CN109406493A - 一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪及检测方法，采用液体阴极辉光放电的原理实现重金属分析，所述检测仪包括进样装置、与所述进样装置连接的激发源、与激发源的金属电极和液体阴极均连接的高压装置、接收和处理激发源输出光信号的数据采集与分析装置和放置所述上述所有部件的箱体。本发明的有益效果是：本发明的检测仪可同时对铬、镉、铅、汞和类金属砷多种元素进行检测，通过高性能STM32芯片实现对所有功能的控制和数据处理，不需借助PC机，通过触摸显示屏提高了整台重检仪的人机交互能力，实现重金属野外污染现场的实时快速检测。

Description

一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及原子光谱技术领域，尤其涉及一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪及检测方法。

背景技术

目前，应用于检测重金属的分析仪器种类比较多，仪器类别包括：原子光谱类仪器、紫外可见分光光度法(比色法)类仪器、电化学类仪器，以及一些可进行快速检测的简易装置和方法。原子光谱类仪器在重金属检测中比较有优势，如可检测的元素种类多、可同时检测多种元素、检出限高、使用方便、灵敏度高、检测速度快等优势。

紫外可见分光光度法(比色法)类仪器可对单一元素进行检测，一般每检测一个元素需要换一种显色剂，重金属检测时易受干扰，检出限高。电化学类仪器在重金属检测中应用较多是的溶出伏安法仪器。而重金属检测灵敏度高，可进行元素化学形态分析，但分析所用时间较长，抗干扰性差，维护成本高，而且重金属检测仪器大多是实验室大型仪器，受限于仪器体积大而笨重、价格昂贵、惰性气体消耗高、能耗高及测试费用高等因素，致使其只能在实验室内使用，无法实现现场原位检测，同时还增加了环保成本。

发明内容

针对目前重金属检测仪存在的一些问题，本发明对运用直流液体阴极辉光放电原子光谱法检测重金属的实验室分析仪器进行改进和设计，研制小型化的、便携式的、低成本的、可快速检测的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，采用液体阴极辉光放电的原理实现重金属分析，包括所述检测仪包括进样装置、与所述进样装置连接的激发源、与所述激发源的金属电极和液体阴极均连接的高压装置、接收和处理所述激发源输出光信号的数据采集与分析装置,和放置所述上述所有部件的箱体，所述进样装置包括第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一软管和第二软管，所述第一蠕动泵通过所述第一软管连接到所述激发源的玻璃毛细管，所述第二蠕动泵通过所述第二软管连接到所述激发源的排液管，所述液体阴极、玻璃毛细管和排液均连接到激发源液体池，所述激发源液体池上部与金属电极之间的区域为辉光放电区，所述金属电极通过阳极固定头固定在所述辉光放电区的上方，所述数据采集与分析装置包括光谱仪元件、与光谱仪元件进行通信连接的MCU和接收所述激发源输出光信号的凸透镜。

进一步地，所述金属电极为钨电极，所述液体阴极为石墨电极。

进一步地，所述高压装置包括高压模块，锂电池和控制板。

进一步地，所述控制板和高压模块都是采用锂电池供电的。

进一步地，所述高压模块中设置防浪涌器件，抑制浪涌电压电流的对各个模块的影响，采用割空电路板的方式增加所述高压装置与控制板的爬电距离。

进一步地，所述箱体整体为板壳结构，一侧外壳布满散热孔，其内部的加强筋和角柱均为高强铝合金，各个面板与筋、柱均为机械连接，内外表面均采用喷塑处理。

进一步地，所述激发源还包括激发源底盖和激发源上盖，其中所述激发源底盖和激发源上盖选用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，且两者之间采用螺纹连接。

进一步地，所述阳极固定头选用电磨机上使用的金属固定头，并在所述阳极固定头底部加工螺纹。

进一步地，所述MCU采用STM32芯片实现对所述高压模块、蠕动泵和光谱仪元件的控制。

为实现上述目的，本发明采用了另一种技术方案：一种重金属检测方法，利用所述便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪进行检测，包括以下步骤：

步骤S1：设置样品的进样速度；

步骤S2：进样时样品通过所述进样装置经所述玻璃毛细管导出进入所述激发源液体池；

步骤S3：通过所述高压模块在所述金属电极和液体阴极之间加上正电压形成所述辉光放电区，在辉光放电形成等离子体的同时,所述高压模块采集和控制所述激发源发生辉光放电时的放电电压和电流；

步骤S4：辉光放电过程中，所述激发源液体池中的样品不断被汽化，从而使得气化样品中的重金属离子进入等离子体中被激发而发出特征光谱；

步骤S5：所述光谱仪元件通过对特征光谱进行分析,得到样品中元素的种类和浓度信息。

本发明的有益效果是：本发明的检测仪可同时对铬、镉、铅、汞和类金属砷多种元素进行检测，通过高性能STM32芯片实现对所有功能的控制和数据处理，不需借助PC机，通过触摸显示屏提高了整台重检仪的人机交互能力，实现重金属野外污染现场的实时快速检测。

附图说明

图1是本发明一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的检测工作原理图；

图2是本发明一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的箱体3D结构示意图；

图3是本发明一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的激发源示意图；

图4是本发明一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的控制系统功能框图；

图5是本发明一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的检测流程图。

图中：1-进样装置、101-第一蠕动泵、102-第二蠕动泵、103-第一软管、104-第二软管、2-高压装置、201-控制板、202-锂电池、203-高压模块、3-激发源、301-金属电极、302-排液管、303-玻璃毛细管、304-液体阴极、305-辉光放电区、306-激发源底盖、307-阳极固定头、308-激发源上盖、309-激发源液体池、4-数据采集与分析装置、401-光谱仪元件、402-微控单元、403-凸透镜、5-箱体、501-观察窗、502-触摸显示屏、503-散热孔、504-第一挡板、505-第二挡板、506-抽气风扇。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪(以下简称“检测仪”)，采用液体阴极辉光放电的原理实现重金属分析，请参照附图1、图2和图3，所述检测仪包括进样装置1、与所述进样装置1连接的激发源3、与所述激发源3的金属电极301和液体阴极304均连接的高压装置2、接收和处理所述激发源3输出光信号的数据采集与分析装置4和放置所述上述所有部件的箱体5。所述进样装置1包括第一蠕动泵101、第二蠕动泵102、第一软管103和第二软管104，所述第一蠕动泵101通过所述第一软管103连接到所述激发源3的玻璃毛细管303，所述第二蠕动泵102通过所述第二软管104连接到所述激发源3的排液管302，所述液体阴极304、玻璃毛细管303和排液302均连接到激发源液体池309，所述激发源液体池309上部与金属电极301之间的区域为辉光放电区305，所述金属电极301通过阳极固定头307固定在所述辉光放电区305的上方，所述数据采集与分析装置4包括光谱仪元件401、与光谱仪元件401进行通信连接的微控单元(MCU)402和接收所述激发源3输出光信号的凸透镜403，所述高压装置2包括控制板201，锂电池202和高压模块203。

优选的，所述金属电极301为钨电极，所述液体阴极304为石墨电极。

优选的，所述第一蠕动泵101、第二蠕动泵102、控制板201和高压模块203都是采用所述锂电池202供电的。

具体的，其工作过程为：样品通过所述第一蠕动泵101经第一软管103、玻璃毛细管303进入激发源液体池309内，同时所述高压模块203在所述金属电极301和液体阴极304之间加上直流高压产生所述辉光放电区305，辉光放电过程中形成等离子体，辉光放电产生的热量使所述激发源液体池309内的样品气化，气化样品中的重金属离子进入等离子体中被激发而发出特征光谱，通过所述凸透镜403收集特征光谱，再经所述光谱仪元件401解析特征光谱得到样品中包含的重金属元素的种类和浓度信息，所述微控单元402负责处理检测仪运行时的数据和特征光谱采集、保存的数据以及控制模块的运行，最后废液经过所述排液管302、第二软管104回到蠕动泵102再排出。

为了进一步详细讲述检测仪的结构特点，所述箱体5的3D结构如图2所示，包括图A和图B，其中，图A和图B分别是所述箱体5的前视图和后视图，整个检测仪箱体5分为上下两层，在图A中，所述箱体5上层一侧(图中以左侧为例)为所述激发源3的所述辉光放电区305(图中未标示)，通过半透明观察窗501可以看到辉光放电形成的等离子体；另一侧(图中以右侧为例)为触摸显示屏502，用于数据输入和输出，是人与所述检测仪进行人机交互的重要途径，在所述触摸显示屏502上可以设置和显示工作参数(例如，放电电压、检测元素及波长、泵的转速、光谱仪工作参数等)，还可以控制部件(例如，高压模块203、光谱仪元件401等)的开关。下层一侧(图中以右侧为例)上部为所述高压模块203，为辉光放电提供能量，下部为供能锂电池202，为整个仪器提供电能，下层另一侧(图中以左侧为例)放置所述进样装置1。整个所述箱体5一侧(图中以右侧为例)外壳布满散热孔503，对所述箱体5进行有效的散热。

在图B中，所述箱体5上层一侧(图中以右侧为例)安装有所述激发源3，另一侧(图中以左侧为例)用于放置所述光谱仪元件401和安装抽气风扇506，所述抽气风扇506用于及时排出所述箱体5内产生的气体和热量；下层一侧(图中以左侧为例)安装仪器的控制板201。所述箱体5主要是电子部件、光学部件与液路的承载腔体，并通过下层中间的第一挡板504以及上下两层之间的第二挡板505实现了电子部件、光学部件与液路的隔离，同时使电子部件更好地工作。

所述箱体5整体为板壳结构，例如，外壳和挡板均为1.5mm铝板，内部的加强筋和角柱均为高强铝合金，使所述箱体5的重量相对钢板减轻了很多，并保证了强度要求。所述箱体5的各个面板与筋、柱均为机械连接，这样便于拆卸。在加工工艺方面，除所述箱体5的两侧板(图中未标示)均为活动件外，其余均先予以组装，然后进行喷塑处理。采用这种工艺，可以使塑料在融化时进入到组装的缝隙当中，起到减震和密封的作用；所述箱体5内外表面均采用喷塑处理，可以起到防化学腐蚀的作用，还可以起到美化仪器的作用。

所述激发源3是所述检测仪的核心器件之一，还包括激发源底盖306和激发源上盖308(参照图3)，其中所述激发源底盖306和激发源上盖308选用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，且两者之间采用螺纹连接；所述阳极固定头307需要能承受高压以及辉光放电时产生的高温，选用电磨机上使用的金属固定头，并在所述阳极固定头307底部加工螺纹。

通过设定以下条件实现所述激发源3进行液体阴极辉光放电：

(1)通过排液单元将所述激发源液体池309中的液面保持在一个合适的固定高度，因为样品的进样速度和供电高压的稳定是实现液体阴极辉光放电等离子体稳定存在并进行自持放电的关键。

(2)要求各电极固定方式装卸方便和固定所述金属电极301的模块耐高温，因为在辉光放电时，各电极会有一定的损耗，所以需要频繁更换，同时所述金属电极301会发热。

为了降低辉光放电所使用的高压对所述检测仪其它电路的影响，需要高压电路与其它电路进行隔离。同时，所述检测仪各个模块之间功率差异较大，在大功率模块启动时产生的浪涌电流会导致小功率模块无法正常工作，因此，需要增加抑制浪涌电流的模块以保证所述检测仪可以正常工作。

所述检测仪需要的电压主要包括：

(1)所述激发源3液体阴极辉光放电需要DC1000V的高压，5～60mA的电流。

(2)其它电路的供电电压，基于DC24V的所述锂电池202采用多种稳压芯片将电压降到各个模块工作时所需的电压。

所述激发源3液体阴极辉光放电所需的高压是通过高性能的所述高压模块203升高DC24V电压得到的，所述高压模块203内部已经实现了输出高压与DC24V电压之间的隔离。为降低所述高压模块203对所述控制板201造成影响，要求两者之间的距离(爬电距离)越远越好，但限于所述高压装置2的大小，采用割空电路板方式增加两者之间的爬电距离。在所述控制板201中，各模块的相互隔离经常利用稳压器、二极管、电阻等元器件实现。所述高压模块203中设置防浪涌器件，抑制浪涌电压和电流对各个模块的影响。

如图4所示，为所述检测仪控制系统功能框图，所述MCU402负责处理由所述高压模块203中的电流、电压传感器采集的所述检测仪运行时的数据、控制模块的运行以及光谱的采集保存和处理。所述MCU402采用STM32芯片实现对所有模块的控制，无需再借助PC机，增加了所述检测仪的便携性，使用STM32芯片实现对光谱数据的保存和分析。STM32芯片存储数据的方式分为三种：借助外部FLASH、直接利用SD卡扇区形式和利用SD卡借助FATFS文件系统以文本形式保存数据。

采集的数据有放电电压和电流，控制的模块包括所述高压模块203、蠕动泵101、触摸显示屏502和光谱仪元件401。其中，所述触摸显示屏502用于设定各个模块的运行参数和显示采集的数据；所述光谱仪元件401负责光谱数据的采集，其每次采集的数据大小为2Byte×3648(数据个数)。所述检测仪控制系统的设计主要分为软、硬件两个部分，硬件设计主要包括数据采集电路和控制元器件电路，实现仪器的智能化和自动化；软件主要与硬件结合实现检测仪的运行参数采集、模块控制以及光谱的采集保存分析等。

本发明还公开了一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪的检测方法，基于上述所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪进行检测，如图5所示，包括以下步骤：

步骤S1：设置样品的进样速度；

步骤S2：进样时样品通过所述进样装置1经所述玻璃毛细管303导出进入所述激发源液体池309；

步骤S3：通过所述高压模块203在所述金属电极301和液体阴极304之间加上正电压形成所述辉光放电区305，在辉光放电形成等离子体的同时，所述高压模块采集和控制所述激发源3发生辉光放电时的放电电压和电流；

步骤S4：辉光放电过程中，所述激发源液体池309中的样品不断被汽化，从而使得气化样品中的重金属离子进入等离子体中被激发而发出特征光谱；

步骤S5：所述光谱仪元件401通过对特征光谱进行分析，得到样品中元素的种类和浓度信息，即实现对重金属元素的检测。

本发明的有益效果是：本发明的检测仪可同时对铬、镉、铅、汞和类金属砷多种元素进行检测，通过高性能STM32芯片实现对所有功能的控制和数据处理，不需借助PC机，通过触摸显示屏提高了整台检测仪的人机交互能力，实现重金属野外污染现场的实时快速检测。

值得说明的是：在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上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。

Claims (10)

1.一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，采用液体阴极辉光放电的原理实现重金属分析，其特征在于：所述检测仪包括进样装置、与所述进样装置连接的激发源、与所述激发源的金属电极和液体阴极均连接的高压装置、接收和处理所述激发源输出光信号的数据采集与分析装置，和放置所述上述所有部件的箱体，所述进样装置包括第一蠕动泵、第二蠕动泵、第一软管和第二软管，所述第一蠕动泵通过所述第一软管连接到所述激发源的玻璃毛细管，所述第二蠕动泵通过所述第二软管连接到所述激发源的排液管，所述液体阴极、玻璃毛细管和排液均连接到激发源液体池，所述激发源液体池上部与金属电极之间的区域为辉光放电区，所述金属电极通过阳极固定头固定在所述辉光放电区的上方，所述数据采集与分析装置包括光谱仪元件、与光谱仪元件进行通信连接的MCU和接收所述激发源输出光信号的凸透镜。

2.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述金属电极为钨电极，所述液体阴极为石墨电极。

3.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述高压装置包括高压模块，锂电池和控制板。

4.根据权利要求3所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述控制板和高压模块都是采用锂电池供电的。

5.根据权利要求3所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述高压模块中设置防浪涌器件，抑制浪涌电压电流的对各个模块的影响，采用割空电路板的方式增加所述高压装置与控制板的爬电距离。

6.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述箱体整体为板壳结构，一侧外壳布满散热孔，其内部的加强筋和角柱均为高强铝合金，各个面板与筋、柱均为机械连接，内外表面均采用喷塑处理。

7.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述激发源还包括激发源底盖和激发源上盖，其中所述激发源底盖和激发源上盖选用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，且两者之间采用螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述阳极固定头选用电磨机上使用的金属固定头，并在所述阳极固定头底部加工螺纹。

9.根据权利要求1所述的一种便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪，其特征在于：所述MCU采用STM32芯片实现对所述高压模块、蠕动泵和光谱仪元件的控制。

10.一种重金属检测方法，利用权利要求1所述的便携式液体阴极辉光放电重金属检测仪进行检测，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：设置样品的进样速度；

步骤S2：进样时样品通过所述进样装置经所述玻璃毛细管导出进入所述激发源液体池；

步骤S3：通过所述高压模块在所述金属电极和液体阴极之间加上正电压形成所述辉光放电区,在辉光放电形成等离子体的同时，所述高压模块采集和控制所述激发源发生辉光放电时的放电电压和电流；

步骤S4：辉光放电过程中，所述激发源液体池中的样品不断被汽化，从而使得气化样品中的重金属离子进入等离子体中被激发而发出特征光谱；

步骤S5：所述光谱仪元件通过对特征光谱进行分析，得到样品中元素的种类和浓度信息。