無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)
發(fā)布時間:2020-05-15 來源:Piyu Dhaker,ADI應(yīng)用工程師 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】飲料生產(chǎn)、制藥廠、廢水處理廠等多個行業(yè)都依靠水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對重要水質(zhì)指標進行測量和控制。定義水的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的參數(shù)可作為水質(zhì)指標。例如:
● 物理:溫度和濁度
● 化學(xué):pH值、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率和溶解氧
● 生物學(xué):藻類和細菌
本文重點討論歷來不可或缺但不可靠而造成實施負擔(dān)的化學(xué)測量參數(shù)。電化學(xué)是化學(xué)的一個分支,通過測量電子從一種反應(yīng)物到另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移來表征還原-氧化反應(yīng)的行為。電化學(xué)技術(shù)可以直接或間接用于檢測和測量上述水質(zhì)指標。電化學(xué)測量系統(tǒng)主要由兩個模塊組成:
● 傳感器:一種用于測量水質(zhì)指標并產(chǎn)生相應(yīng)電信號的器件。
● 測量和處理單元:測量和處理電信號的電路。
通常整個加工廠中部署單獨的有線傳感器?,F(xiàn)場傳感器需要經(jīng)常清洗、校準和更換。無線網(wǎng)絡(luò)可減少一些這樣的負擔(dān),但通常被認為不夠可靠,不能部署在這些應(yīng)用的惡劣環(huán)境中。
隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)在采用新的測量和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)高可靠性無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本文介紹一款演示平臺,它將ADuCM355 的通用傳感器接口功能與ADI公司的SmartMesh®IP 技術(shù)線狀可靠性相結(jié)合,構(gòu)成穩(wěn)健的低功耗無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),專用于水質(zhì)指標pH值測量。將該原理輕松擴展到其他電化學(xué)參數(shù),可以針對每個無線傳感節(jié)點形成一系列水質(zhì)測量。
圖1.典型電化學(xué)測量系統(tǒng)。
pH值測量和pH探針
pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標。中性溶液指氫離子濃度正好等于氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度、衡量溶液酸堿度的另一種方式,定義如下:
其中H+是氫離子濃度(單位:摩爾/升)。
溶液的pH值為0至14,中性溶液的pH值為7,酸性溶液的pH值小于7,堿性溶液的pH值大于7。
pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學(xué)傳感器。
圖2. pH探針
將pH探針插入溶液中時,測量電極會產(chǎn)生一個電壓,該電壓取決于溶液的氫離子活性,然后該電壓與內(nèi)部參比電極的電位進行比較。測量電極和參比電極之間的電位差就是測得的電位,用能斯特方程表示為:
其中:
E是電極電壓,活性未知 a = ±30 mV,零點容差
T為環(huán)境溫度(°C)
n = 1 at 25°C, valence (number of charges on ion) F = 96485 coulombs/mol, Faraday constant
n = 1(25°C),價(離子上的電荷數(shù))F = 96485庫侖/摩爾,法拉第常數(shù)
R = 8.314伏特-庫侖/°K摩爾,理想氣體常數(shù)
pH = 未知溶液的氫離子濃度
pHISO = 參比電解質(zhì)的氫離子濃度;請參閱探頭文檔;典型pHISO = 7
此方程表明產(chǎn)生的電壓以已知方式隨pH值變化。還表明產(chǎn)生的電壓與溶液溫度成正比。隨著溶液溫度上升,兩個電極之間的電位差增大,反之亦然。理想的pH探針在25°C下會產(chǎn)生±59.154 mV/pH單位。
溫度變化也可能改變測量電極的靈敏度,進而引起測量誤差。該誤差是可預(yù)測的,并且可通過全溫度范圍內(nèi)的探針校準和后續(xù)測量期間的溫度校正來解決。溫度傳感器通常集成到pH探針中。溫度傳感器可以是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻或RTD,如PT100或PT1000。圖3所示為帶有溫度傳感器的pH探針。
圖3.帶有溫度傳感器的pH探針。
如果溫度傳感器測量到溫度變化,則會向最終的pH讀數(shù)應(yīng)用校正系數(shù),然后儀表將顯示校正后的更準確的讀數(shù)。該機制能夠很好地補償由于溫度變化引起的pH值誤差。
采用ADuCM355的pH測量單元
圖4.集成溫度傳感器連接到ADuCM355的pH探針。
這是業(yè)界高度集成的先進化學(xué)傳感器測量前端,它為pH值測量提供了一個平臺解決方案,并且將所有必要的測量功能與低功耗微處理器相集成。ADuCM355是一款低功耗測量平臺,尺寸很小,足以集成在傳感器外殼內(nèi),而功能和性能堪比臺式儀器。圖4顯示了ADuCM355的pH值測量板,其中的BNC和RCA連接器用于連接pH探針和溫度傳感器。該測量板來自CN-0428 參考設(shè)計,更多相關(guān)詳情見圖5。
圖5.具有BNC和RCA連接器的ADuCM355 pH值測量PCB。
將pH值測量傳感器節(jié)點連接到SmartMesh
通過將ADuCM355和ADI SmartMesh收發(fā)器相結(jié)合,我們創(chuàng)建了一個小型低功耗pH值測量傳感器節(jié)點。ADuCM355將測得的pH數(shù)據(jù)作為數(shù)字輸出。然后,該數(shù)字數(shù)據(jù)通過UART連接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP無線收發(fā)器。 LTP5902 通過SmartMesh網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸至SmartMesh IP管理器。
圖6.PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無線傳感器節(jié)點。
SmartMesh是ADI基于IEEE 802.15.4e標準的專有2.4 GHz多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)解決方案。其包括AES 128加密和身份驗證,從而提供可靠的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效,使每個傳感器節(jié)點都可以通過電池供電運行。
SmartMesh網(wǎng)絡(luò)使用時隙信道跳頻(TSCH)鏈路層進行通信,該鏈路層可提供三重播放冗余。SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器(網(wǎng)關(guān)的一部分)全天候協(xié)調(diào)計劃,管理安全性,執(zhí)行無線編程(OTAP),并自動優(yōu)化連接。該網(wǎng)絡(luò)管理器還通過API提供詳細的網(wǎng)絡(luò)運行狀況報告。對于小型網(wǎng)絡(luò),一個嵌入式管理器可支持多達100個傳感器節(jié)點(也稱為終端)。而VManager支持多達50,000個節(jié)點的大型安裝。
圖7.傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)IP管理器在網(wǎng)關(guān)內(nèi)的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)。
嚴格的網(wǎng)絡(luò)壓力測試可確保99.999%以上的數(shù)據(jù)可靠性,使SmartMesh成為工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想解決方案,能夠保持高網(wǎng)絡(luò)可靠性,同時不丟包。
無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng):
圖8.使用ADuCM355和SmartMesh的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。
圖8所示的無線水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)演示包含:
● 四個傳感器節(jié)點:
■每個傳感器節(jié)點都包含一個現(xiàn)成的玻璃電極pH探針,并且集成溫度傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh IP終端,如圖6所示。
■pH探針檢測pH值,ADuCM355執(zhí)行測量和計算,并以數(shù)字輸出提供測得的pH值,然后通過無線SmartMesh網(wǎng)絡(luò)傳輸至SmartMesh IP管理器。
■SmartMesh IP管理器通過USB連接到PC。
● 此系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)由PC執(zhí)行。該PC安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。 SmartMesh SDK用于創(chuàng)建JavaScript object notation (JSON)服務(wù)器以存儲該數(shù)據(jù),JSON服務(wù)器連接到Node-RED。Node-RED用于顯示從每個傳感器節(jié)點測得的pH數(shù)據(jù),并允許連接到IBM Watson、Amazon AWS等云服務(wù)。
硬件設(shè)置
圖9.無線水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。
出于演示目的,我們使用的是錯列三格魚缸,水從頂格流到后面每格。每格中都插入一個pH傳感器探針。我們在遠處參考溶液中放置了第四個探針(圖9未顯示),以表示SmartMesh遠程無線通信。當(dāng)我們改變頂格中溶液的pH值時,Node-RED上的數(shù)據(jù)隨之更新,顯示新的pH值。由于新的pH溶液從頂格流到后面每格,其他兩個pH傳感器也會更新其測量值,屏幕上顯示其數(shù)據(jù)。由于第四個傳感器位于pH值沒有變化的參考溶液中,因此該傳感器的讀數(shù)不變。以下各節(jié)提供了有關(guān)Node-RED和測得數(shù)據(jù)的更多信息。您也可以在此處查看演示記錄。
圖10.傳感器節(jié)點。
測量數(shù)據(jù):
4個傳感器節(jié)點的pH測量值通過Node-RED顯示在PC上。
Node-RED是一個具有Web瀏覽器的編程工具,允許連接硬件設(shè)備、API和其他在線服務(wù)。演示的JSON流如圖11所示。
圖11.JSON流。
圖12.無線水質(zhì)演示儀表板。
圖13. IBM Watson上顯示的pH測量數(shù)據(jù)。
圖14. pH測量數(shù)據(jù)推文。
結(jié)論
本文介紹使用ADI的ADuCM355和SmartMesh IP技術(shù)的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。這些產(chǎn)品具有小尺寸和低功耗特性,因此傳感器節(jié)點可以由電池供電。即使在惡劣的外部環(huán)境中,采用穩(wěn)健的SmartMesh技術(shù)也能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。該演示說明了一個高度可靠的無線監(jiān)測系統(tǒng)以及云連接。對于不同的最終應(yīng)用,都極具應(yīng)用前景,利用該技術(shù),不僅能夠在難以接近的位置監(jiān)測水質(zhì),為不同的水質(zhì)閾值創(chuàng)建警報和警告,還能夠利用測量數(shù)據(jù)持續(xù)獲得更多可靠的水質(zhì)信息。
參考文獻
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● @Pd2019S。“傳感器4的pH值為6.877,時間戳2019-11-06 18:13:55.593000。”
● Twitter,2019年11月,下午6:13。
致謝
在此感謝Scott Hunt和Bill Lindsay在演示開發(fā)期間提供的幫助,以及撥冗審閱本文。同時感謝Dan Braunworth和Dan Burton幫助審閱和校對本文,并提出了寶貴的意見和建議。
作者簡介
Piyu Dhaker是ADI公司北美中心應(yīng)用部的一名應(yīng)用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué),獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應(yīng)用部門。她還曾在ADI的汽車動力總成部和電源管理部工作。聯(lián)系方式:piyu.dhaker@analog.com。
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