CN209878650U - 一种水质硬度检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水质硬度检测传感器。传感器包括探头和电势检测模块，探头包括基体和镀层，镀层位于基体的表面，基体的材质为金属钛，镀层的材质为钌铱合金或氧化铅或氧化锡；探头数量为两个，分别为第一探头和第二探头，第一探头和第二探头位于水中时，电势检测模块检测第一探头和第二探头之间形成的电势差。本实用新型的传感器可实时检测水质硬度，且消除传感器漂移产生的检测结果误差。

Description

一种水质硬度检测传感器

技术领域

本实用新型属于水质检测领域，尤其涉及一种新型的水质硬度检测传感器。

背景技术

水质硬度是指水中钙镁离子浓度(折算成碳酸钙)含量，高硬度水质是指水中钙镁离子含量较高的水。高硬度水在使用过程中，尤其是在加热后结垢(碳酸钙沉淀，俗称水垢)。常用的水质硬度处理设备是软水机。软水机是利用离子交换树脂来交换水中钙、镁离子，达到降低水质硬度的水处理设备。软水机中装填的树脂在处理一定的水量后，树脂上的钙镁离子将达到饱和，此时树脂就需要用食盐水(氯化钠)把钙镁离子逆向交换下来，此过程称为再生。

目前的软水机产品技术上还不完善。主要表现为产品无法实时监控并显示软水机出水水质硬度。消费者只是根据出厂设置的简易时间提醒或软水机使用的体验感觉感知来操作软水机树脂的再生维护，从而导致软水机的不科学、不便利、不合理的使用，同时也降低了软水机的工作效率。目前的软水机由于技术缺陷导致产品使用不方便、维护效率低，用户体验效果不佳等问题。

目前的软水机，通常采用设置原水初始硬度值，通过流量计辅助计算产水量来估算树脂寿命，作为软水机的再生启动与维护的参考。但是由于用户地域不同水质差异较大，此方法不能客观反映离子交换树脂上钙镁离子的饱和状态。过早再生将造成水资源和盐的浪费，过量盐排放也会带来环保问题。延迟再生就出现树脂过度失效，出水水质硬度高。

通过仪器检测水质硬度时，不同的仪器之间检测结果会有较大的偏差，最大原因是由于检测探头因漂移产生的测试误差，以及相同型号的不同检测探头之间存在的差异，差异可能是细微的，但会影响检测的结果。漂移产生的主要原因：水中的物质在检测探头的沉积及水中气泡的影响等会对检测结果造成干扰。如何消除不同检测器探头及漂移产生的误差，是本领域一直未解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提出一种水质硬度检测传感器，通过电势检测模块检测水中两个探头的电势差，可用于计算水质硬度。

本实用新型的实施例提供一种水质硬度检测传感器，所述传感器包括探头和电势检测模块，所述探头包括基体和镀层，所述镀层位于所述基体的表面，所述基体的材质为金属钛，所述镀层的材质为钌铱合金或氧化铅或氧化锡；所述探头数量为两个，分别为第一探头和第二探头，所述第一探头和第二探头位于水中时，所述电势检测模块检测所述第一探头和第二探头之间形成的电势差。

如本实用新型的一实施方式，所述探头设置在管路中，所述管路包括原水管路、软化水管路、汇合管路，所述原水管路、软化水管路分别连通所述汇合管路；所述第一探头位于所述原水管路上；所述第二探头位于所述汇合管路上。

如本实用新型的一实施方式，所述探头通过接头接入到管路中，所述接头为三通状的结构，所述接头的第一端和第二端用于连接管路，使得管路中的水可以通过接头、探头插入第三端，接头内的水与探头接触。

如本实用新型的一实施方式，检测传感器还包括控制模块，所述原水管路上设有第一阀门，所述第一探头位于所述第一阀门与所述原水管路的出口之间；所述软化水管路上设有第二阀门；所述第一阀门与第二阀门分别连接所述控制模块。

如本实用新型的一实施方式，检测传感器还包括处理模块，所述电势检测模块连接所述处理模块；所述第一探头和所述第二探头均处于原水中，所述第一探头和所述第二探头的电势差为第一电势差；所述第一探头处于原水中，所述第二探头处于软化水中，所述第一探头和所述第二探头的电势差为第二电势差；所述处理模块根据所述第一电势差和所述第二电势差之间的差值确定所述软化水的水质硬度。

如本实用新型的一实施方式，所述处理模块根据所述第一电势差和所述第二电势差之间的差值及所述差值和水质硬度的关系式确定所述软化水的水质硬度。

如本实用新型的一实施方式，检测传感器还包括前处理模块，所述电势检测模块连接所述前处理模块，所述前处理模块连接所述处理模块；所述前处理模块对所述第一电势差和第二电势差进行前处理，所述前处理包括阻抗变换匹配、线性放大、电平位移、噪声处理。

如本实用新型的一实施方式，检测传感器还包括再生模块，所述再生模块连接所述处理模块，所述再生模块连接软水机的再生系统。

如本实用新型的一实施方式，检测传感器还包括显示模块，所述显示模块连接所述处理模块，所述显示模块显示所述软化水的水质硬度。

如本实用新型的一实施方式，所述探头还包括外壳，所述外壳为绝缘材质，位于所述镀层的外侧。

如本实用新型的一实施方式，所述镀层的厚度为0.1～200nm。

本实用新型的水质硬度检测传感器，可准确检测出水中的一、二价离子；水中的离子在两个探头上所形成的电势有一定的差异，使得两探头之间有一定的电势差；检测传感器用于软水机时，其中一个探头交替处于原水和软化水中，两个探头之间的电势差因此而改变，水质硬度检测传感器根据电势差的变化可计算出软水的水质硬度；实现了软水机出水硬度的实时监测。利用本实用新型的传感器，软水机在检测水质硬度时，能够克服由于检测探头因漂移产生的测试误差，特别是消除相同型号的不同检测探头之间存在的差异，克服水中的物质在检测探头的沉积及水中气泡的影响会对检测结果造成干扰，同时消除掉不同检测器探头及漂移产生的误差。

附图说明

图1是本实用新型实施例水质硬度检测传感器的示意图。

图2是本实用新型实施例软水机的示意图。

图3是本实用新型实施例探头的示意图。

图4是本实用新型实施例探头连接接头的示意图。

图5是本实用新型实施例前处理模块的示意图。

图6是软水机处理水量与差值信号值的变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

本实用新型中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本实用新型的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本实施例提供一种水质硬度检测传感器，如图1和2所示，以检测传感器100安装在软水机上，用于检测软水机的出水硬度为例。图1和2中的箭头代表了水的流动方向。

检测传感器100包括探头和电势检测模块140，探头数量为两个，分别为第一探头112和第二探头131，第一探头112和第二探头131位于水中时，电势检测模块140检测第一探头112和第二探头131之间形成的电势差。电势检测模块140形成的电势差信号可用于水质硬度检测。即使第一探头112和第二探头131位于相同的水中，由于第一探头112和第二探头131并非完全相同，第一探头112和第二探头131之间也会形成微弱的电势差。

如图3和图4所示，第一探头112和第二探头131为相同的型号。本实施例中，探头300包括基体301和镀层302，镀层302位于基体301的表面。基体301的材质为金属钛，镀层的材质为钌铱合金或氧化铅或氧化锡。钌铱合金或氧化铅或氧化锡均使用已有的材质即可。镀层302的厚度优选为0.1～200nm。

探头300还可包括外壳303，外壳303可为绝缘材质，位于镀层302的外侧。探头300包括检测端和接线端，接线端可连接导线。本实施例的探头300易于检测出水中的一、二价离子，其中，一价离子主要为K、Na离子，二价离子主要在Ca、Mg离子，探头300对电势信号的反映即快又灵敏，在软水机中，通过计算可反映出软化水的水质硬度。

探头300的形状可以为圆柱形、方柱形或针型，本实用新型不对探头300的形状进行限制。

如图4所示，探头300可通过接头400接入到管路中。接头400为类似三通的结构，其第一端401和第二端402用于连接管路，使得管路中的水可以通过接头300，探头300的检测端插入第三端403，接头400内的水与探头300接触。

检测传感器100还可包括用于连接软水机主管路的管路，管路包括原水管路110、软化水管路120、汇合管路130，原水管路110、软化水管路120分别连通汇合管路130。原水管路110连接软水机的原水主管路201，软化水管路120连接软水机的软化水主管路202，汇合管路130连接软水机的排污口203。汇合管路130中的水由排污口203排出。第一探头112通过接头连接到原水管路110上，第二探头131通过接头连接到汇合管路130上。

检测传感器100还包括控制模块180。原水管路110上设有第一阀门111，第一探头112位于第一阀门111与原水管路110的出口之间。软化水管路120上设有第二阀门121。第一阀门111与第二阀门121分别连接控制模块180。控制模块180控制第一阀门111和第二阀门121的开启或关闭。

当第一阀门111开启，第二阀门121关闭时，软水机的原水(未经处理的水)可经原水管路110流入汇合管路130。此时，第一探头112和第二探头131均处于原水中，第一探头112和第二探头131的电势差作为第一电势差。

当第一阀门111关闭，第二阀门121开启时，软水机经过处理的软化水经软化水管路120流入汇合管路130。此时，第一探头112处于原水中，第二探头131处于软化水中，第一探头112和第二探头131的电势差作为第二电势差。

检测传感器100还包括处理模块150，电势检测模块140连接处理模块150。电势检测模块140检测的第一电势差信号和第二电势差信号传入处理模块150中，处理模150块根据第一电势差和第二电势差之间的差值确定软化水的水质硬度。

上述过程中，第一探头112一直处于原水中，第二探头131先处于原水中，后处于软化水中，第二探头131所处的环境为一个变量，使得第一电势差和第二电势差出现不同，第一电势差和第二电势差的变化量可反映软化水的水质硬度。

本实施例中处理模块150可包括MCU，对数据进行运算处理。处理模块150存储有上述差值和水质硬度的关系式。在确定差值和水质硬度的关系式时，首先，采集大量的差值及差值对应的软化水的水质硬度，对二者进行拟合，确定上述关系式。处理模块150获得差值后，根据关系式确定软化水的水质硬度。

传统的检测探头之间的差异及环境的影响，会导致检测结果产生较大误差。本申请将两个检测探头首先位于同样的水环境，之后改变第二探头所处的水环境，可以消除第一探头与第二探头制造差异和漂移引起检测结果的误差，使得检测结构更精准。

如图5所示，检测传感器100还包括前处理模块190，电势检测模块140连接前处理模块190，前处理模块190连接处理模块150。前处理模块190对第一电势差和第二电势差进行前处理，之后传入处理模块150。前处理模块190包括阻抗变换匹配子模块、线性放大子模块、电平位移子模块、噪声处理子模块。前处理模块190的前处理包括阻抗变换匹配、线性放大、电平位移、噪声处理，对信号的处理可依次进行。上述各子模块的参数，可根据实际情况设置。如阻抗变换匹配的参数为10Ω，线性放大的倍数为10～30倍，电平位移的参数为1.5V、噪声处理为低通滤波，截止频率为1000Hz。

可选地，检测传感器100还包括再生模块160，再生模块160连接处理模块150，再生模块160连接软水机的再生系统。本实施例中软水机的再生系统为现有的再生系统。处理模块150获得的软化水的水质硬度达到预设值时，将启动信号发送给再生模块160，再生模块160控制再生系统600启动，对软水机内的离子交换树脂进行再生和维护。

检测传感器100还包括显示模块170，显示模块170连接处理模块150。显示模块170可实时显示软化水的水质硬度及检测系统的工作状态。

本实施例的水质硬度检测系统检测软水机的软水水质硬度的具体流程为：

1、初始检测，打开第一阀门111，关闭第二阀门121，向原水管路110通入原水，原水流经汇合管路130后由排污口203排出。第一探头112和第二探头131均处于原水中，检测第一探头和第二探头的电势差作为第一电势差。

2、二次检测，打开第二阀门121，关闭第一阀门111，向软化水管路120通入软化水，软化水流经汇合管路130后由排污口203排出。第一探头112处于原水中，第二探头131处于软化水中，检测第一探头和第二探头的电势差作为第二电势差。

3、处理模块150获得第一电势差和第二电势差，处理模块150根据第一电势差和第二电势差之间的差值确定软化水的水质硬度。

第一探头112和第二探头131之间的差异及环境的影响，会导致测试结果漂移，产生误差。通过初始检测过程，保持两个探头相处于同样的水环境，二次检测两个探头相处于不同的水环境，第二电势差减去第一电势差，可消除测试结果的漂移。

上述的步骤1和步骤2中，通过电势检测模块140检测第一电势差和第二电势差。处理模块150根据第一电势差和第二电势差之间的差值及差值和水质硬度的关系式确定软化水的水质硬度。

如初始检测获得的第一电势差为10mV，二次检测获得的第二电势差为30mV，两者的差值为20mV，根据关系式可计算得出软化水的水质硬度。

可选地，第一电势差和第二电势差信号送入处理模块后进行12位模数转换器进行AD转换，然后对第一电势差和第二电势差进行取差值，之后依据关系式进行函数处理，得到软水机出水硬度值。

上述的关系式可通过对大数据的处理获得，具体为：

获得大量的第一电势差和第二电势差之间的差值及差值对应的软化水的水质硬度；对差值及水质硬度进行拟合，获得关系式y＝f(x)。

例如，通过大量的数据拟合出关系式为：

y＝A×(-2.4395x³+5.3328x²-3.9047x+1)，其中，A为原水硬度值，x为差值信号值与基准值的比例(x取值0-1之间)，基准值与原水硬度值成正比，y为软化水的水质硬度。

基准值＝8A/3，优选的，基准值的取值范围为500～1000。原水硬度值A可通过实际测量获得。

以原水硬度值A为300ppm为例，设定基准值为800。

当差值信号值为80，则x＝0.1时，可求得当前出水水质硬度为198ppm，与原子吸收光谱ICP仪器测量结果190ppm误差仅为4.5％；

当差值信号值为160，则x＝0.2时，可求得当前出水水质硬度为124ppm，与原子吸收光谱ICP仪器测量结果118ppm误差仅为4.8％；

当差值信号值为400，则x＝0.5时，可求得当前水质硬度为23ppm，与原子吸收光谱ICP仪器测量结果24ppm误差仅为4.3％。

如图6所示，实测的软水机的处理水量与差值信号值的变化情况。差值信号值的变化规律符合软化树脂的工作状态变化。树脂的初始处理效率最高，差值信号值较高，且平稳；待处理一定水量后，出现拐点，表明树脂效能开始下降，随着处理水量的增加，软化水硬度值会不断增高，且趋势越来越快，差值信号值之减小；待树脂达到饱和状态，差值信号值趋于稳定，达到最低限。

本实施例的水质硬度检测传感器可根据探头的稳定性能及工作环境，设定初始检测时间、二次检测时间及检测程序启动的间隔时间。例如，初始检测时间、二次检测时间均可设置为10s到60s之间某一个值，其中经历一次初始检测过程与一次二次检测过程，构成一个完整的测试周期。测试周期以间隔启动的方式进行连续的运行检测。间隔的时间可根据需求设置。

本实施例仅采用一组探头，避免了安装多组探头的结构方式，降低测试误差。探头的安全可靠性高，稳定性好。探头位置与结构设置，简化了管路布置，减少成本投入，更有效提高测试稳定性。探头采用快插的结构形式，便于探头的维护检测及更换。

本实施例的检测传感器实现每次测量启动时同步完成管路冲洗、自动消除产生漂移的因素，简化设备与元器件的应用，无需另外设置标准电极作参比，也同时避免由于前次的测试影响当次的测试结果。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (11)

1.一种水质硬度检测传感器，其特征在于，所述传感器包括探头和电势检测模块，所述探头包括基体和镀层，所述镀层位于所述基体的表面，所述基体的材质为金属钛，所述镀层的材质为钌铱合金或氧化铅或氧化锡；

所述探头数量为两个，分别为第一探头和第二探头，所述第一探头和第二探头位于水中时，所述电势检测模块检测所述第一探头和第二探头之间形成的电势差。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探头设置在管路中，所述管路包括原水管路、软化水管路、汇合管路，所述原水管路、软化水管路分别连通所述汇合管路；

所述第一探头位于所述原水管路上；

所述第二探头位于所述汇合管路上。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述探头通过接头接入到管路中，所述接头为三通状的结构，所述接头的第一端和第二端用于连接管路，使得管路中的水可以通过接头、探头插入第三端，接头内的水与探头接触。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，还包括控制模块，所述原水管路上设有第一阀门，所述第一探头位于所述第一阀门与所述原水管路的出口之间；所述软化水管路上设有第二阀门；所述第一阀门与第二阀门分别连接所述控制模块。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括处理模块，所述电势检测模块连接所述处理模块；

所述第一探头和所述第二探头均处于原水中，所述第一探头和所述第二探头的电势差为第一电势差；所述第一探头处于原水中，所述第二探头处于软化水中，所述第一探头和所述第二探头的电势差为第二电势差；

所述处理模块根据所述第一电势差和所述第二电势差之间的差值确定所述软化水的水质硬度。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述处理模块根据所述第一电势差和所述第二电势差之间的差值及所述差值和水质硬度的关系式确定所述软化水的水质硬度。

7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括前处理模块，所述电势检测模块连接所述前处理模块，所述前处理模块连接所述处理模块；

所述前处理模块对所述第一电势差和第二电势差进行前处理，所述前处理包括阻抗变换匹配、线性放大、电平位移、噪声处理。

8.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括再生模块，所述再生模块连接所述处理模块，所述再生模块连接软水机的再生系统。

9.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块连接所述处理模块，所述显示模块显示所述软化水的水质硬度。

10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探头还包括外壳，所述外壳为绝缘材质，位于所述镀层的外侧。

11.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述镀层的厚度为0.1～200nm。