一种新型水质监测装置的设计与制备

    杨浩茗

    

    

    

    摘要：为了解决目前校园饮水工程中存在的水质二次污染（酸碱度和重金属含量）及出水温度无法控制等问题，自主构思、研究和设计了一种基于互联网技术的饮用水监测装置。可以实现对饮用水水质检测、过滤、消毒、实时监测及远程控制等功能，保证校园饮水安全，同时还充分考虑其应用范围，搭配万能接口，使装置可与任何一个拥有水龙头的饮水设备进行对接，无需任何改装，适用性较强，具有很好的推广应用价值和商业前景。

    关键词：水质二次污染 互联网技术 水质监测 过滤消毒

    中图分类号：TB472 文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2017）02-0101-03研究背景及意义

    记得在一个很热的夏天，我上完体育课之后，回教室发现饮水器里只有热水，为了解渴只能跟同学一起去学校小卖部买冰水喝，喝完当时是降温舒服了，但是后来的反应是肚子疼，很难受。后来询问了医生才知道，人在出汗的时候，不能直接喝冰水，最好的降温方式是喝温水。但在学校里只有热水和自来水，没有选择的余地。如何保证饮用水的安全，确保青少年学生的身心健康呢？

    那么，我们每天喝的水是否安全呢？我是不是可以利用学校《化学》和《物理》课程里学到的酸和碱、溶液离子浓度等知识，去检测一下我们饮用水的pH值、浊度、重金属含量是否达标呢？如果检测出来不达标，是否能让它自动报警，并及时通知学校供水老师？于是萌发了设计一种能实时监测又能进行温度控制的装置，确保校园饮用水安全的念头。

    有了这个想法后，我就向学校老师请教，老师认为这是一个可行的很好的想法，并愿意指导我开展相关的研究工作。在得到老师的支持后，我开始收集相关资料，设计和组合水质检测系统。

    一、现状调研

    （一）“客户”的需求：

    学生：饮用水设备较少、排队现象严重，对于使用饮水器的学校，还有水温过热，无法立即饮用等问题。他们希望下课能马上喝到水；不想喝过热的水；想喝干净的水。

    老师：不希望出现安全事故，如烫伤，拥挤，滑倒等；保证课间要喝上温开水。便于管理，杜绝不卫生的饮水方式，杜绝各种饮料。

    家长：不惜一切代价保障孩子饮水安全。

    校领导：安全、卫生、节能，不要增加运行经费。同时，对水质也提出了一定的要求，要保证饮用水的水质安全，不要影响学生的身心健康。

    （二）饮水方式

    从表1我们不难看出，各种饮水方式都有利弊，但其水质均无法得到很好保证，这给学生的饮水安全带来了一定的隐患。

    （三）校園饮用水现状

    学校饮水装置的水是否安全，我对学校6个出水口进行了取样检测，检测结果如表2。我国饮用水的国家标准pH值是6.5～8.5的范围，TDS值是0≤TDS≤50的范围。由此可见饮用水终端出水水质还是存在着不容忽视的问题。

    二、研究思路

    通过对以上调查结果的分析，得出了我的设计思路，具体如下：

    （一）饮用水呈现出过酸或过碱等特性，都将严重影响人们的身体健康。所以有必要在目前饮水设备的后端，增加一个pH检测装置，出水水质不符合饮用水酸碱度要求，则自行停止出水等。

    （二）饮用水的温度对人体健康也有着一定影响。学校里将水烧开，有利于减少水中可挥发性有机物，杀灭细菌。但是饮用水的温度保持在25℃到40℃之间是最合适的。因此，在装置的设计中，还必须考虑到出水的温度符合最佳饮用温度。

    （三）在自来水输送中，管道内壁溶出的金属物是其最主要的污染源。所以有必要在出水时进行检测，若发现异常，则应立即进行过滤，直至水质符合饮用安全。

    （四）目前的饮水设备往往都是定期消毒，包括清洁管路，更换过滤装置等。最科学的方法应该是按照使用频率进行消毒和更换。若可以实现自动消毒，则可以在很大程度上确保水质的安全。

    （五）目前的饮水装置缺少对饮水出现的问题进行实时干预的综合控制系统。因此，我采用互联网+技术，在装置中设计报警提醒装置，从而对饮水装置进行实时控制。

    综上所述，我只需对原有饮水方式的“后端”进行研究，设计出一种水质监测装置，它可以与任何一个饮水设备进行对接，就可以很好地解决目前校园饮水水质因二次污染而导致不合格、无法饮用的问题，从而确保饮水安全。

    三、技术方案

    （一）系统设计的校园饮水水质监测装置主要由检测、处理、控制三大模块构成。本设计将充分利用传感器、自动控制、消毒灭菌以及工程机械等多种技术对饮用水质进行检测，包括检测pH值、TDS、精密过滤以及温度控制等、同时利用无线传输技术进行远程控制，从而实现了对校园饮用水质全自动检测和管控，从技术上确保校园饮水安全。

    （二）饮水装置设计的内部结构如图所示，从上至下，依次为冷热水进水口、万能接口、浮标闭合器、GPRS发射模块、出水温度控制装置（电磁阀）、储水箱、传感电路（pH、TDS）、三通电磁阀、精密过滤装置、蛇形铜管、安全指示灯、温度传感、喷雾冷却装置、空气加热器、微处理器、紫外线灯、电源、电磁阀及出水口。装置连接较方便，只需将进水口与现有饮水设备进行连接即可使用。如下图所示：

    四、技术指标

    （一）万能接口

    由两个小圆筒组成，上方圆筒较下方圆筒粗，其外侧均匀设置三个螺杆，底部设有一个橡胶垫圈；下方圆筒可套在上方圆筒内。使用时，将原饮水设备的水龙头塞入上方圆筒内，并与垫圈充分接触并压牢；分别旋转三个螺杆，牢牢固定住，确保水不会外溢。通过该万能接口的设计，实现了本装置与任意饮水设备的连接。

    （二）浮标闭合器

    采用了一个跷跷板结构，左侧固定在装置的顶端，右侧为一个倒置漏斗结构。初始时，由于重力作用，倒漏斗结构是无法塞入排气孔的，当水位持续上升后，由于浮力的作用，倒漏斗装置开始慢慢上升，直至堵住排气孔，水停止进入；水可以继续灌入。通过浮标闭合器的设计，实现了本装置在出水口闭合的情况下，进行初始状态的设置功能。

    （三）温控系统

    该部分由热水和冷水管组成，通过控制两个管路的流量来实现温度控制，即检测每个管路的水流量，到达一定数值后，控制（关闭）电磁阀，即通过调节进水口的两个电磁阀流程来实现的，从成本和实现上考虑，采用涡轮式，根据叶片式检测原理可知，叶片的转速大体和流速成正比，因此就能检测出具体的流量。叶片的转速检测通过霍尔传感器来实现，叶片的转轴上需要镶嵌一个磁铁。其次，控制阀门则可选用一般的水流量电磁閥。为了更好地进行水温的控制，本系统采用了冷热水混合的方式来控制水温，即通过调节进水口的两个电磁阀流程来实现。经过多次反复实验，整理出了一组实验数据。最后确定冷、热水的比例为1：0.15，则出水温度可以基本停留在25℃-30℃。

    热水温度：95摄氏度，冷水温度：15摄氏度。

    （四）检测装置

    它由pH传感器、TDS传感器组成，分别检测装置中水质的酸碱度、离子浓度情况，实现了对水质的综合测定。检测装置多由网上直接购买，具体型号参数参见图表。

    测量原理：由pH玻璃电极和银氯化银参比电极复合组成，通过测量电极和参比电极，将化学能转化为电能，从而测量溶液的pH值。

    测量原理：通过在两个或多个电极之间施加电压。带正电的离子（如钠离子，钙离子，镁离子，氢离子，等等）向负电荷的电极移动，带负电荷的离子（如氯离子，硫酸根离子，碳酸氢根离子等）将向正电荷的电极移动。离子的移动形成了电流。仪表通过检测离子的移动确定电流。从而得出水的电导率。

    考虑到水温高于室温，是否会影响传感器的性能和寿命，我做了相关实验。实验从室温30℃至80℃，实验数据如表5所示，显示传感器的误差≤1%，在正常范围内。

    从实验数据还发现，水的温度升高，pH略呈上升趋势。但根据化学原理，温度升高，水的电离度加快，水中氢离子浓度增加，水的pH应该减小。因此我又额外增加了一组实验，在蒸馏水的情况下，测量水温与pH的相关性。实验数据见表6，显示温度升高，水的pH减小，与原理分析相符。

    （五）精密过滤装置

    考虑到若水质本来已经达到饮用要求，则无需进行过滤，我在过滤装置前端设置三通电磁阀。若水质无需过滤，则可直接进入蛇形管，反之则需要用RO反渗透装置进行过滤后进入。

    （六）蛇形散热铜管

    在装置的中端，设置一个蛇形散热铜管，代替传统水管，一方面通过增加长度来增加储水量，另一方面利用金属管路加快水散热速度，提高装置的散热效率。

    （七）二次温控

    在装置的出水口增设温度传感器，实现对水的温度监测。温度值一旦超出指定范围，则通过二次温控，直至水温符合要求。散热蛇形管的对应位置，分别装有水雾喷头和空气加热器，当温度不在预设范围（25℃-30℃）时，启动相应的装置，进行物理干预，直至温度在预设范围内。

    （八）紫外线灯

    在出水口的两侧，设置一对微型紫外线灯管（如图19所示），当出水完毕后，控制系统启动紫外线灯，与此同时，出水管打开，以便对管路进行充分消毒。经15秒消毒时间后，出水管路关闭，紫外线灯关闭，完成；X消毒。

    （九）互联网+模块

    在装置上设置一个微型GPRS发射模块来实现信息的无线发送。该模块实现远程控制功能。具体的流程、算法、程序均是通过编程预先“烧入”芯片当中。同时，考虑到过滤时，若水质较差，多次过滤仍无法达标的情况，系统设置了时间限制，即一分钟无法出水，则直接禁止出水，并进行远程提醒。

    （十）临界值设定

    根据查阅相关资料，我对相关临界值作出了如下界定：

    温度值：25℃-40℃；pH值：7.0-8.0之间；TDS值：小于50。

    五、样机制作

    （一）制作准备

    器件采购：通过网络以及实体店采购了样机制作的所有器件，具体包括纯铜电磁阀水阀、水质电解器测试仪器、pH测试器、有机玻璃透明塑料板、电线、水管、不锈钢管、紫外线灯管、水雾蓬头、空气加热器等。

    （二）制作过程

    1.部件制作：首先对购买来的器件，按照使用要求进行拆解，使用相关工具进行重新加工和性能确定，然后开始各个部件的制作。主要制作部件有：储水箱、无线传输装置、万能接口、浮标闭合器、蛇形散热铜管、降温冷水管、出水口及相关购买零件。

    2.部件组装：完成以上部件后，按照模型设计图，依次将以上部件组装起来，包括每个部件的硬连接（采用胶水固定相关器件、利用水管接头连接管路），相关电路的软连接（微处理器、多个电磁阀、空气加热器、pH及TDS传感器、蓬头、紫外线灯以及无线传输装置）等。

    3.程序编写：为了保证样机的正常使用，需要进行微处理器的程序编写功能，实现系统的自动化工作，功能包括电磁阀的控制、传感器数值的获得与判定、空气加热器及蓬头的启动与关闭、紫外线灯的打开与闭合等。

    根据以上结论，针对出现的问题，如出水控制异常、短信收发异常等情况，又对装置进行了调试，直至程序符合要求，最后封装成品。如下图所示：

    六、主要创新及效益分析

    （一）主要创新

    本设计在老师的指导下，经过调查并利用中学《化学》和《物理》课程中所学的酸与碱、溶液离子浓度、温度测量、信息技术等知识，得出了基于互联网+技术的饮用水水质检测装置的研究方案，并获得以下创新性研究成果：

    1.选型搭配了pH传感器、TDS检测传感器、温度传感器，实现了对水质酸碱度、重金属离子浓度、温度的自动检测，确保饮用水水质安全。

    2.选型搭配了精密过滤装置，利用最新的RO反渗透技术对水中的金属离子进行过滤，最大限度防止重金属对人体的伤害。

    3.选型搭配了紫外消毒灯，设计了紫外消毒的出水管路，实现了使用一次消毒一次的功能，避免因管路污染造成微生物滋生，保证了使用人员的身体健康。

    4.选型搭配了温度传感器，自行设计了温度控制系统，实现了水的即刻饮用，即在不影响水质的情况下，使用温度控制（流量传感器及电磁阀的完美搭档）及水冷和制热技术对出水进行冷却和加热处理，使得出水温度适宜饮用，防止过烫，保护饮用安全。

    5.自行编制软件，利用GPRS，将“故障信息”实时无线传输至指定终端（管理人员手机），便于及时处理，保障学生饮用需求。

    6.在设计时，已充分考虑其应用范围，选型搭配万能的接口，使该装置可与任何一个拥有水龙头的饮水设备进行对接，无需任何改装，适用性较强。

    （二）前景分析

    从经济效益上来说，本装置制作成本较低，模型的制作成本约为350元左右，如果进行工厂量产化生产，整体成本能够控制在200元以内。且不改变原饮水方式，故推广费用也较低。能很好地解决校园饮水安全问题，并且也是有一定的社会和经济效益的。

    （三）结论及建议

    本设计研发的饮水水质监测装置是在不改变原有饮水设备及方式的基础上设计的，它充分利用了现代水质检测技术，结合互联网+技术，通过技术集成与创新，很好地解决了目前校园饮水水质无法实时检测控制的问题，保护了学生的饮水安全，具有一定的社会和经济效益。

    同时，本设计的研究，已经形成了一个较为成熟的产品设计方案和图纸。在此，我也建议，在条件成熟时，相关部门可委托相关企业投入模型的开发和产品的试制作，尽快在校园内推广应用。