CN116067957B - 一种用于在线水质监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在线水质监测的装置，属于水质在线监测技术领域，包括：计量子系统、通道切换子系统、测量和控温一体化子系统以及辅助子系统；计量子系统用于样水、纯水、校准液、核查标液和/或试剂的计量及转移添加；通道切换子系统用于各个样水、纯水、校准液、核查标液和管道清洗废液的通道切换；测量和控温一体化子系统用于水质监测因子浓度信号的检测及对化学显色过程进行温控；辅助子系统用于分析废液和清洗废液的排出，控制在线水质监测的运行流程以及设备的对外通讯；测量和控温一体化子系统根据不同水质监测指标进行波长切换或更换从而适用于现场不同水质的监测因子监测。还公开了方法、校正方法、电子设备及计算机可读存储介质。

Description

一种用于在线水质监测装置及方法
技术领域
本发明属于水质在线监测技术领域，尤其涉及一种用于在线水质监测的装置及方法。
背景技术
水质监测是用于测定水体中污染物种类、浓度以及变化趋势、水体状况评价的重要手段。为了对水体中某种特定指标进行监测，往往需要采用化学比色法、电化学法或滴定法等手段进行浓度监测。
现有在线水质监测设备多数采用蠕动泵驱动进行取样、定量、加液、加试剂等，因此长时间在线应用会导致检测指标变差。此外，一台在线水质监测设备往往只能监测一种水质，不适用于多种不同水质的工况下高效监测，监测设备平台通用性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在线水质监测的装置及方法，通过更改光源波长所对应的监测因子即可适用于不同水质指标监测，可以应用在现场对氨氮、COD、总磷、总氮、重金属等物质的在线监测；通用性强、适用性广。
本发明一方面提供了一种用于在线水质监测的装置，包括：计量子系统、通道切换子系统、测量和控温一体化子系统以及辅助子系统；
所述计量子系统与所述通道切换子系统以及所述测量和控温一体化子系统连接，用于样水、纯水、校准液、核查标液和/或试剂的计量以及转移添加；
所述通道切换子系统与所述计量子系统连接，用于各个样水、纯水、校准液、核查标液、试剂和管道清洗废液的通道切换；
所述测量和控温一体化子系统与所述计量子系统以及辅助子系统连接，用于水质监测因子浓度信号的检测以及对化学显色过程进行温度控制；
所述辅助子系统与所述测量和控温一体化子系统连接，用于分析废液和清洗废液的排出，控制所述在线水质监测的运行流程以及所述设备的对外通讯；
所述测量和控温一体化子系统根据不同水质监测指标进行波长切换或更换从而适用于现场不同水质的监测因子的监测。
优选的，计量子系统包括：高精度注射泵（2）、低液位传感器（3）、计量管（4）、切换阀（5）、高液位传感器（6）；其中：
所述高精度注射泵（2）与所述切换阀（5）连接，所述低液位传感器（3）和所述高液位传感器（6）分别设置在所述计量管（4）的两端，所述切换阀（5）设置在所述高精度注射泵（2）和所述计量管（4）之间；
所述切换阀（5）具有三个接口，第一接口与所述高精度注射泵（2）的泵头连接，第二接口与所述计量管（4）的上端连接，第三接口对空，所述第一接口为公共端，第一接口与第二接口常开，第一接口与第三接口常闭，通过切换阀（5）的切换控制第一接口与第三接口连通，从而使得高精度注射泵（2）吸入或排出空气；
所述计量管（4）的上端和下端分别固定安装所述低液位传感器（3）和高液位传感器（6），所述计量管（4）的下端与测量和控温一体化子系统以及辅助子系统连接；所述高液位传感器（6）用于测量计量管（4）中缓存液体液面高度的极限预警高液位，防止在计量样水或腐蚀性试剂等液体进入切换阀（5）或高精度注射泵（2）中；所述低液位传感器（3）用于设定计量起点以及测量计量管（4）中缓存液体液面高度的极限预警低液位。
优选的，所述通道切换子系统包括：多通道排阀（1）以及多个通道管路；所述多通道排阀（1）包括公共端口以及N个通道端口，所述N个通道端口中N-1路用于接入纯水、样水、多种试剂、多种标准液和核查标液，1路用于排放管路清洗液，所述N-1路分别与多个通道管路连接。
优选的，所述测量和控温一体化子系统包括：排气阀（7）、比色管（8）、加热丝（9）、温度传感器（10）、光源（11）、入射光纤（12）、进液阀（13）、风扇（16）、信号接收器（17）、出射光纤（18）；其中：
所述排气阀（7）和所述进液阀（13）分别设置在所述比色管（8）的上下两端；
所述比色管（8）上均布有多个小突起，加热丝（9）均匀缠绕布置在比色管（8）上并通过所述多个小突起对加热丝（9）进行固定，在比色管（8）中部靠下位置嵌入一段相对于比色管（8）内部一端密封的石英玻璃管；
所述温度传感器（10）插入比色管（8）中部靠下位置嵌入一段相对于比色管（8）内部一端密封的石英玻璃管内进行实时温度反馈；
所述风扇（16）为两个，分别安装在比色管（8）一侧上下两个位置，其中一个为吸风，另一个为吹风，可加速比色管（8）周围空气流通，加快降温速率；
所述光源（11）和所述入射光纤（12）设置在所述比色管（8）的一侧；所述出射光纤（18）设置在所述比色管（8）的另一侧；所述光源（11）用于根据不同水质监测指标进行波长切换或更换，从而适于不同种类和工况下的在线水质监测。
优选的，所述比色管（8）、风扇（16）整体罩在黑色、耐温材质且不漏光的壳体内部。
优选的，所述入射光纤（12）、出射光纤（18）内芯为可传导紫外和可见光谱光线的材质。
优选的，所述辅助子系统包括：分析废液阀（14）、清洗废液阀（15）、控制模块以及通讯模块，其中所述控制模块用于辅助控制流程各泵阀动作的逻辑处理和驱动控制；所述通讯模块用于对外进行通讯，实现控制指令和运行状态的交互。
本发明的第二方面在于提供一种用于在线水质监测的方法，包括：
S1，多通道排阀（1）各通道分别接入纯水、样水、试剂A、试剂B、试剂C、第一校准液、第二校准液和核查标液；
S2，开启多通道排阀（1）的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，高精度注射泵（2）抽取相应液体，以低液位传感器（3）为计量起点，高精度注射泵（2）抽取预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S3，关闭多通道排阀（1）的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，开启排气阀（7）、进液阀（13），高精度注射泵（2）向比色管（8）排入预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S4，按需依次开启多通道排阀（1）的试剂A、试剂B、试剂C对应的通道端口，以低液位传感器（3）为计量起点，高精度注射泵（2）依次抽取计量试剂；
S5，关闭多通道排阀（1），开启排气阀（7）和进液阀（13），高精度注射泵（2）向比色管（8）排入预设体积的试剂，关闭排气阀（7）和进液阀（13），开启加热丝（9）进行预设时长和温度的恒温加热；
S6，关闭加热丝（9），开启风扇（16）对比色管（8）中显色液进行降温，降至预设温度后，基于比色管（8）后的衰减量，信号接收器（17）对光源（11）的光信号进行测量转化，得到样水或校准液或核查标液的浓度信号从而实现在线水质监测；开启排气阀（7）和分析废液阀（14），将比色管（8）中的显色液排出；
S7，关闭分析废液阀（14），开启多通道排阀（1）上的纯水通道端口，高精度注射泵（2）抽取纯水至计量管（4）缓存；关闭多通道排阀（1），开启进液阀（13），高精度注射泵（2）将缓存的纯水排至比色管（8）中；高精度注射泵（2）通过切换阀（5）吸入空气，然后排至比色管（8）中进行气搅拌以清洗比色管（8）；关闭进液阀（13），开启清洗废液阀（15）排出清洗废液，装置进入下一循环周期。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第二方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第二方面所述的方法。
本发明提供的方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，具有如下有益的技术效果：
（1）提高水质监测设备的通用性，可应用在现场对氨氮、COD、总磷、总氮、重金属等物质的在线监测；通用性强、适用性广，更改光源波长所对应的监测因子即可适用于不同水质指标监测。
（2）监测过程可视化，可控制，提高系统的自动化水平。
（3）采用高精度注射泵替代蠕动泵，从而提高长时间在线应用的检测指标质量。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例示出的用于在线水质监测的装置结构示意图；
图2为根据本发明优选实施例示出的用于在线水质监测的方法流程图；
图3为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种用于在线水质监测的装置，包括：计量子系统、通道切换子系统、测量和控温一体化子系统以及辅助子系统；
计量子系统与通道切换子系统以及测量和控温一体化子系统连接，用于样水、纯水、校准液、核查标液和/或试剂的计量以及转移添加；
通道切换子系统与计量子系统连接，用于各个样水、纯水、校准液、核查标液、试剂和管道清洗废液的通道切换；
测量和控温一体化子系统与计量子系统以及辅助子系统连接，用于水质监测因子浓度信号的检测以及对化学显色过程进行温度控制；
辅助子系统与测量和控温一体化子系统连接，用于分析废液和清洗废液的排出，控制在线水质监测的运行流程以及设备的对外通讯；
测量和控温一体化子系统根据不同水质监测指标进行波长切换或更换从而适用于现场氨氮、COD、总磷、总氮、重金属等不同水质的监测因子的监测。
作为优选的实施方式，计量子系统包括：高精度注射泵2、低液位传感器3、计量管4、切换阀5、高液位传感器6；其中：
高精度注射泵2与切换阀5连接，低液位传感器3和高液位传感器6分别设置在计量管4的两端，切换阀5设置在高精度注射泵2和计量管4之间；
切换阀5具有三个接口，第一接口与高精度注射泵2的泵头连接，第二接口与计量管4的上端连接，第三接口对空，第一接口为公共端，第一接口与第二接口常开，第一接口与第三接口常闭，通过切换阀（5）的切换控制第一接口与第三接口连通，从而使得高精度注射泵（2）吸入或排出空气；
这是由于，通常情况下，切换阀5的第一接口与第二接口为常开，第一接口与第三接口为常闭，在注射泵抽或排动作过程中，如果需要多余的空气作为介质来推动或抽拉空气来实现流路中液体的流动此时需要切换阀（5）将第一接口与第三接口连通，通过高精度注射泵2吸入或排出空气。
计量管4的上端和下端分别固定安装低液位传感器3和高液位传感器6，计量管4的下端与测量和控温一体化子系统以及辅助子系统连接；高液位传感器6用于测量计量管4中缓存液体液面高度的极限预警高液位，防止在计量样水或腐蚀性试剂等液体进入切换阀5或高精度注射泵2中；低液位传感器3用于设定计量起点以及测量计量管4中缓存液体液面高度的极限预警低液位，防止监测过程中液位不足导致的数据不准确，设备关键零部件损坏或安全隐患。通常，试剂、纯水、样水的液位过低表明缺乏对应的试剂、纯水和样水，这样导致后续监测数据不准确或导致设备关键零部件的损毁以及防止安全隐患。
本实施例中，计量管4的下端与进液阀13入口和多通道排阀1公共端口端连接；
本实施例中，计量管4由透明、可视的石英玻璃材质构造而成，便于观测，硬度较高，使用寿命较长，成本较低。
作为优选的实施方式，通道切换子系统包括：多通道排阀1以及多个通道管路；多通道排阀1包括公共端口以及N个通道端口，N个通道端口中N-1路用于接入纯水、样水、多种试剂、多种标准液和核查标液，1路用于排放管路清洗废液，N-1路分别与多个通道管路连接。
本实施例中，多通道排阀1具有1个公共端口、9个通道端口，1个公共端口与9个通道端口分别通过9路常闭两通电磁阀分别连接；9个通道端口与9个通道管路连接；
多通道排阀1的9个通道端口中，其中8个通道端口分别接入纯水、样水、试剂A、试剂B、试剂C、第一校准液、第二校准液和核查标液，另外1个通道端口为外排端口，用于排放管路清洗废液。
作为优选的实施方式，测量和控温一体化子系统包括：排气阀7、比色管8、加热丝9、温度传感器10、光源11、入射光纤12、进液阀13、风扇16、信号接收器17、出射光纤18；其中：
排气阀7和进液阀13分别设置在比色管8的上下两端；
比色管8上均布有多个小突起，加热丝9均匀缠绕布置在比色管8上并通过多个小突起对加热丝9进行固定，在比色管8中部靠下位置嵌入一段相对于比色管8内部一端密封的石英玻璃管；
本实施例中，比色管8为透明石英玻璃材质构造而成，便于观测，硬度较高，使用寿命较长，成本较低；
温度传感器10插入比色管8中部靠下位置嵌入一段相对于比色管8内部一端密封的石英玻璃管内进行实时温度反馈；
风扇16为两个，分别安装在比色管8一侧上下两个位置，其中一个为吸风，另一个为吹风，可加速比色管8周围空气流通，加快降温速率；
光源11和入射光纤12设置在比色管8的一侧；出射光纤18设置在比色管8的另一侧；光源11用于根据不同水质监测指标进行波长切换或更换，从而适于不同种类和工况下的在线水质监测；
比色管8、风扇16整体罩在黑色、耐温材质且不漏光的壳体内部，提高测量的精确性和安全性；
基于监测原理，入射光纤12、出射光纤18内芯为可传导紫外、可见光谱光线的材质。
作为优选的实施方式，辅助子系统包括：分析废液阀14、清洗废液阀15、控制模块（图中未示出）以及通讯模块（图中未示出），其中控制模块用于辅助控制流程各泵阀动作的逻辑处理和驱动控制；通讯模块用于对外进行通讯，实现控制指令和运行状态的交互。
实施例二
如图2所示，一种用于在线水质监测的方法，包括：
S1，多通道排阀1各通道分别接入纯水、样水、试剂A、试剂B、试剂C、第一校准液、第二校准液和核查标液；
S2，开启多通道排阀1的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，高精度注射泵2抽取相应液体，以低液位传感器3为计量起点，高精度注射泵2抽取预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S3，关闭多通道排阀1的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，开启排气阀7、进液阀13，高精度注射泵2向比色管8排入预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S4，按需依次开启多通道排阀1的试剂A、试剂B、试剂C对应的通道端口，以低液位传感器3为计量起点，高精度注射泵2依次抽取计量试剂；
S5，关闭多通道排阀1，开启排气阀7和进液阀13，高精度注射泵2向比色管8排入预设体积的试剂，关闭排气阀7和进液阀13，开启加热丝9进行预设时长和温度的恒温加热；
S6，关闭加热丝9，开启风扇16对比色管8中显色液进行降温，降至预设温度后，基于比色管8后的衰减量，信号接收器17对光源11的光信号进行测量转化，得到样水或校准液或核查标液的浓度信号从而实现在线水质监测；开启排气阀7和分析废液阀14，将比色管8中的显色液排出；
S7，关闭分析废液阀14，开启多通道排阀1上的纯水通道端口，高精度注射泵2抽取纯水至计量管4缓存；关闭多通道排阀1，开启进液阀13，高精度注射泵2将缓存的纯水排至比色管8中；高精度注射泵2通过切换阀5吸入空气，然后排至比色管8中进行气搅拌以清洗比色管8；关闭进液阀13，开启清洗废液阀15排出清洗废液，装置进入下一循环周期。
实施例三
如图3所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器302和与所述处理器302连接的存储器301、驱动器303、通讯模块304，所述存储器301存储有多条指令和监测指标历史数据以及运行状态，所述指令可被所述处理器加载，所述驱动器303执行、驱动流路中泵阀，以使所述处理器能够执行如实施例二或实施例三的方法，所述通讯模块304实现与装置之外的设备仪器进行通讯，实现浓度信号、装置状态上传和远程对装置进行反控。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种用于在线水质监测的方法，基于用于在线水质监测的装置实现，其特征在于，
所述用于在线水质监测的装置包括：计量子系统、通道切换子系统、测量和控温一体化子系统以及辅助子系统；
所述计量子系统与所述通道切换子系统以及所述测量和控温一体化子系统连接，用于样水、纯水、校准液、核查标液和/或试剂的计量以及转移添加；
所述通道切换子系统与所述计量子系统连接，用于各个样水、纯水、校准液、核查标液、试剂和管道清洗废液的通道切换；
所述测量和控温一体化子系统与所述计量子系统以及辅助子系统连接，用于水质监测因子浓度信号的检测以及对化学显色过程进行温度控制；
所述辅助子系统与所述测量和控温一体化子系统连接，用于分析废液和清洗废液的排出，控制所述在线水质监测的运行流程以及设备的对外通讯；
所述测量和控温一体化子系统根据不同水质监测指标进行波长切换或更换从而适用于现场不同水质的监测因子的监测；
计量子系统包括：高精度注射泵（2）、低液位传感器（3）、计量管（4）、切换阀（5）、高液位传感器（6）；其中：
所述高精度注射泵（2）与所述切换阀（5）连接，所述低液位传感器（3）和所述高液位传感器（6）分别设置在所述计量管（4）的两端，所述切换阀（5）设置在所述高精度注射泵（2）和所述计量管（4）之间；
所述切换阀（5）具有三个接口，第一接口与所述高精度注射泵（2）的泵头连接，第二接口与所述计量管（4）的上端连接，第三接口对空，所述第一接口为公共端，所述第一接口与所述第二接口常开，所述第一接口与所述第三接口常闭，通过切换阀（5）的切换控制所述第一接口与第三接口连通，从而使得高精度注射泵（2）吸入或排出空气；
所述计量管（4）的上端和下端分别固定安装所述低液位传感器（3）和高液位传感器（6），所述计量管（4）的下端与测量和控温一体化子系统以及辅助子系统连接；所述高液位传感器（6）用于测量计量管（4）中缓存液体液面高度的极限预警高液位，防止在计量样水或腐蚀性试剂等液体进入切换阀（5）或高精度注射泵（2）中；所述低液位传感器（3）用于设定计量起点以及测量计量管（4）中缓存液体液面高度的极限预警低液位；
所述通道切换子系统包括：多通道排阀（1）以及多个通道管路；所述多通道排阀（1）包括公共端口以及N个通道端口，所述N个通道端口中N-1路用于接入纯水、样水、多种试剂、多种标准液和核查标液，1路用于排放管路清洗液，所述N-1路分别与多个通道管路连接；
所述测量和控温一体化子系统包括：排气阀（7）、比色管（8）、加热丝（9）、温度传感器（10）、光源（11）、入射光纤（12）、进液阀（13）、风扇（16）、信号接收器（17）、出射光纤（18）；其中：
所述排气阀（7）和所述进液阀（13）分别设置在所述比色管（8）的上下两端；
所述比色管（8）上均布有多个小突起，加热丝（9）均匀缠绕布置在比色管（8）上并通过所述多个小突起对加热丝（9）进行固定，在比色管（8）中部靠下位置嵌入一段相对于比色管（8）内部一端密封的石英玻璃管；
所述温度传感器（10）插入比色管（8）中部靠下位置嵌入一段相对于比色管（8）内部一端密封的石英玻璃管内进行实时温度反馈；
所述光源（11）和所述入射光纤（12）设置在所述比色管（8）的一侧；所述出射光纤（18）设置在所述比色管（8）的另一侧；所述光源（11）用于根据不同水质监测指标进行波长切换或更换，从而适于不同种类和工况下的在线水质监测；
所述比色管（8）和风扇（16）整体罩在黑色、耐温材质且不漏光的壳体内部；
所述入射光纤（12）、出射光纤（18）内芯为可传导紫外和可见光谱光线的材质；
所述辅助子系统包括：分析废液阀（14）、清洗废液阀（15）、控制模块以及通讯模块，其中所述控制模块用于辅助控制流程各泵阀动作的逻辑处理和驱动控制；所述通讯模块用于对外进行通讯，实现控制指令和运行状态的交互；
所述用于在线水质监测的方法包括：
S1，多通道排阀（1）各通道分别接入纯水、样水、试剂A、试剂B、试剂C、第一校准液、第二校准液和核查标液；
S2，开启多通道排阀（1）的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，高精度注射泵（2）抽取相应液体，以低液位传感器（3）为计量起点，高精度注射泵（2）抽取预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S3，关闭多通道排阀（1）的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液通道阀，开启排气阀（7）、进液阀（13），高精度注射泵（2）向比色管（8）排入预设体积的样水或纯水或第一校准液或第二校准液或核查标液；
S4，按需依次开启多通道排阀（1）的试剂A、试剂B、试剂C对应的通道端口，以低液位传感器（3）为计量起点，高精度注射泵（2）依次抽取计量试剂；
S5，关闭多通道排阀（1），开启排气阀（7）和进液阀（13），高精度注射泵（2）向比色管（8）排入预设体积的试剂，关闭排气阀（7）和进液阀（13），开启加热丝（9）进行预设时长和温度的恒温加热；
S6，关闭加热丝（9），开启风扇（16）对比色管（8）中显色液进行降温，降至预设温度后，基于比色管（8）后的衰减量，信号接收器（17）对光源（11）的光信号进行测量转化，得到样水或校准液或核查标液的浓度信号从而实现在线水质监测；开启排气阀（7）和分析废液阀（14），将比色管（8）中的显色液排出；
S7，关闭分析废液阀（14），开启多通道排阀（1）上的纯水通道端口，高精度注射泵（2）抽取纯水至计量管（4）缓存；关闭多通道排阀（1），开启进液阀（13），高精度注射泵（2）将缓存的纯水排至比色管（8）中；高精度注射泵（2）通过切换阀（5）吸入空气，然后排至比色管（8）中进行气搅拌以清洗比色管（8）；关闭进液阀（13），开启清洗废液阀（15）排出清洗废液，装置进入下一循环周期。
2.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1所述的方法。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1所述的方法。
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