管道接入式余氯在线监测仪性能评价方法探究

王欣欣，陈莹莹，姚 灵

(宁波水表(集团)股份有限公司，浙江 宁波 315032)

0 引言

我国对饮用水中余氯含量有严格的标准要求[1]：以消毒剂在水中接触时间30 min为限，饮用水中消毒剂常规指标氯气及游离氯制剂(游离氯)在管网末梢水中余量应不少于0.05 mg/L，出厂水中余量应不少于0.3 mg/L。对城镇供水管网水质进行在线监测时，消毒剂余氯的含量是必须监测的参数之一[2-3]。一般自来水出水中的余氯是游离性余氯[4]。为动态监测供水管网末梢饮用水的余氯含量，通常将被测饮用水引入余氯分析仪，通过实时采样、流动测量以及测量用水排放或自动流入供水管道等流程，完成余氯测量的全过程[5]；与此同时，将获取的余氯含量测量值远传至水质预警平台，进行数据处理和决策。然而，被测水样的就地排放不仅会大量浪费水资源，还会造成土壤污染和流失等问题。因此，管道接入式余氯监测仪应运而生。其可直接接入供水管道，且余氯测量后被测水样会自动流入供水管道。

由于余氯测量环境的改变，管道接入式余氯在线监测仪需重新构建满足余氯传感器额定工作条件的测量环境和条件。因此，现有的性能评价体系已不再适用，需要重新建立有效的性能评价体系。

1 产品结构及原理

管道接入式余氯在线监测仪通过在供水管道上设置旁路支管，利用泵或文丘里结构等将饮用水引入测量容器，在测量容器中构建满足余氯传感器额定工作条件的测量环境和条件。余氯测量完成后，被测饮用水自动流入供水管道。待测量容器中饮用水更换后，重复测量，从而实现周期性余氯测量。

管道接入式余氯在线监测仪结构如图1所示。

图1 管道接入式余氯在线监测仪结构示意图Fig.1 Pipe access type residual chlorine online monitor structure schematic

管道接入式余氯在线监测仪属于应用创新类产品，主要由余氯测量部件和通信单元构成。其中，余氯测量部件主要包括余氯测量容器、余氯传感器、电源供应单元、信号处理单元和人机交互单元等，可独立进行余氯测量。管道接入式余氯在线监测仪的测量性能(即余氯测量部件的测量性能)，与余氯传感器测量性能、信号处理方式及测量容器中的测量环境等密切相关。

2 技术性能

2.1 额定工作条件

管道接入式余氯在线监测仪主要安装在大用水户入口处和关键节点等位置，可借助于水表、阀门等的安装位置，如窨井、泵房等。其额定工作条件如下[6]。

①环境温度范围为5～55 ℃。

②环境相对湿度范围为0%～100%。其中，远传指示装置应为0%～93%。

③水温范围为0.1～30 ℃。

④供水管道水流量范围为Q1～Q4。

⑤供水管道水压范围为从0.03 MPa到最高允许压力。

然而，目前商用传感器的额定工作条件还不能满足供水管道工作环境的要求，如其工作流量通常需要稳定在一定范围内，最高允许压力通常也不高于0.6 MPa等。因此，为使余氯传感器在管道接入式余氯在线监测仪上正常工作，需要在测量容器中构建满足余氯传感器额定工作条件的测量环境和条件。

2.2 关键性能指标及要求

2.2.1 卫生安全性

为避免对饮用水产生污染，管道接入式余氯在线监测仪应具有良好的卫生安全性。其涉水部件应采用无毒、无污染、无生物活性的材料制造，须符合卫生部办公厅2010年发布的《饮用水水表卫生安全评价规范(试行)》的相关规定。同时，由于余氯在线传感器通常是基于化学或电化学测量原理的[7]，在传感器选型时必须选择测量过程中不产生任何有害物质的传感器。

2.2.2 静压

管道接入式余氯在线监测仪直接与供水管道相接，须承受供水管道0.03～1 MPa(最高允许压力)的水压变化而不被破坏。结合对具有相同额定工作条件的水表的静压要求，其必须满足国家标准《饮用冷水水表和热水水表 第1部分：性能要求和技术要求》(GB/T 778.1—2018)规定的静压要求，即应能承受15 min的1.6 MPa压力和1 min的2 MPa压力而不出现泄漏或损坏。

2.2.3 测量性能

为满足用户需求、实现对供水管道中饮用水余氯含量的可靠监测，管道接入式余氯在线监测仪在额定工作条件下必须能长期保持稳定、可靠的测量性能，同时还要具有强大的抗环境影响能力(如气候、机械、电磁环境影响等)。根据用户实际需求及相关标准的规定，可提出如表1所示的管道接入式余氯在线监测仪的测量性能指标要求。

表1 测量性能指标要求Tab.1 Measurement performance index and requirements

①示值误差。

根据表示形式的不同，管道接入式余氯在线监测仪的示值误差可以用绝对误差、相对误差和引用误差来表示。该指标是在线监测仪表的主要测量特性之一，本质上反映了其测量准确度的高低。确定示值误差试验中，通常选择余氯浓度约为校准点(即常用检测浓度值)的至少3种余氯工作标准溶液来进行。

②重复性。

管道接入式余氯在线监测仪的重复性指标通常采用多次测量结果的相对标准偏差S′来表征。选择余氯浓度约为1.0 mg/L的实际水样或余氯浓度约为校准点的余氯工作标准溶液进行重复性试验：采用校准后的余氯测量部件在尽量短的时间内连续测量n次，按式(1)计算S′。

③零点漂移。

采用管道接入式余氯在线监测仪多次测量零点校正液，以初始值为基准，计算最大偏离幅度相对于满量程的百分比以表征零点漂移。零点漂移试验采用现行国家标准《分析实验室用水规格和实验方法》(GB/T 6682)规定的一级水作为零点校正液[8]进行：在一定时间内，每5 min测定1次零点校正液。以最初3次测量值的平均值为零点初始值X0，并以3次测量值为1组，则m(m≥5)组测量值的平均值为Xm。按式(2)计算零点漂移δ。

式中：δ为零点漂移，%；Xm为第m组测量值的平均值，mg/L；X0为零点初始值，mg/L；X为满量程，mg/L。

④测定下限。

本文采用标准偏差的6倍来表征余氯监测仪的测定下限。选择零点校正液进行试验，连续读取余氯测量部件n次余氯浓度测量值，按式(3)计算标准偏差S，并按式(4)计算测定下限L0。

L0=6S

(4)

⑤压力、流量、温度和酸碱度变化。

通常选择余氯浓度约为校准点的余氯工作标准溶液进行压力、流量、温度和酸碱度变化试验。即在额定工作压力、流量、温度和酸碱度范围内调节影响参数后，对管道接入式余氯在线监测仪进行确定示值误差试验。其中，为避免试验中余氯传感器被损坏，压力变化试验中水压通常以不大于1 MPa/min的速度进行调整。

⑥稳定性。

每隔一段时间，采用余氯浓度约为校准点浓度的余氯工作标准溶液进行确定示值误差试验，以考察管道接入式余氯在线监测仪的稳定性指标。测量不应少于3个时间周期。时间间隔可以为1 h、1 d、一周或一个月等，具体按实际需要而定。

⑦实际水样比对试验。

通常应选取多个代表性的实际水样作为被测溶液进行确定示值误差试验。

⑧影响量试验。

影响量试验主要有高温(无冷凝)、低温、交变湿热(冷凝)、静电放电、电磁兼容等。试验方法可参照国家标准《饮用冷水水表和热水水表 第2部分：试验方法》(GB/T 778.2—2018)的规定[9]进行。

3 评价方法分析

为提高管道接入式余氯在线监测仪的产品质量，确保其关键性能指标符合要求，还须对其开展性能评价试验工作。部分性能试验可参照现有相关标准的规定进行，如：卫生安全性试验可按照国家标准《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准的要求》(GB/T 17219—1998)的规定进行；静压试验可参照国家标准《饮用冷水水表和热水水表 第2部分：试验方法》(GB/T 778.2—2018)的规定进行等。然而，由于测量环境和条件的改变，原有的测量性能评价系统已不适用，需重新研究并建立该类产品测量性能评价系统。

3.1 量值溯源

试验中，应选择合适的标准仪器及标准溶液实现量值溯源。由于分光光度法测量余氯受到水中酸碱度(potential of hydrogen,pH)和待测液温度的影响较小，所以通常选择分光光度法余氯测定仪作为标准仪器。本试验中，选择经上一级计量技术机构(上海市计量测试技术研究院)校准的DR3900余氯测定仪作为标准仪器。校准结果如表2所示。

表2 校准结果Tab.2 Calibration results

然而，我国目前还没有余氯有证标准物质，难以实现余氯测定结果的量值溯源[10]。因此，通常选择使用稀释有效氯含量至少为4%的次氯酸钠溶液配置余氯工作标准溶液。需用经校准的标准仪器确定溶液的余氯浓度标称值，且在溶液的有效试验时间段内进行试验。

3.2 试验装置设计

对管道接入式余氯在线监测仪的测量性能评价通常需要将其安装在相同管径的试验装置上，通过流量、水温、水压调节装置等构建管道接入式余氯在线监测仪的试验条件。由于供水管道规格通常为DN50～DN300，因此需要建造适合不同管径的试验装置。这不仅要占用较大试验场地，还需在试验中使用大量的余氯工作标准溶液以实现量值溯源。一次性配置大量的浓度均匀且精确的余氯工作标准溶液是比较困难的，同时需要大容量容器进行保存。

管道接入式余氯在线监测仪的测量性能主要与测量容器的测量环境、传感器性能及信号处理等密切相关。本研究提出将余氯测量部件(主要包括测量容器、余氯传感器、信号处理单元、电源供应单元和人机交换单元等)作为测量性能评价对象，设计小型试验装置，构建余氯测量部件的试验条件。该试验系统不仅可以减少余氯工作标准溶液的使用量、降低标准溶液的配置和保存难度，还能够提高评价试验的准确度和效率。小型试验装置结构如图2所示。

图2 小型试验装置结构示意图Fig.2 Small test device structure schematic

小型试验装置主要由标准溶液储备腔、被测余氯测量部件、溶液取样口、连接管道、人机交互界面以及流量/温度/压力调节装置等构成。其中，标准溶液储备腔和连接管道需采用耐腐蚀、避光材料制成，应能够保温。连接管管径应与管道接入式余氯在线监测仪的支路管径相同。通过流量/温度/压力调节装置，可构建余氯测量部件的性能评价试验条件(应与管道接入式余氯在线监测仪的性能评价试验条件等效)。

3.3 试验程序设计

本文设计的简要试验程序如下。

①根据产品说明书，对管道接入式余氯在线监测仪进行校准。

②将被测余氯测量部件拆下，安装在小型试验装置上。

③将零点校正液或由标准仪器测定余氯浓度标称值、试验有效时间内的余氯工作标准溶液注入封闭的标准溶液储备腔。

④启动试验装置，排出管内空气，并调节被测溶液的流量、温度和压力参数至规定值(参比试验条件)。

⑤待余氯测量部件的读数稳定后，读取多次测量示值，取平均值为余氯浓度测量值。

⑥按相应计算式进行计算。

3.4 试验验证

随机抽取3台测量范围为0～5 mg/L、最大允许误差为0.05 mg/L的管道接入式余氯在线监测仪。在环境相对温度为(20±2)℃、环境相对湿度为(60±15)%、流量为0 L/h、水温为(20±2)℃、水压为(0.3±0.02)MPa)的参比试验条件下，按上述试验程序对余氯测量部件进行测量性能评价试验。试验结果如表3所示。由表3可知，测量性能可以满足表1提出的指标要求。其中：零点漂移试验时长为1 h；稳定性试验时间间隔为1 d；连续测量3次。

4 结论

管道接入式余氯在线监测仪主要被用于监测供水管网末梢的余氯含量，测量过程不外排被测饮用水，以节约水资源、不污染土壤或造成土壤流失。由于监测仪工作环境的改变，如需直接与供水管道相连接，则必须在产品结构上构建满足传感器额定工作条件的测量环境和条件。这与常规余氯在线监测仪不同，因而需要研究、建立该类产品的性能评价系统。

管道接入式余氯在线监测仪的余氯测量，在水流动和静止的情况下均可进行。本研究通过分析监测仪在供水管网大用水户入口处及关键节点等位置的工作环境，结合用户需求及相关标准的规定，提出了该类仪表的关键性能评价指标及要求。本研究将管道接入式余氯在线监测仪的核心部件余氯测量部件作为性能评价对象，对测量容器、测量传感器及信号处理等进行评价，设计了小型试验装置，构建了与管道接入式余氯在线监测仪余氯测量环境和条件等效的性能试验条件，并对3台管道接入式余氯在线监测仪测量性能进行了评价试验，验证了提出的测量性能指标及评价方法。该评价试验方法不仅大幅减少了余氯工作标准溶液的使用量、降低了工作标准溶液配置和保存的难度，还一定程度上提高了评价试验的准确度和效率，为建立该类产品的性能评价体系、促进其健康发展和应用等奠定了技术基础。