水质在线分析传感器与仪表技术研究

水质在线分析传感器与仪表技术研究

吴松平

（杭州求是电子有限公司浙江省杭州市311300）

摘要：水质在线分析传感器和仪表技术是水质分析和工程应用的顶层技术，同时，也是构建水环保、环境治理、基于水质在线分析工业流程系统的基础元素，其包含了工业、环保、水质安全、节能减排等普遍应用的电导率、pH/ORP、余氯/二氧化氯、浊度、溶解氧、氟离子等水质在线分析仪表和传感器，本文主要研究了水质在线分析传感器技术及其构成系统的应用，以便于相关工作人员在各领域工程中的典型应用。

关键词：在线分析；传感器；检测

1前言

自来水管网水质在线监测系统是城市数字化供水系统的重要组成部分.自来水管网末端自动监测系统的进水管路，管路上安装水质在线监测传感器和自动采样系统，以实现自动监测、采样，同时将监测的水质数据、采样状态以4-20mA的模拟信号或RS485数字信号输出到数采仪上，通过Internet有线或2G/3G无线等方式将水质监测数据实时传输至管网监测中心站，在管网监测中心站监测系统中嵌入凯日环保自来水管网水质在线监测软件，对自来水管网的水质状况进行实时监测和管理。

2水质检测传感器技术的发展

伴随着西方工业4.0概念的推出，第四次工业革命掀起基于网络技术的传感器数字化革命，一个置于后台与PLC毗部安装。水质分析技术相对于热工传感器难度之高，硬件电路的容量和参数的苛刻令人望而却步，将仪表的功能植入传感器内部有一定难度。

数字化传感器直接输出测量分析的净数据，而不需要仪表再去完成转换，作为系统的一个终端直接挂在DCS系统、组态显示系统、PLC系统、计算机系统的数据总线上，还可以直接连接在各种无线模块上实现数据的调用，让我们为两化建设和物联网技术的发展与水处理领域的同仁共同启航吧!数字化传感器配套上位机标定&设置软件，可简单、快捷的完成传感器的参数查看、标定、设置、校准等功能。

3免化学试剂在线水质检测技术

随着中国工业的发展和人民生活水平的不断提高，一方面水源面临的污染压力越来越大，另一方面人民生活对水质的要求越来越高。因此，为了有效监测水质变化，无论在自来水行业、环保行业还是水利行业，在线水质检测站的数量最近在大规模增加，有些省份每年增加几百个站，甚至上千个站。目前的水质检测站所用仪器大部分采用实验室标准方法自动化的手段，在检测COD、TOC、氨氮等指标时要用到对环境有害的化学药品。当检测站数量少时，这个问题并不严重，但是大量建立的水质检测站在检测水质的同时可能成为水质污染的一个重要因素。因此，本项目拟集成免试剂少维护的在线水质检测站。免化学试剂在线水质检测站将避免检测过程中对水质的污染，同时有效降低检测站的运行成本。从环境保护的角度这样的站才是可持续发展的方向。

3.1免试剂水质检测系统特点

系统几乎免试剂，特别是不用有污染性质的试剂，符合可持续发展精神系统维护周期两个月以上，维护工作量小适当牺牲精度换取免污染和少维护设备简单稳定，故障率低整个站的运行费用低，数据可用性强。

3.1免试剂水质检测系统集成通讯

所有设备具备4-20ma模拟接口或RS485数字接口。集成系统采用RTU与设备连接，在通过GPRS将数据传送到数据中心。数据中心建立检测数据库，并进行历史数据分析。软件系统可以设定报警条件，达到条件时触发报警功能。

4在线检测仪表技术原理介绍

4.1数字化超低量程浊度在线分析仪

被测水样中的气泡流经穿越式消泡器时，水样中所携带的气泡被分离，一个高亮度的平行光束穿过水样时，在光束的照射下样品中的悬浮颗粒发出散射光，这些散射光被900方向上的光电接收器捕获，这个被检出的光强度与水中悬浮物的多少成正相关性，被电子处理单元数据处理之后输出浊度数据。样品恒定流速，不受水样压力变化影响;可直接RS485数据通讯，ModbusRTU协议;具备特种光源提升超低量程的分辨率。

4.2数字化感应式电导率/浓度在线分析传感器

传感器的一个线圈的交变磁场激励导电解质产生电流，另一个线圈上获得感应电势，这个电势的大小正比于电解质的电导率，微计算机解析得到这个电势信号的电导率/TDS/或电解质的浓度数据;这个电导率传感器的测量过程为非接触测量模式，不存在极板式电导池常见的极化现象，因此传感器可以测量高达2，000，000pS/cm溶液的电导率;这种传感器最大的优势是满足几乎所有的强电解质、高粘度电解质、多相介质溶液的电导率测量，且长期无需维护。

4.3数字化电导率/TDS/温度在线分析传感器

测量/通讯一体化设计的数字化传感器，其内部嵌入了测量和温度补偿，设置了RS485数字化物理端口“ModbusRTU协议”，具备接入数据总线地址和波特率由上位机设置。其具备纳米技术芯片，高集成度、抗干扰能力强的特点，可配套通用多功能控制器扩展显示和控制，可与计算机、组态系统无线模块直联，线缆满足数据总线传输要求得以大幅度延长，满足物联网时代的系统成套需求。

4.4数字化差分式pH/ORP在线传感器

差分电极采用两个玻璃电极来得到相对于第三个金属电极的测定差分值。一个玻璃电极构成缓冲液组件，此组件内部进行特殊的设计来进行电化学的链接;另一个玻璃电极则放在待测液中。测量信号经过放大器通道进行优化与传输，经过处理模块进行信号的处理与运算后，输出精确的pH/ORP测量值。

差分测量技术降低了传感器被污染所带来的影响;可更换的液接界、内充液延长了传感器的使用寿命，并消除了组件上沉积物对于测量带来的影响，缓冲液形态变化对于整体测量的影响降到一个极低的水平。pH/ORP传感器测量/通讯一体化设计，仪表直接设计在传感器的内部。设置RS485数字化物理端口（ModbusRTU协议），直接输出pH/ORP/温度测量数据无需转换。可随时更换的液接界和内充液，线缆、电子永久使用，上位机软件频率标定，地址、波特率上位机设置。具备高度集成、抗干扰能力强的特点。并可选择通用多功能控制器完成显示和控制，可与计算机、组态系统、PLC、无线模块直联，无与伦比的应用便利性和性价比;满足物联网时代的系统成套需求。

4.5感应式电导率/浓度变送控制器

无极板传感器浸没在电解质溶液中时，传感器初级线圈在溶液中产生交变磁场，并经由传感器形成闭合电流，这个电流在次级线圈上感应出与溶液的电导率成正比的信号，通过解析这个信号的大小获得电导率/TDS/浓度分析。

由于没有极板与溶液直接接触，测量过程不会产生极化现象，传感器可以测量高达2000mS/cm的电导率溶液，在（（0一120）℃范围中进行温度补偿，对于含油污和低粘度的溶液以及酸碱性化学同样具有很好的测量效果。其集电导率/浓度/TDS/U度测量于一体。

5结语

随着基于水质在线分析技术和流程自动控制的系统集成飞速发展，水质在线分册重点分类介绍了水质在线数字化模块、水质在线现场变送器、数字化水质分析传感器等组成系统和网络的应用架构，新推出数字化物联网传感器与多功能控制器、数字化变送模块、DI/DO模块，是紧随时代和科技发展，力求满足所有工程集成商的多种形式的选型应用，为国家的水环境治理和修复、环境监测、工业过程、水质安全、化学制程、节能减排等领域提供有力的科技手段。本文旨在与水环境工程的同仁分享应用知识和经验，共同承担起促进碧水蓝天和环境对经济持续发展承载能力的历史使命。

参考文献

[1]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册.机械工业出版社.2004-4.

[2]刘存，李晖.现代检测技术.机械工业出版社.2005-5.

[3]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法.中国环境科学出版社.2009-7.