CN112748092A - 一种在线水质硬度检测传感器和净水机及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线水质硬度检测传感器，其特征在于包括有：壳体(1)，内部具有检测流道(12)，侧壁上开设有第一透光孔(121)和第二透光孔(122)；第一透光片(2)，覆盖在所述的第一透光孔(121)上；第二透光片(3)，覆盖在所述的第二透光孔(122)上；光源(4)，其产生的入射光线能够穿过第一透光片(2)进入检测流道(12)内然后直接或反射后穿过第二透光片(3)形成出射光线向外射出；以及光强传感器(5)，能够采集所述出射光线的光强。本发明还公开了一种应用有该在线水质硬度检测传感器的净水器及其使用方法。与现有技术相比，本发明的在线水质硬度检测传感器可以准确检测水质硬度。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，具体指一种在线水质硬度检测传感器和净水机及其使用方法。
背景技术
目前对于饮用水的担忧是总所周知，时不时爆出社会新闻，从而导致净水机开始蓬勃发展，同时也出现了不同基于家用的加热机型，但由于水质的硬度关系，会导致加热体或者流道出现结垢堵塞现象，因此对于水质的硬度检测也是必须的，一方面可以作为水质的检测显示，另一方面可以根据水质硬度数据，进行各个方面的控制。
目前基于水质的检测没有太好的办法，只有TDS、COD检测为主，其他需要细分检测时则需要专业的设备来支撑。如专利申请号为CN201721807917.8(公布号为CN207904024U)的实用新型专利《一种台式免安装智能净水机》公开的一种台式免安装智能净水机，包括净化系统和监测系统，所述净化系统包括通过管道依次相连的原水箱、前置过滤器、自吸增压泵、颗粒碳过滤器、反渗透过滤器、后置过滤器、净水箱、抽水泵和接水口，所述监测系统包括监控装置、信号接收终端、触摸屏和控制净水机工作的开关，所述监控装置包括原水TDS检测单元、纯水TDS检测单元、控制单元和无线发射模块。原水TDS检测单元和纯水TDS检测单元用于检测流经的水的TDS值，并通过控制单元计算出各滤芯的使用寿命，然后将各数值及计算结果显示在触摸屏上，便于用户获知水质情况，提醒用户更换滤芯。
但是TDS代表水中离子的多少，也只能反应大概的情况，在低浓度情况下，TDS的大小并不能反应水质的优劣，不能反应水质的硬度。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种可以准确检测水质硬度的在线水质硬度检测传感器。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种应用有上述在线水质硬度检测传感器的净水机。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种上述在线水质硬度检测传感器的使用方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种在线水质硬度检测传感器，其特征在于包括有：
壳体，内部具有检测流道，侧壁上开设有与检测流道相贯通的第一透光孔和第二透光孔；
第一透光片，密封安装在所述的壳体上，覆盖住所述的第一透光孔；
第二透光片，密封安装在所述的壳体上，覆盖住所述的第二透光孔；
光源，位于所述第一透光片的外侧，其产生的入射光线能够穿过第一透光片进入检测流道内然后直接或反射后穿过第二透光片形成出射光线向外射出；以及
光强传感器，位于所述第二透光片的外侧，能够采集所述出射光线的光强。
为了对阳离子进行浓缩，提高低硬度时的检测精度，所述的壳体上开设有进水口、第一出水口和第二出水口，所述壳体的内部还具有预处理流道；
所述预处理流道的内部设有仅能供阳离子通过的阳离子膜，该阳离子膜将所述的预处理流道分隔为废水流道和阳离子浓缩流道；
所述废水流道和阳离子浓缩流道的入口连通所述的进水口，废水流道的出口连通所述的第一出水口，所述检测流道的入口连通所述阳离子浓缩流道的出口，检测流道的出口连通所述的第二出水口。
为了提高阳离子浓缩效率，所述废水流道朝向所述阳离子膜的内壁上安装有阳电极，所述阳离子浓缩流道朝向所述阳离子膜的内壁上安装有阴电极。
为了方便光源产生的光线射入检测流道后射出，主要有两种方案，第一种方案为：所述的第一透光孔和第二透光孔位于所述壳体的同侧，且所述检测流道相对于该第一透光孔和第二透光孔的内壁上具有能反射光线的反光面。
为了使壳体内流道布置更为紧凑，所述壳体的内腔中设有隔板，该隔板将壳体的内腔分隔为所述的预处理流道和检测流道，所述隔板的上部开设有用于连通预处理流道出口和检测流道入口的流通孔。
为了方便透光片的加工和安装，所述的第一透光片和第二透光片为一体件。
第二种方案为：所述的第一透光孔和第二透光孔位于所述壳体的相对侧并相对设置。
为了方便透光片在壳体上的安装，所述的第一透光片和第二透光片均安装在所述壳体的外侧壁上。
为了保证透光片和壳体之间的密封性，所述第一透光片与所述壳体的外侧壁之间夹设有密封圈；或/和
所述第二透光片与所述壳体的外侧壁之间夹设有密封圈。
为了保证透光片的稳定安装，并且方便调节松紧度，所述第一透光片和第二透光片的外侧均覆盖有压板，所述的压板上开设有与所述第一透光孔或第二透光孔相对应的穿孔，该压板和所述壳体之间通过至少两个螺栓相连接。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种应用有上述在线水质硬度检测传感器的净水器。
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种上述在线水质硬度检测传感器的使用方法，包括有以下步骤：
(1)将纯水和不同硬度的水依次进行标定：向检测流道中通入已知硬度的水，静置一段时间后排空，待水汽蒸发后启动光源和光强传感器，记录光强传感器采集到的数据；
(2)待测硬度的水的测试：向检测流道中通入待测硬度的水，静置一段时间后排空，待水汽蒸发后启动光源和光强传感器，记录光强传感器采集到的数据，参照标定数据计算出硬度值。
为了方便计算硬度值，将待测硬度的水的硬度值记为H，将步骤(2)测得的光强记为L，将步骤(1)中测得的最接近L值的光强记为L1和L2，L1对应的硬度值为H1，L2对应的硬度值为H2，L1≤L≤L2；
则H＝H2-H21*(L-L2)/(L1-L2)。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在具有检测通道的壳体上开设两个透光孔，并通过透光片覆盖，水通过检测通道后，把水排干，透光片表面会吸附微量的水中的离子，随着水分的蒸发，导致钙镁离子的析出，从而在透光片上或壳体内壁上形成白色的粉末，白色的粉末会阻挡光的透射，从而导致透过的光强发生衰减，通过对光强进行采集，可以检测出水中钙镁离子的析出量，从而计算出水中钙镁离子的浓度，实现了水质硬度的准确检测。
附图说明
图1为本发明净水器的实施例1中在线水质硬度检测传感器的的结构示意图；
图2为本发明净水器的实施例2中在线水质硬度检测传感器的的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，为本发明在线水质硬度检测传感器的净水器的第一个优选实施例，净水器的净水出口处安装有在线水质硬度检测传感器，该在线水质硬度检测传感器包括有壳体1、第一透光片2、第二透光片3、光源4、光强传感器5、密封圈6和压板7。
其中，壳体1的内部具有一个正方形的腔体，该腔体形成有检测流道12，壳体1的左侧壁上开设有与检测流道12相贯通的第一透光孔121，壳体1的右侧壁上开设有与检测流道12相贯通的第二透光孔122，上述第一透光孔121和第二透光孔122相对设置；壳体1上开设有进水口13(图中未示出)和第二出水口15(图中未示出)，检测流道12的入口连通进水口13，检测流道12的出口连通第二出水口15。
第一透光片2安装在壳体1的左侧壁上，并覆盖住第一透光孔121。
第二透光片3安装在壳体1的右侧壁上，并覆盖住第二透光孔122。本实施例中，第一透光片2和第二透光片3均采用透明玻璃制成。
光源4位于第一透光片2的左侧，其产生的入射光线能够穿过第一透光片2进入检测流道12内然后直接穿过第二透光片3形成出射光线向外射出。本实施例中，光源4为LED灯。
光强传感器5位于第二透光片3的右侧，能够采集上述出射光线的光强。
密封圈6的数量为两个，其中一个密封圈6夹设于第一透光片2与壳体1的左侧壁之间，另一个密封圈6夹设于第二透光片3与壳体1的右侧壁之间，从而可以提高第一透光片2和第二透光片3的安装密封性，避免检测流道12中的水分泄漏。
压板7的数量为两块，其中一块压板7覆盖在第一透光片2的左侧，该压板7上开设有与第一透光孔121相对应的穿孔71，压板7和壳体1的左侧壁之间通过至少两个间隔布置的螺栓72相连接，另一块压板7覆盖在第二透光片3的右侧，该压板7上开设有与第二透光孔122相对应的穿孔71，压板7和壳体1的右侧壁之间通过至少两个间隔布置的螺栓72相连接，从而可以实现第一透光片2和第二透光片3的稳定安装，并且方便调节松紧度。
本发明实施例1的工作原理如下：水通过检测通道后，把水排干，透光片表面会吸附微量的水中的离子，随着水分的蒸发，导致钙镁离子的析出，从而在透光片上或壳体内壁上形成白色的粉末，白色的粉末会阻挡光的透射，从而导致透过的光强发生衰减，通过对光强进行采集，可以检测出水中钙镁离子的析出量，从而计算出水中钙镁离子的浓度。
上述在线水质硬度检测传感器的使用方法如下：
一、前期进行数据标定：
1、初始时LED灯通电，此时透光片无任何污染，因此光强传感器采集到的光强为最大值，记录此时的数据，作为最大值的参考，后续任何时刻测试的数据因均小于等于此时的数据，否则为传感器有问题，为故障模式；
2、分别配置不同硬度的水，以水质中含1ppmCaCO3为1度，大致分为几个档位：10、20、50、100、200、500、1000，也可以根据特殊要求进行分档定制；
3、按照配置的不同硬度的水依次标定，得到不同硬度水中CaCO3析出的程度，依次记录各个数据，这就得到了不同硬度的水的CaCO3析出影响程度；
下面以硬度50为例进行标定：
1)纯水冲洗：先向检测流道中通入纯水，然后静置一段时间，使得透光片表面的CaCO3溶解，然后冲洗一段时间，然后排水静置一段时间，使得透光片上无水渍；
LED通电，光强传感器采集光强，如果光的强度与初始时检测的一致，表示已清洗干净，如果数据相差比较大，则继续重复进行冲洗，直到冲洗干净；
2)向检测流道中通入硬度为50ppm的水，静置1分钟，然后排水清空；
3)等待一段时间，此时由于水汽的自然蒸发，CaCO3会自然析出，然后粘结在透光片的表面呈白色粉末，此粉末会阻挡光的穿透性，此时白色LED灯亮后，光强传感器检测到数据会有一定的衰减，此衰减的程度与CaCO3的析出有关，而CaCO3的析出幅度与水中的含量有关，而CaCO3水中的含量则与水的硬度有关，因此光强检测值的衰减与水的硬度是正相关的；不同的等待时长，会得到不同析出程度的CaCO3，从而影响光的穿透性，因此对于每一次检测的等待时间必须一致，一般可以设置为15分钟；
所有不同硬度的水的标定完成后，建立如表1所示的不同硬度的阶段性的数据表格，后续测量时可以一次此表格的数据进行分段式计算。
表1：
| 硬度(ppm) | 纯水 | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | 500 | 1000 |
| 透光度(％) | 100 | 99 | 98 | 95 | 90 | 80 | 65 | 30 |
二、硬度的测量：
1)向检测流道中通入待测硬度的水，静置1分钟，然后排水清空；
2)等待一段时间(一般为15分钟)，此时由于水汽的自然蒸发，CaCO3会自然析出，然后粘结在透光片的表面呈白色粉末，此粉末会阻挡光的穿透性，此时白色LED灯亮后，光强传感器检测到数据会有一定的衰减；
3)如标定所示的表格，首先确认硬度在那个大致的区间，比如透光度L_Data＝84，则首先判断在硬度100到200的区间；然后计算在整个区间的位置：透光度的区间在90-80之间，区间间隔为10，透光度84的当前位置为：84-80＝4，90-80＝10，即为80档位+40％的区间位置，同样可以计算出硬度的区间位置：200-100＝100即当前水的硬度为：200-100*40％＝160ppm；
4)测试完成后，继续向检测流道中通入待测硬度的水进行冲洗，然后保持水在检测流道中，随着时间会逐步溶解掉CaCO3；因为没有加热，然后定期换水可以保持水中的CaCO3不会结垢在透光片上；
根据需要可以间歇性地检测水的硬度，也可以根据需要用纯水对传感器腔体进行维护式的清洗。
实施例2：
如图2所示，为本发明在线水质硬度检测传感器的净水器的第二个优选实施例。与实施例1的不同之处在于：
本实施例中，壳体1的内腔中设有竖直布置的隔板10，该隔板10将壳体1的内腔分隔为位于左侧的预处理流道11以及位于右侧的检测流道12，隔板10的上部开设有用于连通预处理流道11出口和检测流道12入口的流通孔(图中未示出)；预处理流道11的内部设有仅能供阴离子通过的阴离子膜113以及仅能供阳离子通过的阳离子膜114，该阴离子膜113和阳离子膜114一左一右竖直布置，将上述预处理流道11依次分隔为位于左侧的阴离子浓缩流道1111、位于中间的中间流道1112以及位于右侧的阳离子浓缩流道112，其中，阴离子浓缩流道1111和中间流道1112组成有废水流道111；阴离子浓缩流道1111朝向阴离子膜113的内壁上安装有阳电极115，阳离子浓缩流道112朝向阳离子膜114的内壁上安装有阴电极116。
壳体1下部的左侧壁上开设有进水口13，壳体1上部的左侧壁上开设有第一出水口14，壳体1下部的右侧壁上开设有第二出水口15。上述阴离子浓缩流道1111、中间流道1112和阳离子浓缩流道112的入口连通进水口13，阴离子浓缩流道1111和中间流道1112的出口连通第一出水口14，检测流道12的入口连通阳离子浓缩流道112的出口，检测流道12的出口连通第二出水口15。
壳体1的右侧壁一上一下开设有与检测流道12相贯通的第一透光孔121和第二透光孔122，且检测流道12相对于该第一透光孔121和第二透光孔122的内壁上具有能反射光线的反光面123。
本实施例中，第一透光片2和第二透光片3为一体件，密封安装在壳体1的右侧壁上，覆盖住上述第一透光孔121和第二透光孔122。
光源4和光强传感器5一上一下布置在上述透光片的右侧。光源4产生的入射光线能够穿过透光片进入检测流道12内然后经反光面123反射后穿过透光片形成出射光线向外射出。
密封圈6夹设于透光片与壳体1的右侧壁之间。
压板7覆盖在透光片的右侧，该压板7上开设有与第一透光孔121和第二透光孔122相对应的两个穿孔71，压板7和壳体1的右侧壁之间通过至少两个间隔布置的螺栓72相连接。
本发明实施例2的工作原理如下：
(1)水通过预处理流道进入后，分别扩散到预处理流道的三个流道中，阳电极通正电压，阴电极接地，形成电场，此时阴离子会往阳电极迁移，阳离子会往阴电极迁移；阳离子膜隔绝阴离子，阴离子膜隔绝阳离子，因此在三个通道中，通电后，阳离子往阴电极方向迁移，阴离子往阳电极迁移，中间流道会因离子迁移后大大降低离子浓度；中间流道和靠近阳电极的阴离子浓缩流道中的水作为废水排出，靠近阴电极的阳离子浓缩流道中的水则进入检测流道(水路的流向如箭头所示，表明部分结构件内部当前位置有流通孔)；
上述预处理步骤可以对阳离子进行浓缩，大大提高低硬度时的检测精度；
(2)水通过检测通道后，把水排干，透光片表面会吸附微量的水中的离子，随着水分的蒸发，导致钙镁离子的析出，从而在透光片上或壳体内壁上形成白色的粉末，白色的粉末会阻挡光的透射，从而导致透过的光强发生衰减，通过对光强进行采集，可以检测出水中钙镁离子的析出量，从而计算出水中钙镁离子的浓度。
上述在线水质硬度检测传感器的使用方法如下：
一、前期进行数据标定(电场不通电)：
同实施例1；
二、低硬度的水通过电场浓缩后再进行标定测试；
按照步骤一的标定方式，分别对不同的低硬度水进行电场浓缩后标定，基于精度考虑，则选择流量不变，而电压可以进行调节(不同的电压会导致离子的迁移能力和速度的提升，按硬度为50ppm的水做测试，固定流量为100ml/min，不同流道在不同电压的离子迁移效果)；
针对不同的电压记录浓缩效果的数据，如表2所示，作为后续测量的参考。
表2：
| 电压V | 阳离子流道/离子浓度 | 中间流道/离子浓度 | 阴离子流道/离子浓度 |
| 1 | 70.2 | 40 | 89.3 |
| 2 | 93.8 | 32 | 80.6 |
| 3 | 113 | 23 | 91.1 |
| 4 | 129.6 | 19 | 103.8 |
| 5 | 143.4 | 16 | 110.9 |
三、硬度的测量：
同实施例1；
如果测量的硬度小于20，由于光强传感器检测到的数据衰减偏差比较小，同时由于系统误差的存在，导致整机的精度会下降，因此可以启动电场进行浓缩后测量，可以通过给电场加电压，比如5V的电场电压，则可以有效的把浓度增加到3倍左右，同时检测到的衰减数据会在硬度60的左右，这样检测的硬度除于3，就能得到精度相对比较大的数据；此电场的电压只是作为依据，并非只能是5V为最大电压，可以根据需要加大电压，进行标定后，可以得到比较大的浓缩比；同样可以是电压、电流不变，在浓缩时，可以通过封堵光检测部分流道出水口，这样阳离子流道的浓度会随着电场的时间越来越大，以时间来决定浓缩比，这样就可以大大增加浓缩的效果，同样可以大大的提升测量精度和效果。
Claims (13)
1.一种在线水质硬度检测传感器，其特征在于包括有：
壳体(1)，内部具有检测流道(12)，侧壁上开设有与检测流道(12)相贯通的第一透光孔(121)和第二透光孔(122)；
第一透光片(2)，覆盖在所述的第一透光孔(121)上；
第二透光片(3)，覆盖在所述的第二透光孔(122)上；
光源(4)，位于所述第一透光片(2)的外侧，其产生的入射光线能够穿过第一透光片(2)进入检测流道(12)内然后直接或反射后穿过第二透光片(3)形成出射光线向外射出；以及
光强传感器(5)，位于所述第二透光片(3)的外侧，能够采集所述出射光线的光强。
2.根据权利要求1所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述的壳体(1)上开设有进水口(13)、第一出水口(14)和第二出水口(15)，所述壳体(1)的内部还具有预处理流道(11)；
所述预处理流道(11)的内部设有仅能供阳离子通过的阳离子膜(114)，该阳离子膜(114)将所述的预处理流道(11)分隔为废水流道(111)和阳离子浓缩流道(112)；
所述废水流道(111)和阳离子浓缩流道(112)的入口连通所述的进水口(13)，废水流道(111)的出口连通所述的第一出水口(14)，所述检测流道(12)的入口连通所述阳离子浓缩流道(112)的出口，检测流道(12)的出口连通所述的第二出水口(15)。
3.根据权利要求2所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述废水流道(111)朝向所述阳离子膜(114)的内壁上安装有阳电极(115)，所述阳离子浓缩流道(112)朝向所述阳离子膜(114)的内壁上安装有阴电极(116)。
4.根据权利要求2所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述的第一透光孔(121)和第二透光孔(122)位于所述壳体(1)的同侧，且所述检测流道(12)相对于该第一透光孔(121)和第二透光孔(122)的内壁上具有能反射光线的反光面(123)。
5.根据权利要求4所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述壳体(1)的内腔中设有隔板(10)，该隔板(10)将壳体(1)的内腔分隔为所述的预处理流道(11)和检测流道(12)，所述的隔板(10)上开设有用于连通预处理流道(11)出口和检测流道(12)入口的流通孔。
6.根据权利要求4所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述的第一透光片(2)和第二透光片(3)为一体件。
7.根据权利要求1所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述的第一透光孔(121)和第二透光孔(122)位于所述壳体(1)的相对侧并相对设置。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述的第一透光片(2)和第二透光片(3)均安装在所述壳体(1)的外侧壁上。
9.根据权利要求8所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述第一透光片(2)与所述壳体(1)的外侧壁之间夹设有密封圈(6)；或/和
所述第二透光片(3)与所述壳体(1)的外侧壁之间夹设有密封圈(6)。
10.根据权利要求8所述的在线水质硬度检测传感器，其特征在于：所述第一透光片(2)和第二透光片(3)的外侧均覆盖有压板(7)，所述的压板(7)上开设有与所述第一透光孔(121)或第二透光孔(122)相对应的穿孔(71)，该压板(7)和所述壳体(1)之间通过至少两个螺栓(72)相连接。
11.一种应用有如权利要求1至10中任一权利要求所述的在线水质硬度检测传感器的净水器。
12.一种如权利要求1至10中任一权利要求所述的在线水质硬度检测传感器的使用方法，包括有以下步骤：
(1)将纯水和不同硬度的水依次进行标定：向检测流道(12)中通入已知硬度的水，静置一段时间后排空，待水汽蒸发后启动光源(4)和光强传感器(5)，记录光强传感器(5)采集到的数据；
(2)待测硬度的水的测试：向检测流道(12)中通入待测硬度的水，静置一段时间后排空，待水汽蒸发后启动光源(4)和光强传感器(5)，记录光强传感器(5)采集到的数据，参照标定数据计算出硬度值。
13.根据权利要求12所述的使用方法，其特征在于：将待测硬度的水的硬度值记为H，将步骤(2)测得的光强记为L，将步骤(1)中测得的最接近L值的光强记为L1和L2，L1对应的硬度值为H1，L2对应的硬度值为H2，L1≤L≤L2；
则H＝H2-H21*(L-L2)/(L1-L2)。
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