CN111398549A - 一种无试剂多参数水质原位监测仪 - Google Patents

一种无试剂多参数水质原位监测仪 Download PDF

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陈海根
谢卫丰
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Abstract

本发明公开了一种无试剂多参数水质原位监测仪，其通过电极模块、光度法模块实时监测水质情况，同时进行风速检测，可通过显示屏直接显示，保证数据的公开公正，同时把数据储存至云端，可以供用户在手机上或电脑端进行查看，并进行数据管理。本发明监测仪独有的结构设计，配置了6块太阳能板，保证了太阳能发电为蓄电池提供足够的能量，采用电极法模块及光度法模块对应温度、电导率、溶解氧、酸碱度、氨氮浊度和化学需氧量等检测项目，无需添加任何试剂，有效实时监测水质变化情况，对突发事件做出警示。

Description

一种无试剂多参数水质原位监测仪
技术领域
本发明属于水质检测技术领域，具体涉及一种无试剂多参数水质原位监测仪。
背景技术
水资源是人类社会最重要的自然资源，是赖以生存和发展的基本条件，水资源的可持续利用是社会、经济可持续发展的极其重要的保障；近年来随着水污染的日益严重，水质监测作为水污染控制工作中的基础工作，其意义十分重大。目前，水质监测是保护水资源的基本手段之一，作为水污染控制工作中的基础性工作，为环境管理提供数据和资料，为评价江河和海洋水质状况提供依据，是进行水资源保护科学研究的基础，可以研究出污染物的来源、分布、迁移和变化的规律，对水质污染趋势作出预测，同时可以控制水污染，对水环境健康发展有着重要的作用，在维护水环境健康方面具有重要意义。
水质检测仪是用于分析水质成分含量的专业仪表，主要指测量水中化学需氧量、氨氮、浊度、温度、电导率、pH、溶解氧等项目的仪器，为了保护水环境，必须加强对污水排放的监测，水质检测仪在环境保护、水质的检测和水资源保护中起到了重要的作用。近年来，随着国家科学技术水平提高，在水质监测仪器方面取得一定的进展，如西安交通大学生命科学与技术学院研制的国内首台水质监测样机，可同时检测水质COD(化学需氧量)、pH及氨氮三个指标，实现了对生活污水、江河湖泊水及工业污水的自动监控。中国计量大学研制的一款新型的水质监测仪控制系统可同时检测浊度、pH、温度、溶氧四个参数，检测仪操作者可以在所要测的原位水域监测水质情况，可以用触摸屏或手机实现远程操控，快速便捷，同时能实现电脑上网监测、手机网络监测。除了高校积极投身水质监测技术研究之外，许多企业也开始对这领域进行涉足，河北先河科技公司研制的XH-90系列水质监测仪，该仪器可实现对水温、电导率、溶解氧、pH及浊度五个参数的检测。
评价水质状况的过程，现有的检测方式大多是工作人员通过到达到某一监测区域，采集水体样本，再通过岸上的仪器设备分析，最后得到监测数据，这样的监测需要人员到水域中人工采取水样，成本较高，工作效率低，需要完成的工作量大，不能有效快速的得到水质监测数据。采用电化学法或化学试剂法对地下水水质进行监测，由于方法使用条件的局限性，需定期更换检测电极或化学试剂，而且化学方法检测水质本身具有分析过程复杂、周期长、成本高、实时性差，检测参数单一等缺陷，无法满足对水质长期监测的要求。
水质监测是水资源环境保护的前提与基础，多参数水质监测是现代水质监测科学技术的重要发展方向之一；因此，开发一款实时监测水质参数并进行自主分析进行实时反馈的系统也越来越重要，水质监测系统的开发不仅可以为水体生物生长环境提供良好的保证，为生态环境监测提供便利，还可以实时跟踪水质参数的变化，追踪污染源。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种无试剂多参数水质原位监测仪，结构简单、操作方便、检测结果准确。
一种无试剂多参数水质原位监测仪，包括浮标平台和检测系统；
所述检测系统安装于浮标平台内，其包括：
电极模块，包含有五个电极传感器分别用于检测水质的温度(TEMP)、电导率(EC)、溶解氧(DO)含量、酸碱度(PH)以及氨氮(NH4-N)含量；
光度法测试模块，包含有两个光学传感器分别用于检测水质的浊度(Turb)以及化学需氧量(COD)；
主控模块，用于接收电极模块和光度法测试模块提供的参数并进行分析显示，同时通过无线远程传输技术将这些参数上传至云端，供手机App查看管理数据。
进一步地，所述电极模块配备有清洁刷，可定时对电极传感器进行清洁。
进一步地，所述电极模块的各电极传感器顶端集成有数据处理模块，其用于对电极传感器采集到的参数信号进行处理并转换成数字量提供给主控模块。
进一步地，所述数据处理模块与主控模块之间的数据传输采用485通讯方式。
进一步地，所述光度法测试模块的光学传感器采用散射原理实现水质的浊度检测，对于水质的化学需氧量，光学传感器采用水样在254nm处的吸光度与化学需氧量建立标准线性关系的方法，并加入了365nm的吸光度用于补偿校准，使得测量更准确，消除干扰的影响，进而得到水样吸光度与化学需氧量之间的拟合关系，并最终计算出水质的化学需氧量。
进一步地，所述光度法测试模块与主控模块之间的数据传输采用485通讯或串口通讯方式。
进一步地，所述主控模块包含有无线传输模块和数据采集分析模块，所述无线传输模块用于与PC端及手机终端进行通讯，便于工作人员对监测仪进行温度补偿和干扰离子(Ca\Mg\K等)补偿的输入以及测试参数(如测试间隔、报警限值等)的设置，其采用GPRS或NB-IoT(窄带物联网)实现；所述数据采集分析模块用于对接收到的参数进行分析并转换成特定形式后通过显示屏进行显示。
进一步地，所述浮标平台包括浮标体，浮标体底部设有锚、光学传感器以及电极传感器，浮标体内设有控制盒以及电池组并采用密封盖进行防水封闭，防止水的进入，保证了整体设备的正常运行；浮标体顶部安装有支架，支架上布置有若干太阳能板以及显示屏，支架顶部设有警示灯以及风速传感器，所述太阳能板的布置采用双层结构，即支架第一层布置2块，支架第二层布置4块，实现了太阳能板的最大化，同时支架第一层还配置了显示屏，实现了数据的实时显示。
进一步地，所述主控模块设置于控制盒内，控制盒内还包含有太阳能控制器。
进一步地，所述电池组采用胶体蓄电池，其与太阳能板以及太阳能控制器共同组成太阳能供电系统，实现有日照时向蓄电池充电，无日照时由蓄电池负责供电，保证监测仪持续工作状态。
本发明水质原位监测仪通过电极模块、光度法模块实时监测水质情况，同时进行风速检测，可通过显示屏直接显示，保证数据的公开公正，同时把数据储存至云端，可以供用户在手机上或电脑端进行查看，并进行数据管理。本发明监测仪独有的结构设计，配置了6块太阳能板，保证了太阳能发电为蓄电池提供足够的能量，采用电极法模块及光度法模块对应温度(TEMP)、电导率(EC)、溶解氧(DO)、酸碱度(PH)、氨氮(NH4-N)浊度(Turb)和化学需氧量(COD)等检测项目，无需添加任何试剂，有效实时监测水质变化情况，对突发事件做出警示。本发明监测仪的性能特点如下：
1.原位水质监测，不需要复杂的水采样和过滤系统，同时监测7项参数。
2.所有7项参数均采用无试剂测试，无需复杂的前处理过程。
3.测试过程简洁、快速，不需要消耗试剂，对水体无二次污染。
4.系统采用浮标方式可放置于岸边或固定于任何需要测试的水体位置。
5.配置无线数据传输模式，实时将数据传置云服务器，用户可利用手机或者电脑实时查看数据，及时了解水质环境情况。
6.测试结果准确可靠。
7.使用太阳能电池板供电并配合蓄电池使用，有日照时向蓄电池充电，无日照时由蓄电池负责供电。
8.传感器配备有自动清洁刷，使DO、EC、PH、NH4-N电极能抵受长期沾污的影响，传感器保存长期稳定的测试，减少系统维护的时间间隔及成本。
9.具有6块太阳能板，保证太阳能发电的。
10.配置了显示屏，能够实时显示数据，可以给河道做指示。
11.配置了风速传感器，水质监测的基础上还可以监测天气情况。
附图说明
图1为本发明监测仪系统的组成示意图。
图2为检测系统的组成示意图。
图3为浮标平台的结构示意图。
图4为浮标平台的外观示意图。
图5为电极模块的结构示意图。
图3中：1—锚，2—光学传感器模块，3—电极传感器模块，4—浮标体，5—电池组，6—控制盒，7—密封盖，8—支架，9—太阳能板，10—显示屏，11—警示灯，12—风速传感器。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明无试剂多参数水质原位监测系统包括浮标平台和检测系统，检测系统包含了供电系统、电极模块、主控模块、比色模块(光度法测试)等，其中：
主控模块的主要功能如下，其选用意法半导体公司生产的STM32F103C8T单片机为核心。
(1)与电极模块和比色模块进行通讯，接收多个参数如PH、TEMP、DO、EC、NH4-N、COD、Turb等。
(2)与PC端或手机终端进行通讯，实现温度补偿、Ca、Mg、K等干扰离子补偿的输入以及测试参数(如测试间隔、报警限值等)的设置。
(3)实现GPRS\NB-IOT的无线数据传输。
电极模块如图5所示，pH、DO、EC、NH4-N、TEMP五个电极高度集成在一个模块上，实现无试剂同时监测水质五个参数，同时配备有清洁刷，可定时对五个电极进行清洁；采集上述五参数信号的数据处理模块都集成在电极的顶端，该模块与主控模块进行数据传输的方式为485通讯。
TEMP传感器：温度采用三线制PT1000，基于PT1000的阻值会随着温度的变化而改变这一现象来得到温度，利用该温度对上述参数进行温度补偿。为了提高测试精度，本实施方式采用恒流源供电，同时为了防止PT1000自身发热影响测试效果，电流设置在1mA及以下。
pH计：pH计内部由一个参比电极和一个玻璃电极构成，其中参比电极先维持一个恒定的电位，作为测量各种偏离电位的对照，银-氧化银电极是目前pH中最常用的参比电极；玻璃电极监测对所测量溶液的氢离子活度发生变化作出反应的电位差，把对酸碱度敏感的电极和参比电极放在同一溶液中，就组成一个原电池，该电池的电位是玻璃电极和参比电极电位的代数和。
在酸性或碱性溶液内，膜外表面上的电势与氢离子活动程度的变化成线性比，计算公式如下：
E＝E0+(2.3RT/nF)log[H+]
其中：E＝总的电势差，E0＝标准电势，R＝气体常量，T＝绝对温度，n＝电子数量，F＝法拉第常量，[H+]＝氢离子活度。
由于溶液的酸碱度受温度的影响，电极的输出电压和酸碱度的变化成线性关系，溶液的温度决定这一线性反应的斜率，因此前面提到的温度传感器可用来校正酸碱度值。酸碱度电极产生的电压通过RC滤波之后，经过运放放大进入AD模块输入端，进行采集；本实施方式中酸碱度电极选用上海傲乐科学仪器公司生产的pH复合电极，型号：H0B9-A0001，量程范围0-14pH。
EC电极：由于溶液内离子的电荷有助于导电，因此溶液的电导率和其离子浓度成正比；将两个电极浸入在被测液体中，在电极的两端加上一定的交流电压，在被测液体中生成电流，基于欧姆定律计算电阻值或电导值C(即电阻值的倒数)。
C(simens)＝1/R＝I(A)/E(V)
EC电极的电导片都有具体的电导常量K，用来确定电导率C，C＝电导率读数×电导常量K，电导常量K是电极间距除以电极面积后的数值。EC电极采用传统的两极电导，在电极其中一极上施加一个正负电压，为避免产生极化电压，正负电压交替切换供电，在电导极产生的电流通过运放电流转电压电路后，再经过运放放大或跟随后进入AD模块输入端，进行采集。本实施方式中电导率电极选用上海傲乐科学仪器公司生产的石墨电导电极，型号：CTB9-A0001，量程范围2us/cm-30ms/cm。
DO电极：溶解氧电极用一薄膜将铂阴极、银阳极以及电解质与外界隔开，一般情况下阴极几乎是和这层膜直接接触的，氧以和其分压成正比的比率透过膜扩散，氧分压越大，透过膜的氧就越多；当溶解氧不断地透过膜渗入腔体，在阴极上被还原成氢氧根离子OH-，在阳极上银被氧化成银离子Ag+形成卤化银层，阴极释放电子，阳极接收电子，形成电流回路；在恒定操作条件下，回路电流与介质中的溶解氧浓度成比例关系。
DO电极的阴极施加一个恒定的基准电压，水中的溶解氧在溶解氧电极上进行氧化还原反应产生微弱的电流信号，该电流信号由溶解氧电极的阳极流出进入IV转换电路转换成电压，再经过运放放大后进入AD模块输入端，进行采集。本实施方式中DO电极选用上海傲乐科学仪器公司生产的极谱式溶解氧电极，型号：DOB9-A0002，量程范围0-20mg/L。
NH4-N电极：NH4-N铵离子选择性电极是以敏感膜为基础的电化学传感器，这层膜是使电极对特定离子有选择性响应的元件。测水中氨氮是利用铵离子选择性电极，电极置于溶液内时膜上会形成一电势差，当样品内待测离子的浓度变化时，用电极和一内置参比电极一起使用能测出此电势差的变化；Eo是离子选择性电极与特定参比结合时的恒定的电势差，Ai是离子活度，离子的活度取决于由离子内容决定的样品溶液中的离子强度。
NH4-N铵离子选择性电极的中参比电极施加一个恒定的基准电压，两支电极之间的电势差，经过RC滤波后，再经过运放放大后进入AD模块输入端，进行采集。本实施方式中NH4-N铵离子选择性电极选用上海傲乐科学仪器公司生产的铵离子选择性电极选，型号：PNH3-A0002，量程范围0.05-1000mg/L。
由于各个电极的输出电压或电流都很微弱，为了防止外部信号的干扰和传输线过长导致信号衰弱，本实施方式在电极模块前端内置一块信号采集板，直接把电极的信号进行放大、采集，使测试数据更准确、更可靠，然后把采集到的数据传输到主控模块中处理器中；信号采集板上的CPU采用新华龙的8051内核的单片机，型号为EFM8LB12F64E-B-QFP32，它具有内置或外置参考源，4路12位DA，多路14位AD，最高速率可到1M。
比色模块：该模块集成了Turb和COD监测，Turb的测量采用散色原理，COD的测量采用水样在254nm处吸光度与COD建立标准线性关系的方法，同时为使测量更准确，消除干扰的影响，加入了365nm的吸光度来做补偿校准，进而得到水样吸光度与COD之间的拟合关系，并最终计算出COD值，且该模块与主控模块之间的数据传输方式为485通讯或串口通讯。
由于硅光电池的输出电流都很微弱，为了防止外部信号的干扰和传输线过长导致信号衰弱，本实施方式在比色模块前端内置一块信号采集板，直接把电极的信号进行放大、采集，使测试数据更准确、更可靠，然后把采集到的数据传输到主控模块中处理器中，信号采集板上的CPU采用新华龙的8051内核的单片机，型号为EFM8LB12F64E-B-QFP32，它具有内置或外置参考源，4路12位DA，多路14位AD，最高速率可到1M。
COD的测量需要2个光源，通过2个独立的光源(550nm和280nm)分别通过比色池、光电池，转换成后级所需要的电信号，Turb的设计方案跟这个类似，无非光源波长不一致，光电池安放位置稍作改变，该方案的优点在于：结构简单，体积小，可以浊度结合在一体。
如图3和图4所示，浮标平台包括浮标体4，浮标体4底部设有锚1、光学传感器2以及电极传感器3，浮标体4内设有控制盒6以及电池组5并采用密封盖7进行防水封闭，防止水的进入，保证了整体设备的正常运行；浮标体4顶部安装有支架8，支架8上布置有若干太阳能板9以及显示屏10，支架8顶部设有警示灯11以及风速传感器12，太阳能板9的布置采用双层结构，即支架8第一层布置2块，支架8第二层布置4块，实现了太阳能板9的最大化，同时支架8第一层还配置了显示屏10，实现了数据的实时显示；主控模块设置于控制盒6内，控制盒6内还包含有太阳能控制器。
太阳能供电系统由胶体蓄电池、太阳能板、太阳能控制器组成，实现有日照时向蓄电池充电，无日照时由蓄电池负责供电；本实施方式中太阳能电池板选择4块单晶太阳能电池板，峰值功率10W，峰值电压18V，峰值电流0.55A,外形尺寸345*285*mm；太阳能控制器采用防水型单路控制器，防水等级IP67，最大充电电流可达10A，可接100WP太阳能板(12V)；蓄电池采用天威12V7AH蓄电池，可循环800次，尺寸150*65*95。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于，包括浮标平台和检测系统；所述检测系统安装于浮标平台内，其包括：
电极模块，包含有五个电极传感器分别用于检测水质的温度、电导率、溶解氧含量、酸碱度以及氨氮含量；
光度法测试模块，包含有两个光学传感器分别用于检测水质的浊度以及化学需氧量；
主控模块，用于接收电极模块和光度法测试模块提供的参数并进行分析显示，同时通过无线远程传输技术将这些参数上传至云端，供手机App查看管理数据。
2.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述电极模块配备有清洁刷，可定时对电极传感器进行清洁。
3.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述电极模块的各电极传感器顶端集成有数据处理模块，其用于对电极传感器采集到的参数信号进行处理并转换成数字量提供给主控模块。
4.根据权利要求3所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述数据处理模块与主控模块之间的数据传输采用485通讯方式。
5.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述光度法测试模块的光学传感器采用散射原理实现水质的浊度检测，对于水质的化学需氧量，光学传感器采用水样在254nm处的吸光度与化学需氧量建立标准线性关系的方法，并加入了365nm的吸光度用于补偿校准，进而得到水样吸光度与化学需氧量之间的拟合关系，并最终计算出水质的化学需氧量。
6.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述光度法测试模块与主控模块之间的数据传输采用485通讯或串口通讯方式。
7.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述主控模块包含有无线传输模块和数据采集分析模块，所述无线传输模块用于与PC端及手机终端进行通讯，便于工作人员对监测仪进行温度补偿和干扰离子补偿的输入以及测试参数的设置，其采用GPRS或NB-IoT实现；所述数据采集分析模块用于对接收到的参数进行分析并转换成特定形式后通过显示屏进行显示。
8.根据权利要求1所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述浮标平台包括浮标体，浮标体底部设有锚、光学传感器以及电极传感器，浮标体内设有控制盒以及电池组并采用密封盖进行防水封闭；浮标体顶部安装有支架，支架上布置有若干太阳能板以及显示屏，支架顶部设有警示灯以及风速传感器，所述太阳能板的布置采用双层结构，即支架第一层布置2块，支架第二层布置4块，实现了太阳能板的最大化，同时支架第一层还配置了显示屏，实现了数据的实时显示。
9.根据权利要求8所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述主控模块设置于控制盒内，控制盒内还包含有太阳能控制器。
10.根据权利要求9所述的无试剂多参数水质原位监测仪，其特征在于：所述电池组采用胶体蓄电池，其与太阳能板以及太阳能控制器共同组成太阳能供电系统，实现有日照时向蓄电池充电，无日照时由蓄电池负责供电，保证监测仪持续工作状态。
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