一種新型水質監測裝置的設計與制備

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，自主構思、研究和設計了一種基于互聯網技術的飲用水監測裝置。可以實現對飲用水水質檢測、過濾、消毒、實時監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備進行對接，無需任何改裝，適用性較強，具有很好的推廣應用價值和商業前景。

關鍵詞：水質二次污染 互聯網技術 水質監測 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，回教室發現飲水器里只有熱水，為了解渴只能跟同學一起去學校小賣部買冰水喝，喝完當時是降溫舒服了，但是后來的反應是肚子疼，很難受。后來詢問了醫生才知道，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校《化學》和《物理》課程里學到的酸和堿、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，并及時通知學校供水老師？于是萌發了設計一種能實時監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，我就向學校老師請教，老師認為這是一個可行的很好的想法，并愿意指導我開展相關的研究工作。在得到老師的支持后，我開始收集相關資料，設計和組合水質檢測系統。

一、現狀調研

（一）“客戶”的需求：

學生：飲用水設備較少、排隊現象嚴重，對于使用飲水器的學校，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。

校領導：安全、衛生、節能，不要增加運行經費。同時，對水質也提出了一定的要求，要保證飲用水的水質安全，不要影響學生的身心健康。

（二）飲水方式

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

（三）校園飲用水現狀

學校飲水裝置的水是否安全，我對學校6個出水口進行了取樣檢測，檢測結果如表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還是存在著不容忽視的問題。

二、研究思路

通過對以上調查結果的分析，得出了我的設計思路，具體如下：

（一）飲用水呈現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備的后端，增加一個pH檢測裝置，出水水質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。學校里將水燒開，有利于減少水中可揮發性有機物，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，若發現異常，則應立即進行過濾，直至水質符合飲用安全。

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

（五）目前的飲水裝置缺少對飲水出現的問題進行實時干預的綜合控制系統。因此，我采用互聯網+技術，在裝置中設計報警提醒裝置，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，設計出一種水質監測裝置，它可以與任何一個飲水設備進行對接，就可以很好地解決目前校園飲水水質因二次污染而導致不合格、無法飲用的問題，從而確保飲水安全。

三、技術方案

（一）系統設計的校園飲水水質監測裝置主要由檢測、處理、控制三大模塊構成。本設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對飲用水質進行檢測，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進行遠程控制，從而實現了對校園飲用水質全自動檢測和管控，從技術上確保校園飲水安全。

（二）飲水裝置設計的內部結構如圖所示，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，只需將進水口與現有飲水設備進行連接即可使用。如下圖所示：

四、技術指標

（一）萬能接口

由兩個小圓筒組成，上方圓筒較下方圓筒粗，其外側均勻設置三個螺桿，底部設有一個橡膠墊圈；下方圓筒可套在上方圓筒內。使用時，將原飲水設備的水龍頭塞入上方圓筒內，并與墊圈充分接觸并壓牢；分別旋轉三個螺桿，牢牢固定住，確保水不會外溢。通過該萬能接口的設計，實現了本裝置與任意飲水設備的連接。

（二）浮標閉合器

采用了一個蹺蹺板結構，左側固定在裝置的頂端，右側為一個倒置漏斗結構。初始時，由于重力作用，倒漏斗結構是無法塞入排氣孔的，當水位持續上升后，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；水可以繼續灌入。通過浮標閉合器的設計，實現了本裝置在出水口閉合的情況下，進行初始狀態的設置功能。endprint

（三）溫控系統

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溫度控制，即檢測每個管路的水流量，到達一定數值后，控制（關閉）電磁閥，即通過調節進水口的兩個電磁閥流程來實現的，從成本和實現上考慮，采用渦輪式，根據葉片式檢測原理可知，葉片的轉速大體和流速成正比，因此就能檢測出具體的流量。葉片的轉速檢測通過霍爾傳感器來實現，葉片的轉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，本系統采用了冷熱水混合的方式來控制水溫，即通過調節進水口的兩個電磁閥流程來實現。經過多次反復實驗，整理出了一組實驗數據。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的酸堿度、離子濃度情況，實現了對水質的綜合測定。檢測裝置多由網上直接購買，具體型號參數參見圖表。

測量原理：由pH玻璃電極和銀氯化銀參比電極復合組成，通過測量電極和參比電極，將化學能轉化為電能，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，我做了相關實驗。實驗從室溫30℃至80℃，實驗數據如表5所示，顯示傳感器的誤差≤1%，在正常范圍內。

從實驗數據還發現，水的溫度升高，pH略呈上升趨勢。但根據化學原理，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的相關性。實驗數據見表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

考慮到若水質本來已經達到飲用要求，則無需進行過濾，我在過濾裝置前端設置三通電磁閥。若水質無需過濾，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，設置一個蛇形散熱銅管，代替傳統水管，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溫度傳感器，實現對水的溫度監測。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。散熱蛇形管的對應位置，分別裝有水霧噴頭和空氣加熱器，當溫度不在預設范圍（25℃-30℃）時，啟動相應的裝置，進行物理干預，直至溫度在預設范圍內。

（八）紫外線燈

在出水口的兩側，設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15秒消毒時間后，出水管路關閉，紫外線燈關閉，完成；X消毒。

（九）互聯網+模塊

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

（十）臨界值設定

根據查閱相關資料，我對相關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：通過網絡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、出水口及相關購買零件。

2.部件組裝：完成以上部件后，按照模型設計圖，依次將以上部件組裝起來，包括每個部件的硬連接（采用膠水固定相關器件、利用水管接頭連接管路），相關電路的軟連接（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，實現系統的自動化工作，功能包括電磁閥的控制、傳感器數值的獲得與判定、空氣加熱器及蓬頭的啟動與關閉、紫外線燈的打開與閉合等。

根據以上結論，針對出現的問題，如出水控制異常、短信收發異常等情況，又對裝置進行了調試，直至程序符合要求，最后封裝成品。如下圖所示：

六、主要創新及效益分析

（一）主要創新

本設計在老師的指導下，經過調查并利用中學《化學》和《物理》課程中所學的酸與堿、溶液離子濃度、溫度測量、信息技術等知識，得出了基于互聯網+技術的飲用水水質檢測裝置的研究方案，并獲得以下創新性研究成果：

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

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，設計了紫外消毒的出水管路，實現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，自行設計了溫度控制系統，實現了水的即刻飲用，即在不影響水質的情況下，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，保障學生飲用需求。

6.在設計時，已充分考慮其應用范圍，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備進行對接，無需任何改裝，適用性較強。

（二）前景分析

從經濟效益上來說，本裝置制作成本較低，模型的制作成本約為350元左右，如果進行工廠量產化生產，整體成本能夠控制在200元以內。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濟效益的。

（三）結論及建議

本設計研發的飲水水質監測裝置是在不改變原有飲水設備及方式的基礎上設計的，它充分利用了現代水質檢測技術，結合互聯網+技術，通過技術集成與創新，很好地解決了目前校園飲水水質無法實時檢測控制的問題，保護了學生的飲水安全，具有一定的社會和經濟效益。

同時，本設計的研究，已經形成了一個較為成熟的產品設計方案和圖紙。在此，我也建議，在條件成熟時，相關部門可委托相關企業投入模型的開發和產品的試制作，盡快在校園內推廣應用。endprint