一种在线多参数水质测量传感器的制作方法

1.本实用新型涉及水质测量传感器技术领域，具体为一种在线多参数水质测量传感器。


背景技术：

2.当前在自来水、工业用水、游泳池水等应用中，在线测量水质越来越普遍，尤其是ph酸碱度，余氯值是重要的指标。目前添加次氯酸钠作为杀菌剂越来越普遍，评估投加杀菌剂的投加量和当前水的杀菌效果，余氯是一个重要的指标。目前在线余氯测量有比色法和电极法两大类方法。比色法通过从系统中取出水样，再加入反应试剂显色，通过判断颜色的深浅测定余氯浓度，使用该方法的在线设备主要缺点是造价昂贵，日常使用需要消耗试剂，系统复杂容易污染堵塞。电极法越来越成为在线余氯测量的主流，电极法测量受到了温度，ph的干扰，需要对测得的信号做温度ph补偿，通常在余氯电极旁边再安装ph电极和温度电极，一起接入控制器，由控制器计算补偿后的余氯值。传统电极法电极在使用过程中容易结垢钝化等，影响测量结果，并且需要定期清洗传感器。
3.综上所述我们设计出一种在线多参数水质测量传感器，使其在一个传感器中能够同时测量ph、温度、余氯，并通过温度和ph对余氯进行补偿。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种在线多参数水质测量传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种在线多参数水质测量传感器，包括传感器外壳、多电极模块和多参数测量电路模块，所述多电极模块与所述多参数测量电路模块均分别设于所述传感器外壳内壁，所述多电极模块与所述多参数测量电路模块电性连接，所述传感器外壳外壁远离所述多电极模块一端设有传感器输出电缆，所述多电极模块包括电极外壳，所述电极外壳内壁设有参比电极、黄金电极、铂金电极、ph玻璃电极、温度传感器和砂芯。
6.进一步的，所述电极外壳内壁两端分别设有与所述参比电极、所述黄金电极、所述铂金电极、所述ph玻璃电极、所述温度传感器和所述砂芯相匹配的第一盖板和第二盖板，所述砂芯一端延伸至所述第一盖板外壁，所述参比电极一端延伸至所述第二盖板外侧。
7.进一步的，所述多参数测量电路模块包括电源处理模块、cpu处理模块、多参数测量电路和信号输出模块，所述cpu处理模块的输出端与所述多参数测量电路和所述信号输出模块的输入端电性连接，所述cpu处理模块的输入端与所述电源处理模块、所述多参数测量电路和所述信号输出模块的输出端电性连接。
8.进一步的，所述多参数测量电路包括u1运算放大器、u2运算放大器、u3运算放大器、u4运算放大器和u5差分放大器，所述u5差分放大器的1引脚接地，所述u5差分放大器的5引脚和6引脚均与ph信号输出接口串联，所述u5差分放大器的2引脚与所述u2运算放大器的
反向输入端和所述u2运算放大器的输出端串联，所述u5差分放大器的3引脚与所述u4运算放大器的输出端串联，确保多参数测量电路可以实现设计效果。
9.进一步的，所述u4运算放大器的反向输入端与所述u4运算放大器的输出端串联，所述u4运算放大器的正向输入端与所述ph玻璃电极的输出端电性连接，确保u4运算放大器缓冲后的信号v4可以进入u5差分放大器。
10.进一步的，所述u2运算放大器的正向输入端与所述参比电极的输出端电性连接，所述u2运算放大器的输出端与r1电阻串联，所述r1电阻与r2电阻和所述u1运算放大器的反向输入端串联，所述r2电阻与所述u1运算放大器并联，所述r2电阻与测量信号输入接口串联，所述u1运算放大器的输出端与所述铂金电极的输入端电性连接，所述u1运算放大器的正向输入端接地，u2运算放大器将参比电极的信号经过缓冲后得到v2信号。
11.进一步的，所述u3运算放大器的输出端与r3电阻和余氯信号输出接口串联，所述u3运算放大器的正向输入端接地，所述u3运算放大器的反向输入端与所述黄金电极的输出端电性连接，所述r3电阻与所述u3运算放大器的反向输出端串联，u3运算放大器与r3电阻构成的电路将电流转换为电压v3＝-1*i*r3。
12.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：
13.1、本实用新型可将余氯电极三电极系统与ph测量系统结合到一起，共用参比电极；并且在传感器内部完成对余氯的ph温度补偿，传感器直接输出补偿后的余氯浓度、水样ph值和温度值；同时传感器可自动定时对电极进行电压扫描，抑制传感器钝化与结垢趋势，延长传感器的使用寿命与维护周期；而且传感器可以输出余氯ph温度的模拟信号和rs485数字信号，方便接入用户系统，用户可以通过rs485数字接口对传感器进行设置、校准、读出参数等操作。
附图说明
14.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
15.图1是本实用新型整体的结构爆炸图；
16.图2是本实用新型多电极模块的结构示意图；
17.图3是本实用新型多电极模块的结构爆炸图；
18.图4是本实用新型多参数测量电路模块的电路连接图；
19.图5是本实用新型多参数测量电路的电路图；
20.图6是本实用新型黄金电极和铂金电极的电压扫描周期图；
21.图中：1、传感器外壳；2、多电极模块；3、多参数测量电路模块；4、传感器输出电缆；5、电极外壳；6、参比电极；7、黄金电极；8、铂金电极；9、ph玻璃电极；10、温度传感器；11、砂芯；12、第一盖板；13、第二盖板；14、电源处理模块；15、cpu处理模块；16、多参数测量电路；17、信号输出模块。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的
实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.请参阅图1-4，本实用新型提供技术方案：一种在线多参数水质测量传感器，包括传感器外壳1、多电极模块2和多参数测量电路模块3，所述多电极模块2与所述多参数测量电路模块3均分别设于所述传感器外壳1内壁，所述多电极模块2与所述多参数测量电路模块3电性连接，所述传感器外壳1外壁远离所述多电极模块2一端设有传感器输出电缆4，所述多电极模块2包括电极外壳5，所述电极外壳5内壁设有参比电极6、黄金电极7、铂金电极8、ph玻璃电极9、温度传感器10和砂芯11，所述电极外壳5内壁两端分别设有与所述参比电极6、所述黄金电极7、所述铂金电极8、所述ph玻璃电极9、所述温度传感器10和所述砂芯11相匹配的第一盖板12和第二盖板13，所述砂芯11一端延伸至所述第一盖板12外壁，所述参比电极6一端延伸至所述第二盖板13外侧。
24.所述多参数测量电路模块3包括电源处理模块14、cpu处理模块15、多参数测量电路16和信号输出模块17，所述cpu处理模块15的输出端与所述多参数测量电路16和所述信号输出模块17的输入端电性连接，所述cpu处理模块15的输入端与所述电源处理模块14、所述多参数测量电路16和所述信号输出模块17的输出端电性连接。
25.所述多参数测量电路16包括u1运算放大器、u2运算放大器、u3运算放大器、u4运算放大器和u5差分放大器，所述u5差分放大器的1引脚接地，所述u5差分放大器的5引脚和6引脚均与ph信号输出接口串联，所述u5差分放大器的2引脚与所述u2运算放大器的反向输入端和所述u2运算放大器的输出端串联，所述u5差分放大器的3引脚与所述u4运算放大器的输出端串联，确保多参数测量电路16可以实现设计效果。
26.所述u4运算放大器的反向输入端与所述u4运算放大器的输出端串联，所述u4运算放大器的正向输入端与所述ph玻璃电极9的输出端电性连接，确保u4运算放大器缓冲后的信号v4可以进入u5差分放大器。
27.所述u2运算放大器的正向输入端与所述参比电极6的输出端电性连接，所述u2运算放大器的输出端与r1电阻串联，所述r1电阻与r2电阻和所述u1运算放大器的反向输入端串联，所述r2电阻与所述u1运算放大器并联，所述r2电阻与测量信号输入接口串联，所述u1运算放大器的输出端与所述铂金电极8的输入端电性连接，所述u1运算放大器的正向输入端接地，u2运算放大器将参比电极6的信号经过缓冲后得到v2信号。
28.所述u3运算放大器的输出端与r3电阻和余氯信号输出接口串联，所述u3运算放大器的正向输入端接地，所述u3运算放大器的反向输入端与所述黄金电极7的输出端电性连接，所述r3电阻与所述u3运算放大器的反向输出端串联，u3运算放大器与r3电阻构成的电路将电流转换为电压v3＝-1*i*r3。
29.具体实施方式为：使用时，传感器主要由多电极模块2、多参数测量电路模块3、传感器外壳1和传感器输出电缆4组成；多电极模块2和多参数测量电路模块3相连，传感器输出电缆4穿过传感器外壳1接入到电路模块上，多电极模块2主要由ph玻璃电极9、温度传感器10、黄金电极7、铂金电极8、参比电极6组成并通过第一盖板12和第二盖板13固定，砂芯11安装在第一盖板12上，整体组件安装在电极外壳5中，并由第一盖板12和第二盖板13形成一个密封腔体，密封腔体内注入凝胶状态的氯化钾溶液，参比电极6在腔体内部浸泡在氯化钾溶液中，砂芯11穿过第一盖板12将外部水样与氯化钾溶液联通形成离子通道；黄金电极7和
铂金电极8的金属部分漏在第一盖板12外面和水样接触，在腔体内是绝缘部分；多电极模块2通过ph玻璃电极9和参比电极6构成了ph测量系统，通过测量ph玻璃电极9与参比电极6之间的电压差与温度传感器10实时温度，能够计算得到ph值；通过铂金电极8、黄金电极7和参比电极6三个电极构成电化学三电极系统进行余测量，其中铂金电极8作为对电极，黄金电极7作为工作电极；多电极模块2通过导线连接到多参数测量电路模块3，多参数测量电路模块3包含了电源处理模块14、cpu处理模块15、多参数测量电路16和信号输出模块17，其中电源处理模块14负责将传感器输出电缆4里的外部电源转换为各个模块所需要的电源，cpu处理模块15控制多参数测量电路16测量ph与余氯，并将结果通过信号输出模块17中的4-20ma模拟信号和rs485数字信号进行输出，同时用户也可以通过rs485数字接口对传感器进行设置、校准、读出参数等；当传感器插入到水样中，多参数测量电路16由u1运算放大器、u2运算放大器和u3运算放大器组成恒电位电路，cpu处理模块15发出电压信号v1并连接到测量信号输入，参比电极6上的电压为v2＝-1*v，此时铂金电极8与黄金电极7之间有电流i流过，u3运算放大器与r3电阻构成的电路将电流转换为电压v3＝-1*i*r3，v3即作为余氯信号输出到cpu处理模块15；同时参比电极6经过u2运算放大器缓冲后的信号v2与ph玻璃电极9与u4运算放大器缓冲后的信号v4进入u5差分放大器，得到ph信号输出v5＝v4-v2；通常余氯在水中包含了次氯酸与次氯酸根离子，在不同的ph与温度下次氯酸与次氯酸根离子相互转化，余氯测量情况下将v1设置为0.2v，在恒定流速中，水中次氯酸浓度与电流i呈正比关系，通过测量电流i即可得到水中的次氯酸浓度，测量ph与温度，根据次氯酸与次氯酸根离子相互转化关系可以补偿得出水中的余氯浓度；长时间的测量下，黄金电极7与铂金电极8表明容易产生钝化与结垢趋势，引起电极灵敏度降低，表现为单位浓度下余氯产生的电流i降低，引起测量不准确；为了解决这个问题，在恒电位0.2v的基础上按照周期t进行电压扫描，低点电压为0.3v，高点电压为0.7v，电压变化0.02v/sec；在进行扫描的过程中，随着电极的电压变化，附着在电极表面的垢被分解融入水中，电极表面氧化物被还原，在容易污染电极的水中提高周期t可改善电极的结垢与钝化趋势。
30.本实用新型的工作原理：
31.参照说明书附图1-4，本实用新型可将余氯电极三电极系统与ph测量系统结合到一起，共用参比电极6；并且在传感器内部完成对余氯的ph温度补偿，传感器直接输出补偿后的余氯浓度、水样ph值和温度值；同时传感器可自动定时对电极进行电压扫描，抑制传感器钝化与结垢趋势，延长传感器的使用寿命与维护周期；而且传感器可以输出余氯ph温度的模拟信号和rs485数字信号，方便接入用户系统，用户可以通过rs485数字接口对传感器进行设置、校准、读出参数等操作。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
33.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员
来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种在线多参数水质测量传感器，包括传感器外壳(1)、多电极模块(2)和多参数测量电路模块(3)，其特征在于：所述多电极模块(2)与所述多参数测量电路模块(3)均分别设于所述传感器外壳(1)内壁，所述多电极模块(2)与所述多参数测量电路模块(3)电性连接，所述传感器外壳(1)外壁远离所述多电极模块(2)一端设有传感器输出电缆(4)，所述多电极模块(2)包括电极外壳(5)，所述电极外壳(5)内壁设有参比电极(6)、黄金电极(7)、铂金电极(8)、ph玻璃电极(9)、温度传感器(10)和砂芯(11)。2.根据权利要求1所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述电极外壳(5)内壁两端分别设有与所述参比电极(6)、所述黄金电极(7)、所述铂金电极(8)、所述ph玻璃电极(9)、所述温度传感器(10)和所述砂芯(11)相匹配的第一盖板(12)和第二盖板(13)，所述砂芯(11)一端延伸至所述第一盖板(12)外壁，所述参比电极(6)一端延伸至所述第二盖板(13)外侧。3.根据权利要求1所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述多参数测量电路模块(3)包括电源处理模块(14)、cpu处理模块(15)、多参数测量电路(16)和信号输出模块(17)，所述cpu处理模块(15)的输出端与所述多参数测量电路(16)和所述信号输出模块(17)的输入端电性连接，所述cpu处理模块(15)的输入端与所述电源处理模块(14)、所述多参数测量电路(16)和所述信号输出模块(17)的输出端电性连接。4.根据权利要求2所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述多参数测量电路(16)包括u1运算放大器、u2运算放大器、u3运算放大器、u4运算放大器和u5差分放大器，所述u5差分放大器的1引脚接地，所述u5差分放大器的5引脚和6引脚均与ph信号输出接口串联，所述u5差分放大器的2引脚与所述u2运算放大器的反向输入端和所述u2运算放大器的输出端串联，所述u5差分放大器的3引脚与所述u4运算放大器的输出端串联。5.根据权利要求3所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述u4运算放大器的反向输入端与所述u4运算放大器的输出端串联，所述u4运算放大器的正向输入端与所述ph玻璃电极(9)的输出端电性连接。6.根据权利要求3所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述u2运算放大器的正向输入端与所述参比电极(6)的输出端电性连接，所述u2运算放大器的输出端与r1电阻串联，所述r1电阻与r2电阻和所述u1运算放大器的反向输入端串联，所述r2电阻与所述u1运算放大器并联，所述r2电阻与测量信号输入接口串联，所述u1运算放大器的输出端与所述铂金电极(8)的输入端电性连接，所述u1运算放大器的正向输入端接地。7.根据权利要求3所述的一种在线多参数水质测量传感器，其特征在于：所述u3运算放大器的输出端与r3电阻和余氯信号输出接口串联，所述u3运算放大器的正向输入端接地，所述u3运算放大器的反向输入端与所述黄金电极(7)的输出端电性连接，所述r3电阻与所述u3运算放大器的反向输出端串联。

技术总结
本实用新型公开了一种在线多参数水质测量传感器，包括传感器外壳、多电极模块和多参数测量电路模块，传感器外壳外壁设有传感器输出电缆，多电极模块包括电极外壳，电极外壳内壁设有参比电极、黄金电极、铂金电极、PH玻璃电极、温度传感器和砂芯，电极外壳内壁设有第一盖板和第二盖板。本实用新型可将余氯电极三电极系统与PH测量系统结合到一起，共用参比电极；在传感器内部完成对余氯的PH温度补偿，传感器直接输出补偿后的余氯浓度、水样PH值和温度值；传感器可自动定时对电极进行电压扫描，抑制传感器钝化与结垢趋势，延长传感器的使用寿命与维护周期；用户可以通过RS485数字接口对传感器进行设置等操作。对传感器进行设置等操作。对传感器进行设置等操作。


技术研发人员：邓欢 乔忠德 刘瑞杰
受保护的技术使用者：常州罗盘星检测科技有限公司
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2022/5/25