飲用水水質(zhì)在線儀表檢測(cè)誤差形成因素的分析

摘 要：隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)生活飲用水的質(zhì)量要求也逐漸提高。為保證人們能夠飲用安全健康的水源，有關(guān)單位做好水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，為人們的生命安全和身體健康提供保障。目前，我國(guó)在生活飲用水質(zhì)量檢測(cè)方面存在很多問題，尤其是在水質(zhì)檢驗(yàn)中會(huì)存在數(shù)據(jù)誤差。本研究詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)誤差形成的原因及對(duì)應(yīng)的處理方法，為進(jìn)一步提升水質(zhì)檢驗(yàn)質(zhì)量提供助力。

關(guān)鍵詞：飲用水;水質(zhì)在線儀表;檢測(cè);誤差

Analysis of Factors Causing Errors in On-Line Instrument Detection of Drinking Water Quality

LI Linna

（Qiqihar Water Resources Center， Qiqihar 161005， China）

Abstract： With the improvement of people's living standards， people's requirements for the quality of drinking water are also gradually improved. In order to ensure that people can drink safe and healthy water sources， relevant units do a good job in water quality monitoring to provide guarantee for people's life safety and health. At present， there are many problems in the quality inspection of drinking water in China， especially the data error in the water quality inspection. This paper expounds the causes of water quality error and the corresponding treatment methods， and provides a detailed explanation for the improvement of water quality.

Keywords： drinking water; water quality online instrument; testing; error

當(dāng)前，我國(guó)存在水資源嚴(yán)重污染的問題，水資源直接影響人們的日常生活和切身利益。因此，水質(zhì)檢驗(yàn)具有十分重要的意義。在水質(zhì)檢驗(yàn)過程中，應(yīng)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，進(jìn)而為防治水資源污染、保障水資源衛(wèi)生質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。然而在實(shí)際開展生活飲用水水利建設(shè)時(shí)，存在數(shù)據(jù)誤差，影響水資源管理。因此，應(yīng)保障水資源管理準(zhǔn)確度，控制數(shù)據(jù)誤差。在采用儀器儀表進(jìn)行測(cè)量和勘探時(shí)，受設(shè)備、測(cè)量人員和周邊環(huán)境因素影響，所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間存在偏差或誤差。其中，在儀表測(cè)量中的誤差無(wú)法完全避免，但需要高度重視，在監(jiān)測(cè)過程中，盡可能避免誤差的產(chǎn)生，通過分析儀器儀表測(cè)量找出誤差的形成原因，進(jìn)一步探討降低誤差的有效方法，為儀器測(cè)量提供重要參考[1]。

1 水質(zhì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差類型

1.1 可測(cè)誤差

在生活飲用水水質(zhì)檢驗(yàn)過程中，可測(cè)誤差較為穩(wěn)定，而產(chǎn)生誤差的因素通常也是固定的，因此可測(cè)量誤差即系統(tǒng)誤差。在誤差校正的基礎(chǔ)上反復(fù)測(cè)量，這種情況下會(huì)導(dǎo)致誤差不斷重復(fù)，這種誤差為固定誤差。由于某種原因也會(huì)導(dǎo)致不固定誤差產(chǎn)生，如在濃度測(cè)量時(shí)溶液溶質(zhì)和溶劑揮發(fā)使水質(zhì)測(cè)量實(shí)際濃度以及取樣濃度不同，這種測(cè)量誤差可通過標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算降低。

1.2 偶然誤差

相比可測(cè)誤差而言，偶然誤差并不是由于固定因素產(chǎn)生的[2]。例如，在生活飲用水水質(zhì)檢測(cè)時(shí)，操作人員沒有按照規(guī)范操作，或受環(huán)境因素影響，可能導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)缺乏客觀性和準(zhǔn)確性，雖然可通過環(huán)境控制方法降低誤差產(chǎn)生的可能性，但操作人員會(huì)存在主觀因素影響導(dǎo)致的誤差，并且正負(fù)誤差不統(tǒng)一，這種類型的誤差即偶然誤差。

1.3 過失誤差

在水質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)，過失誤差發(fā)生的概率也較高，過失誤差可以通過采取措施避免。因此，產(chǎn)生過失誤差時(shí)應(yīng)由相應(yīng)的檢測(cè)人員負(fù)責(zé)。

2 水質(zhì)在線檢測(cè)儀表誤差形成原因分析

2.1 儀表自身誤差

一些在線檢測(cè)儀器儀表本身存在一定的測(cè)量誤差，通常是以精確度表示誤差范圍及量值，生產(chǎn)廠家提供的儀器說明書中會(huì)有對(duì)應(yīng)介紹。如1720E濁度儀以及DKK pH儀器，對(duì)這兩種儀器進(jìn)行儀表測(cè)量誤差分析。其中，1720E濁度儀采用福爾馬肼散射法進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，該濁度儀的測(cè)量量程為0～100 NTU，可采用單點(diǎn)校準(zhǔn)法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，在處于0～40 NTU時(shí)，具有良好的內(nèi)線性范圍，可用于低量程水質(zhì)測(cè)量，可分段控制精確度。針對(duì)0～10 NTU量程為±2%讀數(shù)值，或0.015 NTU，針對(duì)10～40 NTU量程為±5%讀數(shù)值，對(duì)于40～100 NTU量程為±10%讀數(shù)值。對(duì)于DKK pH儀器，采用玻璃電極法進(jìn)行pH值測(cè)量，該儀器的量程為0～14，采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，精確度可達(dá)到0.01。對(duì)于Cl17型余氯設(shè)備，采用DPD比色法，該設(shè)備的測(cè)量量程為0～5 mg/L，可用于自由氯以及余氯檢測(cè)，采用單點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)法，準(zhǔn)確度達(dá)5%，或0.003 5 mg/L[4]。

2.2 在線儀表信號(hào)傳輸誤差

對(duì)于水質(zhì)在線檢測(cè)儀表而言，一般采用兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：現(xiàn)場(chǎng)總線制輸出;通過輸出信號(hào)提供模擬信號(hào)方式。其中采用總線制儀表進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，其產(chǎn)生誤差一般可以忽略，而對(duì)于4～20 mA

模擬信號(hào)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于受多種因素干擾，會(huì)形成各種誤差。結(jié)合對(duì)儀表輸入端干擾作用，可將其分為共模和串模干擾，其中串模干擾是疊加與被測(cè)信號(hào)中的干擾，共模干擾是加在儀表任意輸入端和地的干擾。

3 水質(zhì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

為保證在生活飲用水水質(zhì)檢驗(yàn)中所測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)接近，要求在水質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)，需要準(zhǔn)確計(jì)算各項(xiàng)數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果，保證所記錄結(jié)果具有真實(shí)性和準(zhǔn)確性。例如滴管液體數(shù)值讀數(shù)過程中，分別記錄4.56 mL、4.58 mL、4.55 mL和4.59 mL這4個(gè)數(shù)據(jù)，前3個(gè)數(shù)據(jù)可通過測(cè)量獲得真實(shí)數(shù)據(jù)，最后一個(gè)數(shù)據(jù)是估計(jì)出來(lái)的。因此，最后數(shù)字為無(wú)效數(shù)據(jù)，僅前3個(gè)數(shù)據(jù)為實(shí)際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析時(shí)需進(jìn)行有效數(shù)字取舍，取舍結(jié)果將影響數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性。對(duì)于有效數(shù)字如果數(shù)據(jù)中含有分?jǐn)?shù)或倍數(shù)關(guān)系，這種情況下可以選取多個(gè)有效個(gè)數(shù);如果數(shù)據(jù)第1個(gè)數(shù)字大于7，那么僅能選擇一個(gè)有效數(shù)字。需要注意的是，為減小誤差產(chǎn)生，一般可通過保留有效數(shù)字的方式降低誤差[5]。

3.1 儀器儀表自身誤差控制

3.1.1 選擇合適的儀表

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)過程中沒有合理選擇儀表，將會(huì)導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，甚至還會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期漂移問題。因此，需合理選擇儀表進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，這對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性十分重要。例如，對(duì)于pH儀，在水廠建設(shè)時(shí)采用P53/PC1R1A型，在設(shè)備運(yùn)行前期所檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較大偏移，經(jīng)過問題分析，發(fā)現(xiàn)原水電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致原水電導(dǎo)率為40～60 μs/cm，電導(dǎo)率對(duì)于pH儀選型具有較大影響。對(duì)于低電導(dǎo)率的水，應(yīng)采取純水電極，因此可使用SC200/Dkk儀表，在后期使用時(shí)，pH儀表測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。以上泰公司生產(chǎn)的PC3110型pH儀為例進(jìn)行分析，該儀表配套純水電極，可用于低電導(dǎo)率水質(zhì)檢測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性使用，具有良好的穩(wěn)定性，能同時(shí)采用一到三點(diǎn)較準(zhǔn)法[3]。

3.1.2 儀器鑒定期間核查及儀器比對(duì)融合

在線儀器儀表的實(shí)際管理中，為檢測(cè)儀表準(zhǔn)確性，通常需要對(duì)儀器儀表所測(cè)數(shù)據(jù)與其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器應(yīng)通過具備一定資質(zhì)的法定機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，并定期由管理人員進(jìn)行提前核查，有效控制計(jì)量管理風(fēng)險(xiǎn)，保證數(shù)據(jù)具有法定效力。通過核查可保證儀表在使用期間檢測(cè)數(shù)據(jù)的安全性、可靠性，通過比較實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)與在線儀表數(shù)據(jù)，能夠提高在線數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性，確保數(shù)據(jù)溯源有效。當(dāng)前部分水廠配備的在線水質(zhì)儀表僅具備法定機(jī)構(gòu)強(qiáng)檢資質(zhì)，但沒有強(qiáng)化過程管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表準(zhǔn)確度的有效控制。

3.2 信號(hào)傳輸誤差控制

3.2.1 減少串模干擾

生產(chǎn)過程儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)間信號(hào)傳輸，會(huì)導(dǎo)致儀表與設(shè)備傳輸受干擾，一旦形成這種干擾，無(wú)法有效消除，在布線時(shí)，需充分考慮串模干擾問題。在設(shè)計(jì)時(shí)，可采用屏蔽電纜，嚴(yán)格做好強(qiáng)弱電分離，有效抑制傳輸干擾的產(chǎn)生。針對(duì)后期使用中存在較大干擾的信號(hào)，應(yīng)增加信號(hào)隔離器，抑制干擾信號(hào)傳遞，盡可能減少信號(hào)傳輸誤差產(chǎn)生。

3.2.2 減少共模干擾

不同水質(zhì)在線檢測(cè)儀器均含有接地點(diǎn)，并且大地在不同點(diǎn)間存在電位差，將其與PLC進(jìn)行連接后，可通過系統(tǒng)形成到地泄漏電流，通過電阻耦合，能夠作用于在線儀表，使其形成共模干擾。經(jīng)過濾后的水在測(cè)量其濁度和余氯時(shí)數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在機(jī)柜測(cè)接地點(diǎn)與自控系統(tǒng)接地點(diǎn)電位差達(dá)到10 V以上。因此，針對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)采取同一點(diǎn)接地進(jìn)行改進(jìn)后，能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。針對(duì)信號(hào)電纜屏蔽層接地，要求采取單點(diǎn)接地法。目前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常在控制系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行接地。如果屏蔽層在儀表側(cè)和信號(hào)輸入端接地，地電位差可通過屏蔽層形成回路，相比屏蔽層來(lái)說地電阻較小，因此在屏蔽層會(huì)形成一定的電位梯度，可通過屏蔽層與信號(hào)導(dǎo)線分布電容器耦合到回路中，但要求屏蔽層單點(diǎn)接地。

3.2.3 合理使用總線制儀表

在水廠進(jìn)行水質(zhì)在線儀器儀表使用時(shí)，顆粒計(jì)數(shù)器應(yīng)采用總線傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其不會(huì)形成傳輸誤差。在傳輸過程中，總線制儀表是通過數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠防止傳輸誤差產(chǎn)生，但該儀表成本較高，且要求設(shè)定合理傳輸量程。在采用在線儀表進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，應(yīng)選擇合適量程，放大測(cè)量信號(hào)，以減少干擾信號(hào)的占比，降低誤差產(chǎn)生。結(jié)合實(shí)際需求，水廠需要將安裝于不同位置的濁度儀，設(shè)置最大傳輸量程，通常需要設(shè)置為日常均值5～10倍，不會(huì)影響水質(zhì)濁度測(cè)量，同時(shí)可顯著降低誤差產(chǎn)生[6]。

3.3 安裝及維護(hù)誤差控制

3.3.1 安裝取樣管路

為保證管路中還有持續(xù)流動(dòng)的水樣，在安裝過程中，需針對(duì)取樣泵增加穩(wěn)壓閥或緩沖池，以控制流量。例如對(duì)pH儀取樣管路，要求做成U型，保證停水時(shí)電極能完全浸沒在水中。pH電極放置在三通管路中，以保證管路電壓與大氣壓一致，通過溢流軟管排出水，可對(duì)進(jìn)水流量進(jìn)行控制，在安裝余氯儀時(shí)，應(yīng)按照相關(guān)說明進(jìn)行操作，以保證進(jìn)入儀表壓力可滿足測(cè)量需求。

3.3.2 對(duì)設(shè)備做好日常維護(hù)

不同水廠的水質(zhì)不同，要結(jié)合實(shí)際情況，制定符合水廠實(shí)際生產(chǎn)需求和儀表規(guī)范的規(guī)程。水廠相關(guān)負(fù)責(zé)人員應(yīng)對(duì)在線儀器儀表的維護(hù)周期作出詳細(xì)規(guī)定。在校驗(yàn)頻率上，pH儀、濁度儀應(yīng)每月進(jìn)行1次校準(zhǔn);在清洗要求上，濁度儀需每周1次清洗，每半月1次驗(yàn)證;pH儀每月兩次清洗，顆粒計(jì)數(shù)儀每周1次清洗，溶氧儀每月兩次清洗。在儀表監(jiān)督過程中，要求班組成員應(yīng)每天針對(duì)水質(zhì)在線儀器儀表進(jìn)行巡檢，以觀察儀表數(shù)據(jù)和進(jìn)出水管路是否正常。同時(shí)，相應(yīng)的管理人員還需要每周對(duì)儀器儀表所檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì);比對(duì)中控室上位機(jī)數(shù)據(jù)與儀表現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，保證在線儀表運(yùn)行規(guī)范及其數(shù)據(jù)可靠。在日常儀表維護(hù)過程中，均應(yīng)保持輸出方式，防止由于清洗校準(zhǔn)造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。采用4 000 NTU標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量體，配置為20 NTU標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，利用濕態(tài)驗(yàn)證，結(jié)合儀表檢測(cè)不同時(shí)段水質(zhì)配置相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，如由于數(shù)據(jù)變化范圍較大，原水濁度儀可配置20 NTU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)液驗(yàn)證。沉淀池水質(zhì)濁度儀，可配置1 NTU標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

水質(zhì)檢驗(yàn)誤差存在可測(cè)、偶然和過失3種不同類型的誤差。進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)誤差無(wú)法避免，需采取有效方法合理控制誤差。尤其對(duì)于水質(zhì)在線檢測(cè)儀表來(lái)說，需通過誤差原因分析，進(jìn)行控制方法探討。在具體使用時(shí)，需結(jié)合工藝，選擇不同的儀表類型，在儀表日常管理時(shí)，分析誤差形成原因并做好儀器控制，在水廠日常比對(duì)校準(zhǔn)時(shí)，結(jié)合儀表特點(diǎn)，儀表精度，按照絕對(duì)值誤差，合理控制測(cè)量精確度。

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作者簡(jiǎn)介：李林娜（1970—），女，湖南邵陽(yáng)人，本科，副高級(jí)工程師。研究方向：水資源保護(hù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)。