管道接入式余氯在線監測儀性能評價方法探究

王欣欣，陳瑩瑩，姚 靈

(寧波水表(集團)股份有限公司，浙江 寧波 315032)

0 引言

我國對飲用水中余氯含量有嚴格的標準要求[1]：以消毒劑在水中接觸時間30 min為限，飲用水中消毒劑常規指標氯氣及游離氯制劑(游離氯)在管網末梢水中余量應不少于0.05 mg/L，出廠水中余量應不少于0.3 mg/L。對城鎮供水管網水質進行在線監測時，消毒劑余氯的含量是必須監測的參數之一[2-3]。一般自來水出水中的余氯是游離性余氯[4]。為動態監測供水管網末梢飲用水的余氯含量，通常將被測飲用水引入余氯分析儀，通過實時采樣、流動測量以及測量用水排放或自動流入供水管道等流程，完成余氯測量的全過程[5]；與此同時，將獲取的余氯含量測量值遠傳至水質預警平臺，進行數據處理和決策。然而，被測水樣的就地排放不僅會大量浪費水資源，還會造成土壤污染和流失等問題。因此，管道接入式余氯監測儀應運而生。其可直接接入供水管道，且余氯測量后被測水樣會自動流入供水管道。

由于余氯測量環境的改變，管道接入式余氯在線監測儀需重新構建滿足余氯傳感器額定工作條件的測量環境和條件。因此，現有的性能評價體系已不再適用，需要重新建立有效的性能評價體系。

1 產品結構及原理

管道接入式余氯在線監測儀通過在供水管道上設置旁路支管，利用泵或文丘里結構等將飲用水引入測量容器，在測量容器中構建滿足余氯傳感器額定工作條件的測量環境和條件。余氯測量完成后，被測飲用水自動流入供水管道。待測量容器中飲用水更換后，重復測量，從而實現周期性余氯測量。

管道接入式余氯在線監測儀結構如圖1所示。

圖1 管道接入式余氯在線監測儀結構示意圖Fig.1 Pipe access type residual chlorine online monitor structure schematic

管道接入式余氯在線監測儀屬于應用創新類產品，主要由余氯測量部件和通信單元構成。其中，余氯測量部件主要包括余氯測量容器、余氯傳感器、電源供應單元、信號處理單元和人機交互單元等，可獨立進行余氯測量。管道接入式余氯在線監測儀的測量性能(即余氯測量部件的測量性能)，與余氯傳感器測量性能、信號處理方式及測量容器中的測量環境等密切相關。

2 技術性能

2.1 額定工作條件

管道接入式余氯在線監測儀主要安裝在大用水戶入口處和關鍵節點等位置，可借助于水表、閥門等的安裝位置，如窨井、泵房等。其額定工作條件如下[6]。

①環境溫度范圍為5～55 ℃。

②環境相對濕度范圍為0%～100%。其中，遠傳指示裝置應為0%～93%。

③水溫范圍為0.1～30 ℃。

④供水管道水流量范圍為Q1～Q4。

⑤供水管道水壓范圍為從0.03 MPa到最高允許壓力。

然而，目前商用傳感器的額定工作條件還不能滿足供水管道工作環境的要求，如其工作流量通常需要穩定在一定范圍內，最高允許壓力通常也不高于0.6 MPa等。因此，為使余氯傳感器在管道接入式余氯在線監測儀上正常工作，需要在測量容器中構建滿足余氯傳感器額定工作條件的測量環境和條件。

2.2 關鍵性能指標及要求

2.2.1 衛生安全性

為避免對飲用水產生污染，管道接入式余氯在線監測儀應具有良好的衛生安全性。其涉水部件應采用無毒、無污染、無生物活性的材料制造，須符合衛生部辦公廳2010年發布的《飲用水水表衛生安全評價規范(試行)》的相關規定。同時，由于余氯在線傳感器通常是基于化學或電化學測量原理的[7]，在傳感器選型時必須選擇測量過程中不產生任何有害物質的傳感器。

2.2.2 靜壓

管道接入式余氯在線監測儀直接與供水管道相接，須承受供水管道0.03～1 MPa(最高允許壓力)的水壓變化而不被破壞。結合對具有相同額定工作條件的水表的靜壓要求，其必須滿足國家標準《飲用冷水水表和熱水水表 第1部分：性能要求和技術要求》(GB/T 778.1—2018)規定的靜壓要求，即應能承受15 min的1.6 MPa壓力和1 min的2 MPa壓力而不出現泄漏或損壞。

2.2.3 測量性能

為滿足用戶需求、實現對供水管道中飲用水余氯含量的可靠監測，管道接入式余氯在線監測儀在額定工作條件下必須能長期保持穩定、可靠的測量性能，同時還要具有強大的抗環境影響能力(如氣候、機械、電磁環境影響等)。根據用戶實際需求及相關標準的規定，可提出如表1所示的管道接入式余氯在線監測儀的測量性能指標要求。

表1 測量性能指標要求Tab.1 Measurement performance index and requirements

①示值誤差。

根據表示形式的不同，管道接入式余氯在線監測儀的示值誤差可以用絕對誤差、相對誤差和引用誤差來表示。該指標是在線監測儀表的主要測量特性之一，本質上反映了其測量準確度的高低。確定示值誤差試驗中，通常選擇余氯濃度約為校準點(即常用檢測濃度值)的至少3種余氯工作標準溶液來進行。

②重復性。

管道接入式余氯在線監測儀的重復性指標通常采用多次測量結果的相對標準偏差S′來表征。選擇余氯濃度約為1.0 mg/L的實際水樣或余氯濃度約為校準點的余氯工作標準溶液進行重復性試驗：采用校準后的余氯測量部件在盡量短的時間內連續測量n次，按式(1)計算S′。

③零點漂移。

采用管道接入式余氯在線監測儀多次測量零點校正液，以初始值為基準，計算最大偏離幅度相對于滿量程的百分比以表征零點漂移。零點漂移試驗采用現行國家標準《分析實驗室用水規格和實驗方法》(GB/T 6682)規定的一級水作為零點校正液[8]進行：在一定時間內，每5 min測定1次零點校正液。以最初3次測量值的平均值為零點初始值X0，并以3次測量值為1組，則m(m≥5)組測量值的平均值為Xm。按式(2)計算零點漂移δ。

式中：δ為零點漂移，%；Xm為第m組測量值的平均值，mg/L；X0為零點初始值，mg/L；X為滿量程，mg/L。

④測定下限。

本文采用標準偏差的6倍來表征余氯監測儀的測定下限。選擇零點校正液進行試驗，連續讀取余氯測量部件n次余氯濃度測量值，按式(3)計算標準偏差S，并按式(4)計算測定下限L0。

L0=6S

(4)

⑤壓力、流量、溫度和酸堿度變化。

通常選擇余氯濃度約為校準點的余氯工作標準溶液進行壓力、流量、溫度和酸堿度變化試驗。即在額定工作壓力、流量、溫度和酸堿度范圍內調節影響參數后，對管道接入式余氯在線監測儀進行確定示值誤差試驗。其中，為避免試驗中余氯傳感器被損壞，壓力變化試驗中水壓通常以不大于1 MPa/min的速度進行調整。

⑥穩定性。

每隔一段時間，采用余氯濃度約為校準點濃度的余氯工作標準溶液進行確定示值誤差試驗，以考察管道接入式余氯在線監測儀的穩定性指標。測量不應少于3個時間周期。時間間隔可以為1 h、1 d、一周或一個月等，具體按實際需要而定。

⑦實際水樣比對試驗。

通常應選取多個代表性的實際水樣作為被測溶液進行確定示值誤差試驗。

⑧影響量試驗。

影響量試驗主要有高溫(無冷凝)、低溫、交變濕熱(冷凝)、靜電放電、電磁兼容等。試驗方法可參照國家標準《飲用冷水水表和熱水水表 第2部分：試驗方法》(GB/T 778.2—2018)的規定[9]進行。

3 評價方法分析

為提高管道接入式余氯在線監測儀的產品質量，確保其關鍵性能指標符合要求，還須對其開展性能評價試驗工作。部分性能試驗可參照現有相關標準的規定進行，如：衛生安全性試驗可按照國家標準《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準的要求》(GB/T 17219—1998)的規定進行；靜壓試驗可參照國家標準《飲用冷水水表和熱水水表 第2部分：試驗方法》(GB/T 778.2—2018)的規定進行等。然而，由于測量環境和條件的改變，原有的測量性能評價系統已不適用，需重新研究并建立該類產品測量性能評價系統。

3.1 量值溯源

試驗中，應選擇合適的標準儀器及標準溶液實現量值溯源。由于分光光度法測量余氯受到水中酸堿度(potential of hydrogen,pH)和待測液溫度的影響較小，所以通常選擇分光光度法余氯測定儀作為標準儀器。本試驗中，選擇經上一級計量技術機構(上海市計量測試技術研究院)校準的DR3900余氯測定儀作為標準儀器。校準結果如表2所示。

表2 校準結果Tab.2 Calibration results

然而，我國目前還沒有余氯有證標準物質，難以實現余氯測定結果的量值溯源[10]。因此，通常選擇使用稀釋有效氯含量至少為4%的次氯酸鈉溶液配置余氯工作標準溶液。需用經校準的標準儀器確定溶液的余氯濃度標稱值，且在溶液的有效試驗時間段內進行試驗。

3.2 試驗裝置設計

對管道接入式余氯在線監測儀的測量性能評價通常需要將其安裝在相同管徑的試驗裝置上，通過流量、水溫、水壓調節裝置等構建管道接入式余氯在線監測儀的試驗條件。由于供水管道規格通常為DN50～DN300，因此需要建造適合不同管徑的試驗裝置。這不僅要占用較大試驗場地，還需在試驗中使用大量的余氯工作標準溶液以實現量值溯源。一次性配置大量的濃度均勻且精確的余氯工作標準溶液是比較困難的，同時需要大容量容器進行保存。

管道接入式余氯在線監測儀的測量性能主要與測量容器的測量環境、傳感器性能及信號處理等密切相關。本研究提出將余氯測量部件(主要包括測量容器、余氯傳感器、信號處理單元、電源供應單元和人機交換單元等)作為測量性能評價對象，設計小型試驗裝置，構建余氯測量部件的試驗條件。該試驗系統不僅可以減少余氯工作標準溶液的使用量、降低標準溶液的配置和保存難度，還能夠提高評價試驗的準確度和效率。小型試驗裝置結構如圖2所示。

圖2 小型試驗裝置結構示意圖Fig.2 Small test device structure schematic

小型試驗裝置主要由標準溶液儲備腔、被測余氯測量部件、溶液取樣口、連接管道、人機交互界面以及流量/溫度/壓力調節裝置等構成。其中，標準溶液儲備腔和連接管道需采用耐腐蝕、避光材料制成，應能夠保溫。連接管管徑應與管道接入式余氯在線監測儀的支路管徑相同。通過流量/溫度/壓力調節裝置，可構建余氯測量部件的性能評價試驗條件(應與管道接入式余氯在線監測儀的性能評價試驗條件等效)。

3.3 試驗程序設計

本文設計的簡要試驗程序如下。

①根據產品說明書，對管道接入式余氯在線監測儀進行校準。

②將被測余氯測量部件拆下，安裝在小型試驗裝置上。

③將零點校正液或由標準儀器測定余氯濃度標稱值、試驗有效時間內的余氯工作標準溶液注入封閉的標準溶液儲備腔。

④啟動試驗裝置，排出管內空氣，并調節被測溶液的流量、溫度和壓力參數至規定值(參比試驗條件)。

⑤待余氯測量部件的讀數穩定后，讀取多次測量示值，取平均值為余氯濃度測量值。

⑥按相應計算式進行計算。

3.4 試驗驗證

隨機抽取3臺測量范圍為0～5 mg/L、最大允許誤差為0.05 mg/L的管道接入式余氯在線監測儀。在環境相對溫度為(20±2)℃、環境相對濕度為(60±15)%、流量為0 L/h、水溫為(20±2)℃、水壓為(0.3±0.02)MPa)的參比試驗條件下，按上述試驗程序對余氯測量部件進行測量性能評價試驗。試驗結果如表3所示。由表3可知，測量性能可以滿足表1提出的指標要求。其中：零點漂移試驗時長為1 h；穩定性試驗時間間隔為1 d；連續測量3次。

4 結論

管道接入式余氯在線監測儀主要被用于監測供水管網末梢的余氯含量，測量過程不外排被測飲用水，以節約水資源、不污染土壤或造成土壤流失。由于監測儀工作環境的改變，如需直接與供水管道相連接，則必須在產品結構上構建滿足傳感器額定工作條件的測量環境和條件。這與常規余氯在線監測儀不同，因而需要研究、建立該類產品的性能評價系統。

管道接入式余氯在線監測儀的余氯測量，在水流動和靜止的情況下均可進行。本研究通過分析監測儀在供水管網大用水戶入口處及關鍵節點等位置的工作環境，結合用戶需求及相關標準的規定，提出了該類儀表的關鍵性能評價指標及要求。本研究將管道接入式余氯在線監測儀的核心部件余氯測量部件作為性能評價對象，對測量容器、測量傳感器及信號處理等進行評價，設計了小型試驗裝置，構建了與管道接入式余氯在線監測儀余氯測量環境和條件等效的性能試驗條件，并對3臺管道接入式余氯在線監測儀測量性能進行了評價試驗，驗證了提出的測量性能指標及評價方法。該評價試驗方法不僅大幅減少了余氯工作標準溶液的使用量、降低了工作標準溶液配置和保存的難度，還一定程度上提高了評價試驗的準確度和效率，為建立該類產品的性能評價體系、促進其健康發展和應用等奠定了技術基礎。