在線水質(zhì)分析儀器的技術(shù)發(fā)展

  一直以來，在線水質(zhì)分析儀器技術(shù)都是沿著在線分析儀器研發(fā)制造技術(shù)和在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)兩個方面同時發(fā)展的。

  根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)的定義，有兩種形式的在線水質(zhì)分析儀器：在線分析傳感器和比較復(fù)雜的自動化分析設(shè)備或者裝置。

  第一代的在線水質(zhì)分析儀器常常是以在線分析傳感器+顯示控制器的形式出現(xiàn)的，儀器通常結(jié)構(gòu)都比較簡單，通過傳感器直接和被測水樣接觸獲得水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。最初可以測量的水質(zhì)指標(biāo)，主要是一些簡單的物理指標(biāo)和成分指標(biāo)，如水溫、電導(dǎo)率、PH、ORP、溶解氧等;接著是濁度、懸浮物濃度等光學(xué)原理的傳感器;隨著電化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，氟離子、銨離子、硝酸鹽等多種離子選擇電極法原理的在線水質(zhì)分析傳感器也開始進入市場。由于傳感器和水樣直接接觸，無法像實驗室人工分析時進行樣品預(yù)處理及去除樣品中干擾物質(zhì)，在面對水質(zhì)復(fù)雜的水樣(高溫、高壓、含油、硫化物、重金屬、懸浮物、高鹽度、腐蝕性氣體等各種雜質(zhì))時的適用性受到很大局限，最初的測量對象主要是地表水、飲用水、市政污水以及工業(yè)純水等水質(zhì)情況較為簡單的水體。

  為了解決傳感器測量復(fù)雜水樣的適用性問題，也為了實現(xiàn)一些實驗室人工分析方法步驟比較繁瑣或者測試條件要求較高的水質(zhì)參數(shù)的自動分析，隨著自動控制技術(shù)的采用，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的在線水質(zhì)分析儀器-水質(zhì)自動化分析設(shè)備或裝置開始出現(xiàn)：儀器通過控制一整套的設(shè)備或裝置的自動運行來完成以前實驗室人工分析的步驟，比如：過濾、加熱、加顯色劑、混合、測量等等;另外，為了保證長時間連續(xù)運行的準(zhǔn)確度，還需要定時對儀器進行自動校準(zhǔn)，以及定期的人工維護。這一類在線水質(zhì)分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于水質(zhì)成分指標(biāo)(TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等)和評估性水質(zhì)綜合指標(biāo)(COD、堿度、硬度、生物毒性等)。

  隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是分析化學(xué)、材料科學(xué)、電子科學(xué)以及包括計算機技術(shù)和通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)在內(nèi)的系統(tǒng)工程成套自動化技術(shù)的發(fā)展， 再加上水質(zhì)科學(xué)自身的發(fā)展與進步，從以下介紹的多個維度共同推動了在線水質(zhì)分析儀器技術(shù)的發(fā)展。

  首先，在測量原理方面，除了傳統(tǒng)的電化學(xué)、光學(xué)、光電比色法原理，激光誘導(dǎo)擊穿光譜、混合多光譜分析、X射線熒光分析、三維熒光光譜、生物技術(shù)等各種新的測量原理被應(yīng)用到了在線水質(zhì)分析儀器;同時，流動注射分析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得儀器分析時間大大縮短，增強了在線分析技術(shù)實時性的優(yōu)點。

  其次，水質(zhì)科學(xué)的發(fā)展，提出了“替代參數(shù)”的概念，為在線水質(zhì)分析儀器的開發(fā)和應(yīng)用開拓了新的空間。水質(zhì)替代參數(shù)是指一類特定的水質(zhì)參數(shù)，可以綜合反映水體的某一類別的水污染情況或水處理過程中某些不能實現(xiàn)在線監(jiān)測而且實驗室分析也非常繁瑣水質(zhì)參數(shù)的變化。目前，對飲用水水質(zhì)安全來講，反應(yīng)有機物總量及某些特定成分變化的綜合性指標(biāo)UV254是目前非常重要的水質(zhì)替代參數(shù)，可以通過UV254的實時測量，獲得和水中有機物污染相關(guān)的其他參數(shù)(如，COD、BOD、TOC等)的信息。由于能實時反映水質(zhì)的變化，測量“替代參數(shù)”的在線水質(zhì)分析儀器在水處理工藝過程控制中有著非常重要的價值。目前其他重要的在線水質(zhì)替代參數(shù)分析儀器還有：濁度、顆粒物、SDI(污染指數(shù))等。

  第三，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在線水質(zhì)分析儀器傳感器的環(huán)境適應(yīng)性也得到了很大提高，表現(xiàn)為：高溫材料的采用，使得傳感器的最高工作溫度范圍不斷提高;傳感器材質(zhì)采用惰性的材料，可以耐受水中硫化氫、硫化物、高鹽、重金屬、油污染的探頭，可以耐受高強度核輻射的溶解氧和溶解氫探頭應(yīng)用于核電廠;采用鈦合金材料，可長時間應(yīng)用于海洋監(jiān)測的傳感器等等。

  另外，和所有儀器產(chǎn)品一樣，在線水質(zhì)分析儀器中執(zhí)行數(shù)據(jù)處理與通訊功能的硬件與軟件都采用了電子工業(yè)的最新技術(shù)。相對于最初的模擬電路，由于數(shù)字電路設(shè)計要比模擬電路相對簡單、自動化程度高，對設(shè)計人員的經(jīng)驗水平要求也稍低，數(shù)字電路技術(shù)的采用和普及，使得儀器設(shè)計和批量生產(chǎn)的成本得以大幅下降，儀器的可靠性有了很大的提升。

  目前的在線水質(zhì)分析儀器的控制器普遍具有了自動運算、統(tǒng)計、圖形顯示、趨勢分析等數(shù)據(jù)處理功能;同時，儀器一般具有自動診斷、故障報警功能，方便儀器運行及維護人員及時發(fā)現(xiàn)和解決儀器的問題;儀器生產(chǎn)商采用通用控制器也已經(jīng)成為共識，同一種型號的控制器可以同數(shù)十種傳感器連接，由此給儀器生產(chǎn)企業(yè)和使用者兩方面都帶來了好處：儀器制造廠家可以實現(xiàn)控制器的大批量生產(chǎn)，取得規(guī)模效益;同時通用控制器降低了儀器技術(shù)服務(wù)的復(fù)雜程度，也降低了儀器生產(chǎn)廠家的服務(wù)成本;帶給在線分析儀器使用者的好處也是顯而易見的：在保證水處理生產(chǎn)正常運行的同時，可以減少水質(zhì)分析儀器零備件的庫存壓力;通用控制器也讓操作者減少了學(xué)習(xí)的時間，可以更快更熟練的掌握儀器的使用及維護，提高生產(chǎn)效率;同時，新型的數(shù)字化傳感器可以被通用控制器自動識別，具有“即插即用”功能，極大的減輕了安裝維護人員的勞動強度。

  在通訊及數(shù)據(jù)傳輸方面，RS232、RS485以及Profibus、Modbus等現(xiàn)場總線技術(shù)和TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得到了普遍應(yīng)用，為實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸及水處理過程的自動控制提供了支持。

  最后，標(biāo)準(zhǔn)化進一步支持了在線水質(zhì)分析儀器技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在2003年制定的代號為ISO15839-2003的標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)在線傳感器/分析設(shè)備-水質(zhì)規(guī)范和性能測試》,定義了在線水質(zhì)分析儀器的性能特征，建立了評估及測定性能特征參數(shù)的測試程序，這個通用性標(biāo)準(zhǔn)給在線水質(zhì)分析儀器的研發(fā)、生產(chǎn)及驗收提供了依據(jù)。進入21世紀(jì)以來的十多年中， 中國也發(fā)布了大量有關(guān)在線水質(zhì)分析儀器的國家標(biāo)準(zhǔn)和一系列的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與實施，為在線水質(zhì)分析儀器的應(yīng)用與發(fā)展提供了技術(shù)上的可靠保證。