多參數(shù)水質(zhì)分析儀數(shù)據(jù)采集分析方法與實(shí)現(xiàn)

岳敏

【摘 要】對(duì)多參數(shù)水質(zhì)分析儀數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行分析與實(shí)現(xiàn)，將分散的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)集中采集檢測(cè)，提高檢測(cè)效率。在此基礎(chǔ)上，延伸至不同類型的傳感器，設(shè)計(jì)豐富的數(shù)據(jù)接口，滿足設(shè)備通用性及靈活性需求。

【關(guān)鍵詞】多參數(shù);實(shí)時(shí);集中采集;豐富的數(shù)據(jù)接口

【中圖分類號(hào)】X832 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0075-02

0 引言

隨著人們生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)要求的不斷提升，在水及污水處理行業(yè)，越來(lái)越多的水質(zhì)檢測(cè)儀表應(yīng)用在各工藝現(xiàn)場(chǎng)。針對(duì)這些不同的工藝場(chǎng)合，儀表在各種復(fù)雜的使用環(huán)境、安裝條件下，需要采用一種更為集中、便捷、通用、靈活的數(shù)據(jù)采集方式。

1 目的

為進(jìn)一步提高儀表檢測(cè)效率，集中控制數(shù)據(jù)采集，設(shè)備更加靈活、通用，通過(guò)分析儀表檢測(cè)原理，將多個(gè)分散儀表數(shù)據(jù)采集集中化，設(shè)計(jì)共用數(shù)據(jù)采集方法，提高儀表檢測(cè)效率及其通用性，使儀表選擇更加自由、廣泛。

2 主要研究?jī)?nèi)容

具備4種參數(shù)在線檢測(cè)，分別是余氯檢測(cè)、溫度檢測(cè)、pH檢測(cè)和濁度檢測(cè)。

（1）輸入電壓范圍：185～265 V AC，50 Hz。

（2）輸出電壓要求：22～26 V DC。

（3）功耗要求：輸入功率不大于30 W。

（4）在線實(shí)時(shí)對(duì)余氯、濁度、溫度和pH值傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

（5）通信實(shí)現(xiàn)功能：余氯、濁度、溫度和pH等測(cè)量值實(shí)時(shí)顯示，人機(jī)交互。交互內(nèi)容包括儀表報(bào)警（超限、傳感器故障等）、安全設(shè)定、時(shí)間設(shè)定、儀表測(cè)量調(diào)校設(shè)定、儀表模擬輸出調(diào)校設(shè)定（零點(diǎn)、滿度調(diào)校及指定值模擬輸出設(shè)定）、儀表輸出通道設(shè)定（模擬輸出內(nèi)容設(shè)定、模擬輸出量程設(shè)定、繼電輸出內(nèi)容設(shè)定、繼電輸出動(dòng)作限值設(shè)定等）、測(cè)量周期設(shè)定、外部沖洗周期及沖洗時(shí)長(zhǎng)設(shè)定、儀表輸出信號(hào)零點(diǎn)滿度設(shè)定（0～20 mA或4～20 mA）、儀表版本信息、儀表單位設(shè)定（比如濁度單位mg/L、NTU、FTU;溫度單位℃、■等）、通信協(xié)議設(shè)定（站號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、字節(jié)順序、單精度雙精度浮點(diǎn)數(shù)等）、故障查詢、事件查詢、儀表原始電壓信號(hào)顯示、探頭連接情況等;傳感器的校準(zhǔn)功能，傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（6）接口設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)四路RS485串行接口，接口符合RS485電氣標(biāo)準(zhǔn)，半雙工通信，波特率通過(guò)外部命令設(shè)置為2 400、4 800、9 600、19 200、38 400、115 200通信接口，默認(rèn)為9 600，1 bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)位置，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1 bit停止位;其中，一路用于傳感器通信，一路用于顯示屏控制，一路用于調(diào)試，一路備用預(yù)留。設(shè)計(jì)四路傳感器接口，分別接入余氯傳感器、濁度傳感器、溫度和pH值傳感器，對(duì)傳感器進(jìn)行供電和信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換，傳感器供電電壓和信號(hào)采集方式根據(jù)傳感器型號(hào)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)四路4～20 mA電流變送模擬量輸出接口，負(fù)載電阻不大于500 Ω。模擬量輸出可通過(guò)界面修改輸出內(nèi)容。設(shè)計(jì)一路藍(lán)牙接口，符合藍(lán)牙4.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，兩路以太網(wǎng)接口，用于巡檢、調(diào)校、參數(shù)設(shè)定及內(nèi)部參數(shù)調(diào)整等。設(shè)計(jì)DI/DO接口各4個(gè)，并保留I/O的擴(kuò)展功能。

3 數(shù)據(jù)采集分析方法與實(shí)現(xiàn)

3.1 余氯檢測(cè)

余氯檢測(cè)以膜法極譜式余氯電極作為傳感器，檢測(cè)水中的余氯濃度。設(shè)計(jì)I→V轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)膜法極譜式電極輸出電流到電壓的轉(zhuǎn)換;設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

為電極提供極化電壓為40～70 mV，1.0 mV可調(diào);設(shè)計(jì)I→V轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)10 nA級(jí)別的電流檢測(cè)精度;余氯檢測(cè)范圍為0～20.00 mg/L，分辨率為0.01 mg/L;余氯檢測(cè)精度為±2%或±0.035 mg/L，取較大者。

電解液和滲透膜把電解池和水樣品隔開(kāi)，滲透膜可以選擇性讓ClO-穿透;在兩個(gè)電極之間有一個(gè)固定電位差，生成的電流強(qiáng)度可以換算成余氯濃度。

在陰極上：ClO-+2H++2e-→Cl-+H2O

在陽(yáng)極上：Cl-+Ag-→AgCl+e-

由于在一定溫度和pH值條件下，HOCl、ClO-和余氯之間存在固定的換算關(guān)系，通過(guò)這種方式可測(cè)量余氯。

采用滲透膜原理，選擇性讓ClO-穿透，測(cè)量出HOCL的濃度。反應(yīng)產(chǎn)生的電流在固定的pH和溫度下，電流大小與反應(yīng)的強(qiáng)度成正比，因而可以利用余氯傳感器在陽(yáng)極和陰極上產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量HOCL的濃度。

余氯傳感器工作一段時(shí)間之后需要重新校準(zhǔn)，校準(zhǔn)分為兩種：{1}零點(diǎn)校準(zhǔn)。在無(wú)氯水中，讀取當(dāng)前傳感器輸出的電流，理論值是0，但由于傳感器制造及讀取電路的精度問(wèn)題，傳感器在零點(diǎn)時(shí)，輸出并非0 nA的電流，因此通過(guò)無(wú)氯水的校準(zhǔn)方法可以實(shí)現(xiàn)傳感器的零點(diǎn)。{2}斜率校準(zhǔn)。余氯的濃度與產(chǎn)生的電流成線性關(guān)系，即輸出電流=零點(diǎn)電流+斜率×余氯濃度。

而斜率與溫度、pH及傳感器自身的特性有關(guān)，因而在進(jìn)行零點(diǎn)校正之后，需要對(duì)斜率進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法采用實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)法，在余氯濃度已知的情況下測(cè)量輸出電流。此時(shí)，零點(diǎn)電流已知，余氯濃度已知，輸出電流通過(guò)儀表測(cè)量得到，則此時(shí)斜率即可通過(guò)計(jì)算得到。

余氯傳感器的校準(zhǔn)主要采用的是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)法，此種方法成本低、精度高，缺點(diǎn)是需要已知校準(zhǔn)液的濃度。

3.2 溫度檢測(cè)

使用電極自帶的溫度傳感器（PT100）進(jìn)行溫度檢測(cè);提供傳感器工作必要的供電電路;設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換;提供10 mA恒流源電路，流過(guò)溫度傳感器;溫度檢測(cè)范圍為-20.0～-99.9 ℃，分辨率為0.1 ℃;溫度檢測(cè)精度為±0.5 ℃。

溫度傳感器為余氯傳感器電極自帶。傳感器自帶Pt100鉑電阻溫度傳感器，溫度的變化引起電阻的變化，通過(guò)設(shè)計(jì)恒流源電路，測(cè)量流過(guò)電阻兩端的電壓，計(jì)算R=U/I的值得到相應(yīng)的電阻值，通過(guò)查找Pt100的電阻—溫度對(duì)應(yīng)的表即可得到相應(yīng)的溫度值。

溫度傳感器由于采用的是PT100鉑電阻傳感器，鉑電阻的溫度一致性非常好，通過(guò)查表的方式即可得到比較準(zhǔn)確的溫度值。

3.3 pH檢測(cè)

使用電極進(jìn)行pH值的檢測(cè);為傳感器工作提供必要的供電電路;測(cè)量傳感器電極兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

提供基準(zhǔn)源電壓1.25 V，精度為1%;pH傳感器輸入阻抗≥1 012 Ω;pH值測(cè)量范圍為0～14.00 pH，分辨率為 0.01 pH;PH檢測(cè)精度為0.05 pH。

pH電極兩端的電壓滿足：

電極兩端電壓=偏置電壓+斜率×pH

因此，pH值的測(cè)量即變成pH電極兩端的電壓測(cè)量，通過(guò)上述公式，即可得到當(dāng)前的pH值。

由于測(cè)量余氯水樣的pH值基本在6.00～9.00 pH，因此選擇6.86 pH和9.18 pH的標(biāo)液做兩點(diǎn)標(biāo)定。

3.4 濁度檢測(cè)

使用濁度傳感器電極進(jìn)行濁度檢測(cè);為傳感器工作提供工作電源;檢測(cè)傳感器輸出的電流，設(shè)計(jì)I→V轉(zhuǎn)換電路，測(cè)量濁度傳感器輸出電流;設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換電路，將I→V電路輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

提供濁度傳感器工作的電源，精度為12 V±5%;測(cè)量范圍為0～2 000 NTU，分辨率為0.1%;檢測(cè)精度為±1%。

濁度傳感器通過(guò)紅外發(fā)射光線，在光線的接收端接收紅外線，而光二極管根據(jù)紅外線的強(qiáng)度即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，再通過(guò)I→V電路送至AD轉(zhuǎn)換器。

4 接口功能設(shè)計(jì)

提供MODEBUS RTU協(xié)議接口，接口電平符合RS485電平標(biāo)準(zhǔn);波特率為9 600 bps，1 bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)位，0 bit校驗(yàn)位，1 bit停止位;為余氯傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、濁度傳感器提供相應(yīng)的輸入輸出端口;設(shè)計(jì)1路藍(lán)牙接口，符合藍(lán)牙4.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，2路以太網(wǎng)接口，用于巡檢、調(diào)校、參數(shù)設(shè)定及內(nèi)部參數(shù)調(diào)整等。預(yù)留DI/DO接口各4個(gè)，具有I/O的擴(kuò)展功能。

5 傳感器校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)

傳感器均需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和采集，本方法中，濁度傳感器根據(jù)傳感器的接口命令，下發(fā)校準(zhǔn)指令進(jìn)行儀器的校準(zhǔn);余氯傳感器、溫度傳感器和pH值傳感器需實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的調(diào)理和采集，并提供校準(zhǔn)電路和軟件命令。

傳感器校準(zhǔn)功能對(duì)外全部開(kāi)放，可以進(jìn)行特定傳感器的校準(zhǔn)或全部校準(zhǔn);顯示屏應(yīng)能夠顯示傳感器上次校準(zhǔn)時(shí)間，當(dāng)前校準(zhǔn)進(jìn)度等信息。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)采集分析方法和實(shí)現(xiàn)，解決了當(dāng)前水質(zhì)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和靈活性的弊端。同時(shí)，采用了多種數(shù)據(jù)傳輸方式（RS485、以太網(wǎng)、藍(lán)牙），滿足當(dāng)前靈活性的需求，任意一種通信方式均可以獲取當(dāng)前的傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)、遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程管理等各種可能場(chǎng)景的需求，多種數(shù)據(jù)傳輸是對(duì)水質(zhì)分析儀靈活性的一種補(bǔ)充，是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)分析儀最大化應(yīng)用的重要方式。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]HG/T 20507—2014，自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]武漢博文電子有限公司.CL4000余氯分析儀說(shuō)明書[EB/OL].https：//max.book118.com/html/2015/0730/22

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[3]上海博取儀器有限公司.YLG-2058智能余氯分析儀說(shuō)明書[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/1ec11f8e

680203d8ce2f2428.html，2012-10-11.