CN110702735A - 余氯电极校准方法及水质检测仪表 - Google Patents

余氯电极校准方法及水质检测仪表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种余氯电极校准方法及水质检测仪表。所述余氯电极校准方法，包括以下步骤：S1，仪器使用前，在不同温度和/或pH值时，测量余氯电极的零点电流及至少一组已知浓度的标准溶液中余氯电极的输出电流；S2，根据输出电流、零点电流和余氯浓度，计算不同温度和/或pH值时，输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式中的常量，获取不同温度和/或pH值时的关系函数式；S3，仪器使用时，根据检测环境当前的温度和/或pH值，调用该温度和/或pH值对应的关系函数式校准传感器的读数，输出校正后测量的余氯浓度。

Description

余氯电极校准方法及水质检测仪表
技术领域
本发明涉及水质监测领域，具体涉及一种余氯电极校准方法及水质检测仪表。
背景技术
水质检测通常需采集当前待检测水质的余氯、浊度、PH以及温度等待测参数，以准确采集当前水质的参数，进而辅助相关人员进行后续的管理或水质优化等处理。
通常采用余氯电极作为检测余氯参数的传感器。余氯电极的检测准确度与温度、pH以及传感器自身的特性有关，因此现有的水质检测操作，在数据采集分析前，需对余氯电极进行校准。余氯电极的校准包括零点校准和斜率校准。零点校准通常采用无氯水校准，即采用无氯水，实现传感器当前显示的余氯浓度读数为0。斜率校准一般采用实验室校准法。由于余氯的浓度与产生的电流成线性关系，即：输出电流＝零点电流+斜率*余氯浓度；其中，零点电流指余氯电极在无氯水中的电流值，零点校准时可知零点电流。因此实验室校准法通过配置一种标准浓度的氯溶液，在余氯浓度已知的情况测量输出电流，此时，零点电流已知，余氯浓度已知，输出电流通过仪表测量得到，则此时斜率即可通过计算得到；通过零点校准和斜率校准，提高余氯电极的检测准确度，减少误差。现有的校准方法为使用时，现场调配校准液体校准，使得数据采集步骤繁琐，耗时，不方便；且没有考虑温度和pH对传感器的影响，无法修正温度和PH的变化造成测量偏差。
除此之外，现有的水质检测的数据采集分析目前主要通过特定传感器及特定分析系统来实现，数据输出接口、通讯模式单一，且与现今飞速发展的无线信号传输模式脱节。现有的水质检测仪表通常将AD转换模块设置于传感器组件部分，存储器设置于远程终端部分；则实际的仪表控制系统包括AD转换模块，分析模块，用于显示和存储的远程终端模块；相当于将控制系统分成了三个部分，结构分散，缺乏集中式综合采集、分析、传输的控制系统，使得现有系统处理效率低，功耗大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，本发明目的之一为，提供一种余氯电极校准方法，简化使用时的校准步骤，实现快速校准，同时考虑温度和pH对传感器准确度的影响，提高传感器测量准确度；本发明目的之二为提供一种水质检测仪表，通过设计集中式综合采集、分析、传输的数据分析处理系统，以提高效率，同时该系统可以实现自动校准余氯电极，达到简化校准过程的效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种余氯电极校准方法，包括以下步骤：
S1，仪器使用前，在不同温度和/或pH值时，测量余氯电极的零点电流及至少一组已知浓度的标准溶液中余氯电极的输出电流；
S2，根据输出电流、零点电流和余氯浓度，计算不同温度和/或pH值时，输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式中的常量，获取不同温度和/或pH值时的关系函数式；
S3，仪器使用时，根据检测环境当前的温度和/或pH值，调用该温度和/或pH值对应的关系函数式校准传感器的读数，输出校正后测量的余氯浓度。
优选地，所述步骤S2还包括，根据获取的不同温度和/或pH值时的关系函数式，采用线性插值计算的方法计算其他温度和/或pH值时的关系函数式中的常量，获取更多温度和/或pH值时的关系函数式。
优选地，所述步骤S3还包括，将温度和/或pH值与对应的该温度和/或pH值时关系函数式的常量存储在存储器内。
优选地，所述余氯电极为电流型余氯电极。
优选地，所述输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式为：输出电流＝零点电流+斜率*余氯浓度。
一种水质检测仪表，包括传感器组件、数据分析处理系统、人机交互装置以及远程终端；
所述传感器组件的输出端分别连接数据分析处理系统的输入接口；所述数据分析处理系统的输出端分别与人机交互装置和远程终端的输入端连接；
所述传感器组件包括温度传感器、pH电极以及余氯电极；所述数据分析处理系统包括AD转换模块、校准模块、分析模块以及存储器；所述存储器内存储通过上述余氯电极校准方法获得的一系列常量，所述校准模块采用上述余氯电极校准方法校准余氯电极读数。
优选地，所述数据分析处理系统分别与人机交互装置和远程终端相互连接。
优选地，所述数据分析处理系统与传感器组件以及人机交互装置之间采用RS通讯方式连接；数据分析处理系统与远程终端采用以太网连接。
优选地，所述AD转换模块为带高精度AD模块的微处理机控制单元；所述校准模块、分析模块和存储器为中央处理器。
优选地，所述数据分析处理系统还包括定时器，所述定时器用于控制数据AD转换模块定时读取传感器组件采集的数据，控制人机交互装置的状态，控制校准模块与分析模块进入休眠状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、余氯电极校准方法简化了余氯电极的校准过程，同时考虑测量环境温度和/或pH值的变化对余氯电极准确度的影响，提高余氯电极测量准确度；
2、余氯电极校准方法通过测量或计算得到多组函数关系式，提高测量精度，同时实现了使用过程中，余氯电极的自动校准。
3、水质检测仪表通过采用集中式综合采集、分析、传输的数据分析处理系统，以提高效率，同时该系统可以实现自动校准余氯电极，达到简化校准过程的效果。
4、水质检测仪表通过采用RS485等通讯方式连接，接口标准化，便于仪表各部分安装维修更换适应于多种场景。
5、水质检测仪表通过设置定时器控制仪表各部件的状态，实现了低功耗。
附图说明：
图1为本发明示例性实施例1的余氯电极校准方法的流程图；
图2为本发明示例性实施例1的水质检测仪表的系统框图。
图中标记：1-传感器组件，2-数据分析处理系统，3-人机交互装置，4-远程终端。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种余氯电极校准方法，包括以下步骤：
S1，仪器使用前，在不同温度和/或pH值时，测量余氯电极的零点电流及至少一组已知浓度的标准溶液中余氯电极的输出电流；
S2，根据输出电流、零点电流和余氯浓度，计算不同温度和/或pH值时，输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式中的常量，获取不同温度和/或pH值时的关系函数式；
S3，仪器使用时，根据检测环境当前的温度和/或pH值，调用该温度和/或pH值对应的关系函数式校准传感器的读数，输出校正后测量的余氯浓度。
仪器出厂时，事先测量不同温度和/或pH值时，余氯电极的零点电流及余氯电极的输出电流，并通过计算得到余氯电极输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式中的常量，得到准确的函数关系式。使用时，通过测量检测环境的温度和/或pH值，以调用准确的函数关系式，直接校准温度和/或pH值对传感器测量带来的误差，得到准确的余氯浓度，避免每一次测量时在测量现场配置溶液校准带来的不便；同时，测量过程中仪器也可随时校准当前的温度和/或pH值，调整函数关系式的常量，以提高测量精度，以适应测量环境温度和/或pH值的变化。
其中，步骤S2还包括，根据获取的不同温度和/或pH值时的关系函数式，采用线性插值计算的方法计算其他温度和/或pH值时的关系函数式中的常量，获取更多温度和/或pH值时的关系函数式。
测量时，只测量计算了部分温度和/或pH值时的关系函数式，通过插值计算，获得其他温度和/或pH值时的关系函数式，以提高传感器测量的精度水平。
其中，步骤S3还包括，将温度和/或pH值与对应的该温度和/或pH值时关系函数式的常量存储在存储器内。
常量存储于存储器内，通过温度传感器和/或pH电极测量当前的温度和/或pH值，自动调用存储器内的常量，通过关系函数式校准传感器的读数，输出校正后测量的余氯浓度，实现自动校准。
其中，输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式为：输出电流＝零点电流+斜率*余氯浓度；
实际使用中，通常使用的是电流型余氯电极，由传感器的输出电流满足公式：I＝nADc/δ，其中，I为传感器输出电流、n为单位面积上交换的电子数量、A为工作电极表面积、D为去极化剂的扩散系数、c为去极化剂的浓度、δ为工作电极和溶液间扩散层的厚度；因此输出电流＝零点电流+斜率*余氯浓度：
其中，零点电流指余氯电极在无氯水中的电流值。常规校准方法出厂时未考虑温度和/或pH值对零点电流和输出电流的影响，因此每次测量时，需对传感器进行零点校准和斜率校准；零点校准即采用无氯水，实现传感器当前显示的余氯浓度读数为0时；此时传感器读数与余氯浓度的函数关系式即为：传感器读数＝斜率*余氯浓度；斜率校准，即通过读取标准浓度的氯溶液中的传感器读数来计算斜率，实现校准。本发明通过系统出厂时，计算不同温度和/或pH值时，关系函数式中的常量，实际测量过程中，直接调用常量校准余氯电极，省去现有的余氯电极测量时的零点校准和斜率校准过程，简化离子测量过程，提高效率。
本校准方法也适用于其他受温度和pH值影响，因变量与自变量呈线性关系的传感器的校准，例如COD传感器的校准。
实施例2
本实施例提供一种余氯电极校准方法的具体实施方式。
仪器出厂前，在PH＝6、6.5、7、7.5、8五个PH值的情况下，在实验室分别测量温度在T＝20、25、30℃度三种情况下的零点和斜率，实验室可以一次性配置多种溶液进行标定。余氯的测量可以用用公式I＝a*Cl+b来表示，其中，I表示输出电流，a表示斜率，Cl表示余氯浓度，b表示零点电流。则仪器内部存储了15组斜率和零点电流(简称零点)。分别对应记为a0～a14以及b0～b14这15组数据记录。
在完成测量的数据之后，分别在仪器内部输入这15组数据，然后进行线性插值计算，即CPU内部根据输入的数据，计算精度为0.1时pH＝6～8区间段，和精度为2.5℃时T＝20～30摄氏度区间内，函数关系式的零点及斜率值，计算完成后获得一组数据，记为A[T][pH]，B[T][pH]，分别表示不同温度和PH下的斜率及零点。
仪器在安装后正常工作，仪器实时的读取当前的温度和PH，根据实验室的测定结果及CPU模拟计算出的A[T][pH]，B[T][pH]，根据公式：
I＝A[T][pH]*余氯浓度值+B[T][pH]；
得出测量的余氯浓度值。
本方法在出厂时即可实验测得校准值，不受仪器使用环境现场测量的限制，可以采用多点测量，多次测量的方式提高测量的准确度，同时考虑了温度和pH对测量的影响，现场使用时，可以快速校准偏差。
实施例3
如图2所示，本实施例提供一种水质检测仪表，包括传感器组件1、数据分析处理系统2、人机交互装置3以及远程终端4；
所述传感器组件1的输出端分别连接数据分析处理系统2的输入接口；所述数据分析处理系统2的输出端分别与人机交互装置3和远程终端4的输入端连接；
所述传感器组件1包括温度传感器、pH电极以及余氯电极；所述数据分析处理系统2包括AD转换模块、校准模块、分析模块以及存储器；所述存储器内存储通过实施例1中所述余氯电极校准方法获得的一系列常量，所述校准模块采用实施例1中所述余氯电极校准方法校准余氯电极读数。
所述人机交互装置3可以为显示屏、触摸屏等现有的输入输出设备。数据分析处理系统2集合AD转换模块、分析模块以及存储器，综合了采集、分析、传输的功能，提高了系统的处理效率，同时系统更加集中，便于现场设置，适用于多种场景及传感器；除此之外，数据分析处理系统2还包括校准模块，通过该校准模块，实现了自动校准，简化了校准工作，提高测量准确度和精度。
其中，所述AD转换模块为带高精度AD模块的微处理机控制单元MCU，例如单片机；传统采集模式受限于体积要求，内置的AD转换模块精度不高，在超高精度的场合无法满足需求，本申请通过在数据分析处理系统2集合AD转换模块，降低了体积方面的要求，通过采用高精度AD模块的微处理机控制单元MCU，提高仪表精度；所述校准模块、分析模块和存储器为中央处理器CPU，以快速运算，进行相应的数据分析和控制，提高系统存储数据的能力。
其中，所述数据分析处理系统2分别与人机交互装置3和远程终端4相互连接；以实现信息交互。人机交互装置3和远程终端4读取数据分析处理系统2的信息，进行显示等操作，数据分析处理系统2读取人机交互装置3和远程终端4的控制指令，以进行相关调整参数或控制相关泵或阀门实现清洗操作等功能。
其中，数据分析处理系统2与传感器组件1以及人机交互装置3之间采用RS485通讯方式连接；数据分析处理系统2与远程终端4采用以太网连接。
由于各模块功能简单、单一，因此设计成本低，传感器组件1只负责采集数据，然后通过RS485回传数据，数据分析处理系统2则是将通过RS485接受的数据分析后，控制人机交互装置3实时显示出来，并通过以太网的形式将分析后的数据传输至远程终端4。采用RS485等通讯方式连接，接口标准化，便于仪表各部分安装维修更换适应于多种场景。
其中，所述数据分析处理系统2还包括无线模块。采用无线模块传递数据，实现数据的远程传递。
其中，所述数据分析处理系统2还包括定时器，所述定时器用于控制数据AD转换模块定时读取传感器组件1采集的数据，控制人机交互装置3的状态，控制校准模块与分析模块进入休眠状态。
传统设计方法，无低功耗方面的考虑，MCU运行在正常工作状态下，高频率的对传感器数据进行读取同时进行回传操作，且时刻控制显示屏的显示，不会让CPU或者显示屏处于休眠状态，且由于数据存储由远程终端实现，因此需保证CPU处于工作状态，以确保数据传输，因此整个仪器功耗大。本申请采用集中式设计，针对各个部分采用不同的降低能耗的措施，由于传感器探头检测的数据一般不会发生突变，因此使用1Hz的频率去读取传感器的状态以满足实际的使用需求；AD转换模块的数据处理与各传感器同步，因此AD转换模块的数据更新频率也保持1Hz；定时器控制人机交互装置3的状态，当显示屏需显示数据时，显示屏显示数据，在无操作的情况下显示屏进入休眠状态；CPU在存储和发送完一次数据后，即进入休眠状态，内部只有定时器在工作，当AD转换模块有数据更新时，通过外部触发即可唤醒CPU内的校准模块与分析模块校准分析数据，并更新存储数据和远程显示的数据。通过上述措施以大大降低功耗，实现仪表的低功耗。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种余氯电极校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，仪器使用前，在不同温度和/或pH值时，测量余氯电极的零点电流及至少一组已知浓度的标准溶液中余氯电极的输出电流；
S2，根据输出电流、零点电流和余氯浓度，计算不同温度和/或pH值时，输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式中的常量，获取不同温度和/或pH值时的关系函数式；
S3，仪器使用时，根据检测环境当前的温度和/或pH值，调用该温度和/或pH值对应的关系函数式校准传感器的读数，输出校正后测量的余氯浓度。
2.根据权利要求1所述的余氯电极校准方法，其特征在于，所述步骤S2还包括，根据获取的不同温度和/或pH值时的关系函数式，采用线性插值计算的方法计算其他温度和/或pH值时的关系函数式中的常量，获取更多温度和/或pH值时的关系函数式。
3.根据权利要求1所述的余氯电极校准方法，其特征在于，所述步骤S3还包括，将温度和/或pH值与对应的该温度和/或pH值时关系函数式的常量存储在存储器内。
4.根据权利要求1所述的余氯电极校准方法，其特征在于，所述余氯电极为电流型余氯电极。
5.根据权利要求4所述的余氯电极校准方法，其特征在于，所述输出电流与零点电流和余氯浓度两者的关系函数式为：输出电流＝零点电流+斜率*余氯浓度。
6.一种水质检测仪表，其特征在于，包括传感器组件(1)、数据分析处理系统(2)、人机交互装置(3)以及远程终端(4)；
所述传感器组件(1)的输出端分别连接数据分析处理系统(2)的输入接口；所述数据分析处理系统(2)的输出端分别与人机交互装置(3)和远程终端(4)的输入端连接；
所述传感器组件(1)包括温度传感器、pH电极以及余氯电极；所述数据分析处理系统(2)包括AD转换模块、校准模块、分析模块以及存储器；所述存储器内存储通过权利要求1至5任一项余氯电极校准方法获得的一系列常量，所述校准模块采用权利要求1至5任一项余氯电极校准方法校准余氯电极读数。
7.根据权利要求6所述的水质检测仪表，其特征在于，所述数据分析处理系统(2)分别与人机交互装置(3)和远程终端(4)相互连接。
8.根据权利要求6所述的水质检测仪表，其特征在于，所述数据分析处理系统(2)与传感器组件(1)以及人机交互装置(3)之间采用RS485通讯方式连接；数据分析处理系统(2)与远程终端(4)采用以太网连接。
9.根据权利要求6所述的水质检测仪表，其特征在于，所述AD转换模块为带高精度AD模块的微处理机控制单元；所述校准模块、分析模块和存储器为中央处理器。
10.根据权利要求6所述的水质检测仪表，其特征在于，所述数据分析处理系统(2)还包括定时器，所述定时器用于控制数据AD转换模块定时读取传感器组件(1)采集的数据，控制人机交互装置(3)的状态，控制校准模块与分析模块进入休眠状态。
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