（TEC），也叫热电制冷片，是一种使用负热阻的制冷技术热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，电偶的两端形成的接触面分别为工作面和散热面，可以实现对工作面侧制冷或者制热的目的。
根据上述具体描述，本领域技术可以理解本发明中具体部件的工作原理并选择适用的具体型号部件予以采购，或者根据领域公知技术自行生产上述部件，以实现本发明提供技术方案。
下面结合具体进一步清楚说明本发明提供的技术方案，以便本领域技术人予以实施或者改进。
实施例一
如图1所示，本实施例是一种基于开源硬件的水质检测仪，包括核心电路板10和扩展模块20，其中核心电路板10上设有处理单元11，扩展模块20内设有TDS测量电路21、PH测量电路22、显示输出单元23、通讯输出单元24、声音输出单元25以及供电单元26。核心电路板10与扩展模块20之间通过硬件接口实现处理单元10与TDS测量电路21、PH测量电路22、显示输出单元23、通讯输出单元24、声音输出单元25、温控电路41之间的电路连接，供电单元26为本实施例中各个部件提供电源。本实施例中，TDS测量电路21用于检测样本液体溶解性固体总量，PH测量电路22用于检测样本液体氢离子溶度，显示输出单元23用于可视化输出设备测量数据、状态数据和报警信号，声音输出单元25用于输出设备报警信号，通讯输出单元24用于远传设备测量数据、状态数据和报警信号，温控电路41用于控制TDS测量电路21的探头27以及PH测量电路22的电极28附近的样本液体的温度。
如图2、3所示本实施例的一个具体实施例的装配结构，扩展模块20为可拆分的棒状结构，扩展模块20的显示输出单元23可拆卸的与扩展模块20的主体连接，核心电路板10夹装在显示输出单元23和扩展模块20的主体之间，并通过核心电路板10的接口与扩展模块20的TDS测量电路21、PH测量电路22、显示输出单元23、通讯输出单元24、声音输出单元25之间的数据连接。扩展模块20的一端设有检测部30，检测部内部设有样本腔31，TDS测量电路21的探头27和PH测量电路22的电极28设置在样本腔31内。
该具体实施例的第一方面在于，样本腔31的一侧通过流道32与外部连通，另一侧通过孔33与外部连通。流道32的横截面小于样本腔31，形成收口设计，以减小液体进入样本腔31后的流动速度，孔33的直径较小，用于在液体流入样本腔31后，排空其内部的残留气体。本发明流道32和孔33的设置用于减缓样本液体在样本腔内的流动，以便对样本进行准确检测。样本腔31内样本液体流速应当控制在每分钟不超过样本腔容积的1/3。
该具体实施例的第二个方面在于，扩展模块20设有包括半导体制冷片40的温控电路41，温控电路41与处理单元11连接，由处理单元11控制给定位温度，用于对样本腔31内的样本液体进行恒温控制。优选的，为了优化温控效果，半导体制冷片40设置在流道32的壁上和样本腔31的壁上，流道32或者样本腔31为减缓样本液体进入的流速可以设置与样本液体具有较大的接触面积的壁，以便利用表面张力限制样本液体的流速，同时在样本流道32的壁上和样本腔31与样本液体具有较大的接触面积的壁壁上设置半导体制冷片，可以高效的控制样本腔31内样本液体的保持在一个温度范围。
该具体实施例的第三个方面在于，扩展模块20在检测部30的外壳，即保温层43，采用耐热聚合物发泡材料，具有保温效果，便于稳定样本腔31内的样本液体的温度，防止外部温差液体流动带来的热量损失；半导体制冷片40的散热面与检测部30的外壳之间设有金属材质的散热层42设有散热层一侧设有保温层，所述散热面与保温层之间设有散热层42，散热层42通过热管45与散热部44连接，用于形成导热通道，对半导体制冷片40实施散热。优选的，散热层42与热管45完全贴合，以增加导热面积。
该具体实施例的第四个方面在于，处理单元11的散热外壳与热管45导热连接，热管45同时对半导体制冷片40和处理单元11进行散热。该设置特别适用于长期低温测量，可以利用处理单元11的热量提高半导体制冷片40的制热能力，同时控制加热功率。
该具体实施例的第五个方面在于，TDS测量电路21的探头27和PH测量电路22的电极28设置在同一样本腔31内，以便提高检测的准确度和一致性。优选的，电极28的一个设置在流道32内，该设置由于样本腔31长度较短，为拉长两个电极28之间的距离以方便测量。在本发明的一些实施例中，TDS测量电路21的探头27和PH测量电路22的电极28可以分别设置在不同的样本腔31以减小探头27和电极28之间的测量干扰。
如图4所示的一个具体实施例中，温控电路41采用脉宽调制技术控制半导体制冷片B1的工作状态，通过对输入端1、2、3和4的电压控制，改变半导体制冷片B1的电流大小和方向以实现对样本液体的温度控制。其控制方式可以是脉宽调制的。在本发明的一些是实施例中，也可以通过其他可控恒流源对半导体制冷片进行控制调节。
在基于本实施例的一个具体实施例中，TDS测量电路21和PH测量电路22的输出为电流信号，分别经过放大电路后经过如PCF8591的模数转换芯片成转换数字信号并发送给处理单元，由处理单元处理后通过如显示输出单元23、通讯输出单元24或者声音输出单元25的输出单元输出该数字信号携带的数据。
在基于本实施例的一个具体实施例中，供电单元26包含电压自检电路、充电电路和电池模块，通过电压自检电路检测电池模块电量，并将采集数据进行模数转换，转换后的数字信号送给处理单元11处理后进行输出。
在基于本实施例的一个具体实施例中，供电单元26包含电压自检电路、充电电路和电池模块，其中充电电路工作电压3.3~5.5V，输出一路为电池模块充电，另一路为供电单元26的输出，以满足外接电源和电池供电的需要，TDS测量电路测量范围范围：0~1000ppm，±5%F.S.（25℃），TDS测量电路的探头为防水探头，可长期浸入水中测量，其激励源为交流信号，有效防止TDS传感器探头极化；PH测量电路测量范围：0-14，测量绝对误差不大于0.1，PH测量电路的电极做防水处理，可长期浸入水中，使用寿命长；电池模块电压低于3.5V时，电压自检电路给出信号，并由处理单元控制输出单元提示报警信息。
在基于本实施例的一些具体实施例中，核心电路板10可以选用arduinonano等开源硬件电路板，处理单元为ATMEGA328P-AU主控芯片。
实施例二
本实施例是一种基于开源硬件的水质检测仪，本实施例与实施例一及其各个具体实施例的区别在于，不区分核心电路板与扩展模块，处理单元与TDS测量电路、PH测量电路、显示输出单元、通讯输出单元、声音输出单元被设置在同一块电路板上。优选的，处理单元的外围电路布线使用开源硬件公开的电路布局。
实施例三
本实施例与实施例一及实施例二的区别在于，水质检测仪本体与样本腔分离，样本腔内的探头和电极通过软质电缆分别与TDS测量电路和PH测量电路连接，以便将样本腔固定于合适的采集位置而不限于水质检测仪本体安装位置。在一些具体实施例中，水质检测仪本体包括实施例一中的核心电路板和扩展模块，或者，如实施例二中不区分核心电路板和扩展模块。
Claims (10)
1.一种基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：包括处理单元以及与处理单元连接的TDS测量电路、PH测量电路和输出单元；所述TDS测量电路包括探头；所述PH检测电路包括电极。
2.根据权利要求1所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：包括核心电路板和与其连接固定的扩展模块，所述处理单元设于所述核心电路板上。
3.根据权利要求1所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：包括在其一端设置的检测部；所述检测部内部设有通过流道与外部连通的样本腔，所述流道用于减小外部液体进入所述样本腔后的流速；所述TDS测量电路的探头和PH测量电路的电极设置在样本腔内。
4.根据权利要求3所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：包括具有半导体制冷片的温控电路，所述温控电路与处理单元连接。
5.根据权利要求4所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：所述半导体制冷片设置在所述流道的壁上和/或所述样本腔的壁上。
6.根据权利要求5所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：所述半导体制冷片的散热面一侧设有保温层，所述散热面与保温层之间设有散热层。
7.根据权利要求6所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：其设有与所述散热层连接的散热部。
8.根据权利要求7所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：所述散热层与所述散热部通过热管连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：包括具有电量检测电路的供电单元。
10.根据权利要求1至8任一项所述的基于开源硬件的水质检测仪，其特征在于：所述输出单元包括显示输出单元、通讯输出单元和/或声音输出单元。
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