多参数水质分析仪数据采集分析方法与实现

岳敏

【摘 要】对多参数水质分析仪数据采集方式进行分析与实现，将分散的数据实时集中采集检测，提高检测效率。在此基础上，延伸至不同类型的传感器，设计丰富的数据接口，满足设备通用性及灵活性需求。

【关键词】多参数;实时;集中采集;丰富的数据接口

【中图分类号】X832 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0075-02

0 引言

随着人们生态环境保护意识的增强，对水质要求的不断提升，在水及污水处理行业，越来越多的水质检测仪表应用在各工艺现场。针对这些不同的工艺场合，仪表在各种复杂的使用环境、安装条件下，需要采用一种更为集中、便捷、通用、灵活的数据采集方式。

1 目的

为进一步提高仪表检测效率，集中控制数据采集，设备更加灵活、通用，通过分析仪表检测原理，将多个分散仪表数据采集集中化，设计共用数据采集方法，提高仪表检测效率及其通用性，使仪表选择更加自由、广泛。

2 主要研究内容

具备4种参数在线检测，分别是余氯检测、温度检测、pH检测和浊度检测。

（1）输入电压范围：185～265 V AC，50 Hz。

（2）输出电压要求：22～26 V DC。

（3）功耗要求：输入功率不大于30 W。

（4）在线实时对余氯、浊度、温度和pH值传感器信号进行采集和处理。

（5）通信实现功能：余氯、浊度、温度和pH等测量值实时显示，人机交互。交互内容包括仪表报警（超限、传感器故障等）、安全设定、时间设定、仪表测量调校设定、仪表模拟输出调校设定（零点、满度调校及指定值模拟输出设定）、仪表输出通道设定（模拟输出内容设定、模拟输出量程设定、继电输出内容设定、继电输出动作限值设定等）、测量周期设定、外部冲洗周期及冲洗时长设定、仪表输出信号零点满度设定（0～20 mA或4～20 mA）、仪表版本信息、仪表单位设定（比如浊度单位mg/L、NTU、FTU;温度单位℃、■等）、通信协议设定（站号、波特率、停止位、校验位、数据位、字节顺序、单精度双精度浮点数等）、故障查询、事件查询、仪表原始电压信号显示、探头连接情况等;传感器的校准功能，传感器校准数据。

（6）接口设计：设计四路RS485串行接口，接口符合RS485电气标准，半双工通信，波特率通过外部命令设置为2 400、4 800、9 600、19 200、38 400、115 200通信接口，默认为9 600，1 bit起始位，8 bit数据位置，无奇偶校验，1 bit停止位;其中，一路用于传感器通信，一路用于显示屏控制，一路用于调试，一路备用预留。设计四路传感器接口，分别接入余氯传感器、浊度传感器、温度和pH值传感器，对传感器进行供电和信号采集、转换，传感器供电电压和信号采集方式根据传感器型号设计。设计四路4～20 mA电流变送模拟量输出接口，负载电阻不大于500 Ω。模拟量输出可通过界面修改输出内容。设计一路蓝牙接口，符合蓝牙4.0协议标准，两路以太网接口，用于巡检、调校、参数设定及内部参数调整等。设计DI/DO接口各4个，并保留I/O的扩展功能。

3 数据采集分析方法与实现

3.1 余氯检测

余氯检测以膜法极谱式余氯电极作为传感器，检测水中的余氯浓度。设计I→V转换电路，实现膜法极谱式电极输出电流到电压的转换;设计AD转换电路，实现模数转换。

为电极提供极化电压为40～70 mV，1.0 mV可调;设计I→V转换电路，实现10 nA级别的电流检测精度;余氯检测范围为0～20.00 mg/L，分辨率为0.01 mg/L;余氯检测精度为±2%或±0.035 mg/L，取较大者。

电解液和渗透膜把电解池和水样品隔开，渗透膜可以选择性让ClO-穿透;在两个电极之间有一个固定电位差，生成的电流强度可以换算成余氯浓度。

在阴极上：ClO-+2H++2e-→Cl-+H2O

在阳极上：Cl-+Ag-→AgCl+e-

由于在一定温度和pH值条件下，HOCl、ClO-和余氯之间存在固定的换算关系，通过这种方式可测量余氯。

采用渗透膜原理，选择性让ClO-穿透，测量出HOCL的浓度。反应产生的电流在固定的pH和温度下，电流大小与反应的强度成正比，因而可以利用余氯传感器在阳极和阴极上产生的电流来测量HOCL的浓度。

余氯传感器工作一段时间之后需要重新校准，校准分为两种：{1}零点校准。在无氯水中，读取当前传感器输出的电流，理论值是0，但由于传感器制造及读取电路的精度问题，传感器在零点时，输出并非0 nA的電流，因此通过无氯水的校准方法可以实现传感器的零点。{2}斜率校准。余氯的浓度与产生的电流成线性关系，即输出电流=零点电流+斜率×余氯浓度。

而斜率与温度、pH及传感器自身的特性有关，因而在进行零点校正之后，需要对斜率进行校准，校准方法采用实验室校准法，在余氯浓度已知的情况下测量输出电流。此时，零点电流已知，余氯浓度已知，输出电流通过仪表测量得到，则此时斜率即可通过计算得到。

余氯传感器的校准主要采用的是实验室校准法，此种方法成本低、精度高，缺点是需要已知校准液的浓度。

3.2 温度检测

使用电极自带的温度传感器（PT100）进行温度检测;提供传感器工作必要的供电电路;设计AD转换电路，实现模数转换;提供10 mA恒流源电路，流过温度传感器;温度检测范围为-20.0～-99.9 ℃，分辨率为0.1 ℃;温度检测精度为±0.5 ℃。

温度传感器为余氯传感器电极自带。传感器自带Pt100铂电阻温度传感器，温度的变化引起电阻的变化，通过设计恒流源电路，测量流过电阻两端的电压，计算R=U/I的值得到相应的电阻值，通过查找Pt100的电阻—温度对应的表即可得到相应的温度值。

温度传感器由于采用的是PT100铂电阻传感器，铂电阻的温度一致性非常好，通过查表的方式即可得到比较准确的温度值。

3.3 pH检测

使用电极进行pH值的检测;为传感器工作提供必要的供电电路;测量传感器电极两端的电压，实现模数转换。

提供基准源电压1.25 V，精度为1%;pH传感器输入阻抗≥1 012 Ω;pH值测量范围为0～14.00 pH，分辨率为 0.01 pH;PH检测精度为0.05 pH。

pH电极两端的电压满足：

电极两端电压=偏置电压+斜率×pH

因此，pH值的测量即变成pH电极两端的电压测量，通过上述公式，即可得到当前的pH值。

由于测量余氯水样的pH值基本在6.00～9.00 pH，因此选择6.86 pH和9.18 pH的标液做两点标定。

3.4 浊度检测

使用浊度传感器电极进行浊度检测;为传感器工作提供工作电源;检测传感器输出的电流，设计I→V转换电路，测量浊度传感器输出电流;设计AD转换电路，将I→V电路输出电压转换为数字量。

提供浊度传感器工作的电源，精度为12 V±5%;测量范围为0～2 000 NTU，分辨率为0.1%;检测精度为±1%。

浊度传感器通过红外发射光线，在光线的接收端接收红外线，而光二极管根据红外线的强度即可转换为相应的电流，再通过I→V电路送至AD转换器。

4 接口功能设计

提供MODEBUS RTU协议接口，接口电平符合RS485电平标准;波特率为9 600 bps，1 bit起始位，8 bit数据位，0 bit校验位，1 bit停止位;为余氯传感器、温度传感器、pH传感器、浊度传感器提供相应的输入输出端口;设计1路蓝牙接口，符合蓝牙4.0协议标准，2路以太网接口，用于巡检、调校、参数设定及内部参数调整等。预留DI/DO接口各4个，具有I/O的扩展功能。

5 传感器校准功能实现

传感器均需要进行数据校准和采集，本方法中，浊度传感器根据传感器的接口命令，下发校准指令进行仪器的校准;余氯传感器、温度传感器和pH值传感器需实现模拟信号的调理和采集，并提供校准电路和软件命令。

传感器校准功能对外全部开放，可以进行特定传感器的校准或全部校准;显示屏应能够显示传感器上次校准时间，当前校准进度等信息。

6 结语

通过以上数据采集分析方法和实现，解决了当前水质检测的实时性和灵活性的弊端。同时，采用了多种数据传输方式（RS485、以太网、蓝牙），满足当前灵活性的需求，任意一种通信方式均可以获取当前的传感器的测量数据，实现了实时检测、远程测量、远程管理等各种可能场景的需求，多种数据传输是对水质分析仪灵活性的一種补充，是实现水质分析仪最大化应用的重要方式。

参 考 文 献

[1]HG/T 20507—2014，自动化仪表选型设计规范[S].

[2]武汉博文电子有限公司.CL4000余氯分析仪说明书[EB/OL].https：//max.book118.com/html/2015/0730/22

310493.shtm，2015-01-01.

[3]上海博取仪器有限公司.YLG-2058智能余氯分析仪说明书[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/1ec11f8e

680203d8ce2f2428.html，2012-10-11.