CN205015331U - 一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其包括一控制单元及一数据采集传输单元，其中，所述控制单元与所述数据采集传输单元相互连接并双向通讯；所述数据采集传输单元与上位机相互连接并双向通讯。所述控制单元指令下达至所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元，而所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元的信号上传至所述数据采集传输单元。本实用新型所提供的基于物联网的水质重金属在线监测仪器可用于含重金属废水的现场监测，便于集成、更换和维护，真正实现了环保物联网终端的模块化应用。

Description

一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器

【技术领域】

本实用新型涉及水质重金属的监测，特别设计一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器。

【背景技术】

现在自来水厂、工厂企业及各级环境监督机构都需要对生活饮用水、地表水、工业废水及工业过程水的进行监测。随着环保工作的深入发展，对水体中重金属的含量的监测的要求也越来越高。现有的重金属水质的检测仪器在水样检测过程中遇到异常状况只能发送基本的报警信息(如零值、超量程值等)，且长期运行时极易受到外部的干扰，一方面重金属水质的被监管企业可以通过偷换仪器采样与运行条件人为降低水样检测数据，另一方面仪器运维人员可以通过篡改仪器工作参数偷减维护工作投入，最终影响到环境监管部门对仪器数据质量的控制。

此外，由于现有的重金属水质检测仪器的各种工作参数、运行状态、报警信息和操作日志未能实时上传监控中心用于监管部门日常监督，同时也不能接受下达的指令进行反向操作、异常诊断、数据核查、远程运维等监管任务，各地监管部门仅能通过人工方式进行抽检和数据有效性审核，劳动强度大、效率低、执法难度大，极大地限制了重金属水质监管的力度。因此，如何将水质重金属监测仪器与上位机及上级的环境监控中心高度集成、有效实现物联，已成为环保物联技术开发与应用急需解决的问题。

【实用新型内容】

为克服现有重金属水质监测的无法实现信息上传与命令下达，实现有效监管的问题，本实用新型提供一种用途广泛、结构简单、应用方便的基于物联网的重金属在线监测模块。

为解决上述的技术问题，本实用新型提供如下方案：一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器，提供一上位机，所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器包括一控制单元、一数据采集传输单元、一进样/计量单元、一消解单元及至少一检测单元；其中，所述控制单元与所述数据采集传输单元相互连接并双向通讯；所述数据采集传输单元与所述上位机相互连接并双向通讯；所述进样/计量单元与所述消解单元，及所述消解单元与至少一检测单元之间设有贯通的水流通道；所述控制单元分别连接所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元，所述控制单元指令下达至所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元；所述数据采集传输单元分别连接所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元，所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元的信号上传至所述数据采集传输单元。

优选地，所述进样/计量单元包括依次连接的试样部分、试剂导入部分和光电计量部分，其中，所述试剂导入部分由至少一蠕动泵、一多联阀和至少一耐腐蚀导管依次连接组成。

优选地，所述消解单元进一步包括一消解罐，所述消解罐为上下开口卵型石英玻璃罐。

优选地，所述检测单元包括光电检测器件、电化学检测器件中的一种或两种。

优选地，所述光电检测器件包括一双光路的LED光源、一光电传感器、一信号驱动板及一恒温器，所述信号驱动板分别与所述双光路的LED光源、所述光电传感器及所述恒温器连接。

优选地，所述控制单元包括一嵌入式处理器、一寄存器、一显示器及一电源，其中所述电源为所述嵌入式处理器、所述寄存器及所述显示器提供电能，所述寄存器设置有一数据接口，所述数据接口与所述上位机连接。

优选地，所述控制单元进一步包括一自动复位器件、一漏电保护器件及一过载保护器件，所述自动复位器件分别与所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元连接；所述漏电保护器件、所述过载保护器件与所述电源连接。

优选地，所述数据采集传输单元包括一数据采集器件、一数据存储器件及一数据传输器件，所述数据采集器件与所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元连接并接收上传的信号，信号依次经过所述数据存储器件、所述数据传输器件传送至所述上位机和/或所述控制单元。

优选地，所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器进一步包括一标准机箱，其中，所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元、所述控制单元及所述数据采集传输单元均收容于所述标准机箱内。

优选地，所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元、所述控制单元及所述数据采集传输单元自下而上依次设置。

与现有技术相比，本实用新型提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器具有以下的优点：

(1)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器是一种应用于排污企业含重金属废水现场自动监测的仪器，用于替代传统的实验室定期检测，通常与所述上位机联用。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器通过控制程序指令，进样/计量单元将水样与试剂泵入所述消解单元，经过高温消解处理后，水样中的重金属污染物转化为溶解态离子，在检测单元中将离子浓度转化电信号，最终换算为水样中重金属污染物的浓度。而现有的重金属监测仪与外部的控制系统之间没有进行物理上的集成，仅是机柜并列排布，再通过4-20mA的模拟信号或RS232数字信号上传监测数据和接收开关量信号，集成度极低，占地和能耗要求相当大，无法得到广泛的应用。

(2)本实用新型所提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器安装在水质污染源现场，可用于实时采集某种重金属污染物的监测数据。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器内设有至少一组所述检测单元及更换的配套试剂，可实现检测铜、铅、锌、镉、镍、汞、砷、铁、锰、铬等重金属中的一种或其组合。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器通过更换检测单元和配套试剂，可更换监测项目，实现不同参数间的转换和组合，以保证良好的扩展性和应急监测需求。

(3)本实用新型第一实施例中所提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器采用模块化结构和数字通讯，可与不同类型的所述上位机集成为环保物联网的监控终端，可以根据实际需求增减或选择所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器的具体数量和类型，任意组合监测项目，因此扩展方便，应急响应快，灵活性好，可广泛应用于自来水厂或企事业单元的重金属水质监测中。

(4)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器采用标准化设计，可快插安装于国标机架上，用于含重金属废水的现场监测，便于集成、更换和维护，真正实现了环保物联网终端的模块化应用。

(5)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器借助于数据采集传输单元与控制单元，可实现监测模块采水、校准、测量、清洗、质控、核查、上传数据等过程的工作参数、运行状态、报警信息和操作日志等信息的动态监控，并完成相应的采集、处理、存储与传输，通过分析各模块过程数据，监管部门和监测装置的运维人员可有效掌握仪器的运行情况和诊断仪器异常状态。

(6)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器采用基于MODBUS和HJ212的通讯协议，通过数字量通讯作为终端的感知层，接入环保物联网。监管部门通过环保物联网实时掌握废水中重金属污染物监测数据和现场仪器的各种工作运行信息基础上，可以远程操作现场仪器开展质控与核查动作，达到实时在线监测并控制的目的。而仪器运维人员则可开展远程运维和诊断动作，确保仪器运行的良好性和检修的针对性。

【附图说明】

图1是本实用新型基于物联网的水质重金属在线监测仪器的结构示意图。

图2是本实用新型基于物联网的重金属水质在线监测装置的结构示意图。

【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实例，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。

请参阅图1及图2，本实用新型第一实施例提供了一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器10，该基于物联网的水质重金属在线监测仪器10包括：一标准机箱12，一进样/计量单元13、一消解单元14、至少一检测单元15、一控制单元16及一数据采集传输单元17。提供一可发送控制指令/接收信息的上位机18，所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10与一上位机18连接。其中，所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15、所述控制单元16及所述数据采集传输单元17均收容于所述标准机箱12内。所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15、所述控制单元16及所述数据采集传输单元17自下而上依次设置。

所述标准机箱12采用标准化设计与工艺，包括安装面板121、外壳122与基本框架123等部分；所述标准机箱12用于固定和容纳所有单元。

所述进样/计量单元13包括依次连接的试样部分(图未示)、试剂导入部分(图未示)和光电计量部分(图未示)。所述试样部分用于存放试样，所述试剂导入部分用于向所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10导入所需试剂。所述光电计量部分用于对导入的实际进行计量。其中，所述试剂导入部分由至少一蠕动泵(图未示)、一多联阀(图未示)和至少一耐腐蚀导管(图未示)依次连接组成。其中，所述光电计量部分进一步由计量管、LED光源、光电传感器组成；所述进样/计量单元13将待测含重金属污染物的水样、各种试剂、标准溶液定量抽提到所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10以供检测用。

其中，所述多联阀包括水样通道(图未示)、标样通道(图未示)、质控样通道(图未示)、空白水通道(图未示)、消解剂通道(图未示)、屏蔽剂通道(图未示)及反应剂通道(图未示)。所述水样通道用于接入需要监测重金属含量的水样，所述标样通道、所述质控样通道、所述空白水通道、所述消解剂通道及所述屏蔽剂通道分别用于接入水质重金属监测的质控样、空白水、消解剂、屏蔽剂及反应剂通道。

所述消解单元14用于将水样与消解试剂混合并进行高温高压消解，将水样中多种形态(如单质、颗粒物、胶体、化合物等)的重金属转为溶解态的重金属离子溶液以供检测用。所述消解单元14进一步包括一消解罐，所述消解罐为上下开口卵型石英玻璃罐，所述消解罐具有防爆耐压的功能。

所述检测单元15根据其监测目标物的不同，可对不同重金属采用不同的具有区别的检测器件，其可包括如光电检测器件(图未示)、电化学检测器件(图未示)等检测器件。

其中，所述光电检测器件包括一双光路的LED光源(图未示)、一光电传感器(图未示)、一信号驱动板(图未示)及一恒温器(图未示)。所述双光路的LED光源用于为所述光电检测器件提供检测光源，所述光电传感器采用光电元件作为检测元件的传感器，所述信号驱动板用于控制信号。所述恒温器用于为所述光电检测器件提供恒定的温度，以提高光电检测的灵敏度。所述信号驱动板分别与所述双光路的LED光源、所述光电传感器及所述恒温器连接，并为上述三者发送/接收信号。

所述电化学检测器件包括检测电极、参比电极、铂电极、一体化电解池及一信号驱动板(所述电化学检测器件上述的具体元器件均未在图中示出)。其中，所述检测电极可为玻碳电极、金电极等电极为工作电极，所述参比电极可为饱和甘汞电极，而所述铂电极为辅助电极。

所述检测单元15采用所述光电检测器件和/或所述电化学检测器件，用于将溶解态重金属离子通过电化学和光电检测的工作原理转化为电信号输出，通过控制单元完成水样重金属浓度数据的在线获取。

在所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10中的所述进样/计量单元13将水样与试剂泵入所述消解单元14，经过高温消解处理后，水样中的重金属污染物转化为溶解态离子，在所述检测单元15中将离子浓度转化电信号，最终换算为水样中重金属污染物的浓度。

所述控制单元16包括一嵌入式处理器(图未示)、一寄存器(图未示)、一显示器(图未示)、一电源(图未示)等，其中所述电源为所述嵌入式处理器、所述寄存器及所述显示器提供电能，所述寄存器设置有一数据接口(图未示)，所述数据接口可用于数据的输出/输入，所述数据接口与所述上位机18连接。所述控制器16用于对所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10内所有单元按运行程序或外部指令进行信号处理和控制完成各项动作。

所述控制单元16进一步设置有三级操作管理权限机制：物联管理员、模块管理员和一般操作人员，并对应不同的使用需求。

所述控制单元16在通电自检后初始化所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15等单元，并从寄存器中读取上述各单元的工作参数，并根据参数运行控制程序。若上述各单元的工作参数或运行状态正常，则通过所述数据接口实时输出；若异常(超量程、缺试剂、部件故障和超标等)，则启动诊断机制并对不同测试数据添加维护(M)、故障(D)、校验(C)和标样核查(SC)，记录输出和声光报警。

所述进样/计量单元13与所述消解单元14，及，所述消解单元14与至少一检测单元15之间设有贯通的水流通道；(图未示)，需要检测重金属含量的水样流经所述水流通道依次进入所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15进行计量、消解处理，并进行检测至产生废液。

在本实用新型一个较优的实施方式中，所述控制单元16包括一自动复位器件(图未示)，所述自动复位器件分别与所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15连接。所述自动复位器件可用于使所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10在意外断电且再度通电后，能自动排出断电前正在测定的水样和试剂、自动清洗并复位到重新开始测试的状态；更进一步地，若在断电前处于加热消解状态，再次通电后能自动冷却、并复位到重新开始测试的状态。所述控制单元的电源进一步包括一漏电保护器件(图未示)及一过载保护器件(图未示)，所述漏电保护器件、所述过载保护器件与所述电源连接，可有效防止由于所述电源漏电或过载而造成的意外损坏和人身伤害。

所述数据采集传输单元17包括一数据采集器件(图未示)、一数据存储器件(图未示)、一数据传输器件(图未示)及用于连接上述器件的接线(图未示)等。所述数据采集器件与所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15连接并接收上述三者上传的信号，信号依次经过所述数据存储器件、所述数据传输器件后传送至所述上位机18和/或所述控制单元16。所述数据采集传输单元17通过模拟量通道和开关量通道采集所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10内其他单元(如所述控制单元16、所述消解单元14、所述检测单元15等)的运行状态、输出信号和数据的情况，并可进行运行日志记录、存储和安全管理。所述数据采集传输单元17通过基于MODBUS和HJ212标准协议的RS233/485数字接口与所述上位机18连接，因此可以将所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10集成到任何数据平台。

在本实用新型一个较佳的实施方式中，所述数据采集传输单元17标配USB2.0接口用于数据存储文件的人工读取、写入与备份。所述数据采集传输单元17进一步预留多路RS232/485接口扩展RJ45网口/嵌入式GPRSDTU，可设置多个服务器地址并依次传输实现“一点多发”。所述数据采集传输单元17内还具备数据完整性保障机制，在网络断后自动恢复时，自动回补缺失的数据实现“断点续传”。

如图1中所示，所述控制单元16与所述数据采集传输单元17相互连接并双向通讯，而所述数据采集传输单元17与所述上位机18相互连接并双向通讯。而重金属水样依次流经所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15并产生废液。所述控制单元16分别连接所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15，而所述控制单元16指令下达至所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15。所述数据采集传输单元17分别连接所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15；所述进样/计量单元13、所述消解单元14、所述检测单元15的信号上传至所述数据采集传输单元17。

需要说明的是，所述数据采集传输单元17通过一数字接口(图未示)将所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10的工作参数、运行状态、报警信息和运行日志等信息在线上传到所述上位机18，并接受通过所述上位机18发送的反向操作、异常诊断、数据核查、远程运维等实时指令。所述数据采集传输单元17同时具备可设置数据限值进行输出留样、激发采样动作的机制。

与现有技术相比，本实用新型所提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10具有以下的有益效果：

(1)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10是一种应用于排污企业含重金属废水现场自动监测的仪器，用于替代传统的实验室定期检测，通常与所述上位机18联用。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10通过控制程序指令，所述进样/计量单元13将水样与试剂泵入所述消解单元14，经过高温消解处理后，水样中的重金属污染物转化为溶解态离子，在所述检测单元15中将离子浓度转化电信号，最终换算为水样中重金属污染物的浓度。而现有的重金属监测仪与外部的控制系统之间没有进行物理上的集成，仅是机柜并列排布，再通过4-20mA的模拟信号或RS232数字信号上传监测数据和接收开关量信号，集成度极低，占地和能耗要求相当大，无法得到广泛的应用。

(2)本发明所提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10安装在水质污染源现场，可用于实时采集某种重金属污染物的监测数据。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10内设有至少一组所述检测单元15及更换的配套试剂，可实现检测铜、铅、锌、镉、镍、汞、砷、铁、锰、铬等重金属中的一种或其组合。所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10通过更换检测单元和配套试剂，可更换监测项目，实现不同参数间的转换和组合，以保证良好的扩展性和应急监测需求。

(3)本发明第一实施例中所提供的所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10采用模块化结构和数字通讯，可与不同类型的所述上位机18集成为环保物联网的监控终端，可以根据实际需求增减或选择所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10的具体数量和类型，任意组合监测项目，因此扩展方便，应急响应快，灵活性好，可广泛应用于自来水厂或企事业单元的重金属水质监测中。

(4)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10采用标准化设计，可快插安装于国标机架上，用于含重金属废水的现场监测，便于集成、更换和维护，真正实现了环保物联网终端的模块化应用。

(5)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10借助于数据采集传输单元与控制单元，可实现监测模块采水、校准、测量、清洗、质控、核查、上传数据等过程的工作参数、运行状态、报警信息和操作日志等信息的动态监控，并完成相应的采集、处理、存储与传输，通过分析各模块过程数据，监管部门和监测装置的运维人员可有效掌握仪器的运行情况和诊断仪器异常状态。

(6)所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器10采用基于MODBUS和HJ212的通讯协议，通过数字量通讯作为终端的感知层，接入环保物联网。监管部门通过环保物联网实时掌握废水中重金属污染物监测数据和现场仪器的各种工作运行信息基础上，可以远程操作现场仪器开展质控与核查动作，达到实时在线监测并控制的目的。而仪器运维人员则可开展远程运维和诊断动作，确保仪器运行的良好性和检修的针对性。

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

Claims (10)

1.一种基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：提供一上位机，所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器包括一控制单元、一数据采集传输单元、一进样/计量单元、一消解单元及至少一检测单元；

其中，所述控制单元与所述数据采集传输单元相互连接并双向通讯；所述数据采集传输单元与所述上位机相互连接并双向通讯；

所述进样/计量单元与所述消解单元，及所述消解单元与至少一检测单元之间设有贯通的水流通道；

所述控制单元分别连接所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元，所述控制单元指令下达至所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元；

所述数据采集传输单元分别连接所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元，所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元的信号上传至所述数据采集传输单元。

2.如权利要求1中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述进样/计量单元包括依次连接的试样部分、试剂导入部分和光电计量部分，其中，所述试剂导入部分由至少一蠕动泵、一多联阀和至少一耐腐蚀导管依次连接组成。

3.如权利要求1中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述消解单元进一步包括一消解罐，所述消解罐为上下开口卵型石英玻璃罐。

4.如权利要求1中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述检测单元包括光电检测器件、电化学检测器件中的一种或两种。

5.如权利要求4中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述光电检测器件包括一双光路的LED光源、一光电传感器、一信号驱动板及一恒温器，所述信号驱动板分别与所述双光路的LED光源、所述光电传感器及所述恒温器连接。

6.如权利要求1中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述控制单元包括一嵌入式处理器、一寄存器、一显示器及一电源，其中所述电源为所述嵌入式处理器、所述寄存器及所述显示器提供电能，所述寄存器设置有一数据接口，所述数据接口与所述上位机连接。

7.如权利要求6中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述控制单元进一步包括一自动复位器件、一漏电保护器件及一过载保护器件，所述自动复位器件分别与所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元连接；所述漏电保护器件、所述过载保护器件与所述电源连接。

8.如权利要求1中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述数据采集传输单元包括一数据采集器件、一数据存储器件及一数据传输器件，所述数据采集器件与所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元连接并接收上传的信号，信号依次经过所述数据存储器件、所述数据传输器件传送至所述上位机和/或所述控制单元。

9.如权利要求1-8中任一项所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器进一步包括一标准机箱，其中，所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元、所述控制单元及所述数据采集传输单元均收容于所述标准机箱内。

10.如权利要求9中所述基于物联网的水质重金属在线监测仪器，其特征在于：所述进样/计量单元、所述消解单元、所述检测单元、所述控制单元及所述数据采集传输单元自下而上依次设置。