一種新型水質(zhì)監(jiān)測裝置的設(shè)計與制備

楊浩茗

摘要：為了解決目前校園飲水工程中存在的水質(zhì)二次污染（酸堿度和重金屬含量）及出水溫度無法控制等問題，自主構(gòu)思、研究和設(shè)計了一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飲用水監(jiān)測裝置。可以實現(xiàn)對飲用水水質(zhì)檢測、過濾、消毒、實時監(jiān)測及遠程控制等功能，保證校園飲水安全，同時還充分考慮其應(yīng)用范圍，搭配萬能接口，使裝置可與任何一個擁有水龍頭的飲水設(shè)備進行對接，無需任何改裝，適用性較強，具有很好的推廣應(yīng)用價值和商業(yè)前景。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)二次污染 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 水質(zhì)監(jiān)測 過濾消毒

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）02-0101-03研究背景及意義

記得在一個很熱的夏天，我上完體育課之后，回教室發(fā)現(xiàn)飲水器里只有熱水，為了解渴只能跟同學(xué)一起去學(xué)校小賣部買冰水喝，喝完當時是降溫舒服了，但是后來的反應(yīng)是肚子疼，很難受。后來詢問了醫(yī)生才知道，人在出汗的時候，不能直接喝冰水，最好的降溫方式是喝溫水。但在學(xué)校里只有熱水和自來水，沒有選擇的余地。如何保證飲用水的安全，確保青少年學(xué)生的身心健康呢？

那么，我們每天喝的水是否安全呢？我是不是可以利用學(xué)?！痘瘜W(xué)》和《物理》課程里學(xué)到的酸和堿、溶液離子濃度等知識，去檢測一下我們飲用水的pH值、濁度、重金屬含量是否達標呢？如果檢測出來不達標，是否能讓它自動報警，并及時通知學(xué)校供水老師？于是萌發(fā)了設(shè)計一種能實時監(jiān)測又能進行溫度控制的裝置，確保校園飲用水安全的念頭。

有了這個想法后，我就向?qū)W校老師請教，老師認為這是一個可行的很好的想法，并愿意指導(dǎo)我開展相關(guān)的研究工作。在得到老師的支持后，我開始收集相關(guān)資料，設(shè)計和組合水質(zhì)檢測系統(tǒng)。

一、現(xiàn)狀調(diào)研

（一）“客戶”的需求：

學(xué)生：飲用水設(shè)備較少、排隊現(xiàn)象嚴重，對于使用飲水器的學(xué)校，還有水溫過熱，無法立即飲用等問題。他們希望下課能馬上喝到水；不想喝過熱的水；想喝干凈的水。

老師：不希望出現(xiàn)安全事故，如燙傷，擁擠，滑倒等；保證課間要喝上溫開水。便于管理，杜絕不衛(wèi)生的飲水方式，杜絕各種飲料。

家長：不惜一切代價保障孩子飲水安全。

校領(lǐng)導(dǎo)：安全、衛(wèi)生、節(jié)能，不要增加運行經(jīng)費。同時，對水質(zhì)也提出了一定的要求，要保證飲用水的水質(zhì)安全，不要影響學(xué)生的身心健康。

（二）飲水方式

從表1我們不難看出，各種飲水方式都有利弊，但其水質(zhì)均無法得到很好保證，這給學(xué)生的飲水安全帶來了一定的隱患。

（三）校園飲用水現(xiàn)狀

學(xué)校飲水裝置的水是否安全，我對學(xué)校6個出水口進行了取樣檢測，檢測結(jié)果如表2。我國飲用水的國家標準pH值是6.5～8.5的范圍，TDS值是0≤TDS≤50的范圍。由此可見飲用水終端出水水質(zhì)還是存在著不容忽視的問題。

二、研究思路

通過對以上調(diào)查結(jié)果的分析，得出了我的設(shè)計思路，具體如下：

（一）飲用水呈現(xiàn)出過酸或過堿等特性，都將嚴重影響人們的身體健康。所以有必要在目前飲水設(shè)備的后端，增加一個pH檢測裝置，出水水質(zhì)不符合飲用水酸堿度要求，則自行停止出水等。

（二）飲用水的溫度對人體健康也有著一定影響。學(xué)校里將水燒開，有利于減少水中可揮發(fā)性有機物，殺滅細菌。但是飲用水的溫度保持在25℃到40℃之間是最合適的。因此，在裝置的設(shè)計中，還必須考慮到出水的溫度符合最佳飲用溫度。

（三）在自來水輸送中，管道內(nèi)壁溶出的金屬物是其最主要的污染源。所以有必要在出水時進行檢測，若發(fā)現(xiàn)異常，則應(yīng)立即進行過濾，直至水質(zhì)符合飲用安全。

（四）目前的飲水設(shè)備往往都是定期消毒，包括清潔管路，更換過濾裝置等。最科學(xué)的方法應(yīng)該是按照使用頻率進行消毒和更換。若可以實現(xiàn)自動消毒，則可以在很大程度上確保水質(zhì)的安全。

（五）目前的飲水裝置缺少對飲水出現(xiàn)的問題進行實時干預(yù)的綜合控制系統(tǒng)。因此，我采用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，在裝置中設(shè)計報警提醒裝置，從而對飲水裝置進行實時控制。

綜上所述，我只需對原有飲水方式的“后端”進行研究，設(shè)計出一種水質(zhì)監(jiān)測裝置，它可以與任何一個飲水設(shè)備進行對接，就可以很好地解決目前校園飲水水質(zhì)因二次污染而導(dǎo)致不合格、無法飲用的問題，從而確保飲水安全。

三、技術(shù)方案

（一）系統(tǒng)設(shè)計的校園飲水水質(zhì)監(jiān)測裝置主要由檢測、處理、控制三大模塊構(gòu)成。本設(shè)計將充分利用傳感器、自動控制、消毒滅菌以及工程機械等多種技術(shù)對飲用水質(zhì)進行檢測，包括檢測pH值、TDS、精密過濾以及溫度控制等、同時利用無線傳輸技術(shù)進行遠程控制，從而實現(xiàn)了對校園飲用水質(zhì)全自動檢測和管控，從技術(shù)上確保校園飲水安全。

（二）飲水裝置設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，從上至下，依次為冷熱水進水口、萬能接口、浮標閉合器、GPRS發(fā)射模塊、出水溫度控制裝置（電磁閥）、儲水箱、傳感電路（pH、TDS）、三通電磁閥、精密過濾裝置、蛇形銅管、安全指示燈、溫度傳感、噴霧冷卻裝置、空氣加熱器、微處理器、紫外線燈、電源、電磁閥及出水口。裝置連接較方便，只需將進水口與現(xiàn)有飲水設(shè)備進行連接即可使用。如下圖所示：

四、技術(shù)指標

（一）萬能接口

由兩個小圓筒組成，上方圓筒較下方圓筒粗，其外側(cè)均勻設(shè)置三個螺桿，底部設(shè)有一個橡膠墊圈；下方圓筒可套在上方圓筒內(nèi)。使用時，將原飲水設(shè)備的水龍頭塞入上方圓筒內(nèi)，并與墊圈充分接觸并壓牢；分別旋轉(zhuǎn)三個螺桿，牢牢固定住，確保水不會外溢。通過該萬能接口的設(shè)計，實現(xiàn)了本裝置與任意飲水設(shè)備的連接。

（二）浮標閉合器

采用了一個蹺蹺板結(jié)構(gòu)，左側(cè)固定在裝置的頂端，右側(cè)為一個倒置漏斗結(jié)構(gòu)。初始時，由于重力作用，倒漏斗結(jié)構(gòu)是無法塞入排氣孔的，當水位持續(xù)上升后，由于浮力的作用，倒漏斗裝置開始慢慢上升，直至堵住排氣孔，水停止進入；水可以繼續(xù)灌入。通過浮標閉合器的設(shè)計，實現(xiàn)了本裝置在出水口閉合的情況下，進行初始狀態(tài)的設(shè)置功能。endprint

（三）溫控系統(tǒng)

該部分由熱水和冷水管組成，通過控制兩個管路的流量來實現(xiàn)溫度控制，即檢測每個管路的水流量，到達一定數(shù)值后，控制（關(guān)閉）電磁閥，即通過調(diào)節(jié)進水口的兩個電磁閥流程來實現(xiàn)的，從成本和實現(xiàn)上考慮，采用渦輪式，根據(jù)葉片式檢測原理可知，葉片的轉(zhuǎn)速大體和流速成正比，因此就能檢測出具體的流量。葉片的轉(zhuǎn)速檢測通過霍爾傳感器來實現(xiàn)，葉片的轉(zhuǎn)軸上需要鑲嵌一個磁鐵。其次，控制閥門則可選用一般的水流量電磁閥。為了更好地進行水溫的控制，本系統(tǒng)采用了冷熱水混合的方式來控制水溫，即通過調(diào)節(jié)進水口的兩個電磁閥流程來實現(xiàn)。經(jīng)過多次反復(fù)實驗，整理出了一組實驗數(shù)據(jù)。最后確定冷、熱水的比例為1：0.15，則出水溫度可以基本停留在25℃-30℃。

熱水溫度：95攝氏度，冷水溫度：15攝氏度。

（四）檢測裝置

它由pH傳感器、TDS傳感器組成，分別檢測裝置中水質(zhì)的酸堿度、離子濃度情況，實現(xiàn)了對水質(zhì)的綜合測定。檢測裝置多由網(wǎng)上直接購買，具體型號參數(shù)參見圖表。

測量原理：由pH玻璃電極和銀氯化銀參比電極復(fù)合組成，通過測量電極和參比電極，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從而測量溶液的pH值。

測量原理：通過在兩個或多個電極之間施加電壓。帶正電的離子（如鈉離子，鈣離子，鎂離子，氫離子，等等）向負電荷的電極移動，帶負電荷的離子（如氯離子，硫酸根離子，碳酸氫根離子等）將向正電荷的電極移動。離子的移動形成了電流。儀表通過檢測離子的移動確定電流。從而得出水的電導(dǎo)率。

考慮到水溫高于室溫，是否會影響傳感器的性能和壽命，我做了相關(guān)實驗。實驗從室溫30℃至80℃，實驗數(shù)據(jù)如表5所示，顯示傳感器的誤差≤1%，在正常范圍內(nèi)。

從實驗數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，水的溫度升高，pH略呈上升趨勢。但根據(jù)化學(xué)原理，溫度升高，水的電離度加快，水中氫離子濃度增加，水的pH應(yīng)該減小。因此我又額外增加了一組實驗，在蒸餾水的情況下，測量水溫與pH的相關(guān)性。實驗數(shù)據(jù)見表6，顯示溫度升高，水的pH減小，與原理分析相符。

（五）精密過濾裝置

考慮到若水質(zhì)本來已經(jīng)達到飲用要求，則無需進行過濾，我在過濾裝置前端設(shè)置三通電磁閥。若水質(zhì)無需過濾，則可直接進入蛇形管，反之則需要用RO反滲透裝置進行過濾后進入。

（六）蛇形散熱銅管

在裝置的中端，設(shè)置一個蛇形散熱銅管，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水管，一方面通過增加長度來增加儲水量，另一方面利用金屬管路加快水散熱速度，提高裝置的散熱效率。

（七）二次溫控

在裝置的出水口增設(shè)溫度傳感器，實現(xiàn)對水的溫度監(jiān)測。溫度值一旦超出指定范圍，則通過二次溫控，直至水溫符合要求。散熱蛇形管的對應(yīng)位置，分別裝有水霧噴頭和空氣加熱器，當溫度不在預(yù)設(shè)范圍（25℃-30℃）時，啟動相應(yīng)的裝置，進行物理干預(yù)，直至溫度在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

（八）紫外線燈

在出水口的兩側(cè)，設(shè)置一對微型紫外線燈管（如圖19所示），當出水完畢后，控制系統(tǒng)啟動紫外線燈，與此同時，出水管打開，以便對管路進行充分消毒。經(jīng)15秒消毒時間后，出水管路關(guān)閉，紫外線燈關(guān)閉，完成；X消毒。

（九）互聯(lián)網(wǎng)+模塊

在裝置上設(shè)置一個微型GPRS發(fā)射模塊來實現(xiàn)信息的無線發(fā)送。該模塊實現(xiàn)遠程控制功能。具體的流程、算法、程序均是通過編程預(yù)先“燒入”芯片當中。同時，考慮到過濾時，若水質(zhì)較差，多次過濾仍無法達標的情況，系統(tǒng)設(shè)置了時間限制，即一分鐘無法出水，則直接禁止出水，并進行遠程提醒。

（十）臨界值設(shè)定

根據(jù)查閱相關(guān)資料，我對相關(guān)臨界值作出了如下界定：

溫度值：25℃-40℃；pH值：7.0-8.0之間；TDS值：小于50。

五、樣機制作

（一）制作準備

器件采購：通過網(wǎng)絡(luò)以及實體店采購了樣機制作的所有器件，具體包括純銅電磁閥水閥、水質(zhì)電解器測試儀器、pH測試器、有機玻璃透明塑料板、電線、水管、不銹鋼管、紫外線燈管、水霧蓬頭、空氣加熱器等。

（二）制作過程

1.部件制作：首先對購買來的器件，按照使用要求進行拆解，使用相關(guān)工具進行重新加工和性能確定，然后開始各個部件的制作。主要制作部件有：儲水箱、無線傳輸裝置、萬能接口、浮標閉合器、蛇形散熱銅管、降溫冷水管、出水口及相關(guān)購買零件。

2.部件組裝：完成以上部件后，按照模型設(shè)計圖，依次將以上部件組裝起來，包括每個部件的硬連接（采用膠水固定相關(guān)器件、利用水管接頭連接管路），相關(guān)電路的軟連接（微處理器、多個電磁閥、空氣加熱器、pH及TDS傳感器、蓬頭、紫外線燈以及無線傳輸裝置）等。

3.程序編寫：為了保證樣機的正常使用，需要進行微處理器的程序編寫功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化工作，功能包括電磁閥的控制、傳感器數(shù)值的獲得與判定、空氣加熱器及蓬頭的啟動與關(guān)閉、紫外線燈的打開與閉合等。

根據(jù)以上結(jié)論，針對出現(xiàn)的問題，如出水控制異常、短信收發(fā)異常等情況，又對裝置進行了調(diào)試，直至程序符合要求，最后封裝成品。如下圖所示：

六、主要創(chuàng)新及效益分析

（一）主要創(chuàng)新

本設(shè)計在老師的指導(dǎo)下，經(jīng)過調(diào)查并利用中學(xué)《化學(xué)》和《物理》課程中所學(xué)的酸與堿、溶液離子濃度、溫度測量、信息技術(shù)等知識，得出了基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的飲用水水質(zhì)檢測裝置的研究方案，并獲得以下創(chuàng)新性研究成果：

1.選型搭配了pH傳感器、TDS檢測傳感器、溫度傳感器，實現(xiàn)了對水質(zhì)酸堿度、重金屬離子濃度、溫度的自動檢測，確保飲用水水質(zhì)安全。

2.選型搭配了精密過濾裝置，利用最新的RO反滲透技術(shù)對水中的金屬離子進行過濾，最大限度防止重金屬對人體的傷害。

3.選型搭配了紫外消毒燈，設(shè)計了紫外消毒的出水管路，實現(xiàn)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，保證了使用人員的身體健康。

4.選型搭配了溫度傳感器，自行設(shè)計了溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水的即刻飲用，即在不影響水質(zhì)的情況下，使用溫度控制（流量傳感器及電磁閥的完美搭檔）及水冷和制熱技術(shù)對出水進行冷卻和加熱處理，使得出水溫度適宜飲用，防止過燙，保護飲用安全。

5.自行編制軟件，利用GPRS，將“故障信息”實時無線傳輸至指定終端（管理人員手機），便于及時處理，保障學(xué)生飲用需求。

6.在設(shè)計時，已充分考慮其應(yīng)用范圍，選型搭配萬能的接口，使該裝置可與任何一個擁有水龍頭的飲水設(shè)備進行對接，無需任何改裝，適用性較強。

（二）前景分析

從經(jīng)濟效益上來說，本裝置制作成本較低，模型的制作成本約為350元左右，如果進行工廠量產(chǎn)化生產(chǎn)，整體成本能夠控制在200元以內(nèi)。且不改變原飲水方式，故推廣費用也較低。能很好地解決校園飲水安全問題，并且也是有一定的社會和經(jīng)濟效益的。

（三）結(jié)論及建議

本設(shè)計研發(fā)的飲水水質(zhì)監(jiān)測裝置是在不改變原有飲水設(shè)備及方式的基礎(chǔ)上設(shè)計的，它充分利用了現(xiàn)代水質(zhì)檢測技術(shù)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，通過技術(shù)集成與創(chuàng)新，很好地解決了目前校園飲水水質(zhì)無法實時檢測控制的問題，保護了學(xué)生的飲水安全，具有一定的社會和經(jīng)濟效益。

同時，本設(shè)計的研究，已經(jīng)形成了一個較為成熟的產(chǎn)品設(shè)計方案和圖紙。在此，我也建議，在條件成熟時，相關(guān)部門可委托相關(guān)企業(yè)投入模型的開發(fā)和產(chǎn)品的試制作，盡快在校園內(nèi)推廣應(yīng)用。endprint