CN1996023A - 移动式快速水质自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
移动式快速水质自动监测系统属于环境保护中水质监测系统集成领域。特别涉及移动式的水质检测技术。其特征是，含有在船体内装载的采样部分，含有吸水泵和水箱，在水箱的一个侧壁上设有与吸水泵出水端连接的进水管，在另一个侧壁上设有出水管，从出水管流出的水供水质检测仪检测，水箱底部设排水管；检测部分，含有水质检测仪和GPS接收器；终端处理部分，含有接收水质检测仪传来的水质信息的数据采集卡和工控机，工控机将水质信息和地理信息处理后经GPRS网络传到远程管理中心。本发明具有快速、精确的获得时间和空间定位的水质数据的优点，可较早发现水质的异常变化，对大面积地表水水质监测具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中水质监测系统集成领域。特别涉及移动式的水质检测技术。
背景技术
我国在今后相当长的一段时间内都将面临水环境污染的严峻形势。80年代以来，随着经济社会的发展、城市规模的不断扩大及用水量的持续增长，排入江河湖库的废污水不断增加，进入水体的污染物基体更加复杂、流动变异性更大、时空分布及变化更加不均。为了尽早发现水质的异常变化，迅速做出水质污染预报，及时追踪污染源，研究水的稀释、自净规律，实验室监测逐步完善的同时，陆续发展了水质自动监测系统和移动监测系统。
水质自动监测系统是以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器术、自动测量技术，自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络组成的一套在线自动监测体系。与常规方式相比，水质自动监测系统不但减少了取样、运输、分析的工作量，其连续取样，现场进行参数分析的性能还能避免因运输、放置时间较长而造成水样发生物理化学变化。
水质移动监测系统可看作将固定式水质检测站的仪器设备全部装于移动设备(船、车)上，可根据需要移动至不同地区的监测系统。系统由现代化的移动监测车、便携水质分析仪、自动采样器、图像采集和移动通信设备等构成。利用携带方便的水质分析仪器现场迅速监测基本污染物质，采录污染现场，并通过GPRS/GSM移动通信设备及时将第一手资料回传至上级部门和信息管理中心。同时自动采集样品，进行恒温贮藏，以备在实验室进行进一步分析之用。
我国于1983年设立了“长清号”水质污染监测船。船上装备有多种水质分析仪，水文、气象观测仪器及相关辅助设备和设施等，能够较全面地分析监测水体有关物理参数及污染物组分，综合进行底质，水生生物等项目的考察和测量。2000年11月，“长江水环监2000”监测船投入使用，增添了自动采样和船上实验室分析检测功能。船上配备有雷达和卫星定位仪等先进导航设备；设有化学分析室和仪器室两间实验室，拥有“紫外光光度仪”等检测装备，能够迅速采集100米水深范围内水质、水生生物及底质样品并进行即时分析。
国外的水质自动监测系统的搭建依赖于水质自动监测仪器。进行水质自动监测仪器和连续自动监测系统的研究和生产主要集中在德国、法国、美国、日本、澳大利亚等发达国家，主要厂商有德国的WTW、LAR、STIP，以及美国的ISCO、YSI、日本的导津等公司。
我国的水质监测长期以来一直采用人工采样到实验室分析的办法，随着国家对水质污染的日益重视，这几年自动监测仪器和监测系统才开始研制和发展。目前还未有一家单位能推出完整的监测系统，只是分别研制某一种监测仪器或软件。
综上，目前国内外的地表水水质监测以固定自动监测站为主、移动监测辅助之。但是，对于自动监测系统，其造价远远高于环境监测系统的财务能力，这直接导致了我国地表水大流域面积范围内的已建的固定监测站数量较少，无法为综合评价功能区水环境质量提供充分的基础性数据，难以实现对水环境和水质进行全时段、全方位的动态监测，并且对于突发性水体污染事件，难以在特定区域进行有针对性的实时水质监测。另一方面，现有的移动监测船在航行状态下无法采样监测，限制了获取水质数据的迅捷性，且各种仪器的监测数据处理程度不高，直观性不强，很大程度上制约了移动监测优势的发挥。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种移动式快速水质自动监测系统。该系统将多种水质自动监测仪器、数据采集与处理系统、GPS卫星定位系统、GPRS无线通讯系统集成，通过集中处理采集的水体各项指标和相应的地理信息，并实时发送给管理中心，获得空间上连续的实时水质监测数据。
本发明提出的方案的特征在于，含有在船体内装载的下述部分：采样部分、检测部分和终端处理部分；
所述采样部分含有一个吸水泵和一个水箱，在所述水箱的一个侧壁上设有与吸水泵的出水端连接的进水管，在水箱的另一个侧壁上设有出水管，从该出水管流出的水供水质检测仪检测，在所述水箱底部设有排水管；
所述检测部分含有用于检测水箱中水的相关指标的水质检测仪，还含有一个GPS接收器，用于接收系统所在地理位置的信息；
所述终端处理部分含有一个数据采集卡和工控机，所述数据采集卡接收所述水质检测仪实时传来的水质信息，还同时接收所述GPS接收器传来的系统所在地理位置的信息；所述数据采集卡将接收到的数据上传到所述工控机，由工控机将水质信息和地理位置信息进行处理后经过GPRS网络实时传输到远程管理中心。
所述水质检测仪是多参数水质在线监测仪、氨氮在线分析仪、磷酸盐在线分析仪和叶绿素在线分析仪中的一种或两种以上的组合。
所述GPS接收器是定位误差小于等于30m，并可实时传输定位数据的GPS接收器。
所述数据采集卡是具有多通道数字量输入输出的数据采集卡。
所述水箱中含有两块挡板，其中一块挡板靠近进水管，其下部悬空；另一块挡板靠近出水管，其下部连接水箱底部，上部低于水箱上端。
在所述出水管和排水管上设有调节阀门。
所述吸水泵是吸程大于等于8m，额定流量大于等于2m3/h的水泵。
试验证明，本发明一方面可在较少投资的基础上获得具有精确的时间和空间定位的水质检测数据，另一方面由于测量周期短，快速提供水系水质监测数据，可及时预报下游水质污染，较早发现水质的异常变化，对大面积地表水水质监测具有重要意义，并具有广阔的运用前景。
附图说明
图1为移动式快速水质自动监测系统组成示意图；
图2为水箱设计图；
图3为系统运行流程框图。
具体实施方式
移动式快速水质自动监测系统的组成如图1所示，整个系统可分为三部分：
I采样部分：由自吸泵01和水箱组成，02为水箱的出水阀门；采样部分用于获取稳定的被测地表水水样；
II监测部分：由水质检测仪和GPS接收器03组成，获取水质及地理位置数据；
III终端处理部分：含有数据采集卡，工控机04，水质检测仪监测到的数据和GPS接收器03接收到的地理位置信息由数据采集单元采集，然后输入计算机进行信号处理、存储，将记录的数据通过GPRS无线通讯网络05传输至远程管理中心06。
采样部分采样时，用钢管将水泵的取水管端口固定在水面下1m或更深处，由吸水泵01将被测地表水抽取至水箱中。当载有本监测系统的航船行驶速度过快时，由于流动水体负压过大，将导致取水管路吸水困难。为此，可优先采用内含金属线的硬质塑料管(取水部分)，以及高吸程8m、额定流量为2m3/h的吸水泵，这样可保证航速小于15km/h时正常取水(当吸程为9m时，最高航速可达20km/h)。
如图2所示，水样进经进水管21入水箱后，经挡板22，挡板是实心挡板，能够降低水流速度，并使泥沙快速沉底，使水质检测仪对出水管23流出的较为稳定的水样进行检测。当需要清洗水箱时，可以将排水管24打开，使水快速排尽，以便清清洗。由于航速及被测水体流速时时变化，吸入箱的地表水流量不稳定，在出水管23和排水管24处设可调节阀门，通过控制排水量保持水箱内水位的稳定。挡板的设置避免了来水及出水的水力扰动，一定程度上稳定了被测水体水质。另一方面，两个挡板使得泥沙在水箱中沉淀，保护了水质监测仪，在系统维护时沉积下的泥沙可以通过排水管冲洗。挡板可拆卸，卸下后水箱可以装载水质监测仪，箱底的滑轮便于运输。
监测部分中，水质检测仪可以根据需要设一个或多个，如检测水温、pH、电导率、COD、TOC、氨氮、硝氮、磷酸盐、叶绿素等多项水质指标的各种检测仪。检测结果进入数据采集卡。
为满足不同水质的需求，可有针对性的选择全部或部分指标进行监测，也可在该集成系统基础上再加入其它水质在线检测仪器。对于一些主要适用于污水处理厂的自动水质监测仪，也可以通过监测结果的软件修正使之运用于本系统中。
GPS接收器实时接收取样地点的经纬度信息，输入数据采集卡。在工控机中将地理信息与水质检测数据进行处理，并将信息发送到远程管理中心。
终端处理部分中，数据采集卡将传来的水质检测信息及地理信息数据传输给工控机，并通过GPRS网络传输给远程管理中心。
下面提供一个具体的实施方案。
水箱根据图2所示。吸水泵采用新界QB70型号的微型清水电泵，最高吸程8m，管径25mm，正常工作时的流量约2m3/h。
水质检测仪采用四种：
STIP-SCAN多合一水质在线监测仪(多参数水质在线监测仪)
测量装置是光谱分析仪，是多参数水质在线监测仪的一种，分析光谱的范围在190-720nm之间。传感器直接将待测水样吸入测量室，无需任何样品预处理装置。Stip-scan多合一水质在线监测仪可以同时监测的污水水质参数包括：硝氮、SAC254、COD、TOC、总固体、污泥沉降比、污泥指数等。
ISCO/STIP浮标型氨氮分析仪
该分析仪的检测原理是氨气敏电极。在碱性介质中，铵离子(NH4 +)转换为氨气。氨气分子可以通过气体选择性透过膜并产生pH变化，检测pH的变化就可以反映氨根离子的浓度。氨氮分析仪通过直接放入曝气池或最终水渠在线测量氨氮。测量仪灌注和排空通过水的静压以及气压实现，节省了污水泵。所有阀门只接触空气、试剂和校准标样，从而保证了测量的高度可靠性。氨氮测量仪前端装有净化单元，使污水在进入反应单元前，与污泥及其它固体物质分离。在氨氮测量时，控制在需要的pH值，以保证在低试剂耗量时的测量精度。测量仪每天利用标准添加法自动校准，同时补偿污水情况的变化。
ISCO/STIP浮标型磷酸盐分析仪
该分析仪是测量污水中磷酸盐含量的准连续分析仪。样品中的磷酸盐与加入的特制试剂反应，生成一种明黄色的物质，其浓度吸收波长为380～480nm。分析仪内装配有二极管阵列分光光度计，其测量波长范围是380～780nm。分析仪每天用二个标准样品自动校准。SPECTRON分析仪的蠕动泵将样品通过旁路引入测量单元。在测量单元内样品和试剂混合，并形成黄色物质，该物质的吸收波长为380～480nm。
Cyclops-7荧光仪
Cyclops-7水下荧光仪是叶绿素在线分析仪的一种，该荧光仪被设计与参数设置集成到一起进行使用，具有高精度、低价格和体积小的特点，使得它在海洋，淡水及染料示踪等方面具有广泛的应用价值。尽管体积小巧，但它的灵敏度及动态监测范围并未受到影响。它可避免浊度的干扰，保证了在多种环境条件下都具有很好的监测效果。Cyclops-7荧光仪可测定多种荧光物质，包括叶绿素a，若丹明WT，荧光素，藻蓝蛋白和藻红蛋白。Cyclops-7需要一个外置电源，可对外接的显示记录仪进行0～5V的标准输出。三种设置功能提供了较宽的测量范围。
GPS接收器应选用定位误差小于等于30m，并可实时传输定位数据的GPS接收器。本实施例采用合众思壮DGPS2000定位系统，该系统是具有12颗卫星信号通道的单频GPS测量系统。采用PDA作为数据采集终端，有静态测量、快速静态、走走停停(准动态)、动态测量等多种GIS数据采集模式。
数据采集卡应具有多通道数字量输入输出端口，本实施例采用HY110数据控制器，该产品具有多路A/I、A/O、D/I、D/O；可远程唤醒，可连接现场设备通信；支持RS485网络、MODBUS协议，支持实时时钟，支持数据掉电保护，大容量存储。
上控机应集成多串口和网络端口，考虑到系统稳定性和便携性的要求，本实施例采用集成了多串口、USB口、网络端口，使用触摸屏，可在0～60度工作的工控机。通过串口的设置和调试，GPRS模块、GPS卫星定位系统模块、数据采集模块分别使用其中的三个串口。
将各个水质检测仪器配备的控制器、工控机、电源以及数据采集卡集成在一起装入控制箱，实现了系统的外观集成，便于使用、运输。
系统运行流程图如图3所示，系统中包含的软件有：工控组态软件IES5000、GPRS通讯工作软件HY-GMSVR和GPRS通讯主站软件qinghuawater_SVR。工控机中安装有HY110、HY201GM、HY201GP三个模块及支持其工作的1ES-5000、HY-GMSVR等工作软件，而Qinghuawater_SVR通讯软件安装在作为GPRS通讯主站的监测中心计算机中。远程管理中心向装载有本系统的移动监测船发送监测任务，监测人员接到任务后，启动相应的水质监测仪和GPS接收器进行实时水质监测，工控机将接收到的水质信息和GPS地理位置信息记录并存储后，通过GPRS网络发送到远程管理中心，在远程管理中心中进行分析，然后根据分析结果向监测船更新监测任务。上位机通讯设置是用于启动远程管理中心信号接收任务的软件设置。
综上，本移动式快速水质自动监测系统在基于对多种水质自动监测仪器、数据采集与处理系统、GPS卫星定位系统、GPRS无线通讯系统集成的基础上，能够实现水环境的大范围水质快速移动监测(可以每小时6个水样信息的分析频率实时给出采样水体的水质指标)。该系统满足了在航行状态下快速进行水质自动监测的要求。
Claims (8)
1、移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，含有在船体内装载的下述部分：采样部分、检测部分和终端处理部分；
所述采样部分含有一个吸水泵和一个水箱，在所述水箱的一个侧壁上设有与吸水泵的出水端连接的进水管，在水箱的另一个侧壁上设有出水管，从该出水管流出的水供水质检测仪检测，在所述水箱底部设有排水管；
所述检测部分含有用于检测水箱中水的相关指标的水质检测仪，还含有一个GPS接收器，用于接收系统所在地理位置的信息；
所述终端处理部分含有一个数据采集卡和工控机，所述数据采集卡接收所述水质检测仪实时传来的水质信息，还同时接收所述GPS接收器传来的系统所在地理位置的信息；所述数据采集卡将接收到的数据上传到所述工控机，由工控机将水质信息和地理位置信息进行处理后经过GPRS网络实时传输到远程管理中心。
2、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述水质检测仪是多参数水质在线监测仪、氨氮在线分析仪、磷酸盐在线分析仪和叶绿素在线分析仪中的一种或两种以上的组合。
3、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述GPS接收器是定位误差小于等于30m，并可实时传输定位数据的GPS接收器。
4、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述数据采集卡是具有多通道数字量输入输出的数据采集卡。
5、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述工控机是集成了多串口和网络端口的工控机。
6、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述水箱中含有两块挡板，其中一块挡板靠近进水管，其下部悬空；另一块挡板靠近出水管，其下部连接水箱底部，上部低于水箱上端。
7、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，在所述出水管和排水管上设有调节阀门。
8、如权利要求1所述的移动式快速水质自动监测系统，其特征在于，所述吸水泵是吸程大于等于8m，额定流量大于等于2m3/h的水泵。
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