CN108627473A - 水质监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水质监测技术领域，提供了水质监测装置。该水质监测装置包括：机柜；控制模块，设置在所述机柜中，用于根据用户输入的信息生成控制指令；储液环，设置在所述机柜中；多通道选择阀，设置在所述机柜中，设置有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和多个第五端口；所述第一端口与所述储液环连通；所述第二端口与外部试样液体连通；所述第三端口与外部空气连通；消解比色机构，设置在所述机柜中，与所述第四端口连通；多个液体容纳部，设置在所述机柜中，每个所述液体容纳部与一个所述第五端口连通；注射泵，设置在所述机柜中，与所述储液环连通。上述水质监测装置结构简单且通用性较高。
Description
技术领域
本发明属于水质监测技术领域，尤其涉及水质监测装置。
背景技术
最初的水质COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)监测依据为《GB11914-89水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》，该标准自2017年5月1日起，由其修订版《HJ 828-2017水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》替代，原标准废止。该标准所规定的监测方法具有测量准确、重复性好等优点，但也存在测量时间较长、试剂消耗量大、二次污染大等弊端，适用于实验室的精确测量。
随着社会的发展，环境污染问题日益严重，为适应环境质量在线实时监测的要求，2008年3月1日，环保部推出了《HJ/T 399-2007水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》标准，该标准相对《HJ 828-2017水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》主要作了如下改变：
1)将原试样由10ml缩减为2ml(比色管分光光度法)；
2)检测方法由硫酸亚铁铵溶液滴定法改为分光光度法；
3)消解时间由2小时缩减为15分钟。
所以，采用HJ/T 399-2007标准可以大幅减少各种试剂的消耗量及检测时间，为在线自动监测仪实现维护时间间隔长、检测频次高、二次污染小的特定需求提供了可行的检测依据。
传统水质监测系统具有结构复杂、试剂消耗大、检测时间长等弊端，传统方案是基于试验室检测标准，具有结构复杂、试剂消耗大、检测时间长等不足，且仅适用于试验室检测标准。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了水质监测装置，以解决现有技术中结构复杂、通用性较差的问题。
本发明实施例提供了一种水质监测装置，包括：
机柜；
控制模块，设置在所述机柜中，用于生成控制指令；
储液环；
多通道选择阀，设置有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和多个第五端口；所述第一端口与所述储液环连通；所述第二端口与外部试样液体连通；所述第三端口与外部空气连通；
消解比色机构，与所述第四端口连通；
多个液体容纳部，每个所述液体容纳部与一个所述第五端口连通；
注射泵，与所述储液环连通；
其中，所述多通道选择阀，用于根据所述控制指令控制所述第二端口、第三端口、第四端口或一个所述第五端口打开，以使得所述第二端口、第三端口、第四端口和多个所述第五端口中的一个端口与所述储液环连通，从不同的端口抽取不同的试剂；
所述注射泵，用于根据所述控制指令将所述外部试样液体、一个所述液体容纳部中容纳的液体吸入到所述储液环中，以及将所述储液环中的液体推入至所述消解比色机构，以及将所述消解比色机构中的液体吸回至所述储液环中，以及将所述储液环中的液体推入至一个所述液体容纳部中；所述消解比色机构用于对进入所述消解比色机构中的液体进行比色处理；
所述控制模块，用于获取所述消解比色机构的比色处理数据并根据所述比色处理数据得到所述外部试样液体的化学需氧量的检测结果。
可选的，所述消解比色机构包括：
消解比色石英管，与所述第四端口连通，用于容纳进入所述消解比色石英管中的液体；
电磁阀，用于关闭所述第四端口，使得所述消解比色石英管为密闭空间；
温度传感器，用于根据所述控制指令对所述消解比色石英管进行检测，并将检测到的实时温度反馈给所述控制模块；
电热丝，与所述控制模块连接，用于对所述消解比色石英管进行加热；
散热风扇，用于对所述消解比色石英管进行降温；
过温保护开关，串接在所述电热丝的供电回路；
分光光度计，用于根据所述控制指令检测消解液的透光率，并对透过所述消解比色石英管的光线进行比色处理；
其中，在液体进入所述消解比色石英管后，所述控制模块控制所述电热丝对所述消解比色石英管进行加热至165℃后，停止加热并控制所述散热风扇对所述消解比色石英管进行降温；在所述温度传感器检测到的实时温度降低至60℃时，所述控制模块控制所述分光光度计工作。
可选的，所述控制模块包括ARM处理器和外围电路；
所述ARM处理器设置有RS232串口、PWM温控电路接口、MOSFET输出接口、桥式测量电路接口、通用输入/输出接口、定时器、SPI接口、A/D输入接口和电源接口，且所述ARM处理器自带RTC实时时钟；所述外围电路包括LED光源控制板和光电检测处理板；
所述RS232串口为多个，一个所述RS232串口与所述注射泵连接，一个所述RS232串口与所述多通道选择阀连接；
PWM温控电路接口与所述电热丝、所述过温保护开关和所述散热风扇连接；
MOSFET输出接口与所述电磁阀连接；
桥式测量电路接口，与所述温度传感器连接；
通用输入/输出接口，与所述LED光源控制板连接；所述LED光源控制板与所述分光光度计中的LED光源连接，用于为所述LED光源提供恒流驱动；
SPI接口与所述光电检测处理板连接；所述光电检测处理板与所述分光光度计中的硅光电二极管连接；
A/D输入端口用于采样所述分光光度计的比色处理数据，并转换为数字信号；
电源接口，与外部电源连接。
可选的，所述水质监测装置还包括：多个漏液监测传感器，分别设置在所述机柜底部，用于检测各个所述液体容纳部是否有液体漏出；
声光报警装置，设置在所述机柜上；
所述机柜的门上设置有机柜门微动开关；
所述多个通用输入/输出接口中的多个通用输入/输出接口还分别与各个漏液监测传感器、机柜门微动开关和声光报警装置连接。
可选的，所述控制模块还包括：人机交互模块，用于接收用户输入的信息并发送给所述ARM处理器生成控制指令，以及显示所述水质监测装置的状态参数，以及对所述外部试样液体的化学需氧量的检测结果；
所述RS232串口中的一个RS232串口与所述人机交互模块连接。
可选的，所述控制模块还包括：数据传输模块，与外部终端连接，用于向所述外部终端发送数据，以及接收所述外部终端发送的数据并发送给所述ARM处理器生成控制指令。
可选的，所述数据传输模块为按流量计费的GPRS数据传输模块。
可选的，所述水质监测装置还包括：隔离型开关电源，为所述控制模块、人机交互模块和数据传输供电。
可选的，所述多通道选择阀为八通道选择阀，所述八通道选择阀设置有一个第一端口、一个第二端口、一个第三端口、一个第四端口和五个第五端口；
所述多个液体容纳部包括用于容纳重铬酸钾混合液的第一液体容纳部、用于容纳标准溶液的第二液体容纳部、用于容纳零点标准液的第三液体容纳部、用于容纳清洗液的第四液体容纳部、用于容纳废液的第五液体容纳部。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：
1)结构简单：整个系统只需一台注射泵及一个8通道选择阀，比传统的多个蠕动泵、多个三通阀方案节省了空间、简化了控制流程；
2)通用性强：在不改变整机结构的前提下，只需改变程序控制流程及试剂，即可实现其它在线指标的监测，真正做到一机多用；
3)试剂用量少：由于传统的计量杯计量方式采用的是可视光电液位控制技术，其试剂的剂量控制无法做到ul级别，所以，整个测试所需的剂量只能在ml级别，但采用注射泵技术可以将试剂精度控制在1ul以下，从而可以实现ul级的检测，根据有关资料介绍，其试剂用量仅为传统的1/10，甚至更小；
4)检测速度快：快速消解分光光度法可免除显色、滴定试剂，简化了测定步骤；同时，由于采用高温高压密闭消解技术，将消解时间降至15min，从而大大减少了整个测定时间；据有关资料介绍一次测定时间最短可达25min左右，能够实现在线实时检测；
5)技术先进：根据目前所搜集的资料分析，SIA技术在国际、国内还处于初步推广应用阶段，所以，具有一定的技术先进性，但相关的理论、实验室研究比较成熟，现在国内外的一些研究机构已经展开了第三代微流控芯片顺序注射技术的研究；
6)外形尺寸小：由于采用SIA技术，从而使得管路、控制系统设计得以简化，缩小了产品外形，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的水质检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的水质检测装置的又一结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电气控制系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，本发明实施例提供一种水质监测装置，包括机柜100、控制模块200、储液环300、多通道选择阀400、消解比色机构500、多个液体容纳部600和注射泵700。
所述控制模块200设置在所述机柜100中，用于根据用户输入的信息生成控制指令。所述储液环300设置在所述机柜100中。所述多通道选择阀400设置在所述机柜100中，设置有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和多个第五端口；所述第一端口与所述储液环300连通；所述第二端口与外部试样液体1001连通；所述第三端口与外部空气连通。所述消解比色机构500设置在所述机柜100中，与所述第四端口连通。多个液体容纳部600，设置在所述机柜100中，每个所述液体容纳部与一个所述第五端口连通。所述注射泵700设置在所述机柜100中，与所述储液环300连通。
其中，所述多通道选择阀400，用于根据所述控制指令控制所述第二端口、第三端口、第四端口或一个所述第五端口打开，以使得所述第二端口、第三端口、第四端口和多个所述第五端口中的一个端口与所述储液环300连通，从不同的端口抽取不同的试剂。所述注射泵700，用于根据所述控制指令将所述外部试样液体1001和一个所述液体容纳部中容纳的液体吸入到所述储液环300中，以及将所述储液环300中的液体推入至所述消解比色机构500，以及将所述消解比色机构500中的液体吸回至所述储液环300中，以及将所述储液环300中的液体推入至一个所述液体容纳部中。所述消解比色机构500用于对进入所述消解比色机构500中的液体进行比色处理。所述控制模块200，用于获取所述消解比色机构500的比色处理数据并根据所述比色处理数据得到所述外部试样液体1001的化学需氧量的检测结果。
工作过程如下：
101)控制模块200发出控制信号控制多通道选择阀400转向一个所述液体容纳部对应的连通管路；本实施例中采用重铬酸钾混合液对试样液体进行比色处理，因此控制模块200控制多通道选择阀400转向与容纳重铬酸钾混合液的液体容纳部对应的连通管路；
102)控制模块200控制注射泵700吸取一定量的重铬酸钾混合液，然后，注射泵700停止；
103)控制模块200控制多通道选择阀400转向与试样液体1001对应的管路；
104)控制模块200控制注射泵700吸取一定量的试样液体1001，然后，注射泵700停止；
105)控制模块200控制多通道选择阀400转向消解比色机构500；
106)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的混合液推出至消解比色机构500，然后，注射泵700停止；
107)控制模块200控制多通道选择阀400转向空位，关闭消解比色机构500上端的电磁阀，使得消解比色机构500中盛放混合液的空间成为密闭空间；
108)控制模块200控制消解比色机构300在高温状态下对混合液进行比色处理，比获取比色处理数据；
109)控制模块200控制注射泵700转至与消解比色机构500对应的管路，将废液吸入储液环300，然后，注射泵700停止；
110)控制模块200控制多通道选择阀400转向废液管路；废液管路与一个液体容纳部对应，该液体容纳部用于盛放试验后的废液；
111)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的废液推出至用于盛放试验后的废液的液体容纳部，然后，注射泵700停止。
整个装置只需一台注射泵700及一个多通道选择阀400，比传统的多个蠕动泵、多个三通阀方案节省了空间、简化了控制流程；在不改变整机结构的前提下，只需改变程序控制流程及试剂，即可实现其它在线指标的监测，真正做到一机多用；由于传统的计量杯计量方式采用的是可视光电液位控制技术，其试剂的剂量控制无法做到ul级别，所以，整个测试所需的剂量只能在ml级别，但采用注射泵技术可以将试剂精度控制在1ul以下，从而可以实现ul级的检测，根据有关资料介绍，其试剂用量仅为传统的1/10，甚至更小；由于采用高温高压密闭消解技术，可以将消解时间降至15分钟，从而大大减少整个测定时间。
作为一种可实施方式，所述消解比色机构500可以包括：消解比色石英管、电磁阀、温度传感器、电热丝、散热风扇、过温保护开关和分光光度计。
所述消解比色石英管与所述第四端口连通，用于容纳进入所述消解比色石英管中的液体。电磁阀用于关闭所述第四端口，使得所述消解比色石英管为密闭空间。温度传感器用于根据所述控制指令对所述消解比色石英管进行检测，并将检测到的实时温度反馈给所述控制模块200。电热丝与所述控制模块200连接，用于对所述消解比色石英管进行加热。散热风扇用于对所述消解比色石英管进行降温。过温保护开关串接在所述电热丝的供电回路，以防止温控回路出现故障时消解比色管温度过高而发生爆破的风险。分光光度计用于根据所述控制指令按照预设功率强度的光照射所述消解比色石英管中的液体，并对透过所述消解比色石英管的光线进行比色处理。
其中，在液体进入所述消解比色石英管后，所述控制模块200控制所述电热丝对所述消解比色石英管进行加热至165℃后保持15分钟，然后停止加热并控制所述散热风扇对所述消解比色石英管进行降温；在所述温度传感器检测到的实时温度降低至60℃时，所述控制模块200控制所述分光光度计工作。
主控板作为系统的核心处理单元，需要提供各种控制对象的输入、输出接口及数据的运算处理功能；目前，其解决方案主要有如下几种：
1)PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)控制方案
参见图3，控制系统需同时提供4路标准RS232接口、1路RS485、1路LAN、1路SPI接口、继电器输出、MOFET功率输出接口、多路A/D输入、多路D/A输出等资源，而目前的PLC控制器基本没有同时具备上述功能的型号可选，所以，还需制作一些信号转换、扩展板，才能构成完整的控制系统；如此，必然造成系统接线繁杂、硬件开发工作量增大等弊端，不利于系统的通用性和可扩展性，且其实现的硬件成本也较高。
2)工控机方案
受系统体积限制，工控机只能选用类似PC104类的嵌入式工控机方案。系统除了主控板，还需要增加A/D(模拟/数字转换)-D/A(数字/模拟转换)板、I/O(输入/输出)板，同样，也需要自制一些转换、扩展板以构成完成的控制系统，其成本比PLC方案更高，其体积也较大。
3)嵌入式处理器方案
嵌入式处理器包括单片机和ARM处理器等。以前，受制于价格成本因素，ARM处理器一般应用于高端场合，而现在，很多ARM处理器的价格已经与单片机相差无几，仅几十元，但其处理性能却不是普通单片机所能比拟的；如单片机的系统时钟一般不超过24MHz，而诸如ST公司的STM32F407系统的ARM芯片时钟可达168MHz，最新推出的7x系列更是达到了220MHz以上；此外，其片上资源也较单片机丰富得多；所以，采用ARM处理器方案已是大势所趋。
根据上述三种方案比较分析，本仪器采用基于ARM的嵌入式方案比较合理；其中，主控芯片选用价格低廉、性能优良、兼容性好、易于升级的STM32F407芯片，再配以相关的总线驱动、I/O隔离等外围电路即可组成一套完整的电气控制系统。本方案具有配置灵活、通用性强、体积小、效率高、成本低等优点，处理器的主要性能指标如下：运行主频：168MHz；硬件32位乖、除法功能；FLASH空间：1M字节；RAM空间：196K字节；通用接口：56路通用I/O口、6路RS232串口、3个12位24通道A/D转换器、2个12位24通道D/A转换器、17个定时器(2个32位定时器)、2路SPI、2路I2C、2路CAN、1路LAN、2路USB；自带RTC实时时钟；工作电源：3.3V/0.15A；工作温度范围：-40℃～+85℃。
作为一种可实施方式，参见图2，所述控制模块包括电器控制板210，电器控制板210集成有ARM处理器和外围电路。
参见图3，所述ARM处理器设置有RS232串口、PWM温控电路接口、MOSFET输出接口、桥式测量电路接口、通用输入/输出接口、定时器、SPI接口、A/D输入接口和电源接口，且所述ARM处理器自带RTC实时时钟。所述外围电路包括LED光源控制板和光电检测处理板。
所述RS232串口为多个，一个所述RS232串口与所述主设泵连接，一个所述RS232串口与所述多通道选择阀连接。PWM温控电路接口与所述电热丝、所述过温保护开关和所述散热风扇连接。MOSFET输出接口与所述电磁阀连接。桥式测量电路接口与所述温度传感器连接。通用输入/输出接口与所述LED光源控制板连接。所述LED光源控制板与所述分光光度计中的LED光源连接，用于为所述LED光源提供恒流驱动。SPI接口与所述光电检测处理板连接；所述光电检测处理板与所述分光光度计中的硅光电二极管连接。A/D输入端口用于采样所述分光光度计的比色处理数据，并转换为数字信号。电源接口，与外部电源连接。
在执行消解流程时，由ARM处理器根据温度传感器反馈的温度与设定温度实时求差，通过PID(比例-积分-微分)运算后，转换成对应的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调制信号驱动功率管动态调节电热丝的加热功率，以实现加热温度的闭环控制。
对于光源控制板，常用光源有钨灯、氙灯、空心阴极灯、LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)灯等。钨灯的光谱较宽，涵盖可见光至红外光；氙灯光谱主要集中在紫外光谱区；空心阴极灯具有很窄的特征谱线和良好的稳定性，常用于原子吸收仪中；由于本仪器光源主要工作于440nm和600nm两个波长，如果用钨灯则需要复杂的光学系统产生单色光；氙灯频谱范围不够；空心阴极灯频谱不够宽，还需专用高压电源；而且，上述三种光源的使用寿命普遍不长，价格也比较昂贵，而专用LED灯却可以很好解决上述弊端，体种小、价格便宜、使用寿命长、无需复杂的光学系统即可获得不错的单色光，所以，本系统选用专用LED灯作为光源。
为提高系统监测精度，该水质监测装置工作于低量程模式(15～250mg/L)时，利用未被还原的六价铬在440nm处的吸收峰光度法测定COD含量；系统工作于高量程模式(100～1000mg/L)时，利用被还原的三价铬在600nm处的吸收峰光度法测定COD含量。由于光源的稳定性直接影响系统测量结果的稳定性，当光源产生波动时，其输出结果必将跟随波动，而且这种影响无法通过软件、硬件的方法消除，所以，分光光度计中的LED光源采用恒流驱动控制技术；为减少外部干扰，将光源直接安装于光源控制板，控制板安装于消解比色机构500上。
本实施例中，ARM处理器可以采用STM32F407芯片。
对于光电检测板，光电检测器件主要有如下几种形式：
1)光电三极管
光敏三极管具有输出信号强、灵敏度高的特点，但其输出存在非线性、动态响应差、噪声大的缺点，一般用于光电开关场合。
2)光电倍增管
光电倍增管特别适用于微弱信号处理，如天体光度测量，具有很大的增益倍数，但其控制比较复杂，需要专用的负高压电源，其成本也较高。
3)硅光电二极管
硅光电二极管具有光电信号线性度好、响应快、灵敏度高、噪声小的优点，其电流信号偏弱的问题可以通过后级低噪声高增益的仪表运算放大器弥补。当有光照时，其等效为一个与光照强度等比例的uA极电流源，无光照仅有一个nA级的暗电流。
所以，本实施例中采用硅光电二极管作为光电监测器件。
由于光电监测强度为最终的COD转换原始数据，所以，此数据的监测精度直接关系到系统指标的监测精度；而且，传感器所输出的信号极其微弱，如果处理不好，很容易引入各种干扰，造成系统测量不准或降低系统监测精度，所以，本实施例将采样转换电路直接置于前端，经过20位A/D芯片转换后，直接将监测数据通过SPI总线以数字信号方式传输给电气控制板，以减少线路自身的空间窜扰、热噪声干扰；同时，将光电检测处理板与电气控制板分开，以进一步减少电气控制板上各种开关、电机控制、数字信号、功率器件可能造成的地电平变动、电磁辐射等扰动，也便于将光电检测处理板集成于一个密闭的金属电磁屏弊盒内。
可选的，所述水质监测装置还可以包括：多个漏液监测传感器、声光报警装置和机柜门微动开关。多个漏液监测传感器分别设置在所述机柜100的底部，用于检测各个所述液体容纳部是否有液体漏出。声光报警装置设置在所述机柜上；机柜门微动开关设置在所述机柜的门上。
所述多个通用输入/输出接口中的多个通用输入/输出接口还分别与各个漏液监测传感器、机柜门微动开关和声光报警装置连接。
可选的，所述控制模块200还包括人机交互模块220。人机交互模块220，用于接收用户输入的信息并发送给所述ARM处理器生成控制指令，以及显示所述水质监测装置的状态参数，以及对所述外部试样液体的化学需氧量的检测结果。对应的，所述RS232串口中的一个RS232串口与所述人机交互模块220连接。
人机接口主要用于接收用户输入和数据显示输出功能。传统的人机接口方案一般由显示屏及按键组成，由控制器直接驱动液晶显示屏，并实时扫描按键状态；然后，根据不同的按键输入，执行不同的程序功能模块。这种实现方法具有程序结构复杂、代码通用性差、调试困难、硬件接口线路多(近二十根线)、按键功能不明确(存在复用情况)等弊端。
标准人机界面模块(HMI)是随着工业化的大发展而出现的，由于采用了虚拟按键输入技术，所以，用户只需针对不同的实际应用需求，设计出相应的操作界面即可，而不必像传统方案那样，针对不同的应用需要设计不同的按键电路板，从而提高了系统的灵活性及通用性。另外，由于将耗时、耗资源的图形显示功能移出至HMI模块，使得主控板专注于实际功能的控制，提高了运行效率，简化了主控程序的设计。
经过上述比较分析，本系统人机接口采用HMI模块方案，它具有操作界面美观、软件编程方便、功能定义灵活、通用性强、硬件接口简单(仅三根通讯线)、易于升级等优点。
HMI人机界面有简易型和标准工控型，前者提供的组态控件不多，所以，只能设计出比较单一简单的界面，其价格相对比较便宜；而后者提供完整的组态控件，所以，可以设计出比较美观复杂的界面
对本实施例中的水质监测装置而言，侧重功能实现，所以，选用简易型HMI，其主要技术指标如下：分辨率：1024*600；触摸方式：电阻式；窗口尺寸：154*86(mm)；FLASH空间：20M字节；RAM空间：3.5K字节；工作电压：4.7V～7.0V；通讯接口：标准RS232；工作温度范围：-20℃～+70℃。
可选的，所述控制模块200还包括：数据传输模块，用于与外部终端连接，向所述外部终端发送数据，以及接收所述外部终端发送的数据并发送给所述ARM处理器生成控制指令。
一个实施例中，针对本系统每次数据传输量小，但在线时间长的应用特点，所述数据传输模块可选为按流量计费的GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)数据传输模块。
可选的，所述水质监测装置还包括：隔离型开关电源，为所述电器控制板(集成有ARM处理器)、人机交互模块和数据传输模块供电。较于传统工频变压器、整流桥加滤波电路组成的直流供电系统，开关电源具有体积小、重量轻、转换效率高、供电范围宽等优点，本实施例中选用隔离型开关电源为所述电器控制板、人机交互模块和数据传输模块供电。隔离型开关电源的主要技术指标如下：输入电压范围：AC 170V～265V/50Hz；输出电压电流：24V/5A；输出电压精度：±1％；电源转换效率：83％；输出电压纹波：100mV；温度漂移特性：0.02％/℃；工作温度范围：-10℃～+70℃；具有输出短路、过温保护功能；模块外形尺寸：199x98x38(mm)。
本实施例中的注射泵相较于传统的蠕动泵驱动技术，注射泵集驱动与计量于一身，通过精确的步进电机驱动计数，可达ul级的计量精度；而蠕动泵由于自身的结构特性存在蠕动管易老化，需定期更换；管路变形造成控制精度下降等弊端；要提高精度就需要另外配置光电计量杯，从而增加了系统的复杂程度、降低了可靠性。综上所述，本系统选用20ml注射泵作为动力源，其内部集成了步进电机、驱动控制电路，电气控制板只需通过标准RS232接口对其控制。
系统加电后，由电气控制板自动对系统进行自检操作，然后，根据用户配置参数进入自动工作模式；安装于机柜前面板上的7寸触摸屏用于实时显示系统的运行状态及各种测试数据，并由显示屏上的各种触摸按钮、数据框接受用户指令、数据输入，再通过标准RS232接口转发给电气控制板，从而实现仪器的人机互动操作。
可选的，所述多通道选择阀400为八通道选择阀，所述八通道选择阀设置有一个第一端口、一个第二端口、一个第三端口、一个第四端口和五个第五端口。第二端口至第五端口为八选一端口，即同一时间只会有一个端口在工作。所述多个液体容纳部包括用于容纳重铬酸钾混合液的第一液体容纳部601、用于容纳标准溶液的第二液体容纳部602、用于容纳零点标准液的第三液体容纳部603、用于容纳清洗液的第四液体容纳部604、用于容纳废液的第五液体容纳部605。各个所述第五端口分别与所述第一液体容纳部至所述第五液体容纳部中的一个液体容纳部连通。各个液体容纳部可以为储液瓶，但并不以此为限。
上述水质监测装置的核心控制功能即对试样进行在线检测，其测定原理依照《HJ/T 399-2007水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》标准，进行试样测定的基本流程如下所述：
201)控制模块200发出控制信号控制多通道选择阀400转向与第一液体容纳部601对应的连通管路；
202)控制模块200控制注射泵700吸取一定量的重铬酸钾混合液，然后，注射泵700停止；
203)控制模块200控制多通道选择阀400转向与试样液体1001对应的管路；
204)控制模块200控制注射泵700吸取一定量的试样液体1001，然后，注射泵700停止；
205)控制模块200控制多通道选择阀400转向消解比色机构500；
206)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的混合液推出至消解比色机构500，然后，注射泵700停止；
207)控制模块200控制多通道选择阀400转向空位，关闭消解比色机构500上端的电磁阀，使得消解比色机构500中盛放混合液的空间成为密闭空间；
208)控制模块200启动加热丝加热消解比色石英管，将温度控制在175℃，并保持15min；
209)停止加热，并启动降温风扇，当温度降至60℃时，停止风扇；
210)控制模块200控制所述分光光度计中的LED光源工作，采样分光光度计的信号电平，进行一定的算法处理后，得出试样的浓度值，然后，关闭LED光源；
211)控制模块200控制注射泵700转至与消解比色机构500对应的管路，将废液吸入储液环300，然后，注射泵700停止；
212)控制模块200控制多通道选择阀400转向废液管路；废液管路与一个液体容纳部对应，该液体容纳部用于盛放试验后的废液；
213)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的废液推出至用于盛放试验后的废液的液体容纳部，然后，注射泵700停止。
管路清洗流程如下所述：
301)控制模块200发出控制信号控制多通道选择阀400转向与第四液体容纳部604对应的管路；
302)控制模块200控制注射泵700吸取一定量的蒸馏水，然后，注射泵700停止；
303)控制模块200控制多通道选择阀400转向消解管路；
304)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的蒸馏水推出至消解比色石英管，停留3秒，然后，注射泵700反转，再停留3秒，反复2次后，将清洗液吸回储液环300；
305)控制模块200控制多通道选择阀400转向与第五液体容纳部605对应的管路；
306)控制模块200控制注射泵700将储液环300中的清洗液推出至第五液体容纳部605，然后，注射泵700停止；
307)重复301～306步多次，清洗完毕。
上述水质监测装置，具有如下特性：
1)结构简单：整个系统只需一台注射泵及一个8通道选择阀，比传统的多个蠕动泵、多个三通阀方案节省了空间、简化了控制流程；
2)通用性强：在不改变整机结构的前提下，只需改变程序控制流程及试剂，即可实现其它在线指标的监测，真正做到一机多用；
3)试剂用量少：由于传统的计量杯计量方式采用的是可视光电液位控制技术，其试剂的剂量控制无法做到ul级别，所以，整个测试所需的剂量只能在ml级别，但采用注射泵技术可以将试剂精度控制在1ul以下，从而可以实现ul级的检测，根据有关资料介绍，其试剂用量仅为传统的1/10，甚至更小；
4)检测速度快：快速消解分光光度法可免除显色、滴定试剂，简化了测定步骤；同时，由于采用高温高压密闭消解技术，将消解时间降至15min，从而大大减少了整个测定时间；据有关资料介绍一次测定时间最短可达25min左右；
5)技术先进：根据目前所搜集的资料分析，SIA技术在国际、国内还处于初步推广应用阶段，所以，具有一定的技术先进性，但相关的理论、实验室研究比较成熟，现在国内外的一些研究机构已经展开了第三代微流控芯片顺序注射技术的研究；
6)外形尺寸小：由于采用SIA技术，从而使得管路、控制系统设计得以简化，缩小了产品外形，降低了生产成本；
7)符合国标：检测原理按国标执行，为产品认证奠定基础。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水质监测装置，其特征在于，包括：
机柜；
控制模块，设置在所述机柜中，用于根据用户输入的信息生成控制指令；
储液环，设置在所述机柜中；
多通道选择阀，设置在所述机柜中，设置有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和多个第五端口；所述第一端口与所述储液环连通；所述第二端口与外部试样液体连通；所述第三端口与外部空气连通；
消解比色机构，设置在所述机柜中，与所述第四端口连通；
多个液体容纳部，设置在所述机柜中，每个所述液体容纳部与一个所述第五端口连通；
注射泵，设置在所述机柜中，与所述储液环连通；
其中，所述多通道选择阀，用于根据所述控制指令控制所述第二端口、第三端口、第四端口或一个所述第五端口打开，以使得所述第二端口、第三端口、第四端口和多个所述第五端口中的一个端口与所述储液环连通，从不同的端口抽取不同的试剂；
所述注射泵，用于根据所述控制指令将所述外部试样液体、一个所述液体容纳部中容纳的液体吸入到所述储液环中，以及将所述储液环中的液体推入至所述消解比色机构，以及将所述消解比色机构中的液体吸回至所述储液环中，以及将所述储液环中的液体推入至一个所述液体容纳部中；所述消解比色机构用于对进入所述消解比色机构中的液体进行比色处理；
所述控制模块，用于获取所述消解比色机构的比色处理数据并根据所述比色处理数据得到所述外部试样液体的化学需氧量的检测结果。
2.如权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，所述消解比色机构包括：
消解比色石英管，与所述第四端口连通，用于容纳进入所述消解比色石英管中的液体；
电磁阀，用于关闭所述第四端口，使得所述消解比色石英管为密闭空间；
温度传感器，用于根据所述控制指令对所述消解比色石英管进行检测，并将检测到的实时温度反馈给所述控制模块；
电热丝，与所述控制模块连接，用于对所述消解比色石英管进行加热；
散热风扇，用于对所述消解比色石英管进行降温；
过温保护开关，串接在所述电热丝的供电回路；
分光光度计，用于根据所述控制指令检测消解液的透光率，并对透过所述消解比色石英管的光线进行比色处理；
其中，在液体进入所述消解比色石英管后，所述控制模块控制所述电热丝对所述消解比色石英管进行加热至165℃后保持15分钟，然后停止加热并控制所述散热风扇对所述消解比色石英管进行降温；在所述温度传感器检测到的实时温度降低至60℃时，所述控制模块控制所述分光光度计工作。
3.如权利要求2所述的水质监测装置，其特征在于，所述控制模块包括ARM处理器和外围电路；
所述ARM处理器设置有RS232串口、PWM温控电路接口、MOSFET输出接口、桥式测量电路接口、通用输入/输出接口、定时器、SPI接口、A/D输入接口和电源接口，且所述ARM处理器自带RTC实时时钟；所述外围电路包括LED光源控制板和光电检测处理板；
所述RS232串口为多个，一个所述RS232串口与所述注射泵连接，一个所述RS232串口与所述多通道选择阀连接；
PWM温控电路接口与所述电热丝、所述过温保护开关和所述散热风扇连接；
MOSFET输出接口与所述电磁阀连接；
桥式测量电路接口，与所述温度传感器连接；
通用输入/输出接口，与所述LED光源控制板连接；所述LED光源控制板与所述分光光度计中的LED光源连接，用于为所述LED光源提供恒流驱动；
SPI接口与所述光电检测处理板连接；所述光电检测处理板与所述分光光度计中的硅光电二极管连接；
A/D输入端口用于采样所述分光光度计的比色处理数据，并转换为数字信号；
电源接口，与外部电源连接。
4.如权利要求3所述的水质监测装置，其特征在于，所述水质监测装置还包括：多个漏液监测传感器，分别设置在所述机柜底部，用于检测各个所述液体容纳部是否有液体漏出；
声光报警装置，设置在所述机柜上；
所述机柜的门上设置有机柜门微动开关；
所述多个通用输入/输出接口中的多个通用输入/输出接口还分别与各个漏液监测传感器、机柜门微动开关和声光报警装置连接。
5.如权利要求3所述的水质监测装置，其特征在于，所述控制模块还包括：人机交互模块，用于接收用户输入的信息并发送给所述ARM处理器生成控制指令，以及显示所述水质监测装置的状态参数，以及对所述外部试样液体的化学需氧量的检测结果；
所述RS232串口中的一个RS232串口与所述人机交互模块连接。
6.如权利要求5所述的水质监测装置，其特征在于，所述控制模块还包括：数据传输模块，用于与外部终端连接，向所述外部终端发送数据，以及接收所述外部终端发送的数据并发送给所述ARM处理器生成控制指令。
7.如权利要求6所述的水质监测装置，其特征在于，所述数据传输模块为按流量计费的GPRS数据传输模块。
8.如权利要求6所述的水质监测装置，其特征在于，所述水质监测装置还包括：隔离型开关电源，为所述ARM处理器、人机交互模块和数据传输模块供电。
9.如权利要求1至8任一项所述的水质监测装置，其特征在于，所述多通道选择阀为八通道选择阀，所述八通道选择阀设置有一个第一端口、一个第二端口、一个第三端口、一个第四端口和五个第五端口；
所述多个液体容纳部包括用于容纳重铬酸钾混合液的第一液体容纳部、用于容纳标准溶液的第二液体容纳部、用于容纳零点标准液的第三液体容纳部、用于容纳清洗液的第四液体容纳部、用于容纳废液的第五液体容纳部。
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