水质监控（精选6篇）
水质监控 篇1
随着我国农业结构的不断调整, 水产养殖模式已经逐渐从传统的粗放模式转为工厂化、集约化模式。近年来, 随着养殖密度的不断增加, 养殖环境水质日趋恶化。恶化的水质极易引起浮头泛塘、病害增加, 进而造成很大的环境污染和经济损失。因此, 对水产养殖水质的监控十分重要。
传统水质监控主要采取人工采样法, 依靠养殖技术人员的经验判断, 存在工作强度大、监测范围小、监测周期长以及无法实时反映水质参数动态变化等问题, 具有很大的盲目性和风险性。因此, 建立自动化、智能化和网络化的水产养殖水质智能监控系统成为必然趋势。本文介绍了水产养殖水质智能监控系统的总体架构, 分析了系统涉及的关键技术, 同时展望了日后的发展趋势。
1 系统总体架构
水产养殖水质智能监控系统由感知控制模块、本地监控中心和远程监控终端三大部分组成, 其总体架构如图1所示。
感知控制模块包含感知模块、控制模块和通信模块。感知模块通过各类传感器实时监测各项水质参数, 如溶解氧、p H值、水温、氨氮、硫化氢和亚硝酸盐。控制模块主要包含增氧机、水泵等设备, 可接收控制指令, 调节水质参数。通信模块以有线或无线通信方式与本地监控中心实现数据通信, 将感知模块监测到的数据实时上传给本地监控中心, 同时也接收本地监控中心的各类控制信息。
本地监控中心通过通信模块接收感知控制模块上传的水质参数数据, 由Web服务器对这些数据进行存储、处理和分析。根据水产养殖专家决策系统, 当水质参数达到预警值时, 服务器会自动发出警报信息, 并向感知控制模块发送控制指令, 运行增氧机等设备调节水质参数。用户可以在本地监控终端 (一般为PC) 查看池塘实时和历史数据, 发出控制指令;也可以使用各种远程监控终端 (如PC、智能手机、平板电脑等) 通过Internet登录Web服务器, 查看池塘水质情况, 实现对池塘水质参数的远程监控。
2 水产养殖水质监测参数
2.1 溶解氧
溶解氧是水产养殖最重要的水质参数之一。在养殖水域中维持适当的溶解氧, 可有效抑制硫化氢、亚硝酸盐等有毒物质的产生。如果溶解氧含量过低, 将会引起水产动物生长缓慢、减产甚至绝迹。反之, 如果含量过高, 会引发水产动物的气泡病。鱼虾蟹类的养殖水域溶解氧含量应维持在5~8mg/L, 至少要达到4mg/L。
2.2 p H值
p H值对水质影响非常巨大, 淡水养殖p H值一般控制在6.5~8.5之间, 海水养殖一般在7~8.5之间。p H值过低会导致水产动物患寄生虫病或生理缺氧症, 过高又会腐蚀水产动物腮部导致其无法呼吸而死亡。此外, p H值的过高或过低还会影响水中微生物生存, 破坏生态平衡, 进而影响水产动物的生存。
2.3 水温
水温对水产动物的生长有着极其重要的意义。水温过高会影响水产动物正常新陈代谢, 降低水中含氧量, 导致水质急速败坏, 并增加水中氨氮等毒素的毒性。水温过低也会影响水产动物新陈代谢, 影响它们的摄食, 导致寄生虫类疾病多发。因此, 为了获得最佳生产效益, 最好将水温控制在最适合水产动物生长的范围内。
2.4 有害物质
水产养殖水域中常见的有害物质有氨氮、亚硝酸盐和硫化氢。
2.4.1 氨氮
养殖水体中的氨氮主要来源于肥料、饲料、水生物排泄和注入的其他水体。对水产生物来说, 氨氮是剧毒物质。氨氮浓度过高会导致水产生物血液载氧能力和免疫力降低, 呼吸困难, 分泌物增多, 甚至衰竭死亡。
2.4.2 亚硝酸盐
氨氮被亚硝化菌氧化分解就会变成亚硝酸盐, 亚硝酸盐进入水产生物血液后, 使血液中血红素转变为变态血红素, 丧失携带氧气功能, 导致水产生物缺氧, 出现“冒底”、“偷死”、“浮头”等现象。
2.4.3 硫化氢
养殖水体中的硫化氢主要来源于水中一种还原细菌, 该种细菌分解硫酸盐和有机物产生硫化氢。硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体, 对水产生物有直接毒害作用, 同时由于它的氧化作用, 能快速消耗水中氧气, 导致水产生物死亡。
3 感知控制模块与本地监控中心通信方式
感知控制模块可通过有线或无线的通信方式实现与本地监控中心的双向通信。有线通信方式一般基于现场总线技术, 而无线通信方式主要基于Zig Bee技术。
3.1 现场总线技术
现场总线是应用在生产现场, 连接测量设备与主控设备的双向、串行、多节点、数字式的数据总线系统。目前国际上比较流行的现场总线标准有HART总线、基金会现场总线、CAN总线、Lon Works总线、Profibus总线等[4]。基于现场总线的分布式控制系统具有高准确性和可靠性、良好的自助性、较强的协调性等优点, 在早期水产养殖水质智能监控系统中得到广泛应用。
3.2 Zig Bee技术
基于现场总线的通信方式虽然一定程度上可以满足水产养殖的生产需求, 但是仍然存在众多问题。在工厂化、集约化水产养殖模式下, 现场总线系统需要布置大量电缆线, 施工难度大、布线困难、现场极为凌乱, 只能进行比较简单的网络控制。同时, 水产养殖环境通常具有高湿度、高盐度等特点, 使得线缆易受腐蚀和破坏, 维护成本高, 扩展性差。
Zig Bee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离无线通信技术, 它具有近距离、低成本、低功耗、自组织、低数据传输速率的特点。其低功耗的特点使得使用较小的电池就能获得很长的使用寿命, 而自组织网状结构也可提供更高的可靠性、更大的网络容量和更广的覆盖范围。一般应用于远程控制和自动控制领域, 适用于各种嵌入式设备。因其低功耗、低成本、自组织等优势, 逐渐成为无线传感器网络的首选通信协议。目前的水产养殖水质智能监控系统中, 感知控制模块与本地监控中心的通信多采用Zig Bee无线通信技术。
4 服务器—监控终端软件架构
Web服务器和监控终端需共同完成水质监测数据的存储、处理、分析和显示功能, 当水质出现问题时, 能根据专家决策系统, 及时发出警报, 并自动控制相关设备进行水质调控。用户能随时随地通过本地或远程监控终端查看当前和历史水质参数数据, 并能根据自身经验对水质调控设备进行本地或远程控制。为了实现上述功能, 需开发一套水产养殖水质智能监控软件系统, 目前主流的软件系统架构主要有C/S (Client/Server, 客户端/服务器) 架构和B/S (Browser/Server, 浏览器/服务器) 架构。
4.1 C/S架构
C/S架构中, 服务器运行大型数据库系统, 如Oracle、SQL Server等, 主要负责原始数据和处理结果的存储管理;客户端需要安装专门的客户端软件, 向服务器查询数据, 并对数据进行处理、分析, 将最终结果通过用户界面呈现给用户。这种架构可以充分发挥客户端的运算和处理能力, 结构简单。
4.2 B/S架构
B/S架构中, 客户机只要有浏览器即可, 服务器仍需运行大型数据库系统。客户机通过浏览器接收用户的请求, 浏览器向Web服务器发出请求, 服务器对数据进行查询、处理、分析和存储, 最后由浏览器将服务器传递来的分析结果呈现给用户。这种结构中, 客户机的浏览器并不参与运算, 主要运算和存储工作都由服务器完成。
4.3 两种结构的比较
C/S架构需针对不同的客户端操作系统 (如i OS系统、Android系统、Windows系统等) 开发不同的客户端软件, 开发周期长, 扩展性差, 每次系统升级时需卸载和重装所有客户端软件, 维护难度大。
B/S架构中, 客户机无需安装专门软件, 只要有浏览器即可, 对客户端要求小, 支持不同操作系统的终端, 软件的开发和维护难度大大降低。但是其对批量数据输入输出、图形图像复杂应用及与客服机本地资源交互的支持性较差。
在水产养殖水质智能监控系统中, 客户端基本不存在大批量的数据输入输出等业务, C/S架构和B/S架构均可选择。如果选择C/S架构, 需针对不同客户端操作系统开发不同客户端软件, 承担相应维护任务, 但是这些软件可以一直保持后台运行, 用户可随时通过客户端软件接收警报信息。如果选择B/S架构, 客户端扩展和维护成本低, 开发难度小, 但是发生紧急情况时, 如果用户当时没有打开浏览器登录Web服务器, 无法接收到警报信息, 一般需以短信或电话提醒等形式及时通知用户。因此, 在进行水质监控系统设计时, 可根据所选终端和开发维护条件选择C/S或B/S架构。
5 总结
我国是水产养殖大国, 但是与许多发达国家相比, 还不是水产养殖强国, 在水产养殖现代化的道路上还有很长的路要走。水产养殖的智能化、信息化, 将会成为提升我国水产养殖实力的关键。随着传感器技术、无线视频传输技术、数据挖掘技术的不断发展, 多传感器信息融合、远程高清视频传输、感知数据智能处理与水质监控的结合, 将会成为未来发展趋势。
参考文献
[1]曾洋泱, 匡迎春, 沈岳, 等.水产养殖水质监控技术研究现状及发展趋势[J].渔业现代化, 2013, 40 (1) :40-44.
[2]赖年悦, 杨粤首, 魏泽能.基于物联网的池塘高产养殖水质智能调控技术[J].水产养殖, 2013 (5) :36-39.
[3]黄建清, 王卫星, 姜晟, 等.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报, 2013, 29 (4) :183-190.
[4]张桢, 牛玉刚.DCS与现场总线综述[J].电气自动化, 2013, 35 (1) :4-6, 46.
[5]蒲泓全, 贾军营, 张小娇.Zig Bee网络技术研究综述[J].计算机系统应用, 2013, 22 (9) :6-11.
血液透析用水处理系统与水质监控 篇2
1 水中的超标物质及其对人体的危害
水处理的源头供水按规范要求需使用符合饮用水标准的自来水[1], 也有的医院因为自来水水质不稳定而使用医院备用井的地下水。水中的超标物质主要包括微生物、化学污染物和不溶性颗粒。自来水水质不稳定的医院, 夏季要特别注意水中氯和氯胺的含量。在某些地下水硬度较高的地区, 使用地下水时要特别关注微生物污染和硬度的检测。微生物主要是细菌及其释放和降解产物 (内毒素) , 偶尔也有真菌、病毒和酵母等[2]。细菌可以附着在反渗膜、输送水管道、储水箱等地方, 可进入透析用水和透析液中繁殖。如果透析膜出现破坏, 细菌就可以进入患者的血液中, 引起菌血症。即使透析器不破膜, 细菌的产物和细胞膜的成分也可以通过透析器膜孔进入血液, 引起患者的热源反应, 使患者出现发热、寒战、低血压、恶心等症状, 严重的导致患者死亡。细菌可以被加热和化学方法杀死, 也可以被水处理系统过滤掉。内毒素是革兰阴性菌细胞壁的成分, 可引起发热反应, 患者长期与含有内毒素的水接触, 可引发慢性并发症, 如免疫功能下降、淀粉样变、动脉粥样硬化、血管疾病、分解代谢亢进、促红素抵抗等。内毒素很难被清除, 保持水中细菌的低浓度, 保持水和透析液处于流动状态, 可以避免内毒素的积累。
常见的化学污染物有:钙、镁、钾、铝、砷、铅、活性氯、氯胺和硝酸盐等。其中钙和镁超标可引起患者恶心、呕吐、头痛、虚弱、高血压等“硬水综合征”表现;钾超标可引起心律失常、心跳停止;铝超标可引起透析脑病 (痴呆) 、骨软化症、小细胞性贫血;氯胺超标可引起溶血、贫血、高铁血红蛋白血症[3]。其表现可以是急性的, 也可是慢性的, 而某些并发症是致命的。
2 水处理系统的组成及各部分的作用
2.1 前处理系统
2.1.1 反渗透系统的水源
整个水处理系统要求恒定的供水流量和供水压力, 供水增压泵用于克服前处理对水的阻力, 保障反渗机进水压力与流量, 增压泵的水压控制在0.3~0.5Mpa。压力罐具有缓冲作用, 防止震动和水流快速流过管道, 维持水流量。
2.1.2 普通过滤器 (砂滤和滤芯)
沉淀式过滤器 (多介质过滤器) :主要填充物为石英砂粒时称为砂滤罐, 利用分子大小阻隔5~500μm的微粒, 去除原水中的泥、沙、悬浮颗粒等。如水中含铁较多可在2~5层石英砂上面增加一些锰绿砂, 利用其催化作用使铁沉淀而清除。
2.1.3 软水器 (树脂罐)
可去除水中的钙、镁离子, 防止“硬水综合征”, 同时也可防止下游设备中有碳酸钙形成而堵塞反渗膜。常用阳离子交换树脂 (钠型交换树脂) , 主要机理是钙、镁离子与钠离子交换, 达到清除钙、镁离子的目的。
2.1.4 活性炭过滤器 (活性炭罐)
主要用来清除自来水中的游离氯, 也可清除可溶性有机物、致热原和色素等。
2.2 反渗透装置系统
包括保安过滤器、反渗透膜及膜壳、高压泵、阀门、传感器、仪表、控制电路等。作用机理是在高浓度的溶液一侧施加压力并超过渗透压, 溶剂就反向从高浓度一侧, 通过反渗透膜向低浓度一侧移动。水进入反渗装置后, 透过反渗膜的水称为纯水或反渗水。水处理的反渗透膜是一种极小分子孔径的半透膜, 可阻隔溶解性无机物及细菌、内毒素、病毒和颗粒等有害物质, 利用其离子排斥的原理, 尚可去除90%~95%的双价离子和95%~99%的单价离子。其产水量受温度、p H值、给水压力、给水含盐量等影响。
新的规范[1]要求, 新建血液净化单位水处理设备必须采用双极或多极反渗透装置。两极反渗透系统可有效提高透析用水的水质, 在一级反渗透系统去除水中90%以上的离子基础上, 第二级反渗透系统再去除70%以上的离子, 同时进一步降低微生物、内毒素及其他物质可能对透析用水所造成的长期污染。
2.3 后处理系统
包括卫生级管件、储水容器、单向阀和透析机接口等组成输送部分。一般不设水箱, 防止细菌生长, 但许多医院考虑到配液、冲洗、故障后的停机缓冲, 仍在水处理管路上设置纯水箱, 如果必须采用, 需保证水箱密封、能消毒、桶壁光滑, 不留死角, 箱体的最低点安装排液口, 便于排空。
水处理系统要求是一个密闭的循环系统, 供水管道上避免死腔和分支, 尽量减少输送管道旁路所引起的水滞留, 如果管道上有阀门, 应安装在侧支上, 且侧支长度不能超过循环管道, 可选择内径较细的管道, 保证高流速, 选择没有接头、裂纹、内壁光滑的材料, 以防止细菌附着在管壁上。
3 水处理系统的布局和安装流程合理
布局合理, 整个血液透析中心划分为:清洁区、半污染区和污染区。水处理机器安置于清洁区内, 避免阳光直射, 防尘、防高温、防震动, 有良好的通风条件, 具备足够的空间便于操作、检修和水质取样。
按照沉淀式过滤器→活性炭过滤器→软水器→保安过滤器→反渗透机装置→超精密过滤器→ (水箱) 的顺序安装。如果水源中含氯和氯胺不高, 可以将软水器安装在活性炭过滤器前面, 因为高浓度钠可以一定程度减慢细菌在炭过滤器和反渗膜中的生长[4]。直供式水处理系统的循环水必须在反渗透系统的前端接入循环, 而不是在其后端接入水箱。
4 水处理系统的日常维护和监测[1]
4.1 沉淀式过滤器、活性炭过滤器和软水器的反冲
反冲可冲洗截留物质, 松动滤料。监测滤罐前后的压力差, 如达到68.95KPa, 说明滤罐堵塞并污染, 需要增加反冲次数。监测活性炭过滤器出水的余氯或氯胺或总氯, 如超标, 需要反冲来增加活性炭的接触面积。反冲洗一般每周2~3次, 设在无人透析的夜间进行。
4.2 树脂的再生
定期用饱和盐水对树脂进行再生, 每天开机时监测软水器的出水硬度;每天关机时检查软水器盐桶内盐量, 保证盐桶有足够未溶解的盐, 如不足要及时向盐桶内加盐, 并充分的搅拌, 否则树脂不能充分再生, 将增加水的硬度。
4.3 反渗透系统的监测和日常维护
按制造商推荐周期监测反渗透装置的脱盐率>90%, 每天持续监测反渗透装置的产水量、浓水流量和水回收率;控制反渗透系统的回收率, 系统回收率应小于75%, 一般排水流量计指示是产水流量计的1/2。调节反渗透膜的工作压力, 高压泵出口压力一般在1~1.5Mpa, 压力增高产水量增加。
5 器件的更换[1]
水处理设备的许多材料具有多孔结构, 适合细菌附着和透过, 其部分工艺采用膜材料, 长期使用受化学物质的影响, 会导致老化, 降低清除能力。当清洗、反冲和再生恢复不了它们的功能时, 就应更换, 以保证水质。一般石英砂过滤器每年更换1次, 活性炭过滤器建议每年更换1次, 树脂软化器一般每1~2年更换1次, 精密过滤器一般每2个月更换1次, 反渗透膜每2~3年更换1次。
6 水处理系统的清洗消毒
水处理系统消毒的主要目的是预防微生物的繁殖, 而不是发现微生物生长后再进行杀灭和清除生物膜。微生物繁殖后, 如果较长时间得不到杀灭, 应会在反渗膜和反渗水输送管路内部形成生物膜, 并释放内毒素, 此时生物膜通过消毒极难清除, 往往需要更换器件, 花费数以万元计, 才能使水质达标。故需要有计划地、预防性地进行定期消毒。
常用的方法有化学消毒法、臭氧消毒法和热消毒法。注意需要根据不同品牌水处理系统的要求进行消毒;在相关浓度和温度情况下, 达到足够的接触时间才能达到消毒效果;消毒剂不得和水处理系统起化学或者物理反应;化学消毒完成后要对残余消毒剂进行冲洗并测定残余消毒剂的浓度, 合格后方可使用;消毒的过程复杂, 花费时间长, 需要制定详细的消毒流程, 按步骤执行并记录。
目前最常用的消毒方法为化学消毒中的过氧乙酸消毒法, 我院使用的杭州天创水处理系统, 厂家要求消毒方法为:配置0.3%~0.5%的过氧乙酸, 静置24h后, 加入系统中循环30min, 浸泡40min, 冲洗15min, 清洗80min, 清洗结束后, 测定管路中残余的过氧乙酸浓度不过超过1mg/L[1], 否则要反复冲洗, 直到余氯检测合格方可使用。
如果在反渗水管路上加装水箱, 需要用紫外线进行实时辐射杀菌, 一般选择波长在254nm的紫外线对杀灭细菌最有效, 辐射量最少为30MW·s/cm2, 当最小辐射量低于16 MW·s/cm2时要更换灯管。杀菌的同时增加了水中的内毒素, 因此一般在其后级安装精密过滤器, 以保证出水的内毒素指标达到标准要求[1]。
7 透析用水的水质监控
监控内容包括透析用水的微生物和内毒素含量、电导率、p H值、化学污染物含量、软水硬度和游离氯含量。规范要求每月监测水箱和输送管路的细菌含量, 每3个月监测内毒素含量[1]。但王质刚等认为需要每月监测水箱和输送管路的细菌和内毒素含量[2]。取样点为反渗水离开反渗透系统进入储水桶之前;储水桶出水口;反渗水输送系统回路终点;透析液配制室反渗水进口;如有复用室, 则其反渗水进口也要取样。取样点不需要消毒。取样点须打开反渗水冲洗至少1min。要求细菌菌落总数<200cfu/m L, 内毒素<2EU/m L, 如果超标, 需要对系统进行消毒, 并每周检测, 直到达到标准。细菌菌落总数>50cfu/m L, 内毒素>1EU/m L, 即要进行干预[5]。干预措施如下[1]:①检查反渗水输送系统的消毒程序及反渗水输送管道系统中的死角、细菌过滤器。②清洗和消毒反渗膜, 消毒反渗水输送系统, 包括整个输送循环管路。③在反渗水输送系统安装内毒素过滤器和 (或) 增加细菌过滤器的消毒频率。④确保机器上的进水管已经消毒。
电导率应小于10μs/cm, 一般控制在5μs/cm以下, 如发现升高较快需查找原因[1]。纯水的p H值应维持在5~7的范围[1]。
化学污染物必须符合中华人民共和国医药行业标准YY0572-2005《血液透析和相关治疗用水》的标准, 并参考2008年AAMI (美国医疗器械促进协会) 标准, 至少每年测定1次[6]。软水总硬度<17.2ppm, 每日检测1次[1]。游离氯:活性炭罐出水口的余氯<0.5mg/L或氯胺<0.1mg/L或总氯<0.1mg/L, 每班检测1次[1]。化学污染物、软水硬度和游离氯检测结果和化验单应登记并保留。新安装的水处理系统或怀疑水处理系统有问题时应提高检测频度;如果确定处理设备存在问题而不能及时纠正, 就应停止使用[7]。
8 高通量透析和超纯透析用水的概念
高通量透析是指使用对尿素的超滤系数﹥20m L/ (h·mm Hg·m2) 的透析器进行的透析。此种治疗方式一般每次3h, 每周6~9h, 较使用普通透析器的每次4h, 每周8~12h明显缩短;高通量膜的生物相容性好;对中、大分子具有高通透性都是其优势所在。高通量透析治疗时透析液流量可达800~1000m L/min。随着超滤系统的加大, 在透析器出口处, 存在静水压梯度, 治疗过程中可出现“反超滤”, 致使透析液中的污染物进入血液, 因此对透析用水的要求更高。故建议使用超纯透析液时行高通量透析[2]。
超纯透析液目前无统一标准, 一般要求细菌菌落总数<0.1 cfu/m L, 内毒素<0.03EU/m L[2]。蒋建平、侯凡凡认为[8]使用超纯透析液能改善患者慢性炎症反应状态、氧化应激和脂质代谢, 推测使用超纯透析液可以减少血液透析患者心血管疾病风险, 降低患者死亡率。
9 讨论
尿毒症行血液透析患者治疗时需大量接触反渗水, 每周使用量约300~400L, 水的质量直接影响患者的透析质量和生命安全。血液净化中心的医护人员不能只重视尿毒症患者本身的疾病, 忽略了透析用水的水质、水处理设备的质量和维护, 导致透析用水质下降, 对患者造成不良后果。
血液净化中心需成立以主任、护士长、医护技术骨干和工程师组成的质量控制小组, 质控小组的医护人员必须熟悉水处理系统的作用、日常维护和因水质问题所致并发症的临床表现, 发现问题, 及时和工程师沟通, 查找原因, 尽早维修, 防止问题持续或扩散。工程师要定期做好水处理系统的维护, 保证水处理系统每日正常运转;根据设备的要求进行冲洗和消毒;定期进行透析用水的相关指标检测, 确保其符合相关质量控制的要求;每半年对水处理系统进行技术参数校对。质控小组要落实上述措施的执行情况, 记录相关过程, 及时总结, 持续改进。
参考文献
[1]季大玺, 邢昌赢.血液净化中心 (室) 水处理建设管理规范[M].南京:东南大学出版社, 2012:22
[2]王质刚, 陈仙明, 吕维敏.血液透析用水处理和透析液//王质刚.血液净化学[M].第3版.北京:北京科学技术出版社, 2010:59.
[3]王质刚.透析与肾移植实用手册[M].北京:北京科学技术出版社, 2007, 100-101.
[4]朱弋, 李晓东, 吴新社.血液净化水处理系统结构及质量装备[J].中国医学装备, 2011, 8 (4) :36.
[5]叶朝阳.血液净化的水处理配置和质量控制要求[J].中国血液净化, 2009, 08:419.
[6]陈香美.血液净化标准操作规程[M].南京:人民军医出版社, 2010, 14.
[7]中国医院协会血液净化中心管理分会.血液透析质量控制和管理指导原则[S].中国血液净化, 2010, 9 (1) :3.
池塘养殖水质监控系统设计与实现 篇3
养殖水体是水产动物的栖息场所,水体中的溶解氧、pH、二氧化碳、氨、氮及金属离子浓度、有机质含量的变化均可影响水产动物的健康和抗病力[1],因此优良的水体环境在水产养殖中居重要地位。传统的水质管理主要依赖于养殖管理者的经验,水质控制很难做到准确可靠,养殖生产也得不到保障。因此,必须采用先进的计算机技术、传感技术、网络通信技术和自动控制技术[2]等手段才能改变传统的、依靠经验的养殖管理方式,保证理想的养殖水环境,达到稳产、增产和降本的目的,真正保证水产养殖业的可持续健康发展。池塘养殖水质监控系统能自动进行数据采集和记录,并实时进行专业化智能数据分析处理,最后将处理结果及时输出作报警人工处理或全自动控制。
1 系统结构设计
本系统由支持RS-485协议[3]的传感器、控制器、关系型数据库管理系统、系统主控程序以及连接这些设备的集线器和通信转换器组成,系统结构见图1所示。系统通过传感设备能够实时收集养殖环境水质数据(包括水温、pH、溶解氧、氨氮、水位等指标),并能够自动控制渔用设备(包括增氧机、投饵机、水泵等)。用户可以根据不同厂商设备的性能价格选择传感设备和控制设备,通过设备接口驱动和数据库管理系统完成这些设备与系统主控程序之间的数据采集、传送、处理及存储工作。
2 系统功能模块设计
系统主要由5个功能模块组成,包括配置模块、设备管理模块、监测模块、控制模块和报警模块,如图2所示。
2.1 配置模块
配置模块主要包括通信端口配置和数据库管理系统配置。整个系统中所有的通信设备最好使用相同的波特率,一般情况下绝大多数通信设备都支持以下通信参数设置:波特率9600,数据位8,校验位无(No Parity),停止位1。不同的数据库管理系统在进行数据库系统配置时对参数的要求不同。选用何种数据库管理系统用于数据的交换、处理与保存,取决于系统需求规模、应用情况、管理水平和经济条件等一系列因素。一般来说,需求规模较小时选择本地的MS Access数据库管理系统即可,否则选择诸如mySQL或MS SQL服务器较为适合。
2.2 设备管理模块
设备管理模块主要包括监测设备和控制设备管理。监测设备即下位机传感器或第三方监测系统,一般情况下,当用户指定采样指标(监测指标)后,系统自动给出采样设备选项清单;控制设备可以是具有控制诸如增氧机、投饵机、水泵等功能的下位机,通常具有继电功能。
2.3 监测模块
监测模块主要通过传感设备实时收集养殖环境水质数据(包括水温、pH、溶解氧、氨氮、水位等指标),可以显示实时数据和根据用户的查询日期查询历史数据和历史事件,还能显示其历史趋势曲线和历史报警事件。
2.4 控制模块
控制器工作的启动方式一般情况下有自动和人工两种工作方式:在自动方式下,采样设备按采样周期间隔读取数据,将读取数据进行智能化计算处理,并在阈值范围内显示自动处理结果,系统按照处理结果自动给控制设备发送控制命令;而在人工工作方式下,系统则按照人工设定的阈值范围进行报警处理。
2.5 报警模块
系统在运行过程中,当监测值超出报警阀值范围时,设备管理窗口的报警按钮将会激活,点击报警按钮将会弹出报警原因及处理方法窗口,以供人工处理报警情况。
3 系统实现
3.1 开发工具与开发技术
遵照系统设计原则,使用Microsoft Visual C++ 6.0[4]开发工具来实现系统的各项功能。
3.1.1 数据访问技术
系统使用动态链接库[5]、ADO和ODBC[6]3种数据访问技术实现系统与mySQL,MS SQL Server,Oracle,Paradox,dBASE,FoxPro,MS Access等目前主流数据库管理系统之间的数据访问。动态链接库是一个能够提供一些可以直接拿来用的变量、函数或类的库,通过使用动态链接库,程序可以实现模块化,由相对独立的组件组成。ADO是微软开发的一个数据访问组件,ADODC是一个图形化的ActiveX控件,ADODB是一非图形化的ActiveX控件。ODBC是微软公司开放服务体系中有关数据库的一个组成部分,它建立了一组规范并提供一组访问数据库的标准API。ODBC提供了设计、开发独立于DBMS的应用能力。应用程序可以利用SQL来完成其大部分数据库访问任务,有助于实现应用程序和数据库的分离,提高应用系统的数据访问透明性和可移植性。
3.1.2 灰色系统预测技术
灰色系统理论是将数据作累加生成,从而获得光滑离散函数。基于这种函数的收敛性与关联空间的极限概念以及微分方程背景的平射性和有限与无限的相对性,定义出了指标拓扑空间的灰导数,建立了微分方程型的动态模型——灰色动态模型GM(1,N)模型。灰色预测方法是基于单因素GM(1,1)模型作预测的,它包括数列预测、灾变预测、季节灾变预测、拓扑预测与系统预测[7]。
3.1.3 线性规划技术
对于求一组变量Xj(j=1,2,……,n),使之既满足线性约束条件,又使具有线性的目标函数取得极值的一类最优化问题称为线性规划问题。线性规划是1947年美国数学家丹捷格(Dmtzlg)针对《最优规划的科学计算》中提出的“如何使规划过程机械化”的问题建立数学模型,从改造投入产出模型人手,逐步研究形成了“单纯形法”,并于1953年提出“修正单纯形法”,以解决计算机求解过程中的舍入误差问题[8]。
3.1.4 人工神经网络技术
人工神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,从而达到处理信息的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一批相互对应的输入-输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,并最终根据这些规律用新的输入数据来推算输出的结果。这种学习分析的过程被称为“训练”[9]。
3.2 数据访问接口与设备通信接口
为了保证系统的灵活性和扩展性,需要开发数据库数据访问和传感设备、控制设备通信二个系统接口,以保证系统可以与各种数据库管理系统进行数据访问和各种传感设备进行数据采集与控制。数据库数据访问接口支持数据库管理系统动态链接库、ADO和ODBC等多种数据访问连接,并支持目前主流的mySQL,MS SQL Server,Oracle,Paradox,dBASE,FoxPro和MS Access数据库管理系统。监控设备通信接口(见图3所示)支持特定的设备驱动程序并支持有线或无线通信。
3.3 设备管理
水质监测控制管理主要是系统根据水温、光照、气压、溶解氧、氨氮、硫化物、亚硝酸盐、pH值、电导率和氧化还原电位等传感器的水质监测数据进行不同养殖生产阶段智能化计算处理,实时控制水泵、增氧机等水质控制处理设备的运行。设备监控处理流程见图4所示。
4 结语
水产养殖水质监控系统是水产养殖户用于水质在线实时监测和渔用设备自动控制的应用软件,系统支持国内外主要厂商生产的养殖环境在线测量仪器设备和主流关系型数据库管理系统,能自动进行水质指标数据的采集和记录,并根据不同的养殖对象、环境、方式和状况实时进行专业化智能数据分析处理,最后将处理结果及时输出,做报警人工处理或全自动控制。水产养殖水质监控系统改变了传统的养殖生产管理方式,促进了水产养殖业的可持续发展。
参考文献
[1]蒋成春,周兴华.影响水产动物抗病力的因素及改善措施[J].饲料广角,2002(11):15-17.
[2]耿光楠.基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现[D].天津:河北工业大学,2007.
[3]王健波,宋凯.RS-485总线通信协议的分析和实现[J].沈阳理工大学学报,2006,25(1):29-32.
[4]徐世许,郑健,孙卫国.基于VC的控制器网监控系统设计[J].青岛大学学报,2007,22(1):30-34.
[5]高连生,盛柏林.动态链接库在组态软件中的应用[J].工业控制计算机,2010,23(6):21-22.
[6]付娟.数据库访问技术的探讨[J].福建电脑,2009(12):19.
[7]刘军,赵敏娟.基于灰色系统的杨凌建设用地预测[J].陕西农业科学,2010(4):152-156.
[8]王俊淑,殷明浩,谷文祥,等.基于整数线性规划的智能规划研究[J].世界科技研究与发展,2008,30(5):557-584.
水质监控 篇4
20世纪中期以来, 随着地理信息系统技术、遥感技术和全球卫星定位技术等3S技术的迅速发展, 人们开始探索这些监控技术在地表水质自动监测中的应用。
2 实现地表水质自动监测目标的关键
随着我国地表水质自动监测规划的实施, 要实现地表水质自动监测的目标, 就必须采用先进的水质自动监测技术作为保障, 对水质站网进行优化配置和合理布局。在地表水质自动监测实施过程中, 应该充分考虑我国的国情, 从实际出发, 实事求是, 建立既能满足当前地表水质自动监测工作要求, 又留有超前发展冗余的地表水质自动监测系统结构。
3 国外现代化地表水质自动监测体系现状
地表水质自动监测系统是20世纪70年代发展起来的, 在美国、英国、日本、荷兰等国已有相当规模的应用, 并被纳入网络化的“环境评价体系”和“自然灾害防御体系”。一则可为综合评价水功能区的水环境质量提供基础性数据, 二则可迅速发现突发性水质污染事故或天灾, 将水域异常水质情况、污染传播源及影响规模通过系统的通信网络传至控制中心, 为决策部门把握灾害的性质状态, 从而制定灾害的防治对策提供依据。
4 先进的监测技术要与先进的信息管理技术相结合
随着科学技术的进步, 地表水质自动监测技术迅速发展, 仪器分析、计算机控制等现代化手段在地表水质自动监测中得到了广泛应用。分析方法从手动和半自动实验方法和仪器也正逐步被计算机控制的自动监测、遥测装置所代替。地表水质自动监测系统是以在线自动分析仪器为核心, 运用现代传感器技术, 自动测量技术, 自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系, 目前地表水质自动监测软件系统由自动站监控软件和中心站监控软件两个基本部分组成, 下面做分别介绍。
4.1 自动站监控软件
软件用于在现场控制各个仪器的工作状态, 它运行在Windows2000以上的操作系统, 采用工业控制标准的MODBUS/RTU协议与控制器进行通讯。
●以动画的形式实时显示系统工作状态, 其中包括仪器的采水, 配水, 管路清洗等单元以及仪器的校准, 管路的工作和输出情况, 并可根据需要进行控制参数的修改和设定;
●显示各种仪器仪表和传感器的输出数值 (16路4~20m A) , 系统的控制输出 (DO) 状态;
●通过RS-485通讯口, 系统能够与支持MODBUS/RTU通讯协议的智能仪器进行通讯, 显示或设定其工作状态, 最多可连接32个智能仪器;
●可以实时记录和显示各种仪器仪表和传感器的输出曲线;
●可以观察历史和实时的超标和报警事件等状态, 并向中心站发送警报;
●可在现场或远程对系统设置连续或间歇的运行模式;
●能够在水质超标事件发生时触发自动采样仪的采样;
●具有监测项目超标及子站状态信号显示、报警功能;
●必须采用具有校验功能的通讯协议, 能够及时纠正传输错误的数据包。通讯协议推荐采用国际标准协议;能够支持有线通讯并可以扩展无线方式的通讯 (GSM-SMS/CSD/GPRS, 无线电台, 卫星通讯等) ;
●具有24小时自动数据存储, 并可保存三个月以上的数据;
●具有有效的ID授权控制, 能防止非法使用和控制;
●具有强大的网络功能, 能够通过网络路由器来实现与局域或广域网的连接;
●用户可使用其开放的环境对以上功能进行修改, 使它更能接近用户的实际要求;
●现场的工控机和监控软件的运行与否不会影响控制器的功能.控制器和工控机相当于两套数据采集和存储系统。
4.2 中心站软件
●可修改和设置自动站的ID序列号;
●同时支持自动/人工拨号, 收集现场的仪器状态和历史数据并保存;
●中心单元采集精度为16bit, 采集频率为10Hz/通道, 数据采集正确率≥99%;
●停电保护、保存系统参数和历史数据, 来电自动恢复功能;配置相应的后备电源系统, 保证系统断电后通讯部分仍维持运行8小时, 来完成异常事件的上传和远程数据下载;
●由于现场采用MODBUS总线结构 (可以连接32台智能设备) , 所以中心站可以远程访问现场的任意一台智能设备 (由MODBUS地址区分) , 实现远程参数设置和诊断;
●可以在工业组态软件上以动画的形式显示现场的仪器工作状态和采水配水控制的状态;
●开放的标准关系数据库 (SQL Server, Orcal等) , 应具有足够的数据库容量和网络共享功能, 良好的可扩充性和快速的检索。便于维护、备份和数据库应用开发;系统软件应具有原始数据的保护功能;可实现异常数据的自动剔除, 超标数据的列表, 有效数据的统计等功能;
●随时取得实时监测数据, 统计、处理监测数据, 可打印输出日、周、月、季、年平均数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及图表 (棒状图、曲线图、多轨迹图、对比图等) , 并可输入中心数据库或上网;
●收集并可长期存储指定的监测数据及各种运行资料、环境资料以备检索;
●所有历史数据可转换为TXT、EXCEL、DBF文件格式保存, 并能够满足国家环境监测总站数据库系统对本数据的共享、调用数据传递以及操作;
●数据查询功能, 按需要进行各种方式的数据查询;
●维护检修状态测试, 便于例行维修和应急故障处理等功能。
5 发展趋势
5.1 目前通讯技术的发展采用GPRS及更
为先进的第三代无线通讯技术是今后主流的发展方向。通过地表水质自动站安装GPRS数据通讯设备, 经无线通讯网将自动站产生的在线监测数据发送到上级环境监测站 (无固定IP) ;
5.2 系统设计要求符合相关通讯协议的要
求, 技术先进、结构简单、运行稳定、可靠性高, 具有一定的开放性、较高的多系统适应性和良好的二次开发能力;
5.3 与上级地表水质监控站数据库能完全兼容, 数据导入能够自动完成;
5.4 系统既能组成独立系统, 又能通过开
发的一系列的插件无缝嵌入到中心平台上, 实现界面和数据流的统一, 具有很强的灵活性和可靠性;
5.5 针对河流的面积广大、地形复杂采用无
线网络视频监控系统进行监控, 在系统中可以很方便地实现报警、远程控制等功能。无线网络视频监控系统融合了视频编码技术、网络传输技术、数据库技术、流媒体技术和嵌入式技术的综合应用系统。整个系统的管理和配置等功能由视频监控管理平台软件实现。软件与监测软件兼容, 可嵌入各个系统平台软件。这种视频监控系统是一种全数字化、全网络化的系统, 可以同现有的多媒体系统、控制系统和信息系统集成整合, 方便地实现数据和信息资料的共享。
6 结束语
现代化、信息化、系统化的地表水质自动监测体系建设日益提上议事日程, 我们认为在现有的地表水质自动监测体系下, 以提高水质自动监测技术的现代化、标准化以及管理制度化的水平为目标, 并统一在国家监控中心之下, 才得以有效全面的解决我国可持续发展过程中所面临的地表水质自动监测问题。
摘要：本文介绍了国内外地表水质自动监测技术及监控软件的设计和开发, 对地表水质自动监测体系及软件设计等关键技术的实现及发展趋势做出了较为详细的描述。
关键词：地表水质,自动监测体系,监控软件
参考文献
[1]向运荣, 黄辉.地表水水质自动监测系统及其建设中的若干问题[J].中国环境监测, 2001, 17 (06) :5-8.
[2]地表水自动监测系统培训教材[M].北京:中国环境科学出版社, 2006.
水质监控 篇5
1 监控系统的设计
整个水质监控系统由上位机控制端、协调器、路由节点, 监测节点等构成。监测节点数据发送使用可以相互通信并自动组网的Zig Bee模块, 监测节点既是终端节点又是路由节点。网络结构如图1所示。监测终端软件以个人电脑作为硬件平台提供友好的交互界面, 作为系统的数据集中、分析和处理的中心。系统监控终端软件对无线节点的数据进行接收和处理, 还可启动响应机制对水质异常进行处理。监控软件是用VB 6.0编写的人机交互操控界面, 可完成数据的采集存储、管理与分析以及历史数据查询等功能, 协调器通过RS-485总线转232后与监控终端串口相连接, 实时监控池塘水质的情况。
1.1 监控系统节点设计
节点由单片机 (处理器) , 信号采集处理单元, 基于zigbee无线通信电路, 图2为其框图.节点以选用STC89C52作为数据处理核心, 定时采集各传感器的数据并打包经zigbee无线网络传给上位机。STC单片机使用方便, 指令执行速率、抗干扰能力相较于同档产品都有优势。无线传输网络的应用可使系统监测点设置更加灵活和自由同时也省去了布线的烦恼。基于Zig Bee的低功耗、低成本、低复杂度无线设备是低速率的近程无线网络通信的首选, 单个点传输范围一般介于10~100m之间。考虑到节点间可相互通信且本系统中只是用来传送传感器的检测值选用Zig Bee模块是可以满足设计要求的。传感器的选择既要能够满足对池塘水质检测的要求又要考虑到经济效益所以本文选用单总线的测量范围为-55℃~+125℃精度达±0.5°C的DS18B20温度传感器, 测量范围为0-14PH精度达±0.01PH的SH-101 PH值传感器和测量范围为0-40 mg/L精度达±0.5%的WQ401溶解氧传感器。
如果采用传统的干电池供电, 电路和器件选择都要精心设计以降低功耗延长节点电池更换周期。目前太阳能光伏发电的应用已经相当的成熟, 使用太阳能光伏电池供电可以可以减轻系统无线节点对电源的需求压力, 使节点的电池更换周更长一般为蓄电池的使用寿命。电源供应采用两种模式:a.白天模式, 白天情况下光线良好时用太阳能电池直接供电, 其多余电力为蓄电池充电;光线不足时采用蓄电池和光伏太阳能共同供电。b.夜晚模式, 蓄电池单独供电。
1.2 节点软件设计
传感节点上电后首先进行初始化, 然后Zig Bee开始信道扫描查找协调器节点。当检测到有协调器节点信号时, 向其申请建立连接。在得到允许并成功与协调器连接后获得协调器的标识号加人网络, 开始定时测量温度、p H值、溶解含量等数据定时打包发送给协调器。传感器节点主要流程如图3所示。在完整的网络中要有用于接收节点数据的协调器, 把所收到数据实时发送给上位机。协调器上道和网络标识符, 启动Zig Bee网络并发送超帧等待连接请求[3]。当其收到请求连接信号时, 对信号进行确认, 通过认证才给出允许连接的命令实现传感节点与协调器的连网绑定。协调器接收到传感节点发来送数据时, 先对数据进行处理然后发送给上位机监控终端。协调器节点软件流程图如图4所示。
2 实验结果
以工学院校内的某一池塘作为对象对系统进行测试, 图5和图6为监测系统中节点1的传感器24小时内数据变化情况和5个节点实时的采集数据情况实时采集显示界面。系统中节点是每隔1小时自动向上位机传送所采集到的数据, 上位机对接收到的数据进行存储和分析。节点选择按钮可以显示所布该节点处的数据情况。图6中24小时是指最近24小时内, 比如现在是12点, 那么曲线中12点以后的情况是昨天该时刻的所选节点传感器传回的数据。图中溶解氧曲线在6点时低于设定值, 系统开启增氧设备进行干预, 池塘水体溶解氧在2小时后在该检测点得以恢复。
3 结论
传感器节点可以自由调整布置更加合理的对池塘水质进行监测, 从系统运行情况来看, 本文所设计的池塘水质监控系统可以满足池塘自动调节溶解氧含量和温度的需求, 对于PH值情况可提供报警功能, 系统对中小养殖户来说比较实用且能提高生产效益。
参考文献
[1]侯军.浅谈鱼塘水质管理方法[J].黑龙江水产, 2012 (6) .
[2]李才根.鱼塘水质判别与控制[J].水产世界.
水质监控 篇6
关键词：ZigBee,水质监控,PH
0 引言
水是人类生存的根本,对水环境进行合理的监测是实现水资源管理与保护的一种重要方式,从我国水资源不足及受到严重污染的情况来看,如何在有效获取水环境参数的基础上,创新水环境方法,实现水资源的保护与管理是当前的主要任务之一,对水环境监测具有重大的意义。p H值是对溶液的酸度进行标度的重要单位,它与溶液的物理、化学性质和化学反应以及生成物之间都有着密切的关系,尤其是在工业过程检测中的作用,需要严格要求测量和控制p H值。
1 水质监控系统组成及工作原理
本系统主要由四大子系统构成 :智能水质监测传感器节点、Zigbee无线传感器网络、GPRS网络传输与实时数据采集处理系统。水质监测传感器节点负责采集各种水质参数(水温、PH值、溶解氧及重金属离子等); Zigbee无线传感器网络负责将各个节点的数据通过协调节点传输给GPRS模块,GPRS模块负责将信息传到远程的服务器上,远程服务器上的软件负责信息的采集、加工、制作、播报等功能。
本系统需要运用Zigbee无线传感器网络技术,并需要与网络拓扑和低能耗路由技术相结合,通过在检测区域内布置很多传感器节点的方式,对水环境信息进行实时采集与更新,并在通过微处理器处理之后,借助无线通信模块通过多跳中继方式送到网关节点,在经过适当的处理之后,向主控中心传输相应的有用数据,经过专家的仔细分析与研究之后,便可以实施决策管理、预报等,在实际进行传输时,可能会被多个节点处理,各个节点会自己进行协调,并很快的组建起通信网络,在遵循能量利用率优先考虑原则的基础上,对工作任务进行划分,以此来得到监视区的相关信息,网络自组织特性体现在当某节点失效或新节点加入时,网络可以在自适应的基础上重组,然后对整体探测精度进行调整,有效的利用了资源优势,整个系统结构如图1所示。
2 监测节点的总体设计
图2为本文所设计的监测节点总体结构。该系统以ATMEGA128为控制核心,通过内置的2路10ADC对玻璃电极和Pt1000铂电阻进行测量,经过计算与温度补偿后,将得到的p H值以zigbee从站的方式发送到zigbee上。同时该系统提供键盘输入、12864液晶显示、2路4 ~ 20m A标准电流输出以及测量历史值的存储功能。
3 在线式 PH 值节点设计
3.1 PH 测量原理
电位测定法即为p H值节点测量原理,它实际上也是一种电位分析法,它是在对电池电动势进行测量的基础上,确定待测离子活度,图3为测量电池的示意图。
测量电池主要包含了参比电极、指示电极和被测溶液,其中,参比电极的电极电位与被测溶液活度之间并没有相互影响的关系,但是,指示电极却对被测溶液中的待测离子有着较大的影响,其电极电位是待测离子活度函数,因此,测量电池的电动势与待测离子的活度之间是相互对应的关系,所以,测试电池的目的实际上就是将不容易进行测量的离子活度转换成更方面进行测量的电池电动势。这就需要用到能斯特方程。
能斯特方程 :
式中 :平衡电位电极用E来表示 ;标准电极电位用EO来表示 ;得失电子数用n来表示 ;法拉第常数用F来表示,96485C/mol;气体常数用R来表示,8.314J/(mol·K); 热力学温度用来T表示 ;
a氧化态——氧化态物质的活度,mol/L ;
a还原态——还原态物质的活度,mol/L,纯固体的活度为1,气体用气压表示。
PH电极(PH探头图4所示 )采用T334三复合电极,上下都是3/4NPT螺纹,塑料外壳。PH测量范围 :0—14PH,温度测量范围 :0—80℃。三复合电极包括 : 参比电极、指示电极和2.252K的热敏电阻。
3.2 信号的调理
由于p H电极的内阻很大,本设计选择了高内阻比较运放CA3140,CA3140是一款高内阻的仪器运算放大器,具有输入阻抗高输出阻抗低,适合用于高内阻信号提取与跟随,第一级放大采用仪表运放OP07。作为低通放大器,OP07其具有极低的失调电压与高的共模抑制低的输入偏执电流极低的温漂,二级运放大选OP07作用做差模放大以提升输出的电压方便AD的采集。图5、图6)
本设计采用ATMEGA128单片机自带的10位AD转换器能使该设计的精度达到0.02,再通过ATMEGA128的通过数学建模求得的函数提高其精度和抗干扰能力,并且大大加快PH值的稳定时间,无需外接电路提高了其稳定性。
PH分析仪的软件操作采用模块化设计,因为模块化设计易于编写、修改和维护,将各项任务逐步细化,减少了程序出错的机会,提高了程序的可读性。
3.3 标定
对于实际的测量系统来说,能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线,即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率,所以只有知道实际的斜率,测量系统中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行,在运行过程中,由于化学反应的一些不确定因素发生的变化引起的测量值的漂移,一般必须由标定来消除。对此,我们采用两点标定法。
过程如下 :
(1)配制两种标准溶液,令其p H值分别为p H1和p H2。
(2)把p H探头与温度传感器置于标准溶液中,则可以测得相应的电压和温度值,如图7中的P1、P2点。
依据电极理论 :
式中K1、K2——对应T1、T2的电极斜率 ;
p H0——电极零电位的p H值 ;
△K——电极斜率随温度的变化率(△K =0.1984073)。
由前所述,式中仅有p H0、K1、K2为未知,因此可由上式求得电极的零电位点p H0以及T1温度下的斜率K1,并把K1换算成25℃时的斜率K25。仪表自动完成上述过程并把p H0值和25℃时的斜率K25保存在EEPROM。电极标定过程即求电极的零点和确定温度下的斜率。选用两点标定方法来实现自动标定。如图7所示。
4 软件设计
ATMEGA128单片机的控制程序运用C语言进行编写,通过循环方式实现A/D转换 ( 玻璃电极和铂电阻测温 ) 、12864液晶显示、I2C读写EEPROM存储历史测量值及标定参数、D/A转换 ( 4 ~20m A标准电流输出 ) 、ZIGBEE通信等功能。微处理器的作用是要合理配置PH、初始化及各种报文的处理。
5 结论