CN108226076A - 一种微型痕量水质在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型痕量水质在线监测仪，升降台与主体支架同轴对齐布置；各个试剂瓶通过外圈凸台并排扣在升降台上，探针与试剂瓶相对应；光源、检测管和温度传感器通过螺纹与消解分光光度测定模块两侧的螺孔连接；旋转电机轴控制升降台绕旋转电机轴旋转，升降电机轴与传动齿轮连接，传动齿轮与传动齿条相啮合，通过升降电机轴控制升降台的升降运动。本发明利用探针技术测定痕量元素在试样中的浓度，并且采用探针固定，升降台转动取液的方式，提高了空间利用率；采用圆柱立式安装固定方便，侧壁采用旋转内壁门外壁门，既方便放置试剂瓶又方便维修；升降台，实现试剂的升降旋转，提高空间利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型痕量水质监测设备，尤其涉及紫外分光光度法对多种水质参数进行定性和定量分析，机械结构力求轻巧、美观、高利用率属于水质监测技术领域。
背景技术
水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。
目前我国水质监测仪器仪表行业仍存在技术水平低，开发能力弱的问题，主要表现：产品可靠性、稳定性的问题较突出；行业科技基础薄弱，自主开发创新能力较差，高档产品几乎被国外产品占领，特别是大型精密仪器、成套项目中的核心控制系统及技术进口依赖性较严重。
另外，水质监测设备行业是比较特殊的行业，其特殊性在于它和国家的政策、重视程度密切相关。对于供水企业来说投入水质监测设备必然增加成本，因此中小企业一般不愿意主动投入巨资购买水质监测设备。
近几年，水质在线监测设备将供不应求；这种现象不仅水利领域，而且在环保领域也尤为明显。
现阶段，国外很多国家都已使用水质自动检测技术，我国在水质自动检测站的建设方面也有了很大的进展，但是由于各种客观因素的原因，使得水质自动快速检测技术还没有在全国范围内推广使用。
目前水质监测设备主要形式分为两种：1、站房式，2、浮漂式，这两种形式各有利弊，首先站房式测试点固定，维修操作空间大；浮漂式体积小，更加便携，节省人力物力财力，而且测试点可以多样化，使得利用率和效率得到提高，但是数据传输目前突破不了大容量传输、同时数据传输有小于1min的延时，实现不了高精度的数据实时传输再加上浮标上的传感器依赖进口。现今较为普遍的的试剂法监测仪体积太大，维护成本又太高，安装和固定难度高，运输不便。使用的化学试剂量太大同时保存不便，需要定期更换，检测过程耗时长且复杂。因此研制体积小、成本低、测量精度高、无污染、便于维护的设备具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于紫外分光光度法检测多种水质参数的检测仪结构设计，为水质参数监测提供一种更加合理的结构思路，应用于总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐等水质参数监测，其显著优点在于体积更小、空间利用率高、安装固定方便、集成度高、效率高、使用样品及试剂量少、成本更低等优点。基于阀岛体系，采用微控技术电磁阀组和微型蠕动泵，克服了流体及显色反应控制装置体积庞大和功耗大的问题，
本发明利用探针技术测定痕量元素在试样中的浓度，并且采用探针固定，置液盘转动取液的方式，提高了空间利用率；体积小方便运输，因此适合现场分析。材料选择：
因为钛合金加工难度太大；铝合金：密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材；不锈钢：耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差故最终选择铝合金为加工材料
目前常规检测方法：
1、全光谱分析法：光谱覆盖范围大但是监测预警范围有限，无法给出综合有害程度，成本太高。
2、电极法：精度高但是设备发展水平低，依赖进口。
3、微试剂法：很好的可靠性和敏感度，能够精确的定性、定量评价水环和饮用水安全，监测数据得到环境部认可。
本发明利用试剂消解反应和紫外分光光度技术分析测定痕量元素在试样中的总浓度，对物质选定区域进行包括成分、含量和分布在内的微区分析。
一种微型痕量水质在线监测仪的结构：系统的设计总体思路是为了保证参数检测以及检测的快速性、稳定性、准确性所以，控制与信号处理系统是实现水质参数检测仪顺序检测的核心，对流路进样控制，样品化学前处理的控制，蠕动泵控制、超声辅助消解控制及加热控制，清洗控制和样品反应体系、紫外分光光度法的信号处理是实现仪器精确检测的关键；LCD人机交互数据输入和显示模块、高精度微型蠕动泵和电磁阀的控制、数据存储以及GPRS数据发送模块。
本发明采用的技术方案为一种微型痕量水质在线监测仪，把手(21)通过螺钉(20)与主体支架(2)上的螺孔进行连接；内壁门(25)与主体支架(2)之间，以及外壁门(26)与主体支架(2)之间通过两个同心但直径不同的轨道槽结构进行连接，实现内壁门(25)和外壁门(26)的旋转开闭运动；
探针(4)、阀岛系统(8)、蠕动泵(6)、计量管(7)、电磁阀(9)、消解分光光度模块(10)、废液桶(17)之间顺次通过特氟龙管(19)进行液体传输；
升降台(3)与主体支架(2)同轴对齐布置；各个试剂瓶(5)通过外圈凸台并排扣在升降台(3)上，探针(4)与试剂瓶(5)相对应；光源(11)、检测管(12)和温度传感器(13)通过螺纹与消解分光光度(10)测定模块两侧的螺孔连接；旋转电机轴(24)控制升降台(3)绕旋转电机轴(24)旋转，升降电机轴(27)与传动齿轮(22)连接，传动齿轮(22)与传动齿条(23)相啮合，通过升降电机轴(27)控制升降台(3)的升降运动。
电源模块(14)与数据分析模块(15)通过电源线(18)进行连接，数据分析模块(15)通过电源线(18)再分别为液晶显示模块(16)、消解分光光度测定模块(10)、探针(4)、蠕动泵(6)、电磁阀(9)、旋转电机和升降电机进行供电；
阀岛系统(8)是由多个电控阀构成的控制元器件，它集成了信号输入/输出及信号的控制。
内壁门(25)、外壁门(26)主体支架(2)、升降台(3)构成机械结构模块，机械结构模块构成检测仪的支撑骨架。
数据分析模块(15)对信号进行滤波、放大、调制等处理并通过GPRS将数据上传给上位机；
液晶屏显示模块(16)用以对监测的数据进行实时显示。
与现有技术的对比，现有使用的试剂法监测仪体积过于庞大，维护成本高，安装和固定难度高，运输不便。使用的化学试剂有保存年限，需要定期更换，检测过程耗时长且复杂。微型痕量水质监测设备的显著优点在于：
1、显著优点在于体积更小、空间利用率高、集成度高、效率高、使用样品及试剂量少、节约试剂成本更低等。
2、基于阀岛体系，采用微控技术电磁阀组和微型蠕动泵，克服了流体及显色反应控制装置体积庞大和功耗大的问题
3、本发明利用探针技术测定痕量元素在试样中的浓度，并且采用探针固定，升降台转动取液的方式，提高了空间利用率
4、采用圆柱立式安装固定方便，侧壁采用旋转内壁门外壁门，既方便放置试剂瓶又方便维修
5、升降台，实现试剂的升降旋转，提高空间利用率
6、上层中间设有隔板，将电源、数据采集模块与试剂管路分开，实现水电分离，提高安全性能
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2.1、旋转升降台的结构图一。
图2.2为旋转升降台的结构图二。
图3.1为结构的背面示意图。
图3.2为结构的俯视示意图。
图3.3为结构的正面示意图。
图4为壁门与主体支架装配示意图。
图5为位整体装配图。
具体实施方式
1、整体微试剂采集过程：采用高精度微型蠕动泵、探针、阀岛体系相结合的方式通过计量管精密测量来完成微试剂采集。
2、消解分光光度过程：不同的试剂经过采集过程进入消解分光光度测定模块完成消解反应，再用分光光度法进行测量。
3、数据采集分析过程：分光光度法得到的光电信号经过放大调制电路再由一系列算法处理数据。
4、将得到的数据通过232/485信号传输液晶屏显示模块完成数据显示。
配件说明：
1、采用微控的电磁阀和高精度微型蠕动泵技术克服现有流体及显色反应控制装置体积庞大、功耗大的问题，降低能耗、缩小体积、减小试剂用量、提高集成度。
2、利用高温消解技术，将吸收光在紫外区的物质转化为吸收光在可见光区的物质再利用紫外分光光度技术实现间接检测待测物含量的目的；避免了紫外光区测量难度大、误差大的问题。
3、机械结构设计，遵循互换性原则，实现设备的易维修性，降低维修成本。
4、微控技术采用通径流路的微流控芯片与微型三通阀组形成阀岛体系，若按照程序固定顺序切换阀组通断以及调整微型蠕动转速，在一块微流控芯片中就可实现多项试剂流路的依次切换，大大节省了流路空间，而且由于流路的长度固定，试剂量也可以实现精确控制在3mg。
5、内壁门、外壁门均采用旋转门的方式，既方便放置试剂瓶又方便维修。
6、升降台：底部利用一个旋转电机轴实现旋转功能。
中部利用一个升降电机轴带动齿轮---齿条传动实现升降功能。
7、主体支架：采用圆柱立式，上层中间设有隔板，将电源、数据采集模块与微试剂采集模块分开，实现水路与电路分离，更加安全。
8、蠕动泵由三部分组成：驱动器，泵头和软管。流体被隔离在泵管中、可快速更换泵管、流体可逆行、可以干运转，维修费用低，等特点构成了蠕动泵的主要竞争优势，蠕动泵就像用手指夹挤一根充满流体的软管，随着手指向前滑动管内流体向前移动。蠕动泵也是这个原理只是由滚轮取代了手指。通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。就像用两根手指夹挤软管一样,随着手指的移动,管内形成负压,液体随之流动。蠕动泵就是在两个转辊子之间的一段泵管形成“枕”形流体。“枕”的体积取决于泵管的内径和转子的几何特征。流量取决于泵头的转速与“枕”的尺寸、转子每转一圈产生的“枕”的个数这三项参数之乘积。
计量管：用于精确测量控制抽取液体的体积。
阀岛系统是由多个电控阀构成的控制元器件，它集成了信号输入/输出及信号的控制，犹如一个控制岛屿。阀岛是新一代气电一体化控制元器件，已从最初带多针接口的阀岛发展为带现场总线的阀岛，继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。阀岛技术和现场总线技术相结合，不仅确保了电控阀的布线容易，而且也大大地简化了复杂系统的调试、性能的检测和诊断及维护工作。
电磁阀为控制流路的开关。
消解分光光度测定模块：加热加速消解反应的装置；
光源及检测管：不同的测量参数采用不同的光源和检测管，根据监测参数而定；
温度传感器：便于采集温度以作为温度补偿；
电源模块：提供各个模块需要的电压；
数据采集分析模块：将采集到的数据进行分析处理；
液晶屏显示模块：将分析得到的数据通过人机交互界面进行显示；
试剂法大体流程如下：
1、清洗过程：
I对应零样阀岛通道打开；
II蠕动泵开始将零样吸到计量管里；
III计量管计量溶液的体积；
IV对应零样的阀岛电磁阀关闭，对应消解分光光度测定模块的通道打开；
V蠕动泵将溶液推进消解池；
VI,对应废液桶的阀岛通道打开；
VII控制微型蠕动泵将溶解池里的溶液吸入到计量管里；
VIII打开废液管的电磁阀用步进电机将溶液通过废液管排到废液桶里；
2、进水样过程：
I对应的水样阀岛通道打开；
II启动步进电机，用蠕动泵将溶液通过水样管吸到计量管中；
III计量管计量溶液的体积；
IV关闭水样阀岛的通道，打开消解分光光度测定模块阀岛的通道；
V微型蠕动泵将溶液推进消解分光光度测定模块；
3、进试剂过程：
I对应的试剂阀岛通道打开；
II启动步进电机，用蠕动泵将溶液通过水样管吸到计量管中；
III计量管计量溶液的体积；
IV关闭试剂阀岛的通道，打开消解分光光度测定模块对应阀岛的通道；
V微型蠕动泵将溶液推进消解分光光度测定模块；
VI加热进行消解反应；
4、排液过程：
I打开消解分光光度测定模块对应阀岛的通道；
II驱动微型蠕动泵将消解分光光度测定模块中的溶液吸入到计量管中；
III打开废液管的电磁阀，驱动微型蠕动泵将溶液从废液排到废液桶。
Claims (6)
1.一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：把手(21)通过螺钉(20)与主体支架(2)上的螺孔进行连接；内壁门(25)与主体支架(2)之间，以及外壁门(26)与主体支架(2)之间通过两个同心但直径不同的轨道槽结构进行连接，实现内壁门(25)和外壁门(26)的旋转开闭运动；
探针(4)、阀岛系统(8)、蠕动泵(6)、计量管(7)、电磁阀(9)、消解分光光度模块(10)、废液桶(17)之间顺次通过特氟龙管(19)进行液体传输；
升降台(3)与主体支架(2)同轴对齐布置；各个试剂瓶(5)通过外圈凸台并排扣在升降台(3)上，探针(4)与试剂瓶(5)相对应；光源(11)、检测管(12)和温度传感器(13)通过螺纹与消解分光光度(10)测定模块两侧的螺孔连接；旋转电机轴(24)控制升降台(3)绕旋转电机轴(24)旋转，升降电机轴(27)与传动齿轮(22)连接，传动齿轮(22)与传动齿条(23)相啮合，通过升降电机轴(27)控制升降台(3)的升降运动；
电源模块(14)与数据分析模块(15)通过电源线(18)进行连接，数据分析模块(15)通过电源线(18)再分别为液晶显示模块(16)、消解分光光度测定模块(10)、探针(4)、蠕动泵(6)、电磁阀(9)、旋转电机和升降电机进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：阀岛系统(8)是由多个电控阀构成的控制元器件，它集成了信号输入/输出及信号的控制。
3.根据权利要求1所述的一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：内壁门(25)、外壁门(26)主体支架(2)、升降台(3)构成机械结构模块，机械结构模块构成检测仪的支撑骨架。
4.根据权利要求1所述的一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：数据分析模块(15)对信号进行滤波、放大、调制等处理并通过GPRS将数据上传给上位机。
5.根据权利要求1所述的一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：液晶屏显示模块(16)用以对监测的数据进行实时显示。
6.根据权利要求1所述的一种微型痕量水质在线监测仪，其特征在于：试剂法流程如下：
S1清洗过程：
I对应零样阀岛通道打开；
II蠕动泵开始将零样吸到计量管里；
III计量管计量溶液的体积；
IV对应零样的阀岛电磁阀关闭，对应消解分光光度测定模块的通道打开；V蠕动泵将溶液推进消解池；
VI,对应废液桶的阀岛通道打开；
VII控制微型蠕动泵将溶解池里的溶液吸入到计量管里；
VIII打开废液管的电磁阀用步进电机将溶液通过废液管排到废液桶里；S2进水样过程：
I对应的水样阀岛通道打开；
II启动步进电机，用蠕动泵将溶液通过水样管吸到计量管中；
III计量管计量溶液的体积；
IV关闭水样阀岛的通道，打开消解分光光度测定模块阀岛的通道；
V微型蠕动泵将溶液推进消解分光光度测定模块；
S3进试剂过程：
I对应的试剂阀岛通道打开；
II启动步进电机，用蠕动泵将溶液通过水样管吸到计量管中；
III计量管计量溶液的体积；
IV关闭试剂阀岛的通道，打开消解分光光度测定模块对应阀岛的通道；V微型蠕动泵将溶液推进消解分光光度测定模块；
VI加热进行消解反应；
S4排液过程：
I打开消解分光光度测定模块对应阀岛的通道；
II驱动微型蠕动泵将消解分光光度测定模块中的溶液吸入到计量管中；III打开废液管的电磁阀，驱动微型蠕动泵将溶液从废液排到废液桶。
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