水质在线监测系统及检测分析方法

水质在线监测系统及检测分析方法

吴子岳,赵婷婷

(上海水产大学工程学院,上海200090)

摘要:针对我国水产养殖急需在线监测技术的现状,介绍了水质在线监测系统的组成,我国现已开发且较为先进的几种水质在线监测系统,以及在线水质监测分析方法。关键词:水质;工厂化养殖;在线监测系统;在线水质监测方法

基金项目:中国水产科学研究院渔业水体净化技术和系统研究重点开放实验室基金项目(技06271)

1在线监测系统的组成和作用

水质在线监测系统一般由水样采集单元、监

测仪器单元和控制及数据处理单元组成

(图1)。

图1

水质在线监测系统原理图

(1)水样采集单元:通常由抽水泵、阀门组及

其控制电路、进水及出水管道组成。负责对所监测的水样进行采集,送入监测单元或保存。(2)监测仪器单元:由溶解氧、pH 、温度等在线分析仪器组成(可根据所测水质的具体要求,增加其他参数如浊度、COD 、氨氮等)。此单元负责测试水样的各种参数,由于监测仪器所输出的信号为电流信号,所以要经过变送器变换为标准电流信号(4～20mA )或电压信号(±5V ),再经过模数转换即A /D 转换,将模拟量转换为数字量送往数据处理单元。

(3)数据处理及控制单元:包括计算机、打印机、232接口、系统专用软件等。该单元的功能是控制整个系统的正常、有序运行,进行系统原始参数的设定和更改。对现场执行采样、水样监测、执行设备运行及数据传输、显示、存储、打印等。

2我国水质在线监测仪表系统

虽然我国污染物质浓度监测仪表在水质测量及控制上早有应用,但一台或几台分析仪表用于现场监测并不能构成一套完整的监测系统,只能称为水质监测中的仪器监测手段。因此,笔者在现有污染物浓度分析仪表的基础上开发了数据采集、数据记录、网络通讯系统以及计算机控制系统,并将以上功能充分集成,形成了“水质远程智能监测系统”。其中,监测记录仪被安装在监测

现场进行数据采集、处理,将采集到的各种不同标准与格式的数据转化为标准数据格式,通过因特网或局域网络送到上端管理软件,并将数据存放于数据库中。

仪表系统由常规5参数分析仪、高锰酸盐指数分析仪、总有机磷(T OC )分析仪、氨氮分析仪、总磷分析仪、硝酸盐自动分析仪组成,可对温度、pH 值、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、高锰酸盐指数、硝酸盐、总有机磷、总磷等10个参数进行在线监测。控制系统由P LC 或单片机控制,包括系统及设备的启停、报警控制、数据采集等。软件主要是对仪表的数据进行显示、记录、传送,设备操作,远程监控和通讯等。

以下是我国现已开发且较为先进的水质在线监测系统:

(1)多点在线水质监测系统:该系统可同时

在线监测6个不同监测点的水质情况,对每一个监测点可同时监测其溶解氧、温度、电导率、pH、氧化还原电位、盐度等6个参数,降低了整个系统的造价和故障产生的概率以及日常维护保养的工作量,从而使整个系统的性价比大为提高。

(2)计算机监测技术在水产养殖中的应用:利用MCS—51系列89C51单片机组成单片机主机和数据采集从机,并在检测中心设有1台Pentiu mⅡ的PC机,负责将所收集的数据进一步处理,并以丰富的图表显示输出。该系统可以对多个养殖池的多种参数进行测量,能随时了解水质的情况,提高水产养殖的经济效益。

(3)基于I PC的水质在线监测虚拟仪器:该系统采用具有虚拟仪器面板的工控计算机仪器(简称虚拟仪器)的设计模式,改变传统化学测试仪器的设计思想,成功研制了水质在线监测虚拟仪器。系统具有响应快、容量大、人机界面友好、操作简便、输出图形丰富美观逼真的特点。由于采用模块化设计方法,易于扩充功能和系统升级,也可以多机通讯和联网以构成一个群控系统,具备多种成分检测功能等优点。

(4)基于BP神经网络的水产养殖水质监控系统:利用神经网络所具有的任意非线性表达能力建立参数k

p

,k i,k d自学习的P I D控制算法来控制水环境溶解氧,通过对系统性能的学习,从而实现具有最佳组合的P I D控制即最佳溶解氧的控制。同时采用移动GPRS无线通讯技术进行远程数据采集和监控,方便了用户在不同地方进行远距离监控。

(5)基于CAN总线的水质参数在线监测系统:采用CAN总线的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制,加入或减少设备不影响整个系统的工作。因此,该系统可以根据用户需要,任意改变节点数量。该系统最多连接256个分机,每个分机可以连接1～128个水质参数监测仪表,主机负责向各分机发送工作命令,接受分机传送的测量及故障自检信息,并对测量信息进行处理,以数据和曲线的方式输出测量结果。同时系统还可通过因特网或局域网与其他计算机系统交换信息,主机中通过口令保护、密码登录和软件加密来保证安全,避免非法用户进入、移植和修改。3在线水质监测分析方法

(1)温度:传感元件采用铂电阻温度计。

(2)pH值:测定水中pH值常用方法是玻璃电极法。

(3)电导:传感元件采用铂电极电导池,通常选用双电极、10kHz交流电导法。目前多选用四电极法,在两极间加一个微小的恒电流I。

(4)溶解氧:传感元件采用溶解氧电极,这是一种气敏膜电极,有原电极型和极谱池型两种。

(5)化学需氧量(COD):在线自动分析方法有:①重铬酸钾消解—光度测量法;②重铬酸钾消解—库仑滴定法;③重铬酸钾消解—氧化还原滴定法;④UV计(254nm);⑤氢氧基及臭氧(混和氧化剂)氧化—电化学测量法;⑥臭氧氧化—电化学测量法。方法①在快速COD测定仪器上已经采用。

(6)氨氮和总氮:氨氮在线自动分析仪的技术原理主要有3种:①氨气敏电极电位法(pH电极法);②分光光度法;③傅立叶变换光谱法。在线氨氮仪等需要连续和间断测量方式,在经过在线过滤装置后,水样测定值相对偏差较大。总氮在线自动分析仪的主要技术原理有2种:①过硫酸盐消解—光度法;②密闭燃烧氧化—化学发光分析法。□

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【作者简介】吴子岳(1963—),男,教授,博士后,主要从事机械工程技术研究。

(2007207217收稿;2007208201修回)