專利名稱：多功能水質(zhì)監(jiān)控方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一水質(zhì)監(jiān)控的方法及裝置，特別是關(guān)于一多功能的水質(zhì)監(jiān)控方法及裝置。
在一般生產(chǎn)工廠的用水量比例中，冷卻用的水量占了大部份，因此，無論自用水量成本的節(jié)省，或從環(huán)保的立場考慮，如何控制冷卻用水的水質(zhì)，來提高濃縮倍率、減少排放水量，乃為一重要的課題?？刂扑|(zhì)的功能，還可避免管路結(jié)垢而阻塞、甚至于產(chǎn)生腐蝕破裂，進(jìn)一步地即可避免因管路破裂帶來的意外災(zāi)害。
目前一般水質(zhì)監(jiān)控的一第一步工作，不管是否委托專業(yè)的水處理公司進(jìn)行，都得到現(xiàn)場取水樣，然后帶回實驗室。
在實驗室中進(jìn)行的檢驗工作，一般需先檢測pH值、鈣離子濃度及M堿度；第二步驟是依檢測值查閱相關(guān)的資料圖表；然后才能在第三步驟中計算出飽和指數(shù)值，運算過程非常麻煩。
由于應(yīng)用傳統(tǒng)檢測方法及步驟，以及浪費許多時間往反至現(xiàn)場取樣，因此從取樣至知道測試結(jié)果將相隔數(shù)小時；如果是委托專業(yè)水處理公司執(zhí)行，一般在取樣的第二天才能獲致結(jié)果。在上述全部過程中產(chǎn)生時間的拖延，必造成水質(zhì)監(jiān)控上即時監(jiān)視并即時補(bǔ)救的阻礙。
雖然也有人考慮把實驗裝置安裝在取水樣的地點進(jìn)行即時化驗分析，但卻是一種不實際極不方便的理想而已。
目前分析鈣(Ca)硬度的方法有原子吸收光譜法(AA)、電漿光譜法(ICP)、離子層析法(IC)等，但可應(yīng)用在線上(on line)之法是以鈣離子電極來測鲺硬度的裝置，但其售價貴，且因被測試之水，其水質(zhì)較純水差，故測試的電極容易損壞，故需經(jīng)常清理、保養(yǎng)，甚至校正測試值，甚不方便。
另外，目前M堿度的分析法有比色法(Methyl Orange ColorimetriMethods)、電荷平衡法(Charge Balance Methods)、自動滴定法等，其中自動滴定器測M堿度的儀器非常昂貴，市價約新臺幣50萬，其使用時需經(jīng)常補(bǔ)充測試用的藥劑，因此既昂貴、使用上又需經(jīng)常補(bǔ)充藥劑的問題，使大多數(shù)人不樂于采用。
傳統(tǒng)水質(zhì)檢測法更進(jìn)一步的問題是，一般水質(zhì)檢測的項目只能做到比導(dǎo)電度、酸堿值的管理，少數(shù)檢測能力較佳者，另外多加一項，借由氧化還原電位(ORPOxidation Reduction Potential)控制水中自由氯(FreeChlorine)含量，以維持殺菌效果。至于能反應(yīng)出水質(zhì)結(jié)垢傾向與腐蝕風(fēng)險的重要參考指標(biāo)—飽和指數(shù)(SISaturation Index)，目前仍無單一儀器能立即測出。需查表帶來的復(fù)雜性，使得飽和指數(shù)(SI)的立即讀取變得相當(dāng)困難，這也是市面上為何沒有此種產(chǎn)品的原因。
本發(fā)明的目的，在提供一種借水質(zhì)模擬系統(tǒng)來了解水質(zhì)變化的水質(zhì)監(jiān)控方法。
本發(fā)明的另一目的，在提供一種水質(zhì)監(jiān)控方法與裝置，可求出鈣離子、M堿度，與比導(dǎo)電度、酸堿(pH)度、溫度等值彼此間的關(guān)系，并且進(jìn)一步地以函數(shù)關(guān)系取代測試儀器的硬體設(shè)備。
本發(fā)明的進(jìn)一目的，則在提供一種水質(zhì)監(jiān)控方法及裝置，可立即反應(yīng)水質(zhì)的飽和指數(shù)(SI)，來提升水質(zhì)即時檢測及改善的技術(shù)及品質(zhì)。
為達(dá)到上述目的，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)只要使用一般測試常使用的導(dǎo)電度計，酸堿度計與氧化還原電位計，加上中央處理單元的簡易運算器，即可應(yīng)用來制造出適用于冷卻水塔、游泳池、鍋爐等的多功能且成本低廉的自動水質(zhì)監(jiān)控器。監(jiān)控水質(zhì)的方法，是由中央處理器由鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度的對數(shù)值與pH值的線性函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)出鈣硬度、M堿度，再將溫度曲線簡化為一方程式，直接產(chǎn)生出飽和指數(shù)(SI)用來監(jiān)測水質(zhì)。本發(fā)明提供實驗證明的數(shù)學(xué)式，可快速獲得M堿度與pH值的關(guān)系，以及鈣硬度與比電導(dǎo)度的關(guān)系，因此可利用中央處理器立即處理獲得飽和指數(shù)。
一種多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于它包括(a)讀取水的溫度值與水的比導(dǎo)電度求出溫度常數(shù)值(C)；(b)讀取水的pH值導(dǎo)出M堿度及pMAlk值；
(c)由水的比導(dǎo)電度導(dǎo)出鈣硬度及(pCa)值；以及(d)進(jìn)一步由已得之C，pMAlk及pCa值依下列二關(guān)系式pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)SI＝pH-pHs。
求出飽和函數(shù)(SI)，做為水質(zhì)結(jié)垢傾向與腐蝕風(fēng)險的參數(shù)。
利用本發(fā)明的方法，可將酸堿度計、ORP計、導(dǎo)電度計等與特殊的飽和指數(shù)顯示計合并成單一機(jī)種，操作方便、價格便宜且具有附加的功能。本發(fā)明并且以函數(shù)關(guān)系，應(yīng)用pH值、比導(dǎo)電度及溫度值等算出鈣硬度、M堿度、飽和指數(shù)等水質(zhì)控制指標(biāo)，可提高水質(zhì)監(jiān)控的品質(zhì)及達(dá)到即時控制的效果，對水質(zhì)監(jiān)控實有莫大助益。
茲以附圖進(jìn)一步陳明本發(fā)明的技術(shù)與功效。


圖1是本發(fā)明水質(zhì)監(jiān)控方法流程圖。
圖2與圖3是依本發(fā)明方法以標(biāo)準(zhǔn)溶液為實驗例的線性關(guān)系圖；其中圖2是鈣硬度與比導(dǎo)電度的校正曲線，圖3則是M堿度與pH值的校正曲線。
圖4與圖5是以冷卻水塔循環(huán)水樣為模擬對象實驗例的線性關(guān)系圖；其中圖4類似于圖2，且圖5類似于圖3。
圖6是本發(fā)明水質(zhì)監(jiān)控裝置實施例的方塊圖。
如圖1所示，并請參閱圖2，本發(fā)明的方法主要是借酸堿度計及導(dǎo)電度計所檢測的值，經(jīng)數(shù)學(xué)式換算后來獲得飽和指數(shù)(Saturation Index)，當(dāng)然應(yīng)用本發(fā)明的自動水質(zhì)監(jiān)控器附帶地也可如已有裝置一樣；(1)利用氧化還原計檢測水質(zhì)，進(jìn)一步?jīng)Q定是否要在水中添加殺菌劑；(2)由酸堿度計可測出pH值，以該pH值與管制的設(shè)定值進(jìn)行比較，而考慮是否要添加硫酸來降低pH值；以及(3)借導(dǎo)電度計測試水質(zhì)，當(dāng)所測的比導(dǎo)電度(μs/cm)大于設(shè)定值時即控制打開電磁閥，將被管制的水先排放后，再補(bǔ)充凈水，以降低比導(dǎo)電度。圖1中的SP1-SP3，，是指各設(shè)定點(SetPoint)的數(shù)值。
本發(fā)明進(jìn)一步地取出由導(dǎo)電度計所量測的溫度值(T)與比導(dǎo)電度(μ)，依下列關(guān)系式求出溫度常數(shù)值(C)
C＝c1[log(μ/2)]-c2T+c3該方程式是將Langelier飽和指數(shù)圖(如圖7所示，參見1976年第7版的Betz Handbook of Industrial Water Conditioning第180頁)的溫度常數(shù)曲線簡化所得。其中c1、c2、c3皆為常數(shù)，c1＝0.1038；c2＝0.0189；c3＝2.3681。
同時就檢測的pH值，依下列關(guān)系式可導(dǎo)出M堿度log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b其中a，b為常數(shù)，依水質(zhì)不同而有差異。
當(dāng)獲得M堿度后，進(jìn)一步可獲得下列負(fù)對數(shù)值關(guān)系式pMAlk＝-log[MAlk/50000]本發(fā)明進(jìn)一步地由比導(dǎo)電度(μ)導(dǎo)出其與鈣硬度的關(guān)系式為[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d其中c，d為常數(shù)，依水質(zhì)不同而有差異，與前述常數(shù)a，b一樣地，其數(shù)值皆可由水廠或欲管制水源的檢測數(shù)值而獲知，如圖2-5中的數(shù)值。
以上二數(shù)學(xué)關(guān)系式已由以下兩種實驗例證明可行。
實驗用的藥品配制方法(1)酚酞溶液(Phenolphthalene)稱1g酚酞固體溶于60mL酒精中，以去離子水稀釋至100mL。
(2)甲基橙(Methyl Orange)取甲基橙固體0.2g溶于熱水，冷卻后如有必要過濾，以去離子水稀釋至100mL。
(3)鈣硬度標(biāo)準(zhǔn)溶液取適量1000ppm鈣標(biāo)準(zhǔn)液以去離子稀釋至100mL，使鈣硬度(as CaCO3)濃度范圍分布在50-350ppm之間。
(4)碳酸氬鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1N NaHCO3-取0.84g NaHCO3固體溶于去離子水，稀釋至100mL。0.0001N-0.007N NaHCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液，取適量0.1N NaHCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液以去離子水稀釋至100mL。
實驗例一由實驗室自行配制鈣硬度標(biāo)準(zhǔn)溶液及碳酸氫鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液，分析一系列鈣硬度標(biāo)準(zhǔn)溶液的鈣硬度、比導(dǎo)電度、及碳酸氫鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液的M堿度、pH值。找出鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度與pH值的函數(shù)關(guān)系。此處作了兩點合理假設(shè)1、鈣硬度與比導(dǎo)電度的關(guān)系為鈣硬度[ppm as CaCO3]＝a+bμ(比導(dǎo)電度)[μS/cm]2、M堿度與pH值的關(guān)系為log(M堿度)[ppm as CaCO3]＝c+d(pH)由實驗結(jié)果推算其線性相關(guān)系數(shù)R(Correlation coefficient)是否良好(＞0.95)？依統(tǒng)計學(xué)可靠度容許誤差5％的標(biāo)準(zhǔn)，如R值大于0.95，則表示上述兩點假設(shè)可能成立，算出其方程式的截距及斜率。
實驗結(jié)果(1)鈣硬度與比導(dǎo)電度的關(guān)系以鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液配制不同硬度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測定比導(dǎo)電度值，結(jié)果如下比導(dǎo)電度Ca硬度(μS/cm)[ppm as CaCO3]216 51383 89595 123785 178973 2141285 2611593 343鈣硬度與比導(dǎo)電度為如圖2的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.997。
(2)M堿度與pH值的關(guān)系以NaHCO3配制0.001N-0.007N(克當(dāng)量濃度)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分析pH值及M堿度，結(jié)果如下NaHCO3pH值 M堿度 log(M堿度)[ppm as CaCO3)0.001 8.5253 1.720.002 8.731002.000.003 8.901532.180.004 8.932032.310.005 8.972522.40
0.0078.99 349 2.54M堿度的對數(shù)與pH值為如圖3所示的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)為0.970。
由上述結(jié)果顯示鈣硬度與比電導(dǎo)度，M堿度與pH值的關(guān)系為前述函數(shù)關(guān)系應(yīng)可成立。
實驗例二以冷卻水塔模擬實際操作狀況，取不同濃縮倍率的冷卻水塔循環(huán)水樣，作鈣硬度、比導(dǎo)電度、M堿度及pH值的測定。求出鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度與pH值的函數(shù)關(guān)系，其R值是否大于0.95？如是，則表示實際冷卻水塔循環(huán)水樣 中，鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度與pH值有函數(shù)關(guān)系存在。
實驗結(jié)果以模擬冷卻水塔濃縮自來水水樣，取不同濃縮倍率的循環(huán)水樣分析鈣硬度、比導(dǎo)電度，結(jié)果如下比導(dǎo)電度Ca硬度(μS/cm)[ppm as CaCO3]442119714187772193778199841215923240鈣硬度與比導(dǎo)電度的線性關(guān)系如圖4所示。
同時，分析各水樣M堿度及pH值的結(jié)果為pH值 M堿度log(M堿度)[ppm as CaCO3]8.29 811.918.551182.078.561162.068.571192.088.591232.09
8.601252.108.621272.108.641282.118.661332.12依上述數(shù)據(jù)構(gòu)成的線性關(guān)系如圖5。
由圖4、圖5證明實際冷卻水塔濃縮水樣中，鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度的對數(shù)與pH值皆為線性關(guān)系。因此由測定比導(dǎo)電度與pH值便可換算如本發(fā)明前述數(shù)學(xué)式得到鈣硬度與M堿度。在實際應(yīng)用上，只要作出不同水源的鈣硬度與比導(dǎo)電度，M堿度與pH值的函數(shù)關(guān)系，便可利用比導(dǎo)電度、pH值算出鈣硬度與M堿度值。
綜合以上所獲得的M堿度對數(shù)指標(biāo)(pMAlk)，溫度常數(shù)(C)，及鈣硬度對數(shù)指標(biāo)(pCa)，即可代入下列公式計算出pHspHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)并且取前述由酸堿度計所測的pH值與pHs值比較，可求出飽和指數(shù)(SI)，其關(guān)系式為SI＝pH-pHs經(jīng)實驗觀察，當(dāng)SI值大于零時，水質(zhì)是傾向沉淀；相對地，當(dāng)SI值小于零時，則傾向腐蝕。
如圖6的運算器所示，前述酸堿度計、導(dǎo)電度計(EC)、溫度計甚至氧化還原電位(ORP)計等其他儀器所測的值，皆可經(jīng)多工器由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可與中央處理單元匹配的訊號，透過介面輸入至中央處理單元的微處理器。該中央處理單元還包括唯讀記憶體、隨機(jī)記憶體及位址解碼器等，彼非本發(fā)明的主題故不贅述。但前述各常數(shù)、設(shè)定位及關(guān)系式，可借由資料操作單元中的操作鍵盤或其他資料輸入器，預(yù)先輸入至中央處理單元中，供水質(zhì)檢測時自動分析計算，其結(jié)果可由控制單元的顯示器顯示，或在超過管制所設(shè)定的正常值時同時由控制器發(fā)出警報，或經(jīng)由酸堿度計、ORP計、溫度計等驅(qū)動適合的設(shè)備，譬如是定量幫浦等，即時添加藥劑來改善水質(zhì)。譬如，圖1所示，當(dāng)飽和指數(shù)值(SI)＞2時，即控制增加較高濃度或特殊的防垢藥劑，當(dāng)該值＜0時，則添加較高濃度或特殊的防蝕藥劑；當(dāng)該值在1.0±1之間時為正常值，則可定期添加一般防蝕、防垢的藥劑，并使管路內(nèi)壁形成一保護(hù)管壁的結(jié)垢薄層。
前述的說明與圖只是在陳明本發(fā)明較佳的實施例，熟于此藝者由該實施例可進(jìn)行一些修飾，但仍應(yīng)屬于本發(fā)明的發(fā)明精神領(lǐng)域。本發(fā)明的權(quán)利范圍由以下所附的申請專利范圍界定。
權(quán)利要求
1.一種多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于它包括(a)讀取水的溫度值與水的比導(dǎo)電度求出溫度常數(shù)值(C)；(b)讀取水的pH值導(dǎo)出M堿度及pMAlk值；(c)由水的比導(dǎo)電度導(dǎo)出鈣硬度及(pCa)值；以及(d)進(jìn)一步由已得之C，pMAlk及pCa值依下列二關(guān)系式pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)SI＝pH-pHs求出飽和指數(shù)(SI)，做為水質(zhì)結(jié)垢傾向與腐蝕風(fēng)險的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中由pH值所導(dǎo)出M堿度的關(guān)系式如下M堿度log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b (其中a，b為常數(shù))pMAlk＝-log[MAlk/50000]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中由比導(dǎo)電度所導(dǎo)出鈣硬度的關(guān)系式如下鈣硬度[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d(其中c，d為常數(shù))pCa＝-log(Ca2+]+5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中由水濕與水的比導(dǎo)電度求出C值的方程式如下溫度常數(shù)C＝c1[log(μ/2)]-c2T+c3(其中c1，c2，c3為常數(shù))。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中進(jìn)一步限定飽和指數(shù)(SI)的正常值是1.0±1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中溫度常數(shù)(C)數(shù)值，是由Langelier飽和指數(shù)圖的溫度常數(shù)曲線求出。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中當(dāng)飽和指數(shù)(SI)＞0時，即控制增加較高濃度或特殊的防垢藥劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中當(dāng)飽和指數(shù)(SI)＜0時，即控制增加較高濃度或特殊的防蝕藥劑。
9.一種多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于包括一中央處理單元其透過一介面電路裝置連接一控制單元及一資料操作單元，并分別連接于一酸堿值控制器、一比導(dǎo)電度控制器與一溫度計的訊號輸出埠，取得水的酸堿值、比導(dǎo)電度與溫度；該中央處理單元中預(yù)存有以溫度及比導(dǎo)電度求出溫度常數(shù)值(C)、以酸堿值求出的M堿度負(fù)對數(shù)(pMAlk)、以及以比導(dǎo)電度求出鈣硬度(pCa)的程式，且進(jìn)一步預(yù)存有以下運算式獲得飽和指數(shù)(SI)pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)SI＝pH-pHs該中央處理單元中并設(shè)有一飽和指數(shù)正常值為1.0±1的管制程式，當(dāng)檢測值超過該正常值時即驅(qū)動前述控制單元產(chǎn)生警示訊號或控制控制器定量進(jìn)行添加藥劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于其中由pH值所導(dǎo)出M堿度的關(guān)系式如下M堿度log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b (其中a，b為常數(shù))pMAlk＝-log[MAlk/50000]。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于其中由比導(dǎo)電度所導(dǎo)出鈣硬度的關(guān)系式如下鈣硬度[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d(其中c，d為常數(shù))pCa＝-log(Ca2+]+5。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于其中由水溫與水的比導(dǎo)電度求出C值的方程式如下溫度常數(shù)C＝c1[log(μ/2)]-c2T+c3(其中c1，c2，c3為常數(shù))。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于還包括一氧化還原計用以檢測水質(zhì)，并控制添加殺菌劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于還包括一酸堿度計用以檢測水質(zhì)，并控制添加酸劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于還包括一導(dǎo)電度計用以檢測水質(zhì)，并控制一電磁閥將被管制的水排放后，再補(bǔ)充凈水。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于其中當(dāng)飽和指數(shù)(SI)＞0時，即控制增加較高濃度或特殊的防垢藥劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于其中當(dāng)飽和指數(shù)(SI)＜0時，即控制增加較高濃度或特殊的防蝕藥劑。
全文摘要
一種多功能水質(zhì)監(jiān)控方法及裝置,由鈣硬度與比導(dǎo)電度、M堿度的對數(shù)值與pH值的線性函數(shù)關(guān)系,導(dǎo)出鈣硬度、M堿度,再將溫度曲線簡化為一方程式,直接計算出飽和指數(shù)(SI)。此結(jié)果只要使用一般測試常使用的導(dǎo)電度計、酸堿度計與氧化還原電位計,加上中央處理單元的簡易運算器,即可應(yīng)用來制造出適用于冷卻水塔、游泳池、鍋爐等的多功能且成本低廉的自動水質(zhì)監(jiān)控器。
文檔編號G01N33/18GK1203365SQ9711218
公開日1998年12月30日 申請日期1997年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月23日
發(fā)明者張振章, 詹舒斐, 林東源, 陳仁仲, 陳國珍, 陳宏昌 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院