申请/专利权人：深圳市深舍传感科技有限公司

申请日：2018-12-06

公开（公告）日：2024-05-10

公开（公告）号：CN109406584B

主分类号：G01N27/06

分类号：G01N27/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.10#授权;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明公开了水质检测技术领域中的一种双通道数字TDS传感器及其实现方法，该TDS传感器包括测试主板及第一探头、第二探头，测试主板通过数字接口与净水机主板连接，第一探头和第二探头插入净水机的快速接头中，测试主板、第一探头、第二探头及信号线密封封装在长条形的防水材料中；该方法包括分压法测量两电极间电阻、计算源水端和净水端电导率等步骤。本发明满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，且整个探测结构稳定，减少了加工成本，探测过程简单，节约了检测时间，提高了检测数据精确度。

主权项：1.一种双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，双通道数字TDS传感器包括测试主板及与所述测试主板连接的第一探头、第二探头，所述测试主板通过信号线提供对外数字接口，所述数字接口与净水机主板连接，所述第一探头和所述第二探头插入净水机的快速接头中，且所述第一探头与净水机水路的源水端快速接头连接，所述第二探头与所述净水机水路的净水端快速接头连接，所述第一探头内设有第一电极，所述第二探头内设有第二电极及温度传感器，所述测试主板、所述第一探头、所述第二探头及所述信号线密封封装在长条形的防水材料中；所述测试主板中设有单片机：所述单片机依次与第一参考电阻R参考1、所述第一电极串联形成闭合回路，所述单片机依次与第二参考电阻R参考2、所述第二电极串联形成闭合回路；所述第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，所述第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2；实现方法包括以下步骤：步骤1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一探头中两个电极之间的电阻Rtds1；步骤2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二探头中两个电极之间的电阻Rtds2；步骤3、利用公式K=QR，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，并存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值；还包括标定过程，具体包括：分别将第一探头和第二探头放入到电导率标准溶液中，根据公式K=QR，计算所述第一探头和所述第二探头的电导池常量Qtds1和Qtds2，并将其写入到存储器的配置文件中。

全文数据：一种双通道数字TDS传感器及其实现方法技术领域本发明涉及水质检测技术领域，具体的说，是涉及一种双通道数字TDS传感器及其实现方法。背景技术净水机进入家庭、商用场合越来越普遍，但是除了体积大，废水率高之外，净水机行业一直存在净化前后的水质状况不明这个痛点。部分厂家目前使用独立的TDS探头测量水体的TDS（Totaldissolvedsolids总固态溶解物）值。TDS探头采用各种技术测量水的电导率，并等效转化为TDS值，由于探头测得的原始信号是标准的模拟信号，需经过计算后方可得到TDS值。而由于TDS探头的天生公差，全部电路完成后，需要经过标定才能达到较准确的读数。这中间需要电路调节、标准液校正等过程。目前净水机行业由于将相关电路集成在主板上，标定过程不易实现，而且标定过程有一定的专业性，导致绝大多数厂家放弃做标定，接受参差不齐的测量结果。这就造成净水机净化前后的水质TDS探测不准确，不利于客观评价净水机净水效果。上述缺陷，值得解决。发明内容为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种双通道数字TDS传感器及其实现方法。本发明技术方案如下所述：一方面，一种双通道数字TDS传感器，其特征在于，包括测试主板及与所述测试主板连接的第一探头、第二探头，所述测试主板通过信号线对外提供数字通讯接口，所述数字接口与净水机主板连接，所述第一探头和所述第二探头插入净水机的快速接头中，且所述第一探头与所述净水机水路的源水端快速接头连接，所述第二探头与所述净水机水路的净水端快速接头连接，所述第一探头内设有第一电极，所述第二探头内设有第二电极及温度传感器，所述测试主板、所述第一探头、所述第二探头及所述信号线密封封装在长条形的防水材料中。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述数字接口为4PIN的连接接口。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一探头为直径9.5mm或6.4mm的探头，所述第二探头为直径9.5mm或6.4mm的探头。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一探头和所述第二探头的内部均填充有环氧树脂层，所述第一探头和所述第二探头均包括两根金属电极端，所述金属电极端的中段均设有压花，其尾端注塑有PVC材料，达到7Bar强度的防水性能。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极外均设有电极密封层。进一步的，所述电极密封层的材质为ABS材质或PE材质。进一步的，所述金属电极端材质为钛合金材质。进一步的，同一探头中，两根所述金属电极端之间的间距为2mm。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述测试主板的宽度为不大于13mm，且所述测试主板上的电路表面低压注塑有防水绝缘层。根据上述方案的本发明，其特征在于，所述测试主板中设有单片机：所述单片机依次与第一参考电阻R参考1、所述第一电极串联形成闭合回路，所述单片机依次与第二参考电阻R参考2、所述第二电极串联形成闭合回路。进一步的，所述第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，所述第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。进一步的，所述单片机还与所述温度传感器连接，所述温度传感器的另一端通过第五电阻R5接地。另一方面，一种双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一探头中两个电极之间的电阻Rtds1；步骤2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二探头中两个电极之间的电阻Rtds2；步骤3、利用公式K=QR，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，其存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述步骤1中，第一参考电阻R参考1=第一电阻R1+第一可调电阻VR1，在所述步骤2中，第二参考电阻R参考2=第三电阻R3+第二可调电阻VR2。根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括标定过程，具体包括：分别将第一探头和第二探头放入到电导率标准溶液中，根据公式K=QR，计算所述第一探头和所述第二探头的电导池常量Qtds1和Qtds2，并将其写入到存储器的配置文件中。进一步的，所述电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413uscm的KCL溶液。根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括步骤4的温度补偿过程，根据公式K修正=K测量（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为1.5-2.5之间的常量。进一步的，所述常量a为2。根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括曲线拟合的过程，采集不同探头的多个不同数据，并存入所述单片机的存储器中，并将不同探头的不同曲线拟合形成修正后的曲线，使测量值更接近理想曲线。根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过双通道的测量，满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，通过测试得到的TDS值来提醒用户及时更换滤芯，避免滤芯失效带来的风险，实用性高，便于推广应用；通过将TDS测量电路模块化，解决企业重复研发的问题，并在TDS功能领域实现模块化，降低出错概率；本发明通过温度探针及对应独立的温度补偿电路，提高了测量结果的温度适应性；本发明还通过管道修正，以及程序控制测量脚的阻抗模式，解决了净水机行业TDS探头工作中的特殊问题；本发明整个探测结构稳定，减少了加工成本，探测过程简单，节约了检测时间，增加了检测数据精确度。附图说明图1为本发明应用实例的示意图。图2为本发明的结构示意图。图3为本发明内部的电路图。图4为本发明中实现过程的流程图。图5为本发明中曲线拟合前的曲线图。图6为本发明中曲线拟合后的曲线图。在图中，1、信号线；2、第一探头；3、第二探头；4、测试主板；5、数字接口；6、源水端快速接头；7、净水端快速接头。具体实施方式下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：如图1-2所示，一种双通道数字TDS传感器，包括测试主板4及与测试主板4连接的第一探头2、第二探头3，测试主板4、第一探头2、第二探头3及信号线1密封封装在长条形的防水材料中。测试主板4的宽度不大于13mm，且测试主板4上的电路表面低温注塑有防水层，防水层将整个电路密封，达到极佳的防水效果。第一探头2和第二探头3插入净水机的快速接头中，且第一探头2与净水机水路的源水端快速接头6连接，第二探头3与净水机水路的净水端快速接头7连接。图1中下端横线为净水机水路，其从源水端到净水端依次经过初效膜、RO膜及其他膜。其中：第一探头2为直径9.5mm或6.4mm的探头，其内设有第一电极。第一电极包括两根金属电极端（优选为钛合金），金属电极端的中段设有压花，两根金属电极端之间的间距为2mm，两根金属电极密封在ABS材质或PE材质的电极密封层内。第一探头2内部填充环氧树脂材料，尾端由PVC材料将线材注塑为一个整体，充分实现防水。第二探头3为直径9.5mm或6.4mm的探头，其内设有第二电极及温度传感器。第二电极内设有两根金属电极端（优选为钛合金）和一根温度传感器，金属电极端的中段设有压花，两根金属电极端之间的间距为2mm。两根金属电极端和温度传感器密封在ABS材质或PE材质的电极密封层内。第二探头3内部填充环氧树脂材料，尾端由PVC材料将线材注塑为一个整体，充分实现防水。本实施例中，第一电极和第二电极均为TDS探针。TDS探针需要定期更换，更换后，原机器的标定数据和新探头不匹配，将会影响到原有机器设备的测量准确度，本发明采用数字传感器，标定数据与探头一一对应，不会带来误差，测量结果更加准确。测试主板4通过信号线1与数字接口5连接，数字接口5为4PIN任意端子的连接接口，数字接口5与净水机主板连接。本实施例中的数字接口5通过UART、I2C等数字通讯协议上传至净水机主板：在采用UART协议传输数据时，数字接口5的引脚定义为GND、RX、TX、VCC；在采用I2C协议传输数据时，数字接口5的引脚定义为GND、SCL、SCK、VCC。通过线型封装，从第一探头2、第二探头3到测试主板4均做防水处理，整体作为一根导线来处理，无需额外的固定结构，整体结构简单、牢固，稳定性强，占用空间小，生产成本低。本发明中的净水机为家用，商用，全屋净水等场合，还可以用于鱼缸，游泳池，养殖等领域，其应用范围广。如图3所示，测试主板4中设有单片机：单片机与第一参考电阻R参考1、第一电极（即两个金属电极端之间的电阻Rtds1）串联，通过分压法测得第一电极中两个金属电极端的电阻Rtds1；单片机与第二参考电阻R参考2、第二电极（即两个金属电极端之间的电阻Rtds2）串联，通过分压法测得异地电极中两个金属电极端的电阻Rtds2。第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。优选的，单片机与第一电阻R1和第一可调电阻VR1串联后，经过第二电阻R2连接单片机内的模数转换器ADC；单片机与第三电阻R3和第二可调电阻VR2串联后，经过第四电阻R4连接单片机内的模数转换器ADC。由于电阻元件在出厂时存在1%-5%的公差，其直接导致测量数据不准确，因此在本实施例中，通过调节第一可变电阻VR1的值确保第一参考电阻R参考1的一致性，通过调节第二可变电阻VR2的值确保第二参考电阻R参考2的一致性，从而消除电路元件带来的误差。另外，单片机与温度传感器连接，温度传感器通过第五电阻R5接地，温度传感器与第五电阻R5的连接中点通过第六电阻R6与单片机内的模数转换器ADC连接。通过温度传感器测得的温度数据对整个测试结果进行温度补偿，进一步精确测试结果。如图4所示，一种双通道数字TDS传感器的实现方法，包括双通道数字TDS传感器的制作及校准过程，即包括PCB板及探头的装配、PCB板校准及防水处理、零点校准、探针校准、特征曲线写入及标准液中调精度的过程。各项校准过程具体以下步骤：1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds1，其中，第一参考电阻R参考1=第一电阻R1+第一可调电阻VR1。由于每个探头在生产时候的偏差，将会拥有不同的电导池常数Q，如果使用同样的电导池常数Q去计算电导率，将会带来偏差，因此本实施例中在得到第一电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds1后，进行第一电极的电导池常数Q的标定，具体的：将第一探头2放入到电导率标准溶液中，根据公式K=QR得到Q=K×R，进而计算第一探头2的标定电导池常量Q，并将其写入到存储器的配置文件中。本实施例中，电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413uscm的KCL溶液，即第一探头2的标定电导池常量Q=1413×Rtds1。将第一电极的天生误差，通过标定技术消除，能确保探头测量的一致性。2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二电极中两个金属电极端之间的电阻Rtds2，其中，第二参考电阻R参考2=第三电阻R3+第二可调电阻VR2。同步骤1，将第二探头3放入到电导率标准溶液中，根据公式K=QR得到Q=K×R，进而计算第二探头3的标定电导池常量Q，并将其写入到存储器的配置文件中。本实施例中，电导率标准溶液为温度25℃、电导率1413uscm的溶液，即第二探头3的标定电导池常量Q=1413×Rtds2。在第一探头2和第二探头3电导率的计算中，将采用实际的电导池常数Q，从而保证结果的准确性。3、利用公式K=QR，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，其存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。4、温度补偿过程。根据公式K修正=K测量（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时的电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为1.5-2.5之间的常量，本实施例中的常量a选择2。5、曲线拟合过程。如图5所示，横座标为标准溶液，纵坐标为实际测量值。图中坐标为理想曲线，与横坐标为1：1关系；其他曲线为三个不同的探头测得的曲线，即修正前左标1、左标2、左标3三个待测探头的实际测量值的曲线。采集不同探头的多个不同数据，并存入所述单片机的存储器中，并将不同探头的不同曲线拟合形成修正后的曲线，使测量值更接近理想曲线，从而提高精度。如图6所示，其为修正后的曲线，通过2～N（N≧2）个浓度点的标定，将测量值和标准值的对照关系写入单片机的存储空间内。采用数学上的平移和斜率修正等手段，使得修正后的探头曲线与理想曲线（虚线）高度重合，从而提高最终输出结果的精度。6、管道参数补偿过程。当探头在标准容器中做好标定后，其测量得到的测量值为开放水体中的测量结果。当探头插入管道后，由于环境的变化，测量值会变小，变小的规律表现为某一次曲线关系。本发明中的管道参数补偿过程，使得本探头测量值修正为开放水体的测量结果，从而使避免数值变低带来的精度损失。另外，由于电流从TDS探头电极的一极经过液体到另外一极，会产生极化现象，一会导致电流流向的电极快速积累污垢，二会导致电流流出电极快速消耗从而损坏。因此，本发明的的单片机内还设置有程序控制电流流向，让电流流出电极和流向电极周期性交换，使上述两个影响降到最低，从而延长探头使用寿命，降低了探头的维护成本。本发明还解决了在同一水体中，第一探头2和第二探头3只有一路输出的情况。该问题产生的原因是第一探头2和第二探头3事实上通过水溶液形成了共地的条件，从而导致当净水机中第一探头2和第二探头3间的阻抗较低时，某一路探头一直为0的现象。本发明由程序控制测试脚上的阻抗，从而避免第一探头2和第二探头3采生共地的问题。本发明通过测量液体的电导率，进而换算得到测量水体的TDS值，非特别注明情况下，本发明指出的均为电导率的精度。而通过电导率数据换算得到TDS值的过程非本发明的改进之处，因此不再细述。本发明通过双通道（不限于双通道）的测量技术，满足净水行业同时测量进水口和出水口的水质数据的需求，且整个探测结构稳定，减少了加工及安装成本，探测过程简单，节约了检测时间，增加了检测数据精确度。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种双通道数字TDS传感器，其特征在于，包括测试主板及与所述测试主板连接的第一探头、第二探头，所述测试主板通过信号线提供对外数字接口，所述数字接口与净水机主板连接，所述第一探头和所述第二探头插入净水机的快速接头中，且所述第一探头与所述净水机水路的源水端快速接头连接，所述第二探头与所述净水机水路的净水端快速接头连接，所述第一探头内设有第一电极，所述第二探头内设有第二电极及温度传感器，所述测试主板、所述第一探头、所述第二探头及所述信号线密封封装在长条形的防水材料中。2.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一探头为直径9.5mm或6.4mm的探头，所述第二探头为直径9.5mm或6.4mm的探头。3.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极外均设有电极密封层。4.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述测试主板的宽度不大于13mm，且所述测试主板上的电路表面低压注塑有防水绝缘层。5.根据权利要求1所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述测试主板中设有单片机：所述单片机依次与第一参考电阻R参考1、所述第一电极串联形成闭合回路，所述单片机依次与第二参考电阻R参考2、所述第二电极串联形成闭合回路。6.根据权利要求5所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述第一参考电阻R参考1包括串联的第一电阻R1和第一可调电阻VR1，所述第二参考电阻R参考2包括串联的第三电阻R3和第二可调电阻VR2。7.根据权利要求5所述的双通道数字TDS传感器，其特征在于，所述单片机还与所述温度传感器连接，所述温度传感器的另一端通过第五电阻R5接地。8.一种双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、测试主板上的单片机通过分压法，利用已知的第一参考电阻R参考1计算源水端第一探头中两个电极之间的电阻Rtds1；步骤2、单片机通过分压法，利用已知的第二参考电阻R参考2计算净水端第二探头中两个电极之间的电阻Rtds2；步骤3、利用公式K=QR，分别求得源水端的电导率Ktds1和净水端的电导率Ktds2，其中K为待测溶液的电导率，Q为电导池常量，并存储于单片机的存储器内，R为溶液内电极间的电阻值。9.根据权利要求8所述的双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，还包括标定过程，具体包括：分别将第一探头和第二探头放入到电导率标准溶液中，根据公式K=QR，计算所述第一探头和所述第二探头的电导池常量Qtds1和Qtds2，并将其写入到存储器的配置文件中。10.根据权利要求8所述的双通道数字TDS传感器的实现方法，其特征在于，还包括步骤4的温度补偿过程，根据公式K修正=K测量（1+（T测量-25）×a%），其中K修正为修正到该溶液25℃时的电导率，K测量为当前实际测得的电导率，a为常量。

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