CN104634752A - 集成式多参数矿用水质分析系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集成式多参数矿用水质分析系统和方法；集成式多参数矿用水质分析系统，包括ARM一体机、模拟键盘与RS232模块、无线WIFI、电源转换模块、离子电位计和分光光度计；电源转换模块为各电路单元供电；其特征在于：ARM一体机通过模拟键盘与RS232模块分别连接分光光度计与离子电位计；分光光度计用于检测比色皿中待测水样的吸光度，通过模拟键盘与RS232模块将测试数据输入到ARM一体机；离子电位计用于检测放置在待测水样中的离子选择电极的电压，通过模拟键盘与RS232模块将测试数据输入到ARM一体机；本发明将分光光度计、离子电位计与ARM一体机相结合，通过分光光度计和离子电位计，可迅速、准确地测量出水样中各种离子的含量；可广泛应用于环保、煤矿等领域。

Description

集成式多参数矿用水质分析系统和方法

技术领域：

本发明涉及水质分析系统和方法，具体涉及一种集成式多参数矿用水质分析系统和方法。

技术背景：

天然水中常见的八大离子:K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、SO₄ ^2-的含量占离子总量的95％-99％，这些主要离子的分类常用来做为表征水体主要化学特征性指标。但是，目前对所述八大离子的化验不能由单一的一种水质分析系统来完成，需要利用滴定法或离子色谱仪、分光光度计等仪器结合来实现。

分光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。分光光度计在我国水和废水监测分析中利用广泛，但是，所述八大离子中K⁺、Na⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-等不能利用分光光度计进行化验。

电位分析法是利用溶液中某种离子的活度与电极电位有一定的函数关系，通过测量电极电位来确定待测物含量的分析方法。目前，已有的离子选择电极约20种以上，但是，不能实现对Mg²⁺、SO₄ ^2-等离子的检测。

基于分光光度法的分光光度计和基于电位分析法的离子计一般应用于实验室。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供集成式矿用水质分析系统和方法。

为了解决上述问题，本发明技术方案是，集成式多参数矿用水质分析系统，包括ARM一体机、模拟键盘与RS232模块、无线WIFI、电源转换模块、离子电位计和分光光度计；电源转换模块为各电路单元供电；其特点是：

ARM一体机通过模拟键盘与RS232模块分别连接分光光度计与离子电位计；

分光光度计用于检测比色皿中待测水样的吸光度，通过模拟键盘与RS232模块将测试数据输入到ARM一体机；

离子电位计用于检测放置在待测水样中的离子选择电极的电压，通过模拟键盘与RS232模块将测试数据输入到ARM一体机；

该ARM一体机集成了ARM处理平台、RL45网络接口及RS232接口；在ARM处理平台中设置有参数选择模块、读数模块、计算模块以及存储和显示模块；其中：参数选择模块用于选择测量参数；读数模块用于读取分光光度计和离子电位计的测试数据；计算模块用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示。

本发明将分光光度计、离子电位计与ARM一体机相结合，通过分光光度计检测比色皿中待测溶液的吸光度而得到待测溶液的Mg²⁺、SO₄ ^2-两种离子含量，通过离子电位计检测放置在待测溶液中的电极的电压而得到待测溶液中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、PH值等指标，可迅速、准确地测量出水样中各种离子的含量。

根据本发明所述的集成式多参数矿用水质分析系统的优选方案，在ARM处理平台中还设置有接口模块；接口模块通过RL45网络接口和无线WIFI与PC机通讯。

根据本发明所述的集成式多参数矿用水质分析系统的优选方案，ARM一体机设置在水质分析仪主机中，在水质分析仪主机中还设置有电极接口和比色皿槽；比色皿槽用于放置比色皿；电极接口为离子选择电极与离子电位计连接的接口。

集成式多参数矿用水质分析方法，其特点是：包括如下步骤：

第一步、建立集成式多参数矿用水质分析系统，该系统包括ARM一体机、模拟键盘与RS232模块、无线WIFI、电源转换模块、离子电位计和分光光度计；电源转换模块为各电路单元供电；ARM一体机通过模拟键盘与RS232模块分别连接分光光度计与离子电位计；

第二步、在ARM一体机中设置参数选择模块：用于选择测量参数；读数模块：用于读取分光光度计和离子电位计的测试数据；计算模块：用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块：用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第三步、通过模拟键盘与RS232模块在ARM一体机中选择需要测量的参数种类；判断是采用分光光度计测量或是采用离子电位计测量，当采用分光光度计测量时，进入第四步，当采用离子电位计测量时，进入第六步；

第四步、将待测水样加入到比色皿中，并盖好遮光板，对系统进行校零；校零结束后，取出比色皿，在待测水样中加入与测量离子对应的测试试剂，摇匀后，再次盖好遮光板；

第五步、用分光光度计测量比色皿中的待测水样的吸光度，测试数据通过模拟键盘与RS232模块输入到ARM一体机；ARM一体机的读数模块读取分光光度计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；进入第七步；

第六步、将待测水样加入到烧杯中，将已校准的离子选择电极信号输出端通过电极接口与离子电位计连接；离子选择电极感应端浸入待测水样中；离子电位计测试离子选择电极的电压值，测试数据通过模拟键盘与RS232模块输入到ARM一体机；ARM一体机的读数模块读取离子电位计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第七步、结束。

本发明所述的集成式多参数矿用水质分析系统和方法的有益效果是：本发明将分光光度计、离子电位计与ARM一体机相结合，通过分光光度计和离子电位计，可迅速、准确地测量出水样中各种离子的含量；本发明成本低，使用方便，数据直观，可广泛应用于各种场合进行水质分析，如环保、煤矿、水厂等领域。

附图说明

图1为本发明所述的集成式多参数矿用水质分析系统电路原理框图。

图2为ARM处理平台20中模块结构图。

图3为本发明矿用水质分析系统主机的面板结构图。

图4是本安水质分析仪主机软件流程图。

图5是采用分光光度计测试的软件流程图。

图6是采用离子电位计测试的软件流程图。

具体实施方式

参见图1至图6，集成式多参数矿用水质分析系统，包括ARM一体机11、模拟键盘与RS232模块12、无线WIFI15、电源转换模块16、离子电位计13和分光光度计14；电源转换模块16为各电路单元供电；其中：

ARM一体机11通过模拟键盘与RS232模块12分别连接分光光度计14与离子电位计13；

分光光度计14用于检测比色皿18中待测水样的吸光度，通过模拟键盘与RS232模块12将测试数据输入到ARM一体机11；

离子电位计13用于检测放置在待测水样中的离子选择电极17的电压，通过模拟键盘与RS232模块12将测试数据输入到ARM一体机11；

该ARM一体机11集成了TFT显示屏及配套的触摸屏、ARM处理平台20、RL45网络接口27及RS232接口26；在ARM处理平台20中设置有参数选择模块23、读数模块21、计算模块22以及存储和显示模块24；其中：参数选择模块23用于选择测量参数；读数模块21用于读取分光光度计14和离子电位计13的测试数据；计算模块22用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块24用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示。

在ARM处理平台20中还设置有接口模块25；接口模块25通过RL45网络接口27和无线WIFI15与PC机通讯。ARM一体机可以保存测量数据，也可通过无线WIFI15将测量数据共享，其它PC机可以通过无线WIFI网络接收测量数据；用户可以在水质分析系统上直接操作，也能使用其它PC机通过无线WIFI网络对本水质分析系统实现远程控制。即水质分析可以由ARM一体机完成整个分析过程，也可以由其它PC机完成水质分析。

参见图3，在具体实施例中，ARM一体机11设置在水质分析仪主机1中，在水质分析仪主机1中还设置有电极接口3和比色皿槽8；在水质分析仪主机1的面板2上还设置有电源输入接口6、电源开关按钮7；在进行溶液的吸光度测试时，将比色皿18放置在比色皿槽8中；电极接口3为离子选择电极17与离子电位计13连接的接口；电极接口3用于插入离子选择电极17的信号输出端；比色皿槽8为带遮光板的比色皿槽8；模拟键盘与RS232模块12使用的芯片为MAX202、CD4066；ARM一体机11为LJD-eWIN7S，ARM一体机的ARM核心处理器是ARM920T，ARM一体机还集成了7.0寸的TFT；无线WIFI15可以实现WIFI无线网路与RJ45网口相互转换。

电源转换模块16由3节4A/H串联锂电池及电池充电电路、电源处理电路构成，输出12VDC；野外工作时，由锂电池供电；为满足井下使用要求，水质分析系统还对电源转换模块进行了防爆处理，使本发明达到本质安全的防爆要求。

实施例1：集成式多参数矿用水质分析方法，包括如下步骤：

第一步、建立集成式多参数矿用水质分析系统，该系统包括ARM一体机11、模拟键盘与RS232模块12、无线WIFI15、电源转换模块16、离子电位计13和分光光度计14；电源转换模块16为各电路单元供电；ARM一体机11通过模拟键盘与RS232模块12分别连接分光光度计14与离子电位计13；

第二步、在ARM一体机11中设置参数选择模块23、读数模块21、计算模块22、接口模块25以及存储和显示模块24；参数选择模块23用于选择测量参数；读数模块21用于读取分光光度计和离子电位计的测试数据；计算模块22用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块24用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示；接口模块25用于通过RL45网络接口27和无线WIFI15与PC机通讯；

第三步、通过模拟键盘与RS232模块12在ARM一体机11中选择需要测量的参数种类；判断是采用分光光度计测量或是采用离子电位计测量，当采用分光光度计测量时，进入第四步，当采用离子电位计测量时，进入第六步；

第四步、将待测水样加入到比色皿18中，并盖好遮光板，对系统进行校零；校零结束后，取出比色皿18，在待测水样中加入与测量离子对应的测试试剂，摇匀后，再次盖好遮光板；

第五步、用分光光度计测量比色皿18中的待测水样的吸光度，测试数据通过模拟键盘与RS232模块12输入到ARM一体机11；ARM一体机11的读数模块读取分光光度计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；进入第七步；

第六步、将待测水样加入到烧杯中，将已校准的离子选择电极信号输出端通过电极接口3与离子电位计13连接；离子选择电极感应端浸入待测水样中；离子电位计13测试离子选择电极的电压值，测试数据通过模拟键盘与RS232模块12输入到ARM一体机11；ARM一体机11的读数模块读取离子电位计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第七步、结束。

实施例2：集成式多参数矿用水质分析方法：

第一步、第二步同实施例1

第三步、通过模拟键盘与RS232模块12在ARM一体机11中选择需要测量Mg²⁺，并选择采用分光光度计测量；

第四步、将待测水样加入到比色皿18中，并盖好遮光板，对系统进行校零；校零结束后，取出比色皿18，在待测水样中加入与测量离子对应的测试试剂，本实施例中，测量Mg²⁺选用的是意大利HANNA公司的HI937520-01化学试剂，摇匀后，再次盖好遮光板；

第五步、用分光光度计测量比色皿18中的待测水样的吸光度，测试数据通过模拟键盘与RS232模块12输入到ARM一体机11；ARM一体机11的读数模块读取分光光度计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第六步、结束。

实施例3：集成式多参数矿用水质分析方法：

该实施例3与实施例2不同的是：

第三步、通过模拟键盘与RS232模块12在ARM一体机11中选择需要测量SO₄ ^2-，并选择采用分光光度计测量；

第四步中，测量SO₄ ^2-，选用的是意大利HANNA公司的HI93751-01化学试剂。

实施例4：集成式多参数矿用水质分析方法：

第一步、第二步同实施例1

第三步、通过模拟键盘与RS232模块12在ARM一体机11中选择需要测量Na⁺，并选择采用离子电位计13测量；

第四步、将待测水样加入到烧杯中，将已校准的Na⁺离子选择电极信号输出端通过电极接口3与离子电位计13连接；Na⁺离子选择电极感应端浸入待测水样中；离子电位计13测试Na⁺离子选择电极的电压值，测试数据通过模拟键盘与RS232模块12输入到ARM一体机11；ARM一体机11的读数模块读取离子电位计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第五步、结束。

水中K⁺、Ca²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、PH等测量，方法同实施例4，只是离子选择电极不同，在此不累述。

对所有指标分析完成后，水质分析仪主机可以通过WIFI无线网络，将测量数据共享，其它具有WIFI网络接口的PC都可以通过WIFI读取测量结果数据。

本发明的工作原理是：分光光度计测量是基于Lambert-Beer定律，离子电位计13测量是基于Nernst方程。

对Mg²⁺、SO₄ ^2-的测定，采用分光光度计测量，对K⁺、Na⁺、Ca²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、PH的测定，采用离子电位计13测量。

对HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的测定，在离子电位法基础上，基于碳酸平衡原理，采用如下公式计算：

$\left[{{\mathrm{HCO}}_3}^{-}\right]=\frac{K_1\left[H^{+}\right]C_T}{K_1{K}_2+K_1\left[H^{+}\right]+{\left[H^{+}\right]}^2}$

$\left[{{\mathrm{CO}}_3}^{2-}\right]=\frac{K_1{K}_2{C}_T}{K_1{K}_2+K_1\left[H^{+}\right]+{\left[H^{+}\right]}^2}$

其中：K₁、K₂为常数，C_T为水温，通过二氧化碳电极测得，[H⁺]表示H⁺离子浓度，通过pH电极测得。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明的权利要求进行限制，其它的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变及等效置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.集成式多参数矿用水质分析系统，包括ARM一体机(11)、模拟键盘与RS232模块(12)、无线WIFI(15)、电源转换模块(16)、离子电位计(13)和分光光度计(14)；电源转换模块(16)为各电路单元供电；其特征在于：

ARM一体机(11)通过模拟键盘与RS232模块(12)分别连接分光光度计(14)与离子电位计(13)；

分光光度计(14)用于检测比色皿(18)中待测水样的吸光度，通过模拟键盘与RS232模块(12)将测试数据输入到ARM一体机(11)；

离子电位计(13)用于检测放置在待测水样中的离子选择电极(17)的电压，通过模拟键盘与RS232模块(12)将测试数据输入到ARM一体机(11)；

该ARM一体机(11)集成了ARM处理平台(20)、RL45网络接口(27)及RS232接口(26)；在ARM处理平台(20)中设置有参数选择模块(23)、读数模块(21)、计算模块(22)以及存储和显示模块(24)；其中：参数选择模块(23)用于选择测量参数；读数模块(21)用于读取分光光度计(14)和离子电位计(13)的测试数据；计算模块(22)用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块(24)用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示。

2.根据权利要求1所述的集成式多参数矿用水质分析系统，其特征在于：在ARM处理平台(20)中还设置有接口模块(25)；接口模块(25)通过RL45网络接口(27)和无线WIFI(15)与PC机通讯。

3.根据权利要求2所述的集成式多参数矿用水质分析系统，其特征在于：ARM一体机(11)设置在水质分析仪主机(1)中，在水质分析仪主机(1)中还设置有电极接口(3)和比色皿槽(8)；比色皿槽(8)用于放置比色皿(18)；电极接口(3)为离子选择电极(17)与离子电位计(13)连接的接口。

4.集成式多参数矿用水质分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步、建立集成式多参数矿用水质分析系统，该系统包括ARM一体机(11)、模拟键盘与RS232模块(12)、无线WIFI(15)、电源转换模块(16)、离子电位计(13)和分光光度计(14)；电源转换模块(16)为各电路单元供电；ARM一体机(11)通过模拟键盘与RS232模块(12)分别连接分光光度计(14)与离子电位计(13)；

第二步、在ARM一体机(11)中设置参数选择模块(23)、读数模块(21)、计算模块(22)以及存储和显示模块(24)；参数选择模块(23)用于选择测量参数；读数模块(21)用于读取分光光度计和离子电位计的测试数据；计算模块(22)用于将测试数据转换成离子浓度数据；存储和显示模块(24)用于将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第三步、通过模拟键盘与RS232模块(12)在ARM一体机(11)中选择需要测量的参数种类；判断是采用分光光度计测量或是采用离子电位计测量，当采用分光光度计测量时，进入第四步，当采用离子电位计测量时，进入第六步；

第四步、将待测水样加入到比色皿(18)中，并盖好遮光板，对系统进行校零；校零结束后，取出比色皿(18)，在待测水样中加入与测量离子对应的测试试剂，摇匀后，再次盖好遮光板；

第五步、用分光光度计测量比色皿(18)中的待测水样的吸光度，测试数据通过模拟键盘与RS232模块(12)输入到ARM一体机(11)；ARM一体机(11)的读数模块读取分光光度计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；进入第七步；

第六步、将待测水样加入到烧杯中，将已校准的离子选择电极信号输出端通过电极接口(3)与离子电位计(13)连接；离子选择电极感应端浸入待测水样中；离子电位计(13)测试离子选择电极的电压值，测试数据通过模拟键盘与RS232模块(12)输入到ARM一体机(11)；ARM一体机(11)的读数模块读取离子电位计的测试数据，计算模块将测试数据转换成离子浓度数据，存储和显示模块将测试数据、离子浓度数据存储和显示；

第七步、结束。

5.根据权利要求4所述的集成式多参数矿用水质分析方法，其特征在于：第二步在ARM一体机(11)中还设置有接口模块(25)；接口模块(25)通过RL45网络接口(27)和无线WIFI(15)与PC机通讯。