一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器的制造方法
【專利摘要】一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，包括在線樣品消解系統(tǒng)、在線樣品檢測系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)。本發(fā)明一種水質(zhì)重金屬多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，可實現(xiàn)對水質(zhì)汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬含量的自動在線監(jiān)測，能廣泛應(yīng)用于地表水質(zhì)污染監(jiān)測、海水污染監(jiān)測和工業(yè)廢水處理與城市污水處理的達標(biāo)排放監(jiān)測等領(lǐng)域。具備功能擴展性強、測量范圍寬、成本較低的優(yōu)點。
【專利說明】
一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，涉及水質(zhì)監(jiān)測儀器科技領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]重金屬對環(huán)境水體的污染，尤其是汞、鉛、鎘、鉻、砷這五種一類重金屬污染，將直接影響水生態(tài)環(huán)境安全和飲用水源安全，使水生生物死亡，或富集于水生生物體內(nèi)，最終通過食物鏈嚴(yán)重危害人體健康，因而重金屬是需要嚴(yán)格監(jiān)控的水質(zhì)參數(shù)，近年來，水質(zhì)重金屬污染事件頻發(fā)，受到我國政府的高度重視，環(huán)保部部長周生賢在接受《中國環(huán)境報》采訪時曾說到，“十二五”重金屬污染防治的目標(biāo)是建立比較完善的重金屬污染防治體系、事故應(yīng)急體系和環(huán)境與健康風(fēng)險評估體系，而水質(zhì)重金屬污染監(jiān)測是該體系重要前提和基礎(chǔ)，急需先進的水質(zhì)監(jiān)測儀器科技支持，為水污染的評估、預(yù)警與防治提供重要的科學(xué)技術(shù)支持。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)重金屬污染的檢測方法取得了很大的成就，常用的檢測方法有質(zhì)譜法、原子光譜分析法、分光光度法、電感耦合等離子體法等，此外，一些新興的檢測方法也有所發(fā)展，如生物傳感器法、酶抑制法、微流控分析法等，但這些方法或操作步驟冗長繁瑣，或干擾因素較多、或需要使用比較昂貴的大型分析儀器，而且對操作人員有很高的專業(yè)技能要求，因而，大都只能在實驗室內(nèi)完成，不能滿足現(xiàn)場、快速在線檢測的技術(shù)要求。
[0004]比較而言，比色分析法和電化學(xué)分析法，檢測快速，操作簡單，易于開發(fā)水質(zhì)監(jiān)測儀器，實現(xiàn)對重金屬的現(xiàn)場、快速在線檢測。但是，重金屬污染很多，如汞、鉛、鉻、鎘、砷、銅、錳、鐵等，目前，環(huán)保、水利等部門為了全面監(jiān)測重金屬污染和綜合評價水質(zhì)變化，不得不采用多電化學(xué)傳感器探頭集成型儀器、多比色分析模塊集成型儀器、甚至多臺單參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器的組合這三種技術(shù)途徑來實現(xiàn)水質(zhì)重金屬的多參數(shù)實時監(jiān)測，然而，以上技術(shù)途徑難以滿足水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)在多參數(shù)監(jiān)測的擴展性和現(xiàn)場緊急使用的靈活性這兩個方面重要的用戶需求和技術(shù)要求，并且使用成本比較高，如多比色分析模塊集成型儀器一般最多集成3-4個模塊，否則儀器成本過高(一般為多檢測一項水質(zhì)參數(shù)，每增加一個比色分析模塊儀器價格將增加7-10萬元)而使用戶難以接受，而且每增加一個比色分析模塊儀器體積也會變大?；陉枠O溶出伏安法的水質(zhì)重金屬監(jiān)測儀器雖然能夠檢測多項重金屬參數(shù)，但是，由于傳感電極與水接觸，為保證電極不被污水腐蝕而延長儀器的使用壽命，此類儀器檢測上限不高，測量范圍不大，一般只能監(jiān)測地表一類與二類水質(zhì)污染，而不能用于工業(yè)廢水處理和城市污水處理的排放監(jiān)測，也不能用于地表水質(zhì)的突發(fā)性重金屬污染監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，可實現(xiàn)對水質(zhì)汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬含量的自動在線監(jiān)測，能廣泛應(yīng)用于地表水質(zhì)污染監(jiān)測、海水污染監(jiān)測和工業(yè)廢水處理與城市污水處理的達標(biāo)排放監(jiān)測等領(lǐng)域。具備多功能擴展性強、現(xiàn)場緊急使用靈活、測量范圍寬和低成本的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，包括在線樣品消解系統(tǒng)、在線樣品檢測系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)。
[0007]所述在線消解系統(tǒng)包括消解反應(yīng)池，消解反應(yīng)池分別連接第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗；消解反應(yīng)池的出液口連接三通換向電磁閥，三通換向電磁閥連接直流栗;所述第一微型蠕動栗用于接通經(jīng)物理預(yù)處理后的在線水樣，所述第二微型蠕動栗連接多聯(lián)體電磁閥;所述消解反應(yīng)池連接第一數(shù)字溫度傳感器，消解反應(yīng)池外繞有第一電熱絲，消解反應(yīng)池底部膠合有第一超聲波發(fā)生系統(tǒng)。
[0008]在線樣品檢測系統(tǒng)包括樣品檢測流路、樣品檢測室、微型光譜儀，所述樣品檢測流路包括多位閥、儲液環(huán)、注射栗，多位閥通過管路連接儲液環(huán)一端，儲液環(huán)另一端通過管路連接注射栗一端，注射栗另一端通過管路連接超純水，多位閥通過管路連接樣品檢測室；
光源發(fā)出檢測光束進入樣品檢測室，出射光束經(jīng)過透鏡聚焦后進入微型光譜儀，微型光譜儀連接測量與控制系統(tǒng)。
[0009]所述樣品檢測室包括不銹鋼水槽，不銹鋼水槽內(nèi)設(shè)有流通檢測池，流通檢測池連通至樣品檢測室，所述流通檢測池通過管路連接多位閥，所述流通檢測池連接廢液池，所述所述流通檢測池連接第三微型蠕動栗，第三微型蠕動栗連接超純水;所述樣品檢測室一側(cè)安置有第二超聲波發(fā)生系統(tǒng)。
[0010]所述測量與控制系統(tǒng)包括電源模塊、嵌入式系統(tǒng)、外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機交互系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統(tǒng)上連接微型光譜儀;嵌入式系統(tǒng)與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接樣在線樣品消解系統(tǒng)和在線樣品檢測系統(tǒng)。
[0011 ]所述消解反應(yīng)池為不銹鋼材料加工而成，消解反應(yīng)池通過硅膠管分別連接第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗;所述消解反應(yīng)池的出液口通過硅膠管連接三通換向電磁閥的公共口；所述第二微型蠕動栗通過硅膠管連接多聯(lián)體電磁閥的公共出口；所述三通換向電磁閥的常開口通過硅膠管連接直流栗一端，直流栗另一端通過硅膠管連接廢液池。
[0012]所述第一數(shù)字溫度傳感器包括安裝在消解反應(yīng)池內(nèi)的、玻璃封裝的熱敏電阻片。
[0013]所述多聯(lián)體電磁閥為六聯(lián)體電磁閥，六聯(lián)體電磁閥的入口分別通過硅膠管連接消解試劑、超純水、空氣。
[0014]所述第一電熱絲連接第一繼電器;所述超聲波發(fā)生器連接第二繼電器。
[0015]所述第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗均為微型步進電機蠕動栗，所述直流栗為微型直流電機蠕動栗。
[0016]所述流通檢測池設(shè)有接口、溢流口，不銹鋼水槽設(shè)有進水口，所述接口、進水口、溢流口均連通至樣品檢測室，所述接口通過管路連接多位閥，所述溢流口連接廢液池，所述進水口連接第三微型蠕動栗，第三微型蠕動栗連接超純水;所述樣品檢測室一側(cè)安置有第二超聲波發(fā)生系統(tǒng)。
[0017]所述樣品檢測室的側(cè)壁設(shè)有熱電溫控模塊，流通檢測池內(nèi)安裝有熱敏電阻，熱敏電阻連接數(shù)字溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器輸出信號到測量與控制系統(tǒng)，測量與控制系統(tǒng)連接熱電溫控模塊。
[0018]所述樣品檢測室下部設(shè)有光窗，檢測光束穿過光窗、并透過流通檢測池。
[0019]所述樣品檢測室底部設(shè)有水槽排廢口、檢測池排廢口，水槽排廢口連接第一微型直流電機蠕動栗一端、第一微型直流電機蠕動栗另一端連接廢液池;所述檢測池排廢口連接三通換向電磁閥的公共口，所述三通換向電磁閥的常開口連接微型步進電機蠕動栗，所述三通換向電磁閥的常閉口連接第二微型直流電機蠕動栗，第二微型直流電機蠕動栗連接至廢液池。
[0020]一種水質(zhì)重金屬多參數(shù)在線監(jiān)測方法，在線水樣與消解試劑通過消解流路進入消解反應(yīng)池，在消解反應(yīng)池內(nèi)實現(xiàn)在線高溫與超聲波輔助消解，使水樣中的重金屬被氧化成離子態(tài)，消解完畢后，一定體積的消解后水樣再進入在線樣品檢測系統(tǒng)，所述在線樣品檢測系統(tǒng)使消解后水樣和被測重金屬對應(yīng)的檢測試劑，按一定的體積精確地進入樣品檢測室，在樣品檢測室內(nèi)完成在線顯色反應(yīng)與光譜分析，同時，控制檢測流路，實現(xiàn)水質(zhì)重金屬多參數(shù)在線順序檢測;所述測量與控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)發(fā)出命令，通過外圍控制電路系統(tǒng)控制樣品的在線消解過程與在線檢測過程，嵌入式系統(tǒng)連接微型光譜儀以獲取微型光譜儀的輸出數(shù)據(jù)，通過信號分析與處理檢測水樣中被測重金屬的含量，并通過GPRS把測量結(jié)果發(fā)送給上位機，測量與控制系統(tǒng)控制整個儀器系統(tǒng)運作與數(shù)據(jù)分析處理，并通過GPRS與上位機進行信號通訊，實現(xiàn)上位機對儀器工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0021]本發(fā)明一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，技術(shù)效果如下:
1、采用超聲輔助消解技術(shù)，利用較高功率超聲波的空化作用，以粉碎、乳化、溶解被測環(huán)境水樣中絕大部分以微小顆粒形態(tài)存在的非離子態(tài)重金屬，加快在線消解反應(yīng)的進程，提高消解效率，為儀器的準(zhǔn)確度提供了技術(shù)保證；
2、以微型光譜儀為核心檢測器件，在其連續(xù)寬光譜范圍內(nèi)，易于展開基于光譜分析的在線水質(zhì)監(jiān)測光譜測量信號處理，以動態(tài)消除光譜測量信號的系統(tǒng)誤差、噪聲干擾和背景干擾，提高水質(zhì)監(jiān)測的準(zhǔn)確度；
3、基于寬光譜連續(xù)分析的水質(zhì)重金屬監(jiān)測儀器能實現(xiàn)對一類重金屬污染(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的在線監(jiān)測，能代替多臺儀器實現(xiàn)對多項水質(zhì)重金屬參數(shù)的在線監(jiān)測，極大降低了用戶的使用成本；
4、僅需改變對應(yīng)的檢測試劑和光譜檢測波長，即可檢測其余的水質(zhì)重金屬參數(shù)，因而該儀器具有很強的功能擴展性和現(xiàn)場應(yīng)急使用的靈活性，其本質(zhì)上是一個水質(zhì)重金屬多參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)平臺，可以滿足對水質(zhì)汞、鉛、鎘、鉻、砷、銅、錳、鐵等20種重金屬的在線消解與檢測；
5、具有自動標(biāo)定和校正功能，可以應(yīng)用于地表一類與二類水質(zhì)污染監(jiān)測、海水污染監(jiān)測和工業(yè)廢水處理與城市污水處理的達標(biāo)排放監(jiān)測等多個領(lǐng)域，應(yīng)用面廣，適用性強，因此，該儀器可以作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)用于現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對水污染監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與預(yù)警。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)原理圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的在線樣品消解系統(tǒng)原理圖。
[0024]圖3是本發(fā)明的在線樣品檢測系統(tǒng)原理圖。
[0025]圖4是本發(fā)明的儀器光譜檢測系統(tǒng)原理圖。
[0026]圖5(a)、圖5(b)是本發(fā)明的樣品反應(yīng)檢測室結(jié)構(gòu)不意圖。
[0027]圖6是本發(fā)明的儀器測量與控制系統(tǒng)原理圖。
[0028]圖7是本發(fā)明的樣品消解反應(yīng)體系溫度控制系統(tǒng)圖。
[0029]圖8是本發(fā)明的樣品檢測反應(yīng)體系溫度控制系統(tǒng)圖。
[0030]圖9是本發(fā)明的儀器工作流程圖。
[0031]圖10是本發(fā)明的水質(zhì)鎘、鉛、砷三參數(shù)檢測流程圖。
[0032]圖11是本發(fā)明的水質(zhì)鉻檢測流程圖。
[0033]圖12是本發(fā)明的水質(zhì)萊檢測流程圖。
【具體實施方式】
[0034]一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，由在線樣品消解系統(tǒng)A、在線樣品檢測系統(tǒng)B、測量與控制系統(tǒng)C組成，經(jīng)物理預(yù)處理(即粉碎、乳化、過濾)后的在線被測水樣在控制系統(tǒng)的作用下先進入在線樣品消解系統(tǒng)A，使水樣中的汞、鉛、鎘、鉻、砷均被氧化消解為相應(yīng)的離子態(tài)后，再進入在線樣品檢測系統(tǒng)B通過“顯色反應(yīng)”和“光譜分析”檢測被測重金屬的含量，儀器集成國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，由于汞、鉛、鎘、鉻和砷各自對應(yīng)的被測顯色物質(zhì)的特征吸收波長非常接近(汞:485nm、鉛:535nm、鎘:518nm、鉻:540nm、砷:530nm)，因此，為降低光譜信號處理的難度和保證檢測的精確度，儀器采用多參數(shù)順序檢測的方法。
[0035]在線樣品消解系統(tǒng)A參考國家環(huán)境保護保護標(biāo)準(zhǔn)(HJ678-2013水質(zhì)、金屬總量的消解)創(chuàng)新結(jié)合超聲波輔助消解技術(shù)而設(shè)計，主要由樣品消解流路、不銹鋼消解反應(yīng)池、加熱恒溫裝置、超聲波發(fā)生系統(tǒng)(超聲波換能器、超聲波發(fā)生器)組成。在線水樣和消解反應(yīng)試劑按一定的體積及體積比在控制系統(tǒng)的作用下通過流路系統(tǒng)進入消解反應(yīng)池，形成消解反應(yīng)體系，在高溫與超聲波作用下，加速重金屬的氧化消解，待充分反應(yīng)后，通過流路控制，抽取一定體積的反應(yīng)溶液進入在線樣品檢測系統(tǒng)B，通過在線顯色反應(yīng)與光譜分析檢測被測重金屬的含量。
[0036]在線樣品檢測系統(tǒng)B基于順序注射原理與連續(xù)光譜分析而設(shè)計，主要由樣品檢測流路、光譜檢測系統(tǒng)組成，所述光譜檢測系統(tǒng)由準(zhǔn)直光源d、樣品檢測室b和微型光譜儀c組成。在控制系統(tǒng)作用下，檢測流路順序抽取一定體積的消解后水樣和被測重金屬對應(yīng)的檢測試劑(即顯色反應(yīng)檢測試劑)進入樣品檢測室b，在樣品檢測室b內(nèi)完成顯色反應(yīng)，通過光譜分析檢測水樣中被測重金屬的含量。
[0037]所述測量與控制系統(tǒng)C由電源模塊、外圍控制電路及嵌入式系統(tǒng)組成。優(yōu)選的，嵌入式系統(tǒng)中主控制器為SAMSUNGS3C6410微處理器，其采用Linux內(nèi)核技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)發(fā)出命令，通過外圍控制電路系統(tǒng)控制樣品的在線消解過程與在線檢測過程，嵌入式系統(tǒng)通過并口獲取在線樣品檢測系統(tǒng)中光譜儀的輸出數(shù)據(jù)，通過信號分析與處理檢測樣品中被測重金屬的含量。
[0038]圖1示出了發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)，該監(jiān)測儀包括在線樣品消解系統(tǒng)A、在線樣品檢測系統(tǒng)B、測量與控制系統(tǒng)C，所述樣品消解系統(tǒng)A的功能是把水樣中的被測重金屬氧化成離子態(tài)，所述樣品檢測系統(tǒng)的功能是用檢測試劑(或稱“顯色試劑”)與重金屬離子反應(yīng)，生成顯色物質(zhì)，并通過該顯色物質(zhì)的特征吸收光譜分析水樣中被測重金屬的含量，所述測量與控制系統(tǒng)的功能是控制水樣的在線消解和檢測過程，并通過光譜分析檢測水樣中被測重金屬含量，從而實現(xiàn)全自動在線水質(zhì)監(jiān)測。
[0039]圖2示出了在線樣品消解系統(tǒng)A結(jié)構(gòu)原理，該系統(tǒng)主要包括樣品消解流路、不銹鋼的消解反應(yīng)池1、加熱恒溫裝置和第一超聲波發(fā)生系統(tǒng)9。
[0040]所述消解流路由消解反應(yīng)池1、第一微型蠕動栗2、第二微型蠕動栗3、多聯(lián)體電磁閥4:六聯(lián)體電磁閥、三通換向電磁閥5、直流栗6組成。所述消解反應(yīng)池I為不銹鋼加工而成，是流路系統(tǒng)的核心，通過硅膠管7連接第一微型蠕動栗2和第二微型蠕動栗3，其出液口8通過硅膠管7連接三通換向電磁閥5的公共口 9;所述第一微型蠕動栗2另一端接通經(jīng)物理預(yù)處理后的在線水樣。所述第二微型蠕動栗3另一端通過硅膠管連接六聯(lián)體電磁閥的公共出口1，六聯(lián)體電磁閥由六個微型電磁閥集成加工而成，可通過電路控制各個電磁閥的開關(guān)(通常狀態(tài)下各個電磁閥是關(guān)閉的，通以12V高電平后電磁閥導(dǎo)通)，六聯(lián)體電磁閥的入口(即各個電磁閥的入口)分別通過硅膠管鏈接消解試劑、超純水w和空氣;所述三通換向電磁閥的常開口 11通過硅膠管連接直流栗6，直流栗6的另一端通過硅膠管連接廢液池6.1，所述三通換向電磁閥的常閉口 12通過硅膠管連接在線樣品檢測系統(tǒng)，通常狀態(tài)下所述三通換向電磁閥的常開口 11與公共口9是導(dǎo)通的(但直流栗6不工作，仍然確保消解池的出液口處于對外關(guān)閉狀態(tài))，當(dāng)所述三通換向電磁閥通以12V高電平時，則常閉口 12打開與公共口導(dǎo)通，為在線檢測系統(tǒng)提供消解處理后水樣。綜上，所述樣品消解流路具有三大功能:水樣與試劑的抽取、提供在線消解處理后水樣、清洗反應(yīng)池，詳述為:通過蠕動栗精確抽取一定體積的在線水樣進入反應(yīng)池，通過第一微型蠕動栗2與六聯(lián)體電磁閥的匹配抽取一定體積的試劑進入反應(yīng)池，水樣消解反應(yīng)完畢后，打開三通換向電磁閥5的常閉口為在線檢測系統(tǒng)提供消解后水樣，最后使三通換向電磁閥5工作于常態(tài)(不通電)，直流栗6工作，排掉反應(yīng)池內(nèi)多余廢液，并打開六聯(lián)體電磁閥4的閥5#，與第一微型蠕動栗2協(xié)同工作，完成反應(yīng)池的清洗。
[0041]所述消解反應(yīng)池I是整個在線消解系統(tǒng)的核心，其上端面開有透氣孔13與外界大氣導(dǎo)通，其內(nèi)裝配有玻璃封裝熱敏電阻14以檢測反應(yīng)池內(nèi)消解反應(yīng)體系15的溫度檢測，熱敏電阻外接第一數(shù)字溫度傳感器16，溫度傳感器輸出信號送測量與控制系統(tǒng)C。所述不銹鋼消解反應(yīng)池外側(cè)繞加熱用第一電熱絲17，通過繼電器18的導(dǎo)通可以實現(xiàn)對反應(yīng)池內(nèi)消解反應(yīng)體系的加熱。所述不銹鋼消解反應(yīng)池外底部通過膠合工藝與第一超聲波發(fā)生器19耦合，第一超聲波發(fā)生系統(tǒng)19通過第一超聲波換能器發(fā)出的超聲波20進入消解反應(yīng)池以加快在線消解反應(yīng)的進行，通過第二繼電器21導(dǎo)通可以實現(xiàn)對反應(yīng)池內(nèi)消解反應(yīng)體系的超聲波輔助作用。綜上，所述不銹鋼消解反應(yīng)池具有高溫加熱與超聲波輔助消解反應(yīng)的功能。
[0042]所述在線樣品消解系統(tǒng)A的第一微型蠕動栗2、第二微型蠕動栗3、六聯(lián)體電磁閥、三通換向電磁閥5、直流栗6、第一繼電器18和第二繼電器21均連接測量與控制系統(tǒng)C，可通過測量與控制系統(tǒng)C控制其工作狀態(tài)或工作過程。
[0043]圖3示出了在線樣品檢測系統(tǒng)B結(jié)構(gòu)原理，該系統(tǒng)主要包括樣品檢測流路a和光譜檢測系統(tǒng)，所述光譜檢測系統(tǒng)包括光源e、樣品檢測室b和微型光譜儀C。
[0044]所述樣品檢測流路由24位多位閥al、儲液環(huán)a2和注射栗a3組成，主要基于順序注射原理而設(shè)計，所述24位多位閥al具有多通道流路切換功能，其閥位13#通過PEEK(聚醚醚酮)管連接在線樣品消解系統(tǒng)流路，其公共口通過PEEK管連接儲液環(huán)，其閥位1#通過PEEK管連接在線光譜檢測系統(tǒng)內(nèi)的樣品檢測室b。所述儲液環(huán)a2另一端通過PEEK管連接注射栗a3，注射栗a3的另一端口通過PEEK管接通超純水W。樣品檢測流路a具有流路切換、樣品與試劑的精確抽取和流路的自動清洗功能，詳述為:控制多位閥轉(zhuǎn)子(其內(nèi)部一個可以轉(zhuǎn)動的管道)可以使公共口與連接標(biāo)準(zhǔn)樣品、檢測試劑、在線水樣、超純水等閥位的流路導(dǎo)通，從而實現(xiàn)流路切換;檢測某一重金屬參數(shù)時，控制注射栗與多位閥，把一定體積的樣品(標(biāo)準(zhǔn)樣品或消解后在線水樣)與對應(yīng)的檢測試劑依次抽入儲液環(huán)內(nèi)，然后多位閥轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到閥位1#，注射栗a3反推，即可把樣品反應(yīng)體系推入樣品檢測室b進行在線顯色反應(yīng)與光譜檢測，檢測完畢后，控制直流栗排空樣品檢測室b，并控制多位閥與注射栗a3協(xié)同工作，完成樣品檢測室的自動清洗。
[0045]圖4示出了光譜檢測系統(tǒng)原理，包括光源e、樣品檢測室b和微型光譜儀C。所述光源e為儀器專用鹵鎢燈，經(jīng)準(zhǔn)直后形成平行檢測光束9.1進入樣品檢測室b，出射光束經(jīng)透鏡e聚焦進入微型光譜儀c，微型光譜儀c輸出數(shù)據(jù)通過并口送入測量與控制系統(tǒng)C進行處理分析，測量與控制系統(tǒng)C也通過并口對微型光譜儀c供電。所述微型光譜儀c波長范圍為:200-1lOOnm,波長分辨率為I nm。
[0046]圖5示出了樣品檢測室b的結(jié)構(gòu)示意圖，所述微小型多功能樣品檢測室在設(shè)計原理上不但考慮到水質(zhì)樣品反應(yīng)體系的光學(xué)檢測，而且還針對樣品在線顯色反應(yīng)對攪拌、恒溫和清洗的技術(shù)要求，作為系統(tǒng)檢測光路與試樣流路的交叉，在不影響檢測光路的前提下，基于超聲技術(shù)與水浴恒溫原理，設(shè)計了一種集光學(xué)檢測、自動恒溫、攪拌與高效清洗等功能于一體的多功能微小型樣品檢測室。
[0047]如圖5 (a)和圖5(b)所示，所述微小型樣品檢測室的主體為不銹鋼水槽1.1，其內(nèi)設(shè)有流通檢測池2.1，所述流通檢測池2.1設(shè)有接口 3.1、溢流口 4.1;所述不銹鋼水槽1.1設(shè)有進水口 5.1;所述接口 3.1、進水口 5.1、溢流口 4.1均連通至樣品檢測室b，并伸出樣品室外壁;所述接口 3.1通過PEEK管連通多位閥閥位1#(即連接檢測流路)，所述溢流口 4.1通過管道連接至廢液池6.1，所述進水口 5.1通過硅膠管連接第三微型蠕動栗7.1，第三微型蠕動栗7.1通過硅膠管接通超純水W。所述第三微型蠕動栗7.1為微型步進電機蠕動栗，連接控制系統(tǒng)控制其工作狀態(tài)與過程。
[0048]所述樣品檢測室b下部側(cè)壁設(shè)有光窗8.1，檢測光束9.1通過光窗8.1并透過流通檢測池2.1。所述樣品檢測室b—側(cè)外壁膠合有第二超聲波換能器10.1，第二超聲波換能器10.1接第二超聲波發(fā)生器，產(chǎn)生超聲波12.1，用于超聲波攪拌。所述第二超聲波發(fā)生系統(tǒng)
11.1連接測量與控制系統(tǒng)C，控制其工作狀態(tài)與過程。
[0049]所述樣品檢測室b底部設(shè)有水槽排廢口13.1、檢測池排廢口 14.1，所述水槽排廢口13.1通過硅膠管連接第一微型直流電機蠕動栗15.1，第一微型直流電機蠕動栗15.1的另一端管道連接廢液池6.1，所述檢測池排廢口 14.1通過硅膠管連接三通換向電磁閥16.1的公共口 17.1，所述三通換向電磁閥16.1的常開口 18.1通過硅膠管連接微型步進電機蠕動栗19.1，所述三通換向電磁閥16.1的常閉口 20.1通過硅膠管連接器第二微型直流電機蠕動栗21.1，第二微型直流電機蠕動栗21.1通過硅膠管連接至廢液池6.1。所述檢測池排廢口 13.1為空氣氣泡流路進口。所述第一微型直流電機蠕動栗15.1和第二微型直流電機蠕動栗21.1、所述微型步進電機蠕動栗19.1、所述三通換向電磁閥16均連接測量與控制系統(tǒng)C，以控制其工作狀態(tài)或工作過程。
[0050]所述樣品檢測室b的側(cè)壁設(shè)有熱電溫控模塊22.1，流通池內(nèi)安裝有玻璃封裝熱敏電阻23.1，熱敏電阻23.1通過導(dǎo)線連接數(shù)字溫度傳感器24.1，所述數(shù)字溫度傳感器24.1輸出信號送測量與控制系統(tǒng)C，作為反饋信號控制熱電溫控模塊22.1的工作模式，
以通過水浴恒溫控制流通檢測池2.1內(nèi)樣品反應(yīng)體系25.1的溫度。
[0051]蓋板26.1通過機械結(jié)構(gòu)固定，不銹鋼水槽1.1通過進水口5.1在主控系統(tǒng)作用下，往水槽1.1內(nèi)注入一定體積的超純水W，超純水w的更換可通過由水槽排廢口 13.1和第一微型直流電機蠕動栗15.1將廢液排入廢液池6.1，溢流口4.1通過密封固定結(jié)構(gòu)伸出樣品反應(yīng)檢測室，通過硅膠管與廢液池6.1連接，是流路進樣故障時的安全保證。接口3.1為檢測流路接口，在樣品檢測室內(nèi)接流通檢測池2.1，在樣品室外接檢測流路。在控制系統(tǒng)作用下，可以向流通檢測池2.1內(nèi)注入被測樣品及檢測試劑，形成在線樣品化學(xué)前處理反應(yīng)體系25.1。通過控制系統(tǒng)控制微型步進電機蠕動栗19.1可以反向吹氣，對反應(yīng)體系2 5.1形成氣泡攪拌27.1，樣品檢測完畢后，通過控制系統(tǒng)打開三通換向電磁閥16.1的常閉口20.1，控制第二微型直流電機蠕動栗21.1、第二超聲波發(fā)生系統(tǒng)11.1以及檢測流路，四者協(xié)同工作，完成樣品檢測室的排廢及清洗。所述流路系統(tǒng)與樣品檢測室外圍流路系統(tǒng)、所述超聲發(fā)生器、熱電溫控模塊均連接控制系統(tǒng)C，以控制其工作過程。
[0052]圖6示出了儀器測量與控制系統(tǒng)的工作原理，所述測量與控制系統(tǒng)C包括電源模塊、嵌入式系統(tǒng)和外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機交互系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統(tǒng)上通過并口連接光譜儀內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊;嵌入式系統(tǒng)主控制器SAMSUNGS3C6410上有引腳與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接樣在線樣品消解系統(tǒng)A和在線樣品檢測系統(tǒng)B。所述嵌入式系統(tǒng)核心為SAMSUNGS3C6410微處理器，采用Linux內(nèi)核技術(shù)，所述電源模塊為嵌入式系統(tǒng)及外圍控制電路系統(tǒng)供電，嵌入式系統(tǒng)主控制器SAMSUNG S3C6410向外圍控制電路系統(tǒng)發(fā)送控制命令，實現(xiàn)在線樣品消解系統(tǒng)A與在線樣品檢測系統(tǒng)B工作過程的控制。所述在線樣品消解系統(tǒng)A工作過程的控制，包括消解流路控制和消解溫度控制。
[0053]所述消解流路控制為:控制在線水樣和消解試劑按一定的體積與體積比例在消解流路系統(tǒng)的作用下進入樣品消解反應(yīng)池1，經(jīng)過一定時間消解反應(yīng)完畢后，控制消解流路與檢測流路協(xié)同工作，使消解后水樣進入在線檢測系統(tǒng)，此外，消解反應(yīng)池I的排廢與清洗也需控制消解流路得以實現(xiàn)。
[0054]圖7示出了所述消解溫度流路控制過程與原理，由于電熱絲加熱和超聲波作用都能使反應(yīng)體系溫度上升，促進樣品消解反應(yīng)的進行，因此溫度控制同時包括了對電熱絲加熱控制和超聲波作用控制，通過控制繼電器I和2的工作狀態(tài)可以實現(xiàn)，所述超聲波消解功率為400W，所述溫度控制范圍為:95±2°C。
[0055]所述在線樣品檢測系統(tǒng)B工作過程的控制，包括檢測流路控制、樣品反應(yīng)溫度控制、反應(yīng)體系攪拌控制及流路清洗控制，所述流路清洗控制包括對樣品檢測室的超聲清洗控制。被測水樣與檢測試劑通過24位多位閥al與注射栗a3組成的切換流路按一定的體積比高精度定量進入微小型樣品檢測室，樣品反應(yīng)體系在恒溫控制、攪拌控制的作用下，在樣品檢測室b內(nèi)完成樣品的在線化學(xué)前處理和光譜分析。反應(yīng)體系溫度控制是確保儀器重復(fù)性的重要條件，圖8示出了所述樣品反應(yīng)體系溫度控制原理，即通過熱電溫控模塊(帕爾貼)的工作模式實現(xiàn)溫度控制，所述溫度控制范圍為:30 ±0.1°C。
[0056]在線樣品檢測系統(tǒng)B的光譜儀輸出數(shù)據(jù)通過并口傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理與分析，檢測樣品中被測重金屬含量，并通過GPRS系統(tǒng)把測量結(jié)果發(fā)送給上位機，嵌入式測控系統(tǒng)控制整個儀器系統(tǒng)運作，并通過無線發(fā)送模塊與上位機進行信號通訊，實現(xiàn)上位機對儀器工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0057]圖6示出了本發(fā)明的測量工作流程示意圖，在工作時，上電后通過上位機監(jiān)控軟件發(fā)出指令，控制系統(tǒng)響應(yīng)，開機系統(tǒng)自檢后，系統(tǒng)初始化化后，開始在線檢測水樣中被測重金屬(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的含量。由于這五類重金屬的國家標(biāo)準(zhǔn)消解原理有所區(qū)別(鎘、鉛、砷這三項重金屬水質(zhì)參數(shù)的檢測需要高溫輔助濃硝酸消解;鉻的檢測需要高溫輔助濃硝酸-濃鹽酸消解，并且濃硝酸的濃度與前者不同，汞的檢測需要高溫輔助高錳酸鉀-過硫酸鉀消解)，因此儀器采用各個參數(shù)順序消解、順序檢測的在線檢測流程與方法。
[0058]圖10示出了水質(zhì)重金屬鎘、鉛、砷的在線順序檢測流程。
[0059]圖11示出了水質(zhì)重金屬鉻的在線檢測流程。
[0060]圖12示出了水質(zhì)重金屬汞的在線檢測流程。
[0061 ]所述水質(zhì)重金屬(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的在線檢測實為對被測水樣中總重金屬(總?cè)R、總鉛、總錦、總絡(luò)和總神)的在線檢測。
[0062]本發(fā)明的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測儀器，包括在線樣品消解系統(tǒng)(A)、在線樣品檢測系統(tǒng)(B)、測量與控制系統(tǒng)(C)，其特征在于，所述在線樣品消解系統(tǒng)(A)包括消解反應(yīng)池(1)，消解反應(yīng)池(I)分別連接第一微型蠕動栗(2)、第二微型蠕動栗(3);消解反應(yīng)池(I)的出液口(8)連接三通換向電磁閥(5)，三通換向電磁閥(5)連接直流栗(6);所述第一微型蠕動栗(2)用于接通經(jīng)物理預(yù)處理后的在線水樣，所述第二微型蠕動栗(3)連接多聯(lián)體電磁閥(4);所述消解反應(yīng)池(I)連接第一數(shù)字溫度傳感器(16)，消解反應(yīng)池(I)外繞有第一電熱絲(17)，消解反應(yīng)池(I)底部膠合有第一超聲波發(fā)生系統(tǒng)(19); 在線樣品檢測系統(tǒng)包括樣品檢測流路(a)、樣品檢測室(b)、微型光譜儀(C)，所述樣品檢測流路(a)包括多位閥(al)、儲液環(huán)(a2)、注射栗(a3)，多位閥(al)通過管路連接儲液環(huán)(a2)—端，儲液環(huán)(a2)另一端通過管路連接注射栗(a3)—端，注射栗(a3)另一端通過管路連接超純水(W)，多位閥(al)連接樣品檢測室(b);光源(d)發(fā)出檢測光束(9.1)進入樣品檢測室(b)，出射光束經(jīng)過透鏡(e)聚焦后進入微型光譜儀(C)，微型光譜儀(C)連接測量與控制系統(tǒng)(C);所述樣品檢測室(b)包括不銹鋼水槽(1.1)，不銹鋼水槽(1.1)內(nèi)設(shè)有流通檢測池(2.1)，流通檢測池(2.1)連通至樣品檢測室(b)，所述流通檢測池(2.1)通過管路連接多位閥(al)，所述流通檢測池(2.1)連接廢液池(6.1)，所述流通檢測池(2.1)連接第三微型蠕動栗(7.1)，第三微型蠕動栗(7.1)連接超純水(w);所述樣品檢測室(b)—側(cè)安置有第二超聲波發(fā)生系統(tǒng)(11.1);所述測量與控制系統(tǒng)包括電源模塊、嵌入式系統(tǒng)、外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機交互系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統(tǒng)上連接微型光譜儀(c);嵌入式系統(tǒng)與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接樣在線樣品消解系統(tǒng)和在線樣品檢測系統(tǒng);所述消解反應(yīng)池(I)為不銹鋼材料加工而成，消解反應(yīng)池(I)通過硅膠管(7)分別連接第一微型蠕動栗(2)、第二微型蠕動栗(3);所述消解反應(yīng)池(I)的出液口(8)通過硅膠管(7)連接三通換向電磁閥(5)的公共口(9);所述第二微型蠕動栗(3)通過硅膠管(7)連接多聯(lián)體電磁閥(4)的公共出口(10);所述三通換向電磁閥(5)的常開口(11)通過硅膠管(7)連接直流栗(6)—端，直流栗(6)另一端通過硅膠管(7)連接廢液池(6.1)。
【文檔編號】G01N35/00GK105842467SQ201610205576
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年4月8日
【發(fā)明人】魏康林
【申請人】三峽大學(xué)