一种自供能自来水管网水质多参数在线监测仪及监测方法

1.本发明涉及自来水水质监测设备技术领域，特别涉及一种自供能自来水管网水质多参数在线监测仪及监测方法。


背景技术：

2.随着城乡人民物质生活水平的不断提升，对于原本就十分重要的自来水水质也提出更高要求，作为人类生活中不可或缺的关键物资之一，保证城乡供水水质的质量安全，能够真正让人们用上安全优质的自来水质，责任重大。而从水源至龙头用户在城乡供水系统运行中，由于涉及的管道多而复杂，需要寻求一种快速便捷，成本较低的设备，能够实时监测各段管道水质情况，在水质出现异常时方便快速处理。
3.传统的自来水水质监测设备往往体积较大，并且需要额外铺设供电线路，对于户外偏僻地区，安装十分复杂，建设成本较高，并且更为关键的是不能直接安装在地下管道上，不能对地下管道自来水进行实时监测。因此采用自供能系统成为该领域的未来趋势，例如中国专利cn 207895674 u公开了一种基于lora的自发电水质水位实时监测装置，用于对河流水质水体的监测。然而由于自来水管道主要都铺设于地下，该装置体积相对庞大，监测参数较少，不能直接安装在地下自来水管网上进行实时监测，并且该装置需要增加额外的传感器来监测河流水的流速，势必会增加更多的成本，无法应用在自来水管网上。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种自供能自来水管网水质多参数在线监测仪及监测方法，具有节能、环保、便捷、快速、安全、可靠、灵活等优点，适合广泛应用于各级自来水管道，具有广阔的市场前景。
5.本发明的目的至少是通过以下技术方案之一实现的。
6.本发明主要包括自来水管道装置部分以及硬件装置盒部分，其中自来水管道装置部分包括螺旋接口、直流发电机涡轮叶片、换向装置、水质传感器及培养箱；硬件装置盒部分包括发电机、蓄电池、单片机控制系统、gprs通信装置。发电机可对系统供电，单片机控制系统可以根据自来水流速控制蓄电池充放电，以实现自供电，无需外接电源。本发明还提出了一种利用水力发电机监测自来水流速的方法，支持自主搭配多个传感器，可通过gprs装置远程监控，水质出现异常时，单片机可向上位机发送报警信息。
7.优选地，发电机涡轮叶片与水流方向垂直，可以最大程度的利用管道水能，发电机为小型直流发电机，发电机机箱固定于硬件装置盒中，其转轴通过换向装置连接到发电机涡轮叶片。
8.优选地，水质传感器通过rs485通信总线连接到单片机，rs
‑
485采用半双工工作方式，支持多节点、远距离和高灵敏度的标准，接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。
9.优选地，水质传感器组支持对各种水质传感器的选择与扩展，实现对自来水的余
氯、重金属离子、硝酸盐、总有机碳、氨氮、cod、浊度、ph等参数实时监测，溶解氧水质传感器可对自来水中好氧菌含量的监测。
10.优选地，培养箱设置有多个阀门，单片机控制系统可控制阀门的开关程度，实现对箱体内水中微生物培养时间的控制，方便溶解氧传感器进行更加精准的测量水体溶解氧的变化并推算自来水中微生物的含量。
11.优选地，单片机控制系统应包括单片机最小系统、主电源电路、驱动电路、rs485转ttl电路、蓄电池充放电电路、电流电压采样电路、gprs通信电路。
12.优选地，单片机最小系统采用stm32系列，stm32系列的性价比高、功耗较低，所述的主电源电路以及蓄电池充放电电路应为隔离型可控数字电源，可以将输入与输出进行电气隔离，安全可靠，单片机可以通过驱动电路控制主电源输出电压以及控制蓄电池充放电。
13.优选地，发电机可对整个系统供电，单片机控制系统根据自来水流速以及发电机电压、电流情况控制蓄电池充放电，以实现自供电，无需外接电源。
14.本发明还提供了一种自来水流速监测方法以及水质监测方法。
15.其中自来水流速监测方法无需外加相应流速传感器，可以通过电压电流采样电路测定发电机电压及电流再经过演算快速得到，具体如下：
16.直流发电机转速与自来水的水流速有如下正比例关系：
17.n＝kvn0ꢀꢀꢀꢀ
(a)
18.其中n为发电机转速，n0为自来水的水流速，v为自来水管道的单位体积，k为与涡轮叶片有关的常量。
19.直流发电机端电压可以通过电压采样电路获取，其与发电机转速有如下的关系：
20.u＝nc
e
φ+i
a
r
a
ꢀꢀꢀꢀ
(b)
21.变形可得：
22.n＝(u
‑
i
a
r
a
)/(c
e
φ)
ꢀꢀꢀꢀ
(c)
23.其中n为发电机转速，u为发电机端电压，i
a
为电枢电流，r
a
为电机电枢绕组电阻，φ为电机气隙磁通，c
e
为电势常数，c
e
＝p*n/(60*a)，p为极对数，a为支路对数，n为电枢总导体数。
24.根据(a)、(c)式即可求得自来水水流速与发电机端电压的实时关系：
25.n0＝(u
‑
i
a
r
a
)/(c
e
φkv)
ꢀꢀꢀꢀ
(d)
26.在式(d)中，除自来水水流速n0、发电机端电压u以及电枢电流i
a
外，其余量皆为常量，因此，可直接通过电流电压采样电路获取u及i
a
，再通过单片机由式(d)计算出n0。
27.其中水质监测方法主要包括以下几个步骤：
28.(1)通过自来水管道装置部分两端的螺旋接口将监测仪直接连接到自来水管道当中，使得自来水能够在装置中流动。
29.(2)单片机通过电流电压采样电路连续获取发电机端电压以及电枢电流，当发电机端电压大于或等于12v时，通过驱动电路控制发电机对水质传感器以及单片机本身供电并对蓄电池充电；当发电机端电压小于12v大于3.3v时通过驱动电路控制发电机对单片机本身供电，控制蓄电池对水质传感器供电；当发电机端电压小于3.3v时通过驱动电路控制控制蓄电池对单片机以及水质传感器供电。
30.(3)单片机控制培养箱上的阀门开启，待培养箱中的水位淹没溶解氧探头时，关闭
所有阀门，设定培养时间为5日或10日，通过培养箱中溶解氧含量的变化可推算出自来水中微生物含量。
31.(4)单片机通过rs485通信总线获取水质传感器组的监测数据，水质出现异常时向上位机发送报警信息。
32.和现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果和优点：
33.(1)本发明的可以通过螺旋接口可直接连接到自来水管道上，内部集成了小型水力发电机，可根据自来水流速的情况以及发电机端电压变化情况，控制对蓄电池的充放电，实现连续可靠的自供能，无需为建设监测点而铺设电源线路，极大的降低了监测点的建设成本，为大面积应用于户外地下自来水管网提供了有利条件，具有广阔的市场前景。
34.(2)本发明内部的发电机不仅为系统提供电能，还充当自来水流速监测装置，通过直流发电机端电压与电枢电流即可得到自来水流速，方便快捷，降低传统方法中额外增加水流速传感器的成本。
35.(3)本发明内部集成了小型微生物培养箱，可以通过上位机向单片机发送控制指令，对培养箱的阀门进行开关控制，方便快速控制箱体内水中微生物的培养时间，相较于传统方法，监测水中微生物含量更加方便快捷。
36.(4)本发明的传感器通过rs485通信总线连接，可搭配多种水质传感器组，实现对自来水水质多种参数的实时在线监测。
附图说明
37.图1为实施例提供的一种自供能自来水管网水质多参数在线监测仪的结构示意图；
38.图中：1
‑
发电机机箱；2
‑
蓄电池；3
‑
gprs通信装置；4
‑
上位机；5
‑
单片机控制系统；6
‑
rs485通信总线；7
‑
螺旋出水接口；8
‑
水质传感器组；9
‑
培养箱；10
‑
溶解氧传感器；11
‑
阀门；12
‑
自来水管道装置部分；13
‑
换向装置；14
‑
发电机涡轮叶片；15
‑
螺旋入水接口；16
‑
硬件装置盒部分。
39.图2为本发明的电路系统连接示意图。
具体实施方式
40.以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
41.实施例1
42.本实施例提供了一种自供能自来水管网水质多参数在线监测仪，如图一所示，包括自来水管道装置部分12以及硬件装置盒部分16，所述的自来水管道装置部分12包括螺旋入水接口15与螺旋出水接口7、直流发电机涡轮叶片14、换向装置13、水质传感器组8及培养箱9，可方便的与自来水管道直接连接；硬件装置盒部分16包括发电机机箱1、蓄电池2、单片机控制系统5、gprs通信装置3。gprs通信装置3通过电缆线与单片机控制系统5相连，可延展出地表与上位机4进行数据通信，水质出现异常时，单片机可向上位机4发送报警信息。
43.发电机涡轮叶片14与水流方向垂直，发电机为小型直流发电机，发电机机箱1固定于硬件装置盒中，其转轴通过换向装置13连接到发电机涡轮叶片14。
44.水质传感器均是通过rs485通信总线6连接到单片机，其中溶解氧传感器10位于培养箱9内部，水质传感器组8支持对各种水质传感器的选择与扩展。
45.水质传感器组8支持对各种水质传感器的选择与扩展，实现对自来水的余氯、重金属离子、硝酸盐、总有机碳、氨氮、cod、浊度、ph等参数实时监测，所述溶解氧传感器10可对自来水中好氧菌含量的监测。
46.培养箱9设置有多个阀门11，单片机控制系统5可控制阀门的开关程度。
47.单片机控制系统5应包括单片机最小系统、主电源电路、驱动电路、rs485转ttl电路、蓄电池充放电电路、电流电压采样电路、gprs通信电路。
48.单片机最小系统采用stm32系列，stm32系列的性价比高、功耗较低，所述的主电源电路以及蓄电池充放电电路应为隔离型可控数字电源，可以将输入与输出进行电气隔离，安全可靠，单片机可以通过驱动电路控制主电源输出电压以及控制蓄电池充放电。
49.发电机可对整个系统供电，单片机控制系统5根据自来水流速以及发电机电压、电流情况控制蓄电池2充放电，以实现自供电，无需外接电源。
50.实施例2
51.本实施例提供了一种利用上述装置在线监测自来水管网水质的方法，所述水样为城市各级自来水管道内的自来水，包括以下步骤：
52.(1)通过自来水管道装置部分12两端的螺旋接口将监测仪直接连接到自来水管道当中，使得自来水能够在装置中流动。
53.(2)单片机通过电流电压采样电路连续获取发电机1端电压以及电枢电流，当发电机端电压大于或等于12v时，通过驱动电路控制发电机对水质传感器组8以及单片机本身供电并对蓄电池2充电；当发电机端电压小于12v大于3.3v时通过驱动电路控制发电机对单片机本身供电，控制蓄电池对水质传感器组8供电；当发电机端电压小于3.3v时通过驱动电路控制控制蓄电池2对单片机以及水质传感器组8供电。
54.(3)通过电压电流采样电路测定发电机1电压及电流，在式(d)n0＝(u
‑
i
a
r
a
)/(c
e
φkv)中，除自来水水流速n0、发电机端电压u以及电枢电流i
a
外，其余量皆为常量，因此，可直接通过电流电压采样电路获取u及i
a
，再通过单片机由式(d)计算出自来水水流速n0。
55.(4)单片机控制培养箱9上的阀门11开启，待培养箱9中的水位淹没溶解氧探头时，关闭所有阀门11，设定培养时间为5日或10日，通过培养箱9中溶解氧含量的变化可推算出自来水中微生物含量。
56.(5)单片机通过rs485通信总线6实时获取水质传感器组8的监测数据，水质出现异常时通过gprs通信装置3向上位机4发送报警信息。
57.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围。