遠(yuǎn)程監(jiān)控城鄉(xiāng)管網(wǎng)飲用水的低量色度

吳俊，吳平，雷巖，肖金球

(1.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

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遠(yuǎn)程監(jiān)控城鄉(xiāng)管網(wǎng)飲用水的低量色度

吳俊1，吳平2，雷巖1，肖金球1

(1.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

選用480 nm單色光及長(zhǎng)光程技術(shù)進(jìn)行吸光光度分析，測(cè)定水質(zhì)色度。通過對(duì)比普通分光光度法可知，吸光光度測(cè)試的光程長(zhǎng)度增加10倍，測(cè)試靈敏度顯著提高，從而保證低色度飲用水(<30度)的測(cè)定精準(zhǔn)度。監(jiān)測(cè)的色度數(shù)據(jù)利用GSM無線通信傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)色度監(jiān)測(cè)結(jié)果的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遙傳，為預(yù)警突發(fā)性水污染事故提供數(shù)據(jù)支撐。

色度；分光光度法；長(zhǎng)光程比色傳感器；無線GSM-GPRS數(shù)據(jù)傳輸

水的濁度、色度與飲用水安全密切相關(guān)，城市布點(diǎn)高標(biāo)準(zhǔn)地遙測(cè)這些指標(biāo)，預(yù)警突發(fā)事故，顯得十分必要。衛(wèi)生監(jiān)督人員常采用目測(cè)比色法測(cè)定飲用水色度，雖然簡(jiǎn)單，但存在視覺誤差且無法實(shí)現(xiàn)晝夜自動(dòng)監(jiān)控[1]。采用長(zhǎng)光程比色傳感器進(jìn)行在線比色檢測(cè)研究并利用GSM通信傳輸系統(tǒng)，以GPRS無線分組交換技術(shù)，將水質(zhì)色度傳感的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程接入，可快速、低耗地完成端到端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)晝夜自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 水色度傳感的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 飲用水色度標(biāo)準(zhǔn)色列配制

鉑鈷色度標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取1.246 g氯鉑酸鉀及1.000 g氯化鈷，溶于100 mL水中，加入100 mL鹽酸用水定容至1 000 mL，其色度為500度標(biāo)液。

標(biāo)準(zhǔn)色列配制：準(zhǔn)備多根清洗過的50 mL比色管，分別加入0,0.25,0.50,1.00,2.00,3.00,4.00,5.00 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液(500度),用水稀釋至標(biāo)線，混勻。各管的色度依次為0,2.5,5,10,20,30,40,50度。

1.2 色度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)部件

采樣電磁閥；長(zhǎng)光程光度比色皿(20 cm，玻璃材，自制)；高亮度發(fā)光二極管(單色波長(zhǎng)480 nm和620 nm)；光電池及直流放大器(輸出0～+200 mV)；DAM-70 A/D轉(zhuǎn)換模塊(RS232輸出)；嵌入式WINCE觸控PC(北京蘭海微芯公司)；GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送器。

1.3 色度自動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

開啟電磁閥,實(shí)時(shí)采樣飲用水進(jìn)入長(zhǎng)光程比色傳感器，分別點(diǎn)亮發(fā)光管光源480 nm和光源620 nm,先后進(jìn)行吸收光度測(cè)量(A1，A2)；關(guān)閉電磁閥并開啟恒流微泵，將蒸餾水自動(dòng)引入比色傳感器,以此作為參比(吸光值為0)；測(cè)水樣時(shí)，光電池接收光轉(zhuǎn)換電信號(hào)并經(jīng)放大后輸出0～200 mV直流信號(hào)，然后采集進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊和WINCE觸控PC，再按預(yù)先編制的程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；獲得的實(shí)時(shí)色度結(jié)果儲(chǔ)存下來，并通過GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送器，利用共享無線信道，進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送，自動(dòng)檢測(cè)裝置見圖1。

圖1 管網(wǎng)飲用水色度在線自動(dòng)檢測(cè)裝置

2 長(zhǎng)光程比色(200 mm)傳感飲用水色度檢測(cè)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)色度溶液的光吸收曲線

以鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)色度溶液進(jìn)行可見光波段的吸光值掃描檢測(cè)，并繪制吸收曲線，見圖2。由圖2可見，自來水色度光吸收峰在480 nm處，在620 nm光波處基本不吸收。因此，可選用480 nm測(cè)定吸收光值A(chǔ)1(自來水色度濁度測(cè)值之和)；選擇620 nm處測(cè)定水樣吸收光值A(chǔ)2(濁度測(cè)值)，2者差值即為水樣色度吸光值A(chǔ)。

圖2 水色度檢測(cè)吸收曲線

2.2 普通分光光度和長(zhǎng)光程光度比較

采用鉑鈷色度標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制5個(gè)色度水樣：2.3，5.5，9.6，18和25度，在480 nm和620 nm處，分別采用721型分光光度計(jì)(2 cm比色皿)和長(zhǎng)光程比色傳感器(20 cm比色皿)兩種測(cè)量方法，測(cè)得吸光值A(chǔ)1和A2，相減后得到色度吸光值A(chǔ)，見表1。

表1 兩種光程測(cè)定比較

①721型分光光度計(jì)(2 cm比色皿)；②長(zhǎng)光程比色傳感器(20 cm比色皿)

由表1可見，水樣色度的低值(5.5度)和高值(25度)兩種光程光度吸光值差異值分別為0.09和0.263。分別測(cè)試靈敏度：靈敏度(L)=兩種光程光度吸光值之差/色度差。計(jì)算可得長(zhǎng)短光程的靈敏度分別為0.010 7和0.003 67。吸光光度測(cè)試的光程長(zhǎng)度加大10倍，測(cè)試靈敏度顯著提高，保證了低色度飲用水(<30度)的測(cè)定精準(zhǔn)度。不同光程的檢測(cè)回歸直線的斜率差異顯著，見圖3。

圖3 管網(wǎng)飲用水色度檢測(cè)曲線

2.3 長(zhǎng)光程色度測(cè)定精確度分析

以標(biāo)準(zhǔn)配制色度溶液(Pt-Co)25度為水樣，重復(fù)8次檢測(cè)見表2，精密度較好。以色度標(biāo)準(zhǔn)溶液(Pt-Co)18度為水樣，進(jìn)行加標(biāo)量測(cè)試見表3。分別取蘇州不同區(qū)域的自來水水樣進(jìn)行色度的實(shí)測(cè)見表4。由表4可見，管網(wǎng)自來水的色度基本都在12度以下，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-85)中色度<15度的管網(wǎng)指導(dǎo)值范圍。

表2 水樣色度精密度分析(標(biāo)準(zhǔn)色度25度溶液)

表3 加標(biāo)回收試驗(yàn)

表4 2014年6月蘇州4個(gè)區(qū)域水樣色度測(cè)定

2.4 長(zhǎng)光程光度傳感測(cè)定管網(wǎng)水色度的特點(diǎn)

(1)長(zhǎng)光程(20 cm)光度法是在線監(jiān)測(cè)新技術(shù)，能有效提高分析靈敏度、減小測(cè)量誤差；

(2)利用不同可見光波段(480 nm和620 nm)，可同時(shí)檢測(cè)飲用水的低量色度和透射濁度(FAU)。

3 管網(wǎng)水質(zhì)色度自動(dòng)監(jiān)測(cè)遙傳概述

晝夜水質(zhì)周期監(jiān)測(cè)一般控制幾小時(shí)一次的自動(dòng)采樣和水質(zhì)檢測(cè)。長(zhǎng)光程光度傳感的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過隔離放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)，直接輸入嵌入式WINCE觸控PC機(jī)(現(xiàn)場(chǎng)機(jī))。觸控PC起到承上啟下的智能作用，一方面完成控制中樞的關(guān)鍵作用，另一方面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的觸控操作。城鄉(xiāng)自來水管網(wǎng)水質(zhì)的晝夜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。GPRS技術(shù)充分利用了GSM網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別帶寬的信道資源，實(shí)施速度快，漏誤碼低，采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)[2-3]。

4 結(jié)語

水質(zhì)色度的監(jiān)測(cè)可對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)污染發(fā)揮監(jiān)控和預(yù)警的關(guān)鍵作用。長(zhǎng)光程傳感技術(shù)解決了自來水低濃度色度在線精準(zhǔn)檢測(cè)的難點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)了高靈敏監(jiān)控水質(zhì)污染的目的[4-5]。管網(wǎng)監(jiān)控若發(fā)現(xiàn)異常，可及時(shí)趕往現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行深入取樣分析[6-7]，排查事故原因。采用GSM-GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸手段，強(qiáng)化了管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)的晝夜遙傳[8]，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了“智能水務(wù)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

[1] 環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[2] 張標(biāo)標(biāo),樊錦祥,林學(xué)聽,等.智慧環(huán)境[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[3] 張勝廣,張之津.感知城市-物聯(lián)網(wǎng)在城市應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)安防,2010,4(7):42-44.

[4] 孫克遙.長(zhǎng)江口南通地區(qū)水源地水質(zhì)預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)探析[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2012,4(6):14-17.

[5] 姜偉,黃衛(wèi).集中式飲用水水源地環(huán)境監(jiān)控預(yù)警體系構(gòu)建[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2010,2(6):5-7.

[6] 環(huán)境保護(hù)總局.GB/T 5750.4-2006 生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2006.

[7] 吳俊,吳平,張妮,等.自來水管網(wǎng)水質(zhì)總懸浮顆粒濃度的晝夜監(jiān)測(cè)[J].環(huán)境研究與監(jiān)測(cè),2014,27(3):15-18.

[8] 張軍,邢夢(mèng)林,王瀟磊.河南省地表水自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè),2013,27(4):174-178.

欄目編輯 周立平

Remote Monitoring of Low-chroma of Drinking Water in the Urban and Rural Water Network

WU Jun1,WU Ping2,LEI Yan1,XIAO Jin-Qiu1

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou,Jiangsu215009,China;2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou,Jiangsu215009,China)

In this paper,long optical path length spectrophotometry was used to determine the colority of water,which chose 480nm as the wavelength of monochromatic light. Compared with the conventional spectrophotometry,the sensitivity of this method was greatly improved with the optical path enhanced 10 times,which could be suitable for the determination of low-chroma water (<30 degree). The monitoring data was transmitted by GSM wireless communication system. So the real-time dynamic remote transmission of the water colority was realized,and the intelligent water system for early warning of unexpected water pollution accidents was established.

Colority; Spectrophotometry; Long optical path length colorimetric sensor; Wireless GSM-GPRS data transmission

2014-07-25；

2015-03-18

江蘇省科技廳前瞻性產(chǎn)學(xué)研基金資助項(xiàng)目(BY2011132)

吳俊(1978—)，男，工程師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、無線環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò)、人工智能相關(guān)工作。

X657.31;TP393.17

B

1674-6732(2015)03-0011-03