CN203337603U

CN203337603U - 一种铜离子检测系统

Info

Publication number: CN203337603U
Application number: CN2013201464080U
Authority: CN
Inventors: 童世华; 胡云冰; 双海军
Original assignee: Chongqing College of Electronic Engineering
Current assignee: Chongqing College of Electronic Engineering
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-03-28

Abstract

本实用新型公开了一种铜离子检测系统，主要由铜离子传感器、无线网络和采样分析装置组成。本实用新型通过在水面放置无线传感器节点，自动组网，达到对水质污染中PH值、含氧量、水温、重金属离子进行全天候在线实时监控与采集，通过无线网络实现数据传输，进行数据分析，自动查找异常数据，自动追综污染源，为质检部门提供原始资料；对工业废水进行检测，达到实时排污监控；在高精农作物区对水域进行营养元素的检测，为农业发展提供基础。本实用新型主要针对于监测传感器网络的溶解氧检测节点，实现对水中的铜离子的在线自动测量，并各节点能够自动组网；此外，本实用新型结构简单，操作方便，准确率高，数据可靠，有着很好的应用价值。

Description

一种铜离子检测系统

技术领域

本实用新型属于环境检测领域，尤其涉及一种铜离子检测系统。

背景技术

水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，目前，我国的水环境问题既多又突出，特别是严重的水污染公害和河道功能衰退的情势严峻，不仅制约着这些地方的经济发展，还威胁到百姓的生存环境，我国的水污染问题中，重金属、五毒局限于少数水域，有机污染呈加重势头，近期的趋势分析评价表明，水污染总体呈加重趋势，其演变趋势为由支流向干流延伸，由城市向农村蔓延，由地表向地下渗漏，由地区向流域扩展，在一些地区的水环境问题已由单一型演变为复合型即洪涝——缺水——污染公害交织发生，协同作用，水环境监测面临的问题更为复杂开展监测的难度也更大，在水体污染防治工作中，水质监测工作是污染预警、持续性污染物监测和治理效果评定的重要手段，已受到有关部门的重视，作为连续性监测工具的水质在线监测仪器承担着提供准确监测数据和监测报告的责任，在环境监测工作中发挥着越来越重要的作用；在水环境自动化监测的需求与指标日益提高，监测环境日益复杂的背景下，物联网技术的引入成为解决水环境自动化监测的一种理想方案，物联网由大量低成本、低功耗的具有传感、计算与通信能力的微小传感器节点构成的自治网络系统，能根据环境自主完成各种监测任务的“智能″系统，并能通过云计算对海量数据进行分析处理，配备有多种水环境监测传感器的物联云可以与远程无线通信方式相结合完成对多目标监测水域的实时动态监测；从国外环保监测的发展趋势和国际先进经验看，水质的在线自动监测已经成为有关部门及时获得连续性的监测数据的有效手段，只需经过几分钟的数据采集，水源地的水质信息就可发送到环境分析中心的服务器中，一旦观察到有某种污染物的浓度发生异变，环境监管部门就可以立刻采取相应的措施，取样具体分析，可见，水质在线分析系统最大的优势便在于可快速而准确地获得水质监测数据，自动水质监测系统的应用，有助于环保部门建立大范围的监测网络收集监测数据，以确定目标区域的污染状况和发展趋势，随着监测技术和仪器仪表工业的发展，环境水质监测工作更开始向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展，例如基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有澳大利亚CSIRO的Fleck系统和美国Helios.ware公司的CSOnet系统，纵观我国的环境水质在线监测体系建设，经过多年发展，已初步建成具有我国特色的环境连续自动监测管理和技术体系，并已逐渐形成网络；随着物联网的新兴及发展，针对水环境具有的多样性、多变性、以及偏僻分散等特点，提出了一种以开放式、模块化系统结构的多参数水质监测采集器为基础、以无线移动通信及互联网通信为信息传递介质、通过实时监测采集器适配器软件模块，实现不同水环境监测仪与监测软件平台互联的异构水环境监测平台的解决方案，达到远程水质数据实时接收与处理、智能分析、即时预警；并通过构建水环境监测数据挖掘平台，通过对数据挖掘算法的优化应用，建立适应于水质检测的数据挖掘算法建模，为相关职能部门提供准确即时的决策支持。

传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主，虽然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散、不能及时反映污染变化状况等缺陷，难以满足政府和企业进行有效水环境管理的需求，国内已对基于无线传感器网络的水环境实时监测系统的一些关键技术进行了研究；其中杭州电子科技大学信息与控制研究所对于水环境监测的无线传感器网络网关提出了结合视频监测的设计方案，网络通信采用Zigbee与CDMA结合的方式，TCPIP协议采用内嵌协议栈使两种异构协议整合到一个控制平台中，采用双CDMA模块的发送方式，是一种很好的解决方案，但是目前尚处于研发阶段，由于耗电量高、传输效率低，同样无法适应实际应用的需要；此外，上海无线龙，宁波中科等该领域知名的国内公司也给出了基于无线传感器网络和远距离传输协议的监控、监测系统解决方案，并推出了多种配套的实验开发平台、教学系统等，其中宁波中科推出的面向行业应用解决方案命名为GMesh，GMesh使用中科院计算所自主研发的轻量级高效自组织网络协议，网络具有极高的可靠性和可扩展性，可实现成百上千个节点的大规模组网，但其产品同样以教学核试验开发平台为主，并无功能完善的应用产品。

实用新型内容

本实用新型的目的在于利用一种铜离子检测系统及电路，旨在解决传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主，实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散、不能及时反映污染变化状况等缺陷，难以满足政府和企业进行有效水环境管理需求的问题。

本实用新型的目的在于提供一种铜离子检测系统，所述铜离子检测系统包括：铜离子传感器、无线网络和采样分析装置；

所述铜离子传感器通过所述无线网络连接所述采样分析装置。

进一步，所述铜离子传感器电极采用硫化铜、硫化银为敏感膜的铜离子选择电极，塑料外壳，接头采用BNC接头。

进一步，所述铜离子检测系统安装有铜离子传感器信号放大电路；所述铜离子传感器信号放大电路主要由信号放大电路和A/D转换电路组成。

进一步，信号放大电路，用于实现电极传递信号的放大，具体连接结构为：运算放大器U5B(MCP6V02)的同相输入端经电阻R4与输入信号SIN2+相连接，经正向连接的二极管D13接参考电压，经反相连接的二极管D14接地，同时经电容C32与运算放大器U5A的同相输入端3相连接；反相输入端6与U5B(MCP6V02)的输出端7相连接；输出端7经电阻R28和电容C33与电阻R29连接，输出端与A/D转换电路的芯片MCP3425引脚1相连接；运算放大器U5A(MCP6V02)的同相输入端3经电阻R35与输入信号SIN2-相连接，经正向连接的二极管D17接参考电压，经反相连接的二极管D18接地，同时经电容C32与运算放大器U5B的同相输入端5相连接；反相输入端2与U5A(MCP6V02)的输出端1相连接；输出端1经电阻R29和电容C33与电阻R28连接，输出端与A/D转换电路的芯片MCP3425引脚6相连接。

进一步，A/D转换电路，与所述信号放大电路连接，用于以较高的分辨率转换较小的输入信号，具体连接结构为：芯片MCP3425的引脚1接信号放大电路的输出信号的正极；引脚2接地，引脚3接时钟电路，并经电阻R37接直流电压源VCC；引脚4为数据传输接口，经电阻R36接直流电压源VCC；引脚5经电容C44接地，经电容C45接地，与电压源VCC相连接；引脚6接信号放大电路的输出信号的负极。

本实用新型提供的铜离子检测系统及电路，该系统通过在水面放置无线传感器节点，自动组网，达到对水质污染中PH值、含氧量、水温、重金属离子进行全天候在线实时监控与采集，通过无线网络实现数据传输，进行数据分析，自动查找异常数据，自动追综污染源，为质检部门提供原始资料；对工业废水进行检测，达到实时排污监控；在高精农作物区对水域进行营养元素的检测，为农业发展提供基础。本实用新型主要针对于监测传感器网络的溶解氧检测节点，实现对水中的铜离子的在线自动测量，并各节点能够自动组网，在原有设计的基础上，并重了检测节点的实用性与适用性，此外，本实用新型结构简单，操作方便，准确率高，数据可靠，有着很好的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的铜离子检测系统的结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的铜离子检测系统的铜离子传感器探头的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的铜离子检测电路的铜离子传感器信号放大电路图；

图4是本实用新型实施例提供的铜离子检测系统的实现流程图。

图中：1、铜离子传感器；2、无线网络；3、采样分析装置；4、信号放大电路；5、A/D转换电路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种铜离子检测系统，该铜离子检测系统包括：铜离子传感器、无线网络和采样分析装置；铜离子传感器连接无线网络，对需要检测的水环境中取得铜离子浓度数据，无线网络连接采样分析装置，对检测到的铜离子浓度数据传送，采样分析装置按照程序(为已有软件，不是自己开发的软件)对数据进行分析，并将数据进行存储。

作为本实用新型实施例的一优化方案，铜离子传感器电极采用硫化铜、硫化银为敏感膜的铜离子选择电极，塑料外壳，接头采用BNC接头。

以下参照附图，对本实用新型实施例铜离子检测系统及电路作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型的铜离子检测系统主要由铜离子传感器1、无线网络2和采样分析装置3组成；铜离子传感器1连接无线网络2，对需要检测的水环境中取得铜离子浓度数据，无线网络2连接采样分析装置3，将检测到的铜离子浓度数据传送至采样分析装置，由采样分析装置3按照程序对数据进行分析，并将数据进行存储。

如图2所示，铜离子传感器电极采用硫化铜、硫化银为敏感膜的铜离子选择电极，塑料外壳，接头采用BNC接头，便于连接。

测量端是需要把它浸入需要测量的铜离子溶液内，前端为陶瓷砂芯测量时进行离子交换，便于产生感应电动势，中间填充饱和硫酸钾溶液，由于饱和硫酸钾溶液会通过陶瓷砂芯析出，在上端留有加液口，方便使用时加硫酸钾，末端是叉片为固定到电路板上的测量端

如图3所示，本实用新型的铜离子传感器信号放大电路主要由信号放大电路4、A/D转换电路5组成；信号放大电路4，芯片主要选用Microchip生产的高精度低功耗MCP6V02，该芯片用于进行输入失调电压校正，从而达到极低的失调电压和失调电压漂移，此模块用于实现电极传递信号的放大，并有效抑制噪声，具体连接结构为：运算放大器U5B(MCP6V02)的同相输入端经电阻R4与输入信号SIN2+相连接，经正向连接的二极管D13接参考电压，经反相连接的二极管D14接地，同时经电容C32与运算放大器U5A的同相输入端3相连接；反相输入端6与U5B(MCP6V02)的输出端7相连接；输出端7经电阻R28和电容C33与电阻R29连接，输出端与A/D转换电路的芯片MCP3425引脚1相连接；运算放大器U5A(MCP6V02)的同相输入端3经电阻R35与输入信号SIN2-相连接，经正向连接的二极管D17接参考电压，经反相连接的二极管D18接地，同时经电容C32与运算放大器U5B的同相输入端5相连接；反相输入端2与U5A(MCP6V02)的输出端1相连接；输出端1经电阻R29和电容C33与电阻R28连接，输出端与A/D转换电路的芯片MCP3425引脚6相连接。

A/D转换电路5，主要采用芯片MCP3425，该芯片用小型SOT-23-6封装的单通道低噪声、高精度、差分输入A/D转换器，分辨率最高16位，该电路具有片内可编程增益放大器(PGA)，可在模数转换开始之前，选择PGA增益为x1、x2、x4或x8，可用于以较高的分辨率转换较小的输入信号，具体连接结构为：芯片MCP3425的引脚1接信号放大电路的输出信号的正极；引脚2接地，引脚3接时钟电路，并经电阻R37接直流电压源VCC；引脚4为数据传输接口，经电阻R36接直流电压源VCC；引脚5经电容C44接地，经电容C45接地，与电压源VCC相连接；引脚6接信号放大电路的输出信号的负极。

本实用新型的铜离子测试装置，Cu-1，以硫化铜、硫化银为敏感膜的铜离子选择电极，用于测量溶液中的Cu2+离子的浓度，该电极能快速、简单、准确、经济的测量水溶液中的铜离子，以铂金(Pt)作阴极，Ag/AgCl作阳极，电解液为0.1M氯化钾(KCl)，用进口硅橡胶渗透膜作透气膜(其具有硅橡胶及钢纱网)，耐碰撞，耐腐蚀，耐高温，不变形的性能；

PCu-1型铜离子电极技术参数：

1、测量范围：(10^-1-5×10^-7)mol/L铜离子浓度；

2、温度范围：(5-60)℃；

3、样品pH值：(3-6)pH；

4、离子强度调节剂：少量的氯化钾粉末；

5、干扰离子：S^2-，Fe³⁺，Pb^2+；

6、活化溶液：10^-3mol/L硝酸铜；

7、参比电极：C(K₂SO₄)^-1硫酸亚汞参比电极，

本实用新型的铜离子传感器信号放大原理为：采用PCu-1型选择性电极，其传出的信号为pA级电流，因此信号放大电路难度较大，如图3-14，差分放大电路芯片选用Microchip生产的高精度低功耗MCP6V02，该芯片可以进行输入失调电压校正，从而达到极低的失调电压和失调电压漂移，这些器件具有很高的增益带宽积(1.3MHz，典型值)，可以有效地抑制开关噪声，它们单位增益稳定，没有1/f噪声，这些产品使用单电源工作，电源电压最低可至1.8V，同时消耗300μA/放大器(典型值)的静态电流，

本实用新型A/D转换电路5采用MCP3425，该芯片用小型SOT-23-6封装的单通道低噪声、高精度、差分输入A/D转换器，分辨率最高16位，片内精密2.048V参考电压使得差分输入电压范围为±2.048V，器件可使用2线I2C兼容串行接口，并采用2.7V至5.5V的单电源供电，用户通过2线I2C串行接口对可控制的配置位进行设置，从而MCP3425器件可按每秒15、60或240次采样的速率执行转换，此器件具有片内可编程增益放大器(PGA)，用户可在模数转换开始之前，选择PGA增益为x1、x2、x4或x8，这允许MCP3425器件以较高的分辨率转换较小的输入信号，该器件有两种转换模式：(a)连续转换模式和(b)单次转换模式，在单次转换模式下，器件在一次转换之后自动进入低电流待机模式，这样可以显著降低空闲期间的电流消耗，单片机自带的16位AD转换器能使该设计的精度达到0.05mg/L，再通过软件方式提高抗干扰能力，无需外接电路提高其稳定性，

铜离子采集电路设计为模块化设计，便于即插即用，大规模工业应用，如图3-15所示，性能特点：1、实现宽电压输入范围6V-20V；2、采用3.3V电压，工作电流低至50mA，节能环保；3、高精度数据转换精度达到0.01g/L，4、单电源供电，减少电路设计复杂度，节约成本，

每只铜离子电极都有自己的零点和斜率，随着使用时间增长，电解液会逐渐消耗，零点和斜率就会发生变化，标定就是为了得到电极的真实零点和斜率，在20摄氏度蒸馏水环境中标定铜离子电极的零点，在不同的铜离子容易中标定电极的斜率，铜离子的电极标定方法具体如下：

将铜离子电极探头和参比电极放入20摄氏度的蒸馏水中，作为零点标定测出此时的电压作为零点，再把铜离子电极探头放入不同浓度的铜离子溶液中，然后通过串口调试工具记录相应的数据，铜离子浓度与电压的关系如表：

Cu+浓度(g/l)	电压(mV)	cu+浓度(g/1)	电压(mV)
				1	78	18	159

2	82	19	163
				3	87	20	168
4	91	21	173
				5	101	22	178
6	105	23	183
				7	110	24	187
8	114	26	192
				9	120	27	197
10	123	28	202
				11	128	29	206
12	132	30	210
				13	136	31	214
14	141	32	218
				15	145	33	222
16	149	34	226
				17	155	35	230

表1铜离子浓度与电压的对应关系(20摄氏度)

依据电极工作原理，可以得出：

V1＝K·X1+B

X1——零铜离子浓度电压值

V1——不同浓度铜离子溶液的电压值

由前所述，式中仅有B、K为未知，因此可由上式求得电极的零电位点B以及斜率K，选用两点标定方法来实现自动标定，

如图4所示，本实用新型的流程为：

AD采样首先进行系统初始化，然后检测外部按键，判断是否要进行校准测量，如果需要校准，需要把探头放入蒸馏水中，系统进行采集外部数据，并存储采集到的校准数据，如果不需要校准，系统会每隔一秒采样外部数据一次，并通过串口不断向外发送数据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种铜离子检测系统，其特征在于，所述铜离子检测系统包括：铜离子传感器、无线网络和采样分析装置；

2.如权利要求1所述的铜离子检测系统，其特征在于，所述铜离子传感器电极采用硫化铜、硫化银为敏感膜的铜离子选择电极，塑料外壳，接头采用BNC接头。

3.如权利要求1所述的铜离子检测系统，其特征在于，所述铜离子检测系统安装有铜离子传感器信号放大电路；所述铜离子传感器信号放大电路主要由信号放大电路和A/D转换电路组成。

4.如权利要求3所述的铜离子检测系统，其特征在于，信号放大电路，用于实现电极传递信号的放大，具体连接结构为：运算放大器U5BMCP6V02的同相输入端经电阻R4与输入信号SIN2+相连接，经正向连接的二极管D13接参考电压，经反相连接的二极管D14接地，同时经电容C32与运算放大器U5A的同相输入端3相连接；反相输入端6与U5BMCP6V02的输出端7相连接；输出端7经电阻R28和电容C33与电阻R29连接，输出端与A／D转换电路的芯片MCP3425引脚1相连接；运算放大器U5AMCP6V02的同相输入端3经电阻R35与输入信号SIN2-相连接，经正向连接的二极管D17接参考电压，经反相连接的二极管D18接地，同时经电容C32与运算放大器U5B的同相输入端5相连接；反相输入端2与U5AMCP6V02的输出端1相连接；输出端1经电阻R29和电容C33与电阻R28连接，输出端与A／D转换电路的芯片MCP3425引脚6相连接。

5.如权利要求3所述的铜离子检测系统，其特征在于，A／D转换电路，与所述信号放大电路连接，用于以较高的分辨率转换较小的输入信号，具体连接结构为：芯片MCP3425的引脚1接信号放大电路的输出信号的正极；引脚2接地，引脚3接时钟电路，并经电阻R37接直流电压源VCC；引脚4为数据传输接口，经电阻R36接直流电压源VCC；引脚5经电容C44接地，经电容C45接地，与电压源VCC相连接；引脚6接信号放大电路的输出信号的负极。