管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀性能評(píng)價(jià)方法探究

王欣欣，陳瑩瑩，姚 靈

(寧波水表(集團(tuán))股份有限公司，浙江 寧波 315032)

0 引言

我國對(duì)飲用水中余氯含量有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求[1]：以消毒劑在水中接觸時(shí)間30 min為限，飲用水中消毒劑常規(guī)指標(biāo)氯氣及游離氯制劑(游離氯)在管網(wǎng)末梢水中余量應(yīng)不少于0.05 mg/L，出廠水中余量應(yīng)不少于0.3 mg/L。對(duì)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，消毒劑余氯的含量是必須監(jiān)測(cè)的參數(shù)之一[2-3]。一般自來水出水中的余氯是游離性余氯[4]。為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)末梢飲用水的余氯含量，通常將被測(cè)飲用水引入余氯分析儀，通過實(shí)時(shí)采樣、流動(dòng)測(cè)量以及測(cè)量用水排放或自動(dòng)流入供水管道等流程，完成余氯測(cè)量的全過程[5]；與此同時(shí)，將獲取的余氯含量測(cè)量值遠(yuǎn)傳至水質(zhì)預(yù)警平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和決策。然而，被測(cè)水樣的就地排放不僅會(huì)大量浪費(fèi)水資源，還會(huì)造成土壤污染和流失等問題。因此，管道接入式余氯監(jiān)測(cè)儀應(yīng)運(yùn)而生。其可直接接入供水管道，且余氯測(cè)量后被測(cè)水樣會(huì)自動(dòng)流入供水管道。

由于余氯測(cè)量環(huán)境的改變，管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀需重新構(gòu)建滿足余氯傳感器額定工作條件的測(cè)量環(huán)境和條件。因此，現(xiàn)有的性能評(píng)價(jià)體系已不再適用，需要重新建立有效的性能評(píng)價(jià)體系。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原理

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀通過在供水管道上設(shè)置旁路支管，利用泵或文丘里結(jié)構(gòu)等將飲用水引入測(cè)量容器，在測(cè)量容器中構(gòu)建滿足余氯傳感器額定工作條件的測(cè)量環(huán)境和條件。余氯測(cè)量完成后，被測(cè)飲用水自動(dòng)流入供水管道。待測(cè)量容器中飲用水更換后，重復(fù)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)周期性余氯測(cè)量。

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Pipe access type residual chlorine online monitor structure schematic

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀屬于應(yīng)用創(chuàng)新類產(chǎn)品，主要由余氯測(cè)量部件和通信單元構(gòu)成。其中，余氯測(cè)量部件主要包括余氯測(cè)量容器、余氯傳感器、電源供應(yīng)單元、信號(hào)處理單元和人機(jī)交互單元等，可獨(dú)立進(jìn)行余氯測(cè)量。管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量性能(即余氯測(cè)量部件的測(cè)量性能)，與余氯傳感器測(cè)量性能、信號(hào)處理方式及測(cè)量容器中的測(cè)量環(huán)境等密切相關(guān)。

2 技術(shù)性能

2.1 額定工作條件

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀主要安裝在大用水戶入口處和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等位置，可借助于水表、閥門等的安裝位置，如窨井、泵房等。其額定工作條件如下[6]。

①環(huán)境溫度范圍為5～55 ℃。

②環(huán)境相對(duì)濕度范圍為0%～100%。其中，遠(yuǎn)傳指示裝置應(yīng)為0%～93%。

③水溫范圍為0.1～30 ℃。

④供水管道水流量范圍為Q1～Q4。

⑤供水管道水壓范圍為從0.03 MPa到最高允許壓力。

然而，目前商用傳感器的額定工作條件還不能滿足供水管道工作環(huán)境的要求，如其工作流量通常需要穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，最高允許壓力通常也不高于0.6 MPa等。因此，為使余氯傳感器在管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀上正常工作，需要在測(cè)量容器中構(gòu)建滿足余氯傳感器額定工作條件的測(cè)量環(huán)境和條件。

2.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)及要求

2.2.1 衛(wèi)生安全性

為避免對(duì)飲用水產(chǎn)生污染，管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀應(yīng)具有良好的衛(wèi)生安全性。其涉水部件應(yīng)采用無毒、無污染、無生物活性的材料制造，須符合衛(wèi)生部辦公廳2010年發(fā)布的《飲用水水表衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)規(guī)范(試行)》的相關(guān)規(guī)定。同時(shí)，由于余氯在線傳感器通常是基于化學(xué)或電化學(xué)測(cè)量原理的[7]，在傳感器選型時(shí)必須選擇測(cè)量過程中不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)的傳感器。

2.2.2 靜壓

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀直接與供水管道相接，須承受供水管道0.03～1 MPa(最高允許壓力)的水壓變化而不被破壞。結(jié)合對(duì)具有相同額定工作條件的水表的靜壓要求，其必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《飲用冷水水表和熱水水表 第1部分：性能要求和技術(shù)要求》(GB/T 778.1—2018)規(guī)定的靜壓要求，即應(yīng)能承受15 min的1.6 MPa壓力和1 min的2 MPa壓力而不出現(xiàn)泄漏或損壞。

2.2.3 測(cè)量性能

為滿足用戶需求、實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管道中飲用水余氯含量的可靠監(jiān)測(cè)，管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀在額定工作條件下必須能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定、可靠的測(cè)量性能，同時(shí)還要具有強(qiáng)大的抗環(huán)境影響能力(如氣候、機(jī)械、電磁環(huán)境影響等)。根據(jù)用戶實(shí)際需求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可提出如表1所示的管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量性能指標(biāo)要求。

表1 測(cè)量性能指標(biāo)要求Tab.1 Measurement performance index and requirements

①示值誤差。

根據(jù)表示形式的不同，管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的示值誤差可以用絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差來表示。該指標(biāo)是在線監(jiān)測(cè)儀表的主要測(cè)量特性之一，本質(zhì)上反映了其測(cè)量準(zhǔn)確度的高低。確定示值誤差試驗(yàn)中，通常選擇余氯濃度約為校準(zhǔn)點(diǎn)(即常用檢測(cè)濃度值)的至少3種余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液來進(jìn)行。

②重復(fù)性。

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的重復(fù)性指標(biāo)通常采用多次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差S′來表征。選擇余氯濃度約為1.0 mg/L的實(shí)際水樣或余氯濃度約為校準(zhǔn)點(diǎn)的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)：采用校準(zhǔn)后的余氯測(cè)量部件在盡量短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量n次，按式(1)計(jì)算S′。

③零點(diǎn)漂移。

采用管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀多次測(cè)量零點(diǎn)校正液，以初始值為基準(zhǔn)，計(jì)算最大偏離幅度相對(duì)于滿量程的百分比以表征零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移試驗(yàn)采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T 6682)規(guī)定的一級(jí)水作為零點(diǎn)校正液[8]進(jìn)行：在一定時(shí)間內(nèi)，每5 min測(cè)定1次零點(diǎn)校正液。以最初3次測(cè)量值的平均值為零點(diǎn)初始值X0，并以3次測(cè)量值為1組，則m(m≥5)組測(cè)量值的平均值為Xm。按式(2)計(jì)算零點(diǎn)漂移δ。

式中：δ為零點(diǎn)漂移，%；Xm為第m組測(cè)量值的平均值，mg/L；X0為零點(diǎn)初始值，mg/L；X為滿量程，mg/L。

④測(cè)定下限。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)偏差的6倍來表征余氯監(jiān)測(cè)儀的測(cè)定下限。選擇零點(diǎn)校正液進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)讀取余氯測(cè)量部件n次余氯濃度測(cè)量值，按式(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S，并按式(4)計(jì)算測(cè)定下限L0。

L0=6S

(4)

⑤壓力、流量、溫度和酸堿度變化。

通常選擇余氯濃度約為校準(zhǔn)點(diǎn)的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行壓力、流量、溫度和酸堿度變化試驗(yàn)。即在額定工作壓力、流量、溫度和酸堿度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)影響參數(shù)后，對(duì)管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行確定示值誤差試驗(yàn)。其中，為避免試驗(yàn)中余氯傳感器被損壞，壓力變化試驗(yàn)中水壓通常以不大于1 MPa/min的速度進(jìn)行調(diào)整。

⑥穩(wěn)定性。

每隔一段時(shí)間，采用余氯濃度約為校準(zhǔn)點(diǎn)濃度的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行確定示值誤差試驗(yàn)，以考察管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的穩(wěn)定性指標(biāo)。測(cè)量不應(yīng)少于3個(gè)時(shí)間周期。時(shí)間間隔可以為1 h、1 d、一周或一個(gè)月等，具體按實(shí)際需要而定。

⑦實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)。

通常應(yīng)選取多個(gè)代表性的實(shí)際水樣作為被測(cè)溶液進(jìn)行確定示值誤差試驗(yàn)。

⑧影響量試驗(yàn)。

影響量試驗(yàn)主要有高溫(無冷凝)、低溫、交變濕熱(冷凝)、靜電放電、電磁兼容等。試驗(yàn)方法可參照國家標(biāo)準(zhǔn)《飲用冷水水表和熱水水表 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 778.2—2018)的規(guī)定[9]進(jìn)行。

3 評(píng)價(jià)方法分析

為提高管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的產(chǎn)品質(zhì)量，確保其關(guān)鍵性能指標(biāo)符合要求，還須對(duì)其開展性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)工作。部分性能試驗(yàn)可參照現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行，如：衛(wèi)生安全性試驗(yàn)可按照國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求》(GB/T 17219—1998)的規(guī)定進(jìn)行；靜壓試驗(yàn)可參照國家標(biāo)準(zhǔn)《飲用冷水水表和熱水水表 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 778.2—2018)的規(guī)定進(jìn)行等。然而，由于測(cè)量環(huán)境和條件的改變，原有的測(cè)量性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)已不適用，需重新研究并建立該類產(chǎn)品測(cè)量性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

3.1 量值溯源

試驗(yàn)中，應(yīng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)儀器及標(biāo)準(zhǔn)溶液實(shí)現(xiàn)量值溯源。由于分光光度法測(cè)量余氯受到水中酸堿度(potential of hydrogen,pH)和待測(cè)液溫度的影響較小，所以通常選擇分光光度法余氯測(cè)定儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器。本試驗(yàn)中，選擇經(jīng)上一級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院)校準(zhǔn)的DR3900余氯測(cè)定儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器。校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。

表2 校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Calibration results

然而，我國目前還沒有余氯有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，難以實(shí)現(xiàn)余氯測(cè)定結(jié)果的量值溯源[10]。因此，通常選擇使用稀釋有效氯含量至少為4%的次氯酸鈉溶液配置余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液。需用經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器確定溶液的余氯濃度標(biāo)稱值，且在溶液的有效試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

對(duì)管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量性能評(píng)價(jià)通常需要將其安裝在相同管徑的試驗(yàn)裝置上，通過流量、水溫、水壓調(diào)節(jié)裝置等構(gòu)建管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的試驗(yàn)條件。由于供水管道規(guī)格通常為DN50～DN300，因此需要建造適合不同管徑的試驗(yàn)裝置。這不僅要占用較大試驗(yàn)場(chǎng)地，還需在試驗(yàn)中使用大量的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液以實(shí)現(xiàn)量值溯源。一次性配置大量的濃度均勻且精確的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液是比較困難的，同時(shí)需要大容量容器進(jìn)行保存。

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量性能主要與測(cè)量容器的測(cè)量環(huán)境、傳感器性能及信號(hào)處理等密切相關(guān)。本研究提出將余氯測(cè)量部件(主要包括測(cè)量容器、余氯傳感器、信號(hào)處理單元、電源供應(yīng)單元和人機(jī)交換單元等)作為測(cè)量性能評(píng)價(jià)對(duì)象，設(shè)計(jì)小型試驗(yàn)裝置，構(gòu)建余氯測(cè)量部件的試驗(yàn)條件。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以減少余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液的使用量、降低標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置和保存難度，還能夠提高評(píng)價(jià)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度和效率。小型試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 小型試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Small test device structure schematic

小型試驗(yàn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)備腔、被測(cè)余氯測(cè)量部件、溶液取樣口、連接管道、人機(jī)交互界面以及流量/溫度/壓力調(diào)節(jié)裝置等構(gòu)成。其中，標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)備腔和連接管道需采用耐腐蝕、避光材料制成，應(yīng)能夠保溫。連接管管徑應(yīng)與管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的支路管徑相同。通過流量/溫度/壓力調(diào)節(jié)裝置，可構(gòu)建余氯測(cè)量部件的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)條件(應(yīng)與管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)條件等效)。

3.3 試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要試驗(yàn)程序如下。

①根據(jù)產(chǎn)品說明書，對(duì)管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

②將被測(cè)余氯測(cè)量部件拆下，安裝在小型試驗(yàn)裝置上。

③將零點(diǎn)校正液或由標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)定余氯濃度標(biāo)稱值、試驗(yàn)有效時(shí)間內(nèi)的余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液注入封閉的標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)備腔。

④啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，排出管內(nèi)空氣，并調(diào)節(jié)被測(cè)溶液的流量、溫度和壓力參數(shù)至規(guī)定值(參比試驗(yàn)條件)。

⑤待余氯測(cè)量部件的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取多次測(cè)量示值，取平均值為余氯濃度測(cè)量值。

⑥按相應(yīng)計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

隨機(jī)抽取3臺(tái)測(cè)量范圍為0～5 mg/L、最大允許誤差為0.05 mg/L的管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀。在環(huán)境相對(duì)溫度為(20±2)℃、環(huán)境相對(duì)濕度為(60±15)%、流量為0 L/h、水溫為(20±2)℃、水壓為(0.3±0.02)MPa)的參比試驗(yàn)條件下，按上述試驗(yàn)程序?qū)τ嗦葴y(cè)量部件進(jìn)行測(cè)量性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，測(cè)量性能可以滿足表1提出的指標(biāo)要求。其中：零點(diǎn)漂移試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為1 h；穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)間間隔為1 d；連續(xù)測(cè)量3次。

4 結(jié)論

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀主要被用于監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)末梢的余氯含量，測(cè)量過程不外排被測(cè)飲用水，以節(jié)約水資源、不污染土壤或造成土壤流失。由于監(jiān)測(cè)儀工作環(huán)境的改變，如需直接與供水管道相連接，則必須在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上構(gòu)建滿足傳感器額定工作條件的測(cè)量環(huán)境和條件。這與常規(guī)余氯在線監(jiān)測(cè)儀不同，因而需要研究、建立該類產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的余氯測(cè)量，在水流動(dòng)和靜止的情況下均可進(jìn)行。本研究通過分析監(jiān)測(cè)儀在供水管網(wǎng)大用水戶入口處及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等位置的工作環(huán)境，結(jié)合用戶需求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，提出了該類儀表的關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及要求。本研究將管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀的核心部件余氯測(cè)量部件作為性能評(píng)價(jià)對(duì)象，對(duì)測(cè)量容器、測(cè)量傳感器及信號(hào)處理等進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了小型試驗(yàn)裝置，構(gòu)建了與管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀余氯測(cè)量環(huán)境和條件等效的性能試驗(yàn)條件，并對(duì)3臺(tái)管道接入式余氯在線監(jiān)測(cè)儀測(cè)量性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)試驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的測(cè)量性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法。該評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法不僅大幅減少了余氯工作標(biāo)準(zhǔn)溶液的使用量、降低了工作標(biāo)準(zhǔn)溶液配置和保存的難度，還一定程度上提高了評(píng)價(jià)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度和效率，為建立該類產(chǎn)品的性能評(píng)價(jià)體系、促進(jìn)其健康發(fā)展和應(yīng)用等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。