CN113295196A - 用于过滤设备的三位一体化装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过滤设备的三位一体化装置及其校准方法，专用于过滤设备的三位一体化装置能够将电导率计及天平整合为一个整体，其不但融合了自动化及环境科学专业技术，同时又能满足于水处理技术人员的简单操作。该设备的大小仅与普通天平大小相当，零件均低成本，因此该装置降低了造价，减小了空间占用率。与此同时，装置的校准过程将具有渗透膜处理的专一性，设备的准确性对比通用设备而言又大幅度的提高。通过该一体化装置获取的数据通过PLC以串口的形式传输至上位机中，可达到渗透膜设备的运行状态实时监控的目的。

Description

用于过滤设备的三位一体化装置及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种用于过滤设备的三位一体化装置。

背景技术

随着国家工业的快速发展，水资源短缺及水污染已经变成了日趋严重问题，特别是水中含有难处理的微量有机污染物。膜处理技术以其耗能小，效率高的优点在水处理中的应用越来越广泛。膜分离技术包括正渗透、反渗透、膜蒸馏等工艺。正渗透通过溶液的渗透压差实现溶剂由高压到低压区域的传质，即将纯净的水从低浓度溶液传送到高浓度溶液中的过程。反渗透是通过对溶液外加压力，使其压力大小远超渗透压差，实现从高浓度的溶液到低浓度溶液的传递过程。膜蒸馏是对含非挥发溶质的水溶液进行分离的一种技术。当膜两侧存在一定的温差时,由于蒸汽压的不同，水蒸气分子透过微孔则在另一侧冷凝下来，使溶液逐步浓缩。然而，昂贵的渗透膜设备使得该技术的研发无法继续，一般民众，甚至偏远地区科研体系院所都无法筹备资金进行开发。为了使得该技术能够进一步地发展，最好的方式就是降低研发成本，在有限地时间内，让更多的人参与到开发过程之中。

电导率仪、天平是渗透膜设备中比较昂贵的模块，设备价格一般在千元范围，国外的设备甚至达到了上万元。若能够自行研发一种质量、温度、电导率同时测定的一体化装置，不但能够节省费用，而且可以节省占地面积，为其他实验设备腾出空间。与此同时，若该装置能够为渗透膜装置所专用，那么该装置的校准过程将具有专一性，此时，设备的精度将对相比通用设备大幅度的提高，为实验的结果提供有效的保证。

因此，需要对电导率及天平模块进一步地创新。近年来，实时监测技术越来越受到了学者们的关注，通过数据的监控技术收集数据，通过数据驱动模型进行的数据的分析，对下一时刻所发生的情况进行预测。编程逻辑控制器(PLC)广泛地应用于上位机及外接设备之间的数据传输，为实时监控提供了有力的解决方案。因此，对于正渗透装置而言，质量、电导率、流量等参数可以通过外接设备进行检测，并且连接终端控制装置，通过PLC的协议进行实时传输，节省人工读取的工作量及成本。

发明内容

为了提高水处理中渗透检测准确性、测试操作性以及降低测试成本，提出了一种用于过滤设备的三位一体化装置及其校准方法，用于加入过滤渗透系统中进行溶液的电导率、温度及质量。

本发明的技术方案为：一种用于过滤设备的三位一体化装置，用于加入过滤渗透系统中进行溶液的电导率、温度及质量，装置包括置于天平上的托盘、侧挂取式温度计和电导率计、显示屏、3个按钮以及内部电路，天平、温度计和电导率计采集重量、温度和电导率信号送内部电路，3个按钮为去皮/校准按钮、计数按钮以及校核按钮，按钮触发信号送内部电路，测试结果送显示屏上显示。

优选的，所述内部电路包括STC12C5A60S2单片机、模数转换器、数模转换器，显示屏为LCD1602液晶显示屏，天平内桥式传感器输出信号经模数转换器后送STC12C5A60S2单片机，温度计和电导率计输出信号经数模转换器后送STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机输出接LCD1602液晶显示屏。

优选的，所述STC12C5A60S2单片机的数据传送接口，通过RS485协议，将读取的数据传入上位机。

优选的，所述LCD1602的对比图的调节引脚、LCD1602的背光正负电极引脚、STC12C5A60S2单片机供电引脚、模数转换器供电引脚、数模转换器供电引脚均接入5V电源及接地。

所述用于过滤设备的三位一体化装置的校准方法，所述溶液质量测试校准方法如下：HX711模数转换器的供电电压VAVDD＝VBG×(R1+R2)/R2，R1、R2分别为两个分压定值电阻，VBG为针对输入桥式传感器对应的基准电压，计算可得HX711模数转换器的供电电压VAVDD，在供电电压VAVDD下的传感器最大输出电压是VAVDD×1mV，经过128倍放大后，最大电压为VAVDD mV*128，经过HX711的24位转换后，最大数值为VAVDD mV*128*(2^24)/VAVDD，由于最大量程为1kg＝1000g，该质量系数K为VAVDD mV*128*(2^24)/VAVDD×1000，质量的计算公式为m＝A/K，其中A为通过HX711获得的数值，通过质量系数K调整保持天平的精度。

进一步，所述溶液的电导率测试校准方法如下：校准电导率仪的2个系数，分别为最大电导率系数k_h及最小电导率系数k_l，将电导率电极放入电导率值为1413uS/cm的标准溶液中，记录测得的电导率及温度值，并带入至如下公式当中，求最小电导率系数：

式中，T表示测得的标准溶液温度；V_con表示电导率数据传输口输出的电压值；后将电导率电极放入电导率值为12.88mS/cm的标准溶液中，并将测量得到电压值V_con和温度T代入如下公式，求最大电导率系数：

当校准完毕后，将新的系数带入至公式求得电导率电压为：EC＝kc×1000×VEC×5000/1024/RES2/V_con，式中VEC为电导率计测得得模拟信号通过模数转换后获得的电压；kc为电导率系数，当1000×VEC×5000/1024/RES2/Vcon大于2V时，使用kc＝k_h，小于2V时，使用kc＝k_l，RES2为HX711模数转换器内部电阻。

本发明的有益效果在于：本发明用于过滤设备的三位一体化装置及其校准方法，专用于过滤设备的三位一体化装置能够将电导率计及天平整合为一个整体，其不但融合了自动化及环境科学专业技术，同时又能满足于水处理技术人员的简单操作。该设备的大小仅与普通天平大小相当，零件均低成本，因此该装置降低了造价，减小了空间占用率。与此同时，装置的校准过程将具有渗透膜处理的专一性，设备的准确性对比通用设备而言又大幅度的提高。通过该一体化装置获取的数据通过PLC以串口的形式传输至上位机中，可达到渗透膜设备的运行状态实时监控的目的。

附图说明

图1为本发明专用于过滤设备的三位一体化装置的示意图；

图2为本发明专用于过滤设备的三位一体化装置的内部电路图；

图3为本发明专用于过滤设备的三位一体化装置的运行原理图；

图4为使用专用于过滤设备的三位一体化装置对膜组件进行测试示意图；

图5为本发明专用于过滤设备的三位一体化装置的参数校核流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示一种专用于过滤设备的三位一体化装置示意图，装置的操作元件包括置于天平上的托盘1、显示屏2和按钮3，装置侧挂取式有温度计、电导率计，天平、温度计和电导率计采集的信号送装置的内部电路，测试结果送显示屏2上显示。三个按钮，第一个按钮为去皮/校准按钮，用于将质量测量模块的清零；第二个按钮为计数按钮，按钮按下后，所有计数将保持不变，再度按下恢复正常；第三个按钮为校核按钮，按钮按下后，进入校核界面，可校核天平、温度及电导率的系数。

专用于过滤设备的三位一体化装置，可测量的变量有溶液的质量、溶液的电导率及溶液的温度。其中，电导率计及温度计在组件的左侧放置，测量时需要取下并插入到溶液当中。该专用于过滤设备的三位一体化装置的内部电路结构如图2所示，其核心处理器为STC12C5A60S2单片机一台，其拥有40个针脚。其中40针脚为电源总线，连接5V电源，20号针脚为接地线，18-19好针脚接入一个11.0592MHZ的晶振及两个30pF的电容，并在电容的另一端接地。10-11号接口为数据传送接口，通过RS485协议，将读取的数据传入上位机中，其分别接入上位机的TXD、RXD的接口中。LCD1602为显示屏，可显示质量、温度、电导率的数值，其包括16个针脚。STC单片机的针脚1-8号分别连接LCD1602的7-14号针脚作为8位的数据传输线。单片机的11-13号针脚连接LCD1602的4-6号针脚。LCD1602的第4号针脚为寄存器选择引脚，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5号针脚为读写信号线，高电平时进行读操作的引脚。LCD1602的2-3号针脚为对比图的调节引脚，分别接入5V电源及接地。LCD1602的第1号针脚接地。LCD1602的15-16号针脚为背光的正负电极，分别接入5V电源及接地HX711-24位模数转换器用以对桥式传感器电阻值的转换，进而测量溶液的质量，其由HX711-BF及JC8-SIP6组成，左侧JC8-SIP拥有6个针脚，1-4号针脚分别接入桥式传感器的1、3、2、4数据线。右侧HX711-BF拥有6个针脚，其中，16号针脚接5V电源、14-15号针脚接地，13号针脚悬空、HX711的第11-12号针脚分别接入单片机的38-39针脚，作为时钟线及数据传输线。PCF8591为8位数模转换器，其拥有16个针脚，左侧1-4针脚分别接入电导率计，最多可同时接入两个电导率计。5-7号针脚为地址接口，与第8号接口都接地，表示地址为00。右侧9、10号针脚分别为数据传送接口及时钟接口，分别接入单片机的36、35号针脚，用以传输电导率数据。温度传感器有三个针脚，1-3号针脚分别接入地、单片机21号针脚、5V电源。该设备另外包含三个开关，第一个开关引脚分别接入电源及单片机的34号针脚，作为去皮/校准按钮。第二个按钮分别接入电源及单片机的33号针脚，作为计数按钮，按钮按下后，数值将保持，所有数值保持不变，再次按下则复原。第三个按钮分别接入电源及单片机的32号针脚，作为校核按钮，可校核天平、温度及电导率的系数，使其准确测量。

所有针脚按照指定编号接入后，即可进行实验。超纯水实验流程如图3所示，首先，开启所有设备，如图4所示对膜组件进行测试示意图，等待若干秒，待设备稳定后，将盛有超纯水的烧杯放入一体化设备上，并插入温度计、电导率计于超纯水中。等待稳定后，单击第二个开关(计数按钮)，读出的数据为稳定的数值。若该超纯水的通过水泵抽取，使其质量不断变化，则可以通过RS485协议，实时地记录数据(1s中记录一次)，并传输到上位机中保存。浓度计算模块可通过电导率EC与浓度c的换算公式进行对于低浓度、高浓度的溶液计算公式分别如下：

c_低＝(EC-b)/k

c_高＝be^k×EC

其中，k、b为系数，不同溶质，系数有所不同，可根据具体情况自己制定或参考文献。

通过按下第三个按钮(校核按钮)可对三个设备进行校核，流程如附图5。首先校核的为天平的系数。首先通过万能表测量供电电压VE，即JC8-SIP6中的E+及E-之间的电压，一般为5V。后计算HX711(模数转换芯片)供电电压VAVDD＝VBG×(R13+R12)/R13，R12、R13分别为两个定值电阻，分别为20千欧、8.2千欧，如附图2所示，VBG为HX711针对输入桥式传感器对应的基准电压，固定值为1.25V。则通过计算可得HX711供电电压VAVDD为4.3V。在4.3V的供电电压下的传感器最大输出电压是4.3v×1mv＝4.3mV，经过128倍放大后，最大电压为4.3mV*128＝550.4mV，经过HX711的24位转换后，最大数值为550.4mV*(2^24)/4.3V≈2147483.648。由于最大量程为1kg＝1000g，因此，该系数为2147.83，质量的计算公式为m＝A/2147.83g，其中A为通过HX711获得的数值。由于每一个桥式传感器的精度不同，天平系数会产生略微的差别，通过砝码校准天平系数2147.83调整即可保持天平的精度。

其次，校准电导率仪的2个系数，分别为最大电导率系数k_h及最小电导率系数k_l。将电导率电极放入电导率值为1413uS/cm的标准溶液中，记录测得的电导率及温度值，并带入至如下公式当中，求最小电导率系数：

式中，T表示测得的标准溶液温度；V_con表示电导率数据传输口输出的电压值，一般为0～3.4V。

后将电导率电极放入电导率值为12.88mS/cm的标准溶液中，并将测量得到电压值V_con和温度T代入如下公式，求最大电导率系数：

当校准完毕后，将新的系数带入至公式求得电导率电压为：EC＝kc×1000×VEC×5000/1024/RES2/V_con。式中VEC为电导率计测得得模拟信号通过模数转换后获得的电压；kc为电导率系数，当1000×VEC×5000/1024/RES2/V_con大于2V时，使用kc＝k_h，小于2V时，使用kc＝k_l。RES2为HX711内部电阻(HX711数模转换器内部配有运算放大器，其电阻)，一般为800欧姆。

温度传感器的校订较以上两者简单且三极管的效果准确，一般情况下仅保留原始结果即可。其温度值计算公式为T＝VT*0.0625*100+0.5。其系数为kt＝0.0625，可加热溶液到25摄氏度，后调整该系数即可。

该三位一体化装置可以用一个装置同时测量电导率、温度及质量，可大幅度降低成本、占地面积。另外，相比传统设备，三位一体化装置可以通过RS485协议，一次性地实时地记录质量、温度、电导率的数据，并传输到上位机中统一保存，仅需一款软件，一条通信协议即可。而传统设备由于通信协议的保密性，需要两款不同的专用软件，分别记录三种数据，并上传至上位机中，各自保存。因此，三位一体化装置改变了数据保存的方式，使得人工整理数据更加容易，且上位机软件占用空间更小，在运行过程中软件占用更小的内存空间。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种用于过滤设备的三位一体化装置，其特征在于，用于加入过滤渗透系统中进行溶液的电导率、温度及质量，装置包括置于天平上的托盘、侧挂取式温度计和电导率计、显示屏、3个按钮以及内部电路，天平、温度计和电导率计采集重量、温度和电导率信号送内部电路，3个按钮为去皮/校准按钮、计数按钮以及校核按钮，按钮触发信号送内部电路，测试结果送显示屏上显示。

2.根据权利要求1所述用于过滤设备的三位一体化装置，其特征在于，所述内部电路包括STC12C5A60S2单片机、模数转换器、数模转换器，显示屏为LCD1602液晶显示屏，天平内桥式传感器输出信号经模数转换器后送STC12C5A60S2单片机，温度计和电导率计输出信号经数模转换器后送STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机输出接LCD1602液晶显示屏。

3.根据权利要求2所述用于过滤设备的三位一体化装置，其特征在于，所述STC12C5A60S2单片机的数据传送接口，通过RS485协议，将读取的数据传入上位机。

4.根据权利要求2所述用于过滤设备的三位一体化装置，其特征在于，所述LCD1602的对比图的调节引脚、LCD1602的背光正负电极引脚、STC12C5A60S2单片机供电引脚、模数转换器供电引脚、数模转换器供电引脚均接入5V电源及接地。

5.根据权利要求3或4所述用于过滤设备的三位一体化装置的校准方法，其特征在于，所述溶液质量测试校准方法如下：HX711模数转换器的供电电压VAVDD＝VBG×(R1+R2)/R2，R1、R2分别为两个分压定值电阻，VBG为针对输入桥式传感器对应的基准电压，计算可得HX711模数转换器的供电电压VAVDD，在供电电压VAVDD下的传感器最大输出电压是VAVDD×1mV，经过128倍放大后，最大电压为VAVDD mV*128，经过HX711的24位转换后，最大数值为VAVDD mV*128*(2^24)/VAVDD，由于最大量程为1kg＝1000g，该质量系数K为VAVDD mV*128*(2^24)/VAVDD×1000，质量的计算公式为m＝A/K，其中A为通过HX711获得的数值，通过质量系数K调整保持天平的精度。

6.根据权利要求3或4所述用于过滤设备的三位一体化装置的校准方法，其特征在于，所述溶液的电导率测试校准方法如下：校准电导率仪的2个系数，分别为最大电导率系数k_h及最小电导率系数k_l，将电导率电极放入电导率值为1413uS/cm的标准溶液中，记录测得的电导率及温度值，并带入至如下公式当中，求最小电导率系数：

式中，T表示测得的标准溶液温度；V_con表示电导率数据传输口输出的电压值；后将电导率电极放入电导率值为12.88mS/cm的标准溶液中，并将测量得到电压值V_con和温度T代入如下公式，求最大电导率系数：

当校准完毕后，将新的系数带入至公式求得电导率电压为：EC＝kc×1000×VEC×5000/1024/RES2/V_con，式中VEC为电导率计测得得模拟信号通过模数转换后获得的电压；kc为电导率系数，当1000×VEC×5000/1024/RES2/Vcon大于2V时，使用kc＝k_h，小于2V时，使用kc＝k_l，RES2为HX711模数转换器内部电阻。

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