摘要：针对都市水供给在输送过程中会产生二次污染问题，进行了以下研究：通过由传感器，高精度极谱电压和高放大倍数的跨阻放大器组成的电路，测定自来水中活性氯浓度；由酸度计和仪器放大电路组成的酸度计电路测定次氯酸的浓度；用集成在克拉克电极中的热敏电阻形成的温度传感器来获取消毒液温度的数据。接着采用C8051F020微处理器和基带芯片为MTK6225，射频芯片为MT6139的通讯模块实现了数据的相应分析与处理，信号的转换与发送。根据中央接收系统接收到的信号，由有效氯添加系统来调整相应的有效氯的添加比例。同时测试系统中简易的加液和紫外线消毒系统完成二次污染的实时控制。结合各个模块设计了系统软件，建立了系统测量模型。在实验室对系统软硬件进行现场模拟，结果表明测量精确度与系统对次氯酸浓度控制达到了设计要求。
关键词：水质安全,次氯酸,电路,消毒,控制系统
水是维系人类生存和社会经济发展的必需、不可替代的基本物质，供水安全对于保障公众健康、生命安全和社会稳定具有重要作用，因此许多国家将供水安全纳入了国家安全概念中。
目前，世界上饮用水水质管理模式逐渐由原来的“产品控制”(ProductControl)转为“过程控制”(ProcessControl)，许多新的管理概念和方法被引进到饮用水水质管理中。其中多级屏障方法(Multi-barrierApproach)、危害分析与关键控制点(HazardAnalysisandCriticalControlPoints，HACCP)已经被多个国家运用到饮用水水质安全管理中。特别是广义的多级屏障方法，克服了传统的单一通过饮用水处理技术来保障供水水质安全，其中监控方法采用主动措施，获得城市供水安全管理的背景数据资料的监测，以预见潜在的供水安全问题如管网的二次污染、两虫、微量有机物的存在。一旦出现安全事故，政府监管部门可立即启动应急预案；或将潜在的安全问题做成应急预案文档，以利于模拟演练和建立可视化培训系统。
城市中的自来水生产分为取水、过滤、消毒、输水四个阶段，其中消毒是保证城市用水安全的重要环节。目前，水体中常用的消毒剂包括氯气、次氯酸钠、漂白粉、双氧水、臭氧等，此外还有紫外线消毒等手段。氯消毒是最为常见的消毒方式，它能将产生臭味的无机物彻底氧化；此外，它还能穿透水藻与细菌等有机体的细胞壁，使氧化酶系统失去活性，从而导致细菌死亡。虽然氯消毒剂显示出良好的灭菌效果，但消毒后长距离送水过程中，管道中易产生硫铁菌等有害物质，会造成自来水的二次污染。另外，在自来水传输过程中的意外泄漏和污染，也会造成不可预知的二次污染。据报道，在中国的城市用水中，30%的自来水在进入家庭之前，有一定程度的安全隐患。针对这一问题，自来水厂普遍采用提高氯浓度的方法防止二次污染，但氯浓度提高所产生的气味会影响消费者的食用口感，引起消费者的不满。同时，该方法对于管道渗漏等问题无法起到预防作用。如何保证消费者的饮水安全，已成为城市管理中一个迫切需要解决的问题。
基于此，本研究拟建立一个可实时了解各环节余氯浓度的都市供水系统，从而对水厂的消毒液添加量进行回馈。同时，测试系统自带一个简易的加液和紫外消毒系统，以民用建筑的二次供水水箱为目标，进行二次消毒管理，避免自来水的二次污染。
1.水质的测量与监控原理
1.1测量原理
该系统使用克拉克电极对自来水中的有效氯进行检测，若所测浓度低于消毒的最低浓度要求，则根据具体浓度区间，驱动紫外消毒或自动加液系统进行有效氯的添加，维持正常的消毒效果。同时通过无线通讯模块将获取的有效氯浓度传输至水厂的中央接收系统，水厂根据该终端浓度来调整相应的添加比例，从而满足终端用户口感与饮用安全的要求，整个测控系统布置图如图1所示。
克拉克电极传感器是由浸没在电解液中的正负两电极组成。活性氯可穿过电极前的渗透膜，进入电解液并改变相关属性，进而产生可测量的电流。该电流和活性氯的浓度呈线性相关性，通过两点标定，就可以进行浓度测量。
1.2监控原理
监控原理如图2所示。通过将监测点设置在直接流向居民区的最后一个分管道上，尽量做到全程全范围的水质监测。在预定的监测点安装无线水质监测与控制装置，该装置中的传感系统通过对水流中次氯酸浓度、消毒液温度、次氯酸消毒液酸度的检测来采集信号，分析系统再对这些信号进行分析处理，然后通过无线电传输到控制中心。当水中次氯酸浓度或消毒液酸度超出或低于正常范围时，由液路控制系统分别对次氯酸的浓度和消毒液的酸度进行相应调整。若发生突发性事件，该调节系统无法对水中的浓度和酸度进行控制时，控制系统会自动关闭该监测点的水流，从而将危害降到最低。在发挥这种控制作用的同时，该检测装置还能将该点的水质数据信息实时反馈到水源控制中心，以便采取相应的措施，从而完善城市的供水安全系统。
图1系统结构布置图
图2系统监控原理图
2.系统软件设计
2.1系统测量模型的建立
由于有效氯溶液的温度和酸度会影响克拉克电极的测定结果，因此必须对温度值和酸度值进行测量与修正。参考电阻数据手册，对25℃条件下的1KΩ热敏电阻，当温度增加时电阻降低，根据温度与电阻变化之间的对应关系，可以建立二维数据修正表。确定了有效氯溶液温度值后，对其酸度值也进行了测定。在温度与酸度关系上，20℃时，pH值每改变一个单位，酸度计会产生56mV的电压变化。当温度发生变化时，则单位pH值的变化引起的电压变化也会产生波动。所以，针对不同的温度，计算相应的pH值时，仍需引用修正公式。实验发现，克拉克电极通过电流与有效氯浓度会在一定范围内呈线性关系，但由于每根电极之间仍存在细微差异，为得到准确的电极—有效氯浓度曲线，还需对每根克拉克电极进行相应的标定。
标定方如下：一、分别配制浓度为1ppm和5ppm有效氯溶液，采取碘量法对其进行标定；二、同时将克拉克电极在这两种溶液中进行测定，获取相应的电压值，通过建立电压与浓度之间的线性回归模型，得到准确的电极—浓度曲线。
2.2系统整体软件设计原理
系统测试流程如图3所示。主要包括系统初始化阶段、有效率检测语句判断阶段、待机休眠阶段。控制系统开始工作后，先进行初始化，为系统设置一系列初始值，并设定最低消毒浓度、有效氯计算模型、通讯模块GSM联网、微处理器工作频率。当系统达到稳定测试状态后，进入语句判断阶段，通过使用酸度计、热敏电阻和氯克拉克电极尽可能准确测定自来水中的有效氯含量，由此产生两种情况：一、若有效氯的浓度超过消毒要求，则直接将该浓度值传输给水厂，水厂根据终端的实际浓度相应调整添加量；二、若有效氯的浓度小于0.5ppm，再次进入判断语句，如果有效氯的浓度大于0.3ppm，则通过紫外线照射进行消毒，将有效氯浓度传输至水厂；如果有效氯浓度低于0.3ppm，则开启相应的消毒液添加泵，使有效氯的浓度不低于0.3ppm，完成此步后，再利用紫外线照射进行消毒，同时将测定的有效氯浓度传输至水厂。当这一过程完成后，进入为期10分钟的休眠期。在休眠结束后，根据系统要求，如果无关机要求，则再次重复测定，依次循环，直至要求关机。
图3测试系统软件流程图
3.系统硬件的设计
系统由C8051F020最小系统、测温模块、活性氯测量模块、酸度测试模块、无线通信模块和消毒模块组成。消毒模块又分为有效氯添加和紫外线照射。系统总体方案如图4所示。
图4消毒实时监控系统框架图
3.1微处理器
系统采用Silab公司的C8051F020内置有64kFlash、4kRAM、1个SMBus/I2C、1个SPI、2个UART、5个定时器、64个通用I/O口、12位的ADC通道、电压基准（内部、外部）、温度传感器的微处理器。有如下特点：高速的50MIPS与8051全兼容的微控制器内核，Flash存储器可实现在线编程和用于非易失性数据存储（E2PROM的作用），这一芯片相对低廉的价格和广泛的应用功能，为系统进一步开发提供了良好的扩展性。
3.2温度测量电路
要准确测量有效氯的浓度需同时获取酸度与温度的数据。温度传感器是一个阻值为1KΩ集成在克拉克电极中的热敏电阻，温度检测系统利用惠斯通电桥来感应热敏电阻的变化。INA128被用来检测热敏电阻的电压变化。为有效地平移信号输出范围，INA128的参考端连接分压调节电路，保证了其后期信号离散化过程对信号电压区间的要求。温度测量电路如图5所示。
图5热敏电阻测量原理图
3.3活性氯测定电路
传感器、高精度极谱电压电路和高放大倍数的跨阻放大器共同组成了活性氯测定电路，其电路原理如图6所示。该设计中采用了AD586电压参考源进行分压获得，是为了产生一个因克拉克电极自身的电化学属性而必要的一个高稳定的极谱电压进行激励。AD586的温度稳定性为5ppm/°C，噪音值为100nV/Hz，因此保证了其超高的稳定性。分压系统选用同一类型的电阻，故而温度变化率相似，减小了温度对系统稳定性的影响。AD8606作为电压缓冲，隔离了传感器与参考电压源，减少了彼此潜在的影响，因此系统的稳定性得以提高。在极谱电压输入传感器之前，使用三个旁路电容对潜在的噪音进行进一步滤噪。克拉克电极经由极谱电压激励会产生nA级别的电流，因此后端检查电路至少要产生106-108V/A的跨阻放大系数。图6所示的电路结构可以通过较小的电阻值来获得所需要的放大系数。
图6有效氯测定电路原理图
3.4酸度计电路
为使克拉克电极传感器准确测量有效氯浓度，需获取酸度数据。酸度计电路由酸度计和仪器放大电路组成该系统的核心部分。我们选择配用超高输入阻抗的BiMOS放大器，来满足酸度计的阻抗在GΩ数量级这个前提条件。这里选用了输入阻抗为1.6TΩ可达到测试要求的CA3140。电路设计采用双放大器结构的仪器放大电路进行检测，如图7所示。在CA3140的反相输入端接入分压调节电路可以有效的平移信号输出范围，使之符合后期信号离散化过程对信号电压区间的要求。
图7酸度测定原理图
3.5无线通讯模块
无线通讯模块的基带芯片为MTK6225，射频芯片为MT6139。MT6225是一颗高集成的单芯片手机解决方案，集成了32bitARM7EJ-SRISC处理器，是一颗高性能GPRSModem。该基带芯片内部集成一颗104MHz的ARM7、一颗DSP以及一些外部接口。其中射频芯片MT6139是一颗直接变频的高性能四频带射频芯片，采用直接变频，省去了中频电路，使外部电路更加简洁，也降低了射频设计应用难度。将该模块集成在设计好的电路主板上，利用已有的移动通讯网络，通过软件控制，将采集到数据发射到接收系统。
3.6.消毒模块
消毒系统包括氯添加系统或紫外光照消毒系统。该系统通过定时开关控制，根据系统设定的浓度要求，在单位时间内开启消毒系统，进行加液或者紫外消毒操作。系统通过增加消毒室的流路截面积来降低流速，与之匹配的消毒加液池的实际体积为2L。较大的消毒池体积可延长自来水在内的停留时间，保证消毒的彻底性，这是由于尽管一般的病毒和细菌的杀灭时间仅维持在0.3-0.5秒，但是草履虫类污染物的杀灭时间需要长达7秒。本研究选用了UVC段的238nm紫外线灯做紫外线消毒。
4.系统原型设计、测试与验证
在现场测试前，首先对内建有效氯测量的模型进行验证。在0-20ppm的浓度区间里，以2ppm为间隔，配制11份氯溶液。通过碘量法进行标定，获得准确的浓度值。之后用克拉克电极进行测试，将两种方法测定的数据进行相关性分析，结果如图8所示。线性拟合结果显示模型的准确度非常高，R值为0.995，传感器表现出了良好的线性。
图8有效氯内建模型测试效果
在实验室对系统软硬件进行现场模拟测试，共制作了4个测试终端。每个终端都有完整的测试、控制和无线传输模块。为方便测试，这4个终端被放置在开阔的实验场上，而中央接收器放在与之相距300米的实验室中。实验人员分别为这5个发射与接收系统在中国移动公司购买了5个号码。
模拟测试时，将自来水注入4个500L的塑料桶中，分别静置0、12、24、48h。碘量法检测结果表明，这4桶水的有效氯浓度分别为0.54、0.33、0.12、0ppm。再将这4桶水在实验场上间隔5米并排放置，通过一个隔膜泵将水持续抽出，抽水隔膜泵通过PWM方法进行调速，将工作流速设定为5L/min，因而整个测试过程持续约100min。抽出的水注入到相应的管道中，管道连接测试调控系统，可对流过的水进行在线检测。消毒系统根据检测到的实际有效氯浓度进行相应的处理，即如果高于0.5ppm，系统无动作，仅将数据向中央接收器传输，水厂相应调整消毒液浓度；如果低于0.5ppm，高于0.3ppm，紫外线灯工作和向中央接收器汇报；如果低于0.3ppm，则开启加液泵，将管路中有效氯浓度调节至0.3ppm后，进行紫外消毒，并向中央接收器汇报。
采用以上系统，首先对放置0h的自来水进行测试，测试结果为0.54ppm，高于程序设定的消毒工组浓度0.5ppm，因此，在整个测试过程，消毒系统没有任何动作。对于放置12h的自来水，系统的实测值为0.33ppm，低于程序设定的0.5ppm，高于启动加液泵的设定值0.3ppm。对于此，整个消毒系统的动作如表1所示。由表可见，整个流程以紫外消毒为主，然而在40与50分钟的时候，出现了加液泵动作，这是由于克拉克电极工作的波动造成的，克拉克电极的显示屏显示也予以支持，显示此时的浓度为0.28和0.30ppm。此外，流量计的数据显示流速为5L/min，所以自来水在2L消毒加液测试池的滞留时间平均为24s，大于设计要求的7s的时间，因此可以做到完全消毒。
表1消毒系统对12h自来水的控制效果
对于放置24h和48h的自来水，其实测浓度为0.12和0ppm。因此，根据设定程序判断，在实际操作过程中，紫外照射系统并不工作，而由消毒液添加系统来负责消毒。程序中设定的添加消毒剂浓度目标被维持在0.30-0.40ppm之间，添加量是通过实测的氯浓度和流量计流速进行前馈计算获得。计算出的添加量被转换成加液泵的工作速度。该测试中，将氯消毒剂的母液浓度输入测控系统，以0.35ppm为调控目标浓度，进行实际的测试结果如图9所示。将20min至100min的9个数据平均，48h组的数据平均值为0.354ppm，变异系数为6.2%；24h组的平均值为0.367，变异系数为7.2%。由数据可知，浓度基本控制在了0.30-0.40ppm之间，达到系统消毒要求。
图9测控系统对自来水中消毒剂的浓度控制
5.结论
本项目主要针对监控方法所涉及的在线生产过程的实时监测和二次污染的检测与补救。通过将消毒、加液和通讯模块进行有效整合所构建的城市水网消毒监控系统，可以对自来水供给过程进行监控与反馈调节，同时保证自来水的饮用安全。项目研究采用较为前沿的无线传感网路技术，结合次氯酸检测技术，建立一套可以实时的检测系统，同时与总控系统进行交互，实现对城市用水质量的调控和二次消毒的目的。我们在实验室对该系统进行了实地测试，结果表明：以民用建筑的二次供水为目标，根据实测的余氯浓度，结合有效氯添加和238nm紫外消毒方法，可将消毒池有效氯浓度控制在0.3ppm，该项目目前只针对水中的次氯酸进行监测，但以此为平台，进一步还可以检测给水系统终端的多种有害物质的二次污染问题，从而做到对城市供水系统进行全区域，不间断、不遗漏的监控，进一步保障城市生活用水安全。