無人船走航中的水質檢測儀器配置方案

一、方案概述

  無人船的應用將污染溯源從“盲人摸象"帶入 “數字透視" 時代。它不僅是填補深水區盲區、提升采樣精度的工具，更是實現常態化“體檢"、打通從發現問題到解決問題“最后一公里"的關鍵一環。相比與人工排污，應用無人船進行水污染溯源具有以下優點

 1、人工排查需要需沿岸徒步，周期長且盲區多。而采用無人船進行排查可以設定巡航路線，由無人船進行自主巡航，單測巡航就可以完成多點位監測。排查效率大大提高。

 2、人工排查靠肉眼觀察或經驗推測，難以發現水下暗管。而無人船可水下聲吶，對水下暗管進行掃描，可以發現隱藏在水下的排污暗管。

 3、人工排查易受地形限制，難以到達河道中心深水區。無人船可以巡航到河道的幾乎任何位置，可以對河道水質進行全面的檢測。

 4、人供采樣水樣，地點分散、間隔周期長，無法實時和全面的反應水質變化，連續在線監測，數據實時回傳并生成可視化圖譜；

 由于無人船相對傳統人工排查和采樣的種種優點，近年來無人船走航檢測得到了日益廣泛的應用，同時也對無人船搭載的水質檢測儀器提出了更高的要求

二、搭載在無人船上的水質監測儀器的選型考慮

  與固定式或便攜式水質監測設備相比，無人船上搭載的水質監測儀器有許多的特點，包括

 1、多參數同時檢測

   應該能同時檢測水質常規五參數，包括pH、溶解氧、電導率和濁度等，同時可以檢測有機物和營養鹽指標，包括氨氮、COD、總磷和總氮，當關心藍藻水華時，還應該能檢測葉綠素a、藻密度、藍綠藻等藻類指標。

 2、響應時間快

  無人船在進行水質走航檢測時，一般要獲取水質的時空分布情況，即同時獲取采樣點的坐標和采樣點的水質，而且由于無人船始終處于運動之中，在采樣時，水質結果應該在＜60秒內獲得結果，才能如實反映水質的時空變化，獲得水質的渲染分布圖。

 3、有易于集成的數字接口

 無人船的控制系統采用數字化總線，通過總線采集經緯度、航速、航向、電池電量、無線模塊的數據，搭載在無人船的水質傳感器應該與控制系統的接口兼容，常用的數字接口包括RS485、RS232、網口、CAN總線等等。水質傳感器應該有易于采集的寄存器定義，方便無人船進行數據采集。

 4、無需試劑，維護工作量小

 一臺濕化學儀器工作時需要多種試劑與水樣產生氧化反應、還原反應或顯色反應，而且這些化學試劑需要室溫或低溫貯存。搭載需要試劑的儀表會使無人船可用空間縮小、巡航時間縮短，且檢測數據變得不可靠。化學法儀表在運行過程中產生的廢液的處置也會帶來額外的成本，處置不當會造成水體的二次污染。因此無人船應該選用光學水質傳感器、電化學水質傳感器或光譜水質傳感器等無需試劑的儀器。

 5、功耗低

 無人船通常搭載動力電池作為能源，如果無人船能耗過高，會導致無人船巡航時間縮短到2小時以內，使無人船的應用效率大大減小，因此無人船應該選用功耗低于3W的傳感器作為搭載儀器。

三、無人船用水質傳感器選型和應用方案

 如圖所示，為滿足地表水采樣要求在水下0.5米處取樣的要求，方案中設計了電動采樣探頭（圖中的4），該探頭在采樣點時，自動擺動90°將取樣探頭深入水下0.5米，并啟動水泵抽取水樣。水樣抽取后經過過濾，連續通過3個流通池最后排回水體，流通池1中安裝水質常規五參數傳感器（圖中的1），流通池2中安裝有機物傳感器和藻類傳感器（圖中的2），流通池3中安裝全光譜水質傳感器（圖中的3）。所有傳感器均由基于ModbusRTU協議的RS485接口，無人船的控制系統可以通過輪詢方式隨時查詢水質測量值。

四、無人船搭載的水質傳感器的推薦產品組合

1、AL4030S pH傳感器

.雙鹽橋設計，電極使用壽命長；

.采用PT1000溫度傳感器，溫度測量精度達到±0.1℃；

.采用非線性溫度補償，溫補精度高；

.內置故障自診斷功能，保證數據準確；

.出廠預校準，內置校準系數，可隨時恢復出廠校準參數；

.電極清洗維護方便；

.傳感器接口具有錯接和反接保護功能；

2、AL4040P電導率傳感器

.交流脈沖驅動電極，消除電極極化和電容效應；

.Boxcar信號處理技術，降低檢測下限，提高數據穩定性；

.24位Σ-△模擬數字轉換分辨力；

.內置故障自診斷功能，保證數據準確；

.出廠預校準，內置校準系數，可隨時恢復出廠校準參數；

.電極清洗維護方便；

.傳感器接口具有錯接和反接保護功能；

3、AL4050S溶解氧傳感器

.響應速度快，響應時間≤10秒

.靈敏度高，檢測下限低至0.05mg/L

.長期穩定性好，維護工作量小

.溫度、氣壓和鹽度自動補償

.空氣中直接校準，校準方便

.熒光膜帽可更換

.出廠預校準，可隨時恢復出廠校準參數

.3KV耐壓隔離電源供電，抗干擾能力強；

4、AL4060濁度傳感器

.環境光自動調零技術，消除環境光影響

.窄帶濾光片過濾接收光，消除雜散光影響

.Boxcar信號處理技術，降低檢測下限、提高數據穩定性

.電刷定期自動清潔光學窗口，清除水中雜質和氣泡附著

.內置故障自診斷功能，保證數據準確

.出廠預校準，可隨時恢復出廠校準參數

.半導體LED和光電探測器，使用壽命超過10年

.傳感器接口具有錯接和反接保護功能

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5、AL4110葉綠素傳感器

.樣品無需處理和萃取，無需試劑、無污染

.窄帶濾光片過濾接收光路，消除雜散光影響

.光纖式傳感器，產品體積緊湊，易于集成

.電刷定期自動清潔光學窗口，清除水中雜質和氣泡附著

.內置故障自診斷功能，保證數據準確

.出廠預校準，可隨時恢復出廠校準參數

.半導體LED和光電探測器，使用壽命超過10年

.3KV耐壓隔離電源供電，抗干擾能力強

6、AL4120藍綠藻水質傳感器

.樣品無需處理和萃取，無需試劑、無污染

.環境境光自動調零技術，消除環境光影響

.窄帶濾光片過濾接收光路，消除雜散光影響

.Boxcar信號處理技術，降低檢測下限、提高數據穩定性

.電刷定期自動清潔光學窗口，清除水中雜質和氣泡附著

.內置故障自診斷功能，保證數據準確

.出廠預校準，可隨時恢復出廠校準參數

.半導體LED和光電探測器，使用壽命超過10年

.傳感器接口具有錯接和反接保護功能

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7、AL4010S UVCOD傳感器

原位式測量，無需取樣和預處理

254/530nm雙波長檢測，自動進行濁度補償

雙參考光路，消除光源衰減對測量值的影響

機械電刷自動定期清洗光學窗口

出廠預校準，用戶可隨時恢復出廠校準參數

半導體LED和光電探測器，使用壽命超過10年

傳感器接口具有錯接和反接保護功能

維護工作量極少，使用中無需重新校準

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8、AL4070氨氮傳感器

一體式電極，多參數相互進行矩陣修正，測量準確度高；

原位測量，無需試劑和預處理，維護工作量低；

響應時間不到60秒，實時反映氨氮濃度變化；

傳感器膜頭可更換，降低使用成本；

內置故障自診斷功能，保證數據準確；

出廠預校準，內置校準系數，可隨時恢復出廠校準參數；

  傳感器接口具有錯接和反接保護功能