水质测量装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月1日提交的美国临时申请62/357,703号的权益，通过引用将其全部内容合并至此。

本主题一般地涉及水质测量，并且尤其涉及用于家庭住户的饮用水水质测量。

背景技术：

市政饮用水的水质在过去的几十年中连续不断地提高。仍然，存在检测将导致有害无机物质，诸如铅、砷、镉等的引入的任何不安状况的增长需求。这种物质的准确和精确的测量已经在实验室中使用诸如icp-ms这样的昂贵分析装备而容易地实现。它不仅昂贵，而且分析需要特殊训练的人员以及精致的校准和测量过程。因此，对于普通房主的日常家用，这是受成本限制的。

技术实现要素：

本主题公开水质测量装置。装置包括电化学电池、ph传感器、温度传感器、控制电路、电源、数据库和警告设备。电化学电池包括工作电极、参考电极和对电极，其中工作电极、参考电极和对电极被配置为插入到待检测的水中。ph传感器检测水的ph值并且将反映所检测的水的ph值的ph信号提供到控制电路。温度传感器检测水的温度，并且将反映所检测的水的温度的温度信号提供到控制电路。控制电路电连接到电化学电池、ph传感器和温度传感器。控制电路在参考电极与工作电极之间提供预定的可调整电势，并且测量工作电极与对电极之间的电化学电流，以基于预定的可调整电势和电化学电流形成电流图。电源将电力提供到控制电路。数据库存储基于各种ph值和温度的预定的参考图，并且与控制电路通信。警告设备电连接到控制电路并且被配置为输出警告，其中控制电路在电流图超过基于相同范围的ph值和温度值的预定的参考图的状况下触发警告设备。

附图说明

图1是本主题的水质测量装置的示例性实施例的示意图；

图2是存储在数据库中的电流图的示例性实施例；

图3是施加在工作电极上的电势的周期模式的电压-时间图的示例性实施例；

图4是图3的周期模式下电化学电流的电流-时间图的示例性实施例；

图5是施加在工作电极上的电势的扫描模式的电压-时间图的示例性实施例；

图6是在图5的扫描模式下电化学电流的伏安法图的示例性实施例；

图7是与水龙头分离的水质测量装置的示例性实施例；以及

图8是合并到水龙头中的水质测量装置的示例性实施例。

具体实施方式

一般创造性概念的特征和优点将从下面参考附随附图进行的详细描述中变得显然。

如本文中所使用的，当测试(或者电流)图所述“超过”参考图时，应当理解，从与测试(或者电流)图相关联的数据集中计算的参数超过从与参考图相关联的数据集中计算的参数。比较数据集中的峰值与参考峰值的技术在材料科学的领域中，例如，在能量扩散x射线分析、傅里叶变换红外辐射分析等的领域中是公知的。

本主题提供在不需要昂贵装备或者不需要受过培训的操作人员的情况下，从污染诸如重金属污染的角度，计量水质的装置和方法。

本主题利用电镀和退镀的原理。电镀是使用电流还原溶解的金属阳离子使得它们在电极上形成薄的连贯金属涂层的处理。退镀是作为层存在于另一种金属上的某种金属从它上面移除的处理。通常使用电解的处理。在电镀中使用的处理称作电沉积。电镀或者电沉积与反向作用的原电池是类似的。阴极和阳极都置于溶液中。当电源供给负电流到电极，亦即阴极时，电介质溶液中溶解的金属离子在溶液与阴极之间的界面处还原，使得它们“析出”到阴极上。当电源供给正电流到电极，亦即阳极时，电流氧化阳极包括的金属原子并且允许它们“退镀”在溶液中。因此，在测量通过电路的电流之后，可以计算出多少电子用于在阴极处电镀或者在阳极处退镀。因为待检测的水是饮用水，可能的有害金属污染物有限。经常，在所检测的水中仅存在单一种金属污染物。因此，测量的电流能够直接转换成污染物金属原子的数量，然后使用污染物金属原子的数量计算金属污染物水平。

本主题的水质测量装置10的一个示例性实施例在图1中详细地示出。在所例示的实施例中，装置10包括电化学电池20、ph传感器30、温度传感器40、控制电路50、数据库60、警告设备70和电源80。控制电路50电连接到电化学电池20、ph传感器30、温度传感器40和警告设备70。

电化学电池20包括工作电极22、参考电极24和对电极26。工作电极22、参考电极24和对电极26被配置为插入到待检测的水中。工作电极22在一个示例性实施例中是金。对电极26在一个示例性实施例中是金。工作电极22是使得电镀和退镀发生的位置。对电极26是与工作电极22一起工作以允许外部源将电气电流注入到电化学电池20中或者从电化学电池20接收电气电流的电极。参考电极24是相对于其测量工作电极22的电化学电势的参考点。在一些实施例中，这个参考电极24也与ph传感器30一起使用用于测量质子活动。

ph传感器30插入到水中并且检测水的ph值。ph传感器30将反映所检测的水的ph值的ph信号提供到控制电路50。ph信号可以是数字的或者模拟的。

温度传感器40检测水的温度并且将反映所检测的水的温度的温度信号提供到控制电路50。温度信号可以是数字的或者模拟的。温度传感器40可以直接接触或者不直接接触水。

控制电路50在参考电极24与工作电极22之间提供预定的可调整电势。当负电势施加在工作电极22上时，水中的金属离子镀到工作电极22上。当正电势施加到工作电极22上时，工作电极22上的金属原子退镀到水中。在一些实施例中，控制电路50可以具有两种工作模式，包括备用模式和周期模式。在一些实施例中，控制电路50可以具有两种工作模式，包括备用模式和扫描模式。在一些实施例中，控制电路50可以具有三种工作模式，包括备用模式、周期模式和扫描模式。本领域技术人员应当容易理解，控制电路50可以具有少于两种工作模式或者多于三种工作模式。周期模式和扫描模式是检测模式。控制电路50可以根据期望周期性地维护或者扫描工作电极22的电化学电势。控制电路50测量工作电极22与对电极26之间的电化学电流。通过使用预定的可调整电势和电化学电流，控制电路50周期性地形成电流图。

数据库60与控制电路50通信。数据库60可以存储在控制电路50中或者远程地存储。数据库60存储预定的参考图。图2是示例性参考图。如上面讨论的，电沉积现象受溶液的状况，诸如ph和温度所影响。因此，每个参考图包括反映基于各种可疑金属污染、ph值和温度的安全阈值的电流图。

警告设备70被配置为输出警告。控制电路50在电流图超过基于相同范围的ph值和温度值的预定的参考图的状况下触发警告设备70。在一些实施例中，警告设备70是三层警告系统，包括安全级别、有问题的级别和不能接受的级别。当电流图不超过任何阈值时，警告设备不示出任何警告，或者示出安全标志。当电流图超过较低的阈值时，警告设备70示出警示用户饮用的第一警告。当电流图超过较高的阈值时，警告设备70示出警告用户停止使用水并且联系水务局的第二警告。例如，如果水是良好的，警告设备70显示绿灯，指示水的安全消费的状况。如果测量级别超过限制，但是在统计不确定性的段带内(亦即，它超过较低的阈值，但是低于较高的阈值)，警告设备70显示黄灯，警示用户饮用。然而，在不期望的不安的情况下(亦即，它超过较高的阈值)，警告设备70将显示红色警报，指示用户应当停止使用水并且联系水务局。警告设备可以具有通过有线或者无线通信自动联系水务局的预设功能。警告设备70可以是物理地附接到控制电路50的内置组件，或者通过有线或者无线通信与控制电路50通信的远程设备。

电源80将电力提供到控制电路50并且随后按照期望提供到装置10的组件。电源80可以是ac-dc电源、太阳能电池、电池或者任何种类的适当电源。

在一些实施例中，控制电路50将工作电极22的电化学电势限制为比平衡(能斯特)电势更少负性，用于可疑金属的还原。在高于能斯特电势的电势下沉积的现象称为欠电势沉积(upd)。与常规沉积，亦即在低于能斯特电势的电势下的沉积相对照，upd能够沉积所镀材料的至多仅单个单层到基板上。upd在这里分析的水是饮用水的当前主题中可行。污染物级别相对低，通常只有十亿分之几。不需要沉积多于单层的感兴趣的污染物金属。欠电势沉积有助于避免在退镀期间生成氢气或者在电镀期间生成氧气。另外，考虑到测量全年工作，欠电势沉积节省许多电能。

本主题公开控制电路50周期性地维护或者扫描参考电极24与工作电极22之间的可调整电势的几种方法。例如，在周期模式的一个实施例中，控制电路50维护工作电极22上的周期电势，如图3中所示。预定的负电势施加到工作电极22长达第一预定的时间段，诸如12小时，以电镀污染物金属。然后预定的正电势施加到工作电极22长达第二预定的时间段，诸如30秒，以退镀金属。控制电路50基于退镀期间的电化学电流生成电流图，其指示在最后一个沉积时期内累积了多少金属原子。一个示例性电流图如图4所示。该方法适应于一种或者几种可疑金属污染物。控制电路50将适合于这种金属的电势施加到工作电极22。累积的电化学电流被测量。相应地计算金属原子的数量。

在周期模式的一些实施例中，控制电路50没有必要生成电流图的实时曲线。控制电路50可以积分预定时间段上所测量的退镀电流并且将它与存储在数据库60中的阈值进行比较。

在扫描模式的另一个实施例中，控制电路50扫描工作电极22上的循环电势。电势以预定的扫描速度从第一电势循环到第二电势。例如，如图5中所示，电势以每10秒0.1伏特的速度从-0.3伏特扫描到0.3伏特。当电势是负的时，工作电极22电镀。当电势是正的时，工作电极22退镀。通过测量电化学电流，控制电路50可以生成伏安图，如图6中所示。因为每种金属在表示特性的电势下电镀/退镀，伏安图上电流峰值的位置可以用来识别金属污染物。由控制电路50生成的循环伏安图与数据库60进行比较以识别金属污染物并且确定是否触发警告设备70。

在一些实施例中，装置10还包括流动传感器90。当测量污染级别时，水的流速是重要的因素。在相同的时间段内，相同的水的不同流速可以使得不同量的金属被镀在工作电极22上。另外，可以使用流动传感器90作为扫描模式下装置10的开关。当用户没有使用水时，管道系统中的水静止。因此，当没有使用水时连续不断地扫描并且测量水质可能是无意义的并且误导性的。因此，在一些实施例中，当水的流速低于预定的阈值时，装置10保持在备用模式。仅当水的流速超过预定的阈值时，控制电路50开始它的检测模式并且扫描电势，生成电流图，以及与数据库60进行比较。

在示例性实施例中，水质测量装置是供水系统，诸如住宅或者商业供水系统中的独立设备。如图7中所示，水质测量装置位于卫生洁具装配，诸如水龙头的安装表面下面。作为替代，水质测量装置可以位于安装表面上面或者位于供水系统中的中央位置，诸如在供水系统的进入供给线路处。如图8中所示在另一个示例性实施例中，水质测量装置合并到卫生洁具装配，诸如水龙头中。

考虑到可以应用所公开发明创造的原理的许多可能实施例，应当认识到，所例示的实施例仅是本发明创造的示例性示例并且不应当看作限制本发明创造的范围。前述示例性实施例的特征的所有组合或者子组合由本申请考虑。本发明创造的范围由随附的权利要求书定义。因此本发明创造要求在这些权利要求的范围和精神内所带来的所有涵盖。