在線水質分析儀器的技術發展

  一直以來，在線水質分析儀器技術都是沿著在線分析儀器研發制造技術和在線水質分析儀器應用技術兩個方面同時發展的。

  根據ISO標準的定義，有兩種形式的在線水質分析儀器：在線分析傳感器和比較復雜的自動化分析設備或者裝置。

  第一代的在線水質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的，儀器通常結構都比較簡單，通過傳感器直接和被測水樣接觸獲得水質指標的數據。最初可以測量的水質指標，主要是一些簡單的物理指標和成分指標，如水溫、電導率、PH、ORP、溶解氧等;接著是濁度、懸浮物濃度等光學原理的傳感器;隨著電化學分析技術的發展，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處理及去除樣品中干擾物質，在面對水質復雜的水樣(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)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、市政污水以及工業純水等水質情況較為簡單的水體。

  為了解決傳感器測量復雜水樣的適用性問題，也為了實現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參數的自動分析，隨著自動控制技術的采用，結構比較復雜的在線水質分析儀器-水質自動化分析設備或裝置開始出現：儀器通過控制一整套的設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運行的準確度，還需要定時對儀器進行自動校準，以及定期的人工維護。這一類在線水質分析儀器結構復雜，多用于水質成分指標(TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等)和評估性水質綜合指標(COD、堿度、硬度、生物毒性等)。

  隨著現代科學技術的發展，特別是分析化學、材料科學、電子科學以及包括計算機技術和通訊技術、自動控制技術在內的系統工程成套自動化技術的發展， 再加上水質科學自身的發展與進步，從以下介紹的多個維度共同推動了在線水質分析儀器技術的發展。

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

  其次，水質科學的發展，提出了“替代參數”的概念，為在線水質分析儀器的開發和應用開拓了新的空間。水質替代參數是指一類特定的水質參數，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在線監測而且實驗室分析也非常繁瑣水質參數的變化。目前，對飲用水水質安全來講，反應有機物總量及某些特定成分變化的綜合性指標UV254是目前非常重要的水質替代參數，可以通過UV254的實時測量，獲得和水中有機物污染相關的其他參數(如，COD、BOD、TOC等)的信息。由于能實時反映水質的變化，測量“替代參數”的在線水質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替代參數分析儀器還有：濁度、顆粒物、SDI(污染指數)等。

  第三，隨著材料科學的發展，在線水質分析儀器傳感器的環境適應性也得到了很大提高，表現為：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用于核電廠;采用鈦合金材料，可長時間應用于海洋監測的傳感器等等。

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

  目前的在線水質分析儀器的控制器普遍具有了自動運算、統計、圖形顯示、趨勢分析等數據處理功能;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現和解決儀器的問題;儀器生產商采用通用控制器也已經成為共識，同一種型號的控制器可以同數十種傳感器連接，由此給儀器生產企業和使用者兩方面都帶來了好處：儀器制造廠家可以實現控制器的大批量生產，取得規模效益;同時通用控制器降低了儀器技術服務的復雜程度，也降低了儀器生產廠家的服務成本;帶給在線分析儀器使用者的好處也是顯而易見的：在保證水處理生產正常運行的同時，可以減少水質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習的時間，可以更快更熟練的掌握儀器的使用及維護，提高生產效率;同時，新型的數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。

  在通訊及數據傳輸方面，RS232、RS485以及Profibus、Modbus等現場總線技術和TCP/IP等網絡協議得到了普遍應用，為實現水質監測數據的實時傳輸及水處理過程的自動控制提供了支持。

  最后，標準化進一步支持了在線水質分析儀器技術和行業的發展。國際標準化組織(ISO)在2003年制定的代號為ISO15839-2003的標準《水質在線傳感器/分析設備-水質規范和性能測試》,定義了在線水質分析儀器的性能特征，建立了評估及測定性能特征參數的測試程序，這個通用性標準給在線水質分析儀器的研發、生產及驗收提供了依據。進入21世紀以來的十多年中， 中國也發布了大量有關在線水質分析儀器的國家標準和一系列的行業標準。這些標準的發布與實施，為在線水質分析儀器的應用與發展提供了技術上的可靠保證。