CN109975225B - 一种水质总磷在线分析仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水质总磷在线分析仪及其检测方法，分析仪包括：试剂计量组件、消解反应组件、反应池组件、比色光电检测组件、单片机，试剂计量组件通过液体输送通道与消解反应组件、反应池组件连接，消解反应组件通过液体输送通道与反应池组件连接，反应池组件还通过液体输送通道与比色光电检测组件连接，单片机用于与各组件中电子元器件连接。本发明将进样、消解、反应、比色测量等步骤全自动化，能够实现对水中总磷含量的自动、快速、精确分析，具有计量精确、稳定性好、消解温度相对较低等优点，为水质总磷长期准确监测提供可靠保障。

Description

一种水质总磷在线分析仪及其检测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，涉及一种水质在线分析仪器，更为具体的说是涉及一种水质总磷在线分析仪及其检测方法。

背景技术

磷作为一种营养物质，以元素磷、正磷酸盐和有机磷等多种形式存在于水体中，是水中动植物，尤其是藻类生长的关键营养物质之一。我国地表水环境质量标准规定，Ⅲ类水总磷(TP)含量不超过0.05mg/L，含磷量过高将造成水体富营养化，引起水华和水体黑臭，如长江支流香溪河库因总磷超标自2003年后每年多次“水华”，持续范围逐渐变大(李露等，湖北理工学院学报，2017，33:12-18)。当下水体恶化问题已引起了广泛重视，2015年我国环保部正式颁布《水污染防治行动计划》以及2016年中共中央办公厅国务院办公厅印发的《关于全面推行河长制的意见》中，总磷都是关键监测参数之一。

对于总磷分析仪来说，试剂计量精确是保证监测结果准确的关键影响因素，而目前市场上生产和销售的多数产品中，试剂计量装置均采用蠕动泵计量，蠕动泵中的泵管在长期转动挤压中极易老化变形、造成计量误差。此外，总磷检测中常用试剂过硫酸钾具有强氧化性、硫酸具有强腐蚀性，会进一步缩短泵管的使用寿命。同时，多数现有总磷分析仪检测步骤包含对水样的消解，消解温度高，需要一定的压力，消解时间较长，仪器功耗大。

发明内容

针对目前总磷在线分析仪器存在的蠕动泵计量时泵管老化变形造成的试剂计量误差，消解温度高且检测时间过长等难题，本发明提出了一种计量精确、稳定性好、消解温度相对较低，检测总耗时短的水质总磷在线分析仪及其检测方法，为水质总磷长期准确监测提供可靠保障。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水质总磷在线分析仪，包括：试剂计量组件、消解反应组件、反应池组件、比色光电检测组件、单片机，所述试剂计量组件通过液体输送通道与消解反应组件、反应池组件连接，所述消解反应组件通过液体输送通道与反应池组件连接，所述反应池组件还通过液体输送通道与比色光电检测组件连接，所述单片机用于与各组件中电子元器件连接；

所述试剂计量组件包括三支透明计量管，每支计量管的下端均连接一个三通电磁液阀，上端均连接一个三通电磁气阀，各三通电磁气阀均与第一蠕动泵连接，各计量管的上部和下部两侧分别设有一对光电开关，各光电开关向计量管上端相对应的三通电磁气阀输出信号控制三通电磁气阀的开关，各三通电磁液阀的下端口通过管道分别连接到三个试剂瓶中，其中一个三通电磁液阀右端通过管道连接到第一三通接头，另外两个三通电磁液阀右端通过液体输送通道连接到反应池；

所述消解反应组件包括消解腔、加热装置和温度传感器，消解腔内伸入紫外灯管；紫外灯管、加热装置、温度传感器分别和单片机具有电连接；消解腔底部连接第二三通接头；

所述反应池组件包括反应池和搅拌电机，搅拌电机与搅拌扇叶连接，搅拌扇叶设置在反应池内，反应池底部与第一转换阀左侧下端连接；

所述比色光电检测组件包括设置在一侧的LED光源，另一侧设置有光电检测器，光电检测器表面覆有滤光片，LED光源和光电检测器之间依次设置有第一凸透镜、中部具有通孔的挡板、比色池、第二凸透镜；LED光源、光电检测器分别与单片机具有电连接，所述第一凸透镜用于汇聚自LED光源发出的光线，该光线穿过挡板上的通孔照射到比色池上，所述第二凸透镜用于汇聚透过比色池的光线，该光线被所述光电检测器接收后传输至单片机；比色池与第五三通电磁液阀一端连接；

所述第二三通接头还分别通过管道与第一三通接头和第三三通接头连接，第三三通接头两端口分别通过管道连接两通电磁液阀和第一转换阀左侧上端，两通电磁液阀通过管道连通至反应池内，第一三通接头另一端口还通过管道与第四三通接头连接，第四三通接头还通过管道连接第二蠕动泵和第四三通电磁液阀，第四三通电磁液阀还通过管道与反应池和第三蠕动泵连接，第三蠕动泵通过管道与第四试剂瓶连接，第一转换阀右侧与第四蠕动泵连接，第四蠕动泵还连接着第二转换阀左侧，第二转换阀右侧下端连通大气，右侧上端连接至第五三通电磁液阀，第五三通电磁液阀还连接至废液排放口。

进一步的，所述透明计量管上具有一球形腔体，所述球形腔体位于两对开关之间或低于下端光电开关。

进一步的，所述消解腔采用双层中空夹层结构，上端开口放入紫外灯管，下端闭口，消解腔设置有进样口连通到夹层中，最外层设有避光层。

进一步的，所述消解腔外还整体包裹有隔热层。

进一步的，所述紫外灯管发射波长为超短紫外线UVC。

进一步的，所述比色池两端为漏斗形。

进一步的，消解腔、比色池、反应池均设置有溢流口，各溢流口及废液排放口均连接至总废液通道。

本发明还提供了水质总磷在线分析仪的检测方法，包括如下步骤：

步骤1，管路润洗

打开第二蠕动泵抽取水样，使水样依次经过消解腔、反应池和比色池最终排出，即完成管路的润洗；

步骤2，水样消解

试剂1经过试剂计量组件抽取和计量，一定体积的试剂1被注入消解腔，随后第二蠕动泵打开抽取水样注入消解腔中，试剂1和水样在消解腔中混匀；此时，加热装置开始加热，紫外灯打开，同时第四蠕动泵逆时针转动向消解腔中鼓吹空气，使得其中的水样发生彻底的消解反应；

步骤3，空白测试

消解腔中经过消解反应后得到的消解液进入反应池中；第四蠕动泵打开顺时针转动，反应池中部分消解液被注入到比色光电检测组件中进行光电检测，得到背景吸光度为A1；

步骤4，水样吸光度测量

试剂2及试剂3经过试剂计量组件抽取和计量，一定量的试剂2及试剂3被注入到反应池中，通过电机搅拌使试剂2和试剂3与原有消解液混合均匀，发生显色反应，反应完全后得到显色液；随后，反应池中的显色液被注入到比色光电检测组件中进行光电检测，得到显色液的吸光度为A2；水样实际吸光度值为A＝A2-A1；

步骤5，计算水样浓度

根据仪器内置的标准曲线A＝K·c+b，其中A为吸光度，K为曲线斜率，c为浓度，b为曲线截距，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度c＝(A-b)/K；

步骤6，管路清洗

管路清洗时打开第三蠕动泵抽取蒸馏水，通过第四三通电磁液阀依次经过消解腔、反应池和比色池最终排出，重复两次即完成管路的清洗。

进一步的，所述试剂1为40g/L过硫酸钾溶液，其中含10％1+1硫酸(V/V)；试剂2的组成为100g/L抗坏血酸，为了提高抗坏血酸的稳定性，其中含0.1％1+1硫酸(V/V)、0.5％β-巯基乙醇(V/V)；试剂3的组成为每500mL溶液含13g钼酸铵、0.35g酒石酸锑钾。

进一步的，所述步骤2中，试剂1加入量为每10mL水样中加入0.5mL；步骤4中，每10mL显色液中含0.2mL试剂2、0.4mL试剂3。

进一步的，所述步骤1中消解反应温度为90-95℃，消解时间为10-20min。

进一步的，所述步骤4中水样显色反应完全的时间为4-10min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明提供的分析仪将消解、进样、反应、比色测量等步骤全自动化，能够实现对水中总磷含量的自动、快速、精确分析。

2.本发明提供的检测方法提高了水质总磷在线分析仪的检测效率、提高了检测数据的可靠性，减少了仪器使用维护的工作量，应用前景广阔。

3.本发明中试剂自动化计量方式可以通过调整计量管内径或光电开关的位置来调节试剂计量体积大小，计量精度高，稳定性好；石英计量管耐腐蚀耐氧化，避免了蠕动泵计量方式中泵管老化变形带来的计量误差大和维护成本高等缺点。

4.消解反应采用紫外光辅助催化氧化消解技术，可以促进消解反应，降低消解反应温度和压力，不需要加压设备，提高安全性，缩短消解时间。

5.本发明优化了总磷显色试剂组成和配比(试剂2、试剂3)，相较国标方法(国标方法中总磷(GB 11893-89)显色反应时间为15min)缩短显色反应时间至4-10min，并通过添加稳定剂延长了试剂的保存时间。

6.比色光电检测组件中使用的凸透镜、中部通孔的挡板及滤光片可以有效避免光散射干扰，提高测量的准确性，同时在比色池内部腔体中设计倒锥形的漏斗结构，使废液在清洗的时候能够从比色池彻底排除干净，减少仪器的维护量。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的水质总磷在线分析仪结构示意图。

图2为本发明实施例一提供的水质总磷在线分析仪中比色光电检测组件结构示意图。

图3为本发明实施例一中其中一根计量管结构示意图。

附图标记说明：

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一：

如图1所示，本发明提供的水质总磷在线分析仪结构主要包括试剂计量组件M、消解反应组件X、反应池组件R、比色光电检测组件E及单片机，此外分析仪还连接有若干蠕动泵用于抽送水样及蒸馏水。各组件之间通过若干液体输送通道连接，液体输送通道包括若干管道、接头和阀门。试剂计量组件M通过液体输送通道分别将试剂输送至消解反应组件X及反应池组件R中，消解反应组件X和反应池组件R连接，反应池组件R和比色光电检测组件E连接。所有蠕动泵、各电磁阀门、各组件中的电子元器件均与单片机具有电连接，向单片机传输信号并受单片机控制。单片机控制其中部分电子元器件的工作。

具体的说，试剂计量组件M包含三支透明石英计量管(B1-B3)，三支计量管的下端分别连接三通电磁液阀(L1-L3)，上端分别连接三通电磁气阀(A1-A3)，三通电磁气阀(A1-A3)连接第一蠕动泵P1。三支计量管的两侧偏上及偏下部位分别设有一对光电开关(G1/G2、G3/G4、G5/G6)，每个光电开关包含一对红外线发射端和红外线接收端，紧密固定在同一计量管的两侧。光电开关位置根据所需计量试剂的体积大小确定，当试剂液流经计量管处光电开关的位置时会引起光电开关两端电压的变化，各光电开关向计量管上端相对应的三通电磁气阀输出信号控制三通电磁气阀的开关，从而控制相应的试剂体积计量。如图3所示，所测量的试剂体积V与两个光电开关之间的距离h之间的关系为：V＝πr²×h，其中r为石英计量管的内半径大小。石英计量管上设有一球形腔体，球形腔体可以有效避免抽取液体时产生气泡对体积测量造成的干扰，大幅降低误差；基于此蠕动泵也不再需要严格的控制转速，提高了计量的速度。三通电磁液阀(L1-L3)的下端口通过液体输送通道连接到三个试剂瓶(S1、S2、S3)中，三通电磁液阀L1右端通过液体输送通道连接到第一三通接头C1，三通电磁液阀(L2、L3)通过液体输送通道连接到反应池R2。

消解反应组件X主体为石英消解腔X6，底部连接第二三通接头C2，外部包裹加热片X2，加热片X2与消解腔X6中间嵌入温度传感器X1，消解腔X6上端开口使得紫外灯管X3能够从上部开口中插入消解腔中。紫外灯X3发射波长为超短紫外线UVC。紫外线对部分化学反应具有催化作用，用在此处可以催化总磷消解，从而降低消解反应温度，同时不需要额外加压，而波长短的UVC比UVA及UVB可产生更强的光催化作用。消解腔整体为双层中空夹层结构，底部中央设置进样口连通到夹层中，水样和试剂1进入到双层中空夹层结构中进行消解反应。石英消解腔X6外层镀银漆，用于隔绝光线，避免紫外光外泄。以石英消解腔X6、外部加热片X2及温度传感器X1为整体，其外部包裹隔热海绵层X4，防止加热片X2热量逸散。紫外灯X3、加热片X2、温度传感器X1分别与单片机电连接，加热片X2受单片机控制，单片机采集温度传感器X1的数据，并控制加热片X2间断打开，保持反应温度稳定。当水样和试剂1进入消解腔X6后，加热片X2开始加热，同时紫外灯X3打开；另外，转换阀H1左侧上端打开，下端关闭，转换阀H2右侧下端打开，上端关闭；蠕动泵P4逆时针转动，不断向消解腔X6中鼓入空气，当达到消解温度后，加热片X2间歇性开启保持反应温度恒定，使得其中水样发生彻底的消解反应；石英消解腔X6侧面中上部还设置有消解腔溢流口X5，用于在消解腔内液位过高时进行溢流。

反应池组件R由石英反应池R2和搅拌电机组成R1组成。石英反应池R2连接有多路通道，具体包括上述与三通电磁液阀(L2、L3)连接的两路液体输送通道、一路与第四三通电磁液阀L4连接的液体输送通道和一路与两通电磁液阀D1连接的液体输送通道，反应池底部还连接一路液体输送通道到转换阀H1左侧下端。搅拌电机R1的电机部分固定在反应池R2上方，搅拌扇叶由电机控制，扇叶置于反应池R2内部。石英反应池R2侧面中上部还设置有反应池溢流口R3，用于在反应池内液位过高时进行溢流。

比色光电检测组件E整体外壳为不透明盒体，表面氧化处理成黑色，具有良好的防锈效果，且黑色能够吸收光线，防止外界光对测试结果产生干扰。如图2所示，其一侧设置有单色LED发光二极管E1，另一侧设置有硅光电池E7，光电池表面覆有滤光片E8，LED光源E1和硅光电池之间依次设置有第一凸透镜E2、中部具有通孔的挡板E3、石英比色池E4、第二凸透镜E6。比色池E4上还设置有比色池溢流口E5，用于比色池溢流。石英比色池E4内部带有倒锥形的漏斗结构，便于排空。LED光源E1与单片机电连接，硅光电池E7受光照产生的电压信号被单片机接收。LED光源E1的单色光经过第一凸透镜E2聚光，穿过挡板E3中部的通孔后，照射到比色池E4上，透过比色池E4再经过第二凸透镜E6聚光，最后经过窄带滤光片E8到达硅光电池E7，硅光电池E7接收光信号并将其转化成电信号。比色池与第五三通电磁液阀L5连接，第五三通电磁液阀L5其中一个接口与废液排放口Y2连接排放废液。

液体输送通道中的各条管道均应采用耐氧化、耐腐蚀软管。液体输送通道结构如图1所示，其中第一三通接头C1中两个接口分别通过管道连接第二三通接头C2和第四三通接头C4，第二三通接头C2连接第三三通接头C3，第三三通接头C3连接两通电磁液阀D1和转换阀H1左侧上端，第四三通接头C4连接第二蠕动泵P2和第四三通电磁液阀L4；转换阀H1左侧下端连接反应池R2底端出液口，右侧连接第四蠕动泵P4；转换阀H2左侧连接第四蠕动泵P4，右侧上端连接第五三通电磁液阀L5，右侧下端连接大气Y1。

消解腔溢流口X5、比色池溢流口E5、反应池溢流口R3以及废液排放口Y2均连接到总废液通道上，总废液通道连接废液桶。

三通电磁液阀(L1-L5)的一端如果关闭则另外两端联通；转换阀(H1、H2)同侧上下两端如果一端打开则另一端关闭。

本发明基于上述水质总磷在线分析仪对水质进行检测，试剂1为40g/L过硫酸钾溶液，其中含10％1+1硫酸(V/V)；试剂2的组成为100g/L抗坏血酸，为了提高抗坏血酸的稳定性，其中含0.1％1+1硫酸(V/V)、0.5％β-巯基乙醇(V/V)；试剂3的组成为每500mL溶液含13g钼酸铵、0.35g酒石酸锑钾。

分析仪初始状态：三通电磁气阀(A1-A3)、两通电磁液阀D1保持关闭，三通电磁液阀L1-L3右端关闭，第四三通电磁液阀L4上端关闭，第五三通电磁液阀L5右端关闭；蠕动泵P1-P4保持关闭。

具体地说，本发明提供的检测方法，包括如下步骤：

第一步，管路润洗：打开第二蠕动泵P2抽取水样，第四三通电磁液阀L4上端关闭，三通电磁液阀L1右端关闭，水样经过液体输送通道到消解腔X6中；第二蠕动泵P2关闭，两通电磁液阀D1打开，消解腔X6中水样通过重力作用向下通过两通电磁液阀D1流入反应池R2中。电机R1启动，对反应池R2中水样进行搅拌清洗，10s后电机R1停止，第四蠕动泵P4开始抽反应池R2中水样，三通电磁气阀L5右侧关闭，转换阀H1左侧下端及转换阀H2右侧上端打开，水样流入到比色池E4；多余水样由溢流口E5排出，当溢流口无液体流出时，三通电磁气阀L5左右端打开，下端关闭，排出比色池中水样，即完成管路清洗。

第二步，水样消解：三通电磁气阀A1打开，第一蠕动泵P1顺时针转动将试剂1从S1抽入透明石英计量管B1中。计量管内径为4mm，上下位置光电开关相距15.9cm。当试剂1液位升到计量管上端的光电开关G1的位置时引起光电开关两端电压变化，三通电磁气阀A1关闭，第一蠕动泵P1也停止转动。接下来第一蠕动泵P1逆时针转动，三通电磁液阀L1下侧关闭，试剂1沿着管路被注入到消解腔X6中，试剂1加入量为2mL，当试剂1液位降低到计量管下端的光电开关G2的位置时，三通电磁气阀A1关闭，第一蠕动泵P1停止转动，三通电磁液阀L1右端关闭。

随后第二蠕动泵P2逆时针转动，抽取40mL水样到消解腔X6中和试剂1混合均匀。完成进样后，第二蠕动泵P2停止转动，加热片X2开始加热，紫外灯X3打开，紫外灯光波长为185nm。温度传感器X1实时监测消解腔X6加热温度，单片机采集温度传感器X1温度数据并控制加热片X2开关，使消解腔X6温度稳定在90℃。同时，转换阀H1左侧上端打开，转换阀H2右侧下端打开连接大气Y1，第四蠕动泵P4逆向转动，经过第三三通接头C3、C2向消解腔X6中鼓入空气，加速总磷的消解反应。10min后，第四蠕动泵P4关闭，紫外灯X3及加热片X2关闭，消解反应完成，得到完成消解的水样消解液。

第三步，空白测试：转换阀H1左侧下端打开，转换阀H2右侧上端打开，两通电磁液阀D1打开，消解液因重力作用流入反应池R2中。第四蠕动泵P4顺时针转动，向比色光电检测组件E中注入部分消解液，当消解液充满比色池E4时，第四蠕动泵P4停止转动，此时反应池R2中的消解液还剩余原体积的一半。LED光源E1打开，发光波长为710nm，光束经过比色池E4和滤过波长为700-720nm的滤光片E8到达硅光电池E7，记录此时硅光电池产生的电信号，测得空白消解液的吸光度为A1。滤光片中心波长为710nm，半带宽10nm。

第四步，比色测量：两通电磁气阀(A2、A3)打开、第一蠕动泵P1顺时针转动，试剂2和试剂3分别被抽入到对应的透明石英计量管(B2、B3)中。当试剂液位升到透明石英计量管(B2、B3)上端的光电开关(G3、G5)的位置时引起光电开关(G3、G5)两端电压的变化，三通电磁液阀(L2、L3)下侧关闭，单片机命令第一蠕动泵P1逆时针转动，试剂液(S2、S3)被注入反应池R2中，当试剂液位降低到计量管下端的光电开关(G4、G6)的位置时，单片机接收到光电开关信号命令第一蠕动泵P1关闭，三通电磁液阀(L2、L3)右端关闭及两通电磁气阀(A2、A3)关闭，每10mL消解液中加入0.2mL试剂2、0.4mL试剂3后得到反应液。电机R1启动，对反应池R2内反应液进行搅拌混匀，10min后反应完全，得到显色液，电机R1停止转动，第四蠕动泵P4正向抽液，显色液被抽入比色池E4中使其充满，多余反应液由溢流口E5排出，第四蠕动泵P4停止转动。LED光源E1发出的光束经过比色池E4和滤光片E8到达硅光电池E7，记录此时硅光电池E7产生的电信号，测得显色液的吸光度为A2。接着，第五三通电磁液阀L5左右端打开，下端关闭，排出比色池E4中剩余的反应液。

第五步，管路清洗：

第四三通电磁液阀L4左侧关闭，打开第三蠕动泵P3抽取蒸馏水试剂瓶S4中的蒸馏水，蒸馏水通过第四三通电磁液阀L4、三通接头(C4、C1、C2)进入消解腔X6。第三蠕动泵P3关闭，两通电磁液阀D1打开，消解腔X6中水样通过重力作用向下通过两通电磁液阀D1流入反应池R2中。电机R1启动，对反应池R2中蒸馏水进行搅拌清洗，10s后电机停止，第四蠕动泵P4开始抽反应池R2中水样，三通电磁气阀L5右侧关闭，蒸馏水流入到比色池E4；多余蒸馏水由溢流口E5排出，当溢流口无液体流出时，三通电磁气阀L5左右端打开，下端关闭，排出比色池E4中蒸馏水，即完成管路清洗，该步骤重复两次即完成管路的清洗。

水样的实际吸光度为：A＝A2-A1

根据仪器内置的标准曲线A＝K·c+b(其中A为吸光度，K为曲线斜率，c为浓度，b为曲线截距)，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度c＝(A-b)/K。

实施例二：

本实施例的水质总磷在线分析仪结构与组成与实施例1相同。

本例采用的试剂1为40g/L过硫酸钾溶液，其中含10％1+1硫酸(V/V)；试剂2的组成为100g/L抗坏血酸，为了提高抗坏血酸的稳定性，其中含0.1％1+1硫酸(V/V)、0.5％β-巯基乙醇(V/V)；试剂3的组成为每500mL溶液含13g钼酸铵、0.35g酒石酸锑钾。

初始状态：三通电磁气阀(A1-A3)，两通电磁液阀D1保持关闭，三通电磁液阀(L1-L3)右端关闭，第四三通电磁液阀L4上端关闭，第五三通电磁液阀L5右端关闭；所有蠕动泵(P1-P4)保持关闭。本例提供的检测方法，具体包括以下步骤：

第一步，管路润洗：打开第二蠕动泵P2抽取水样，第四三通电磁液阀L4上端关闭，三通电磁液阀L1右端关闭，水样经过液体输送通道到消解腔X6中；第二蠕动泵P2关闭，两通电磁液阀D1打开，消解腔X6中水样通过重力作用向下通过两通电磁液阀D1流入反应池R2中。电机R1启动，对反应池R2中水样进行搅拌清洗，10s后电机停止，第四蠕动泵P4开始抽反应池R2中水样，三通电磁气阀L5右侧关闭，转换阀H1左侧下端及转换阀H2右侧上端打开，水样流入到比色池E4；多余水样由溢流口E5排出，当溢流口无液体流出时，三通电磁气阀L5左右端打开，下端关闭，排出比色池E4中水样，即完成管路清洗。

第二步，水样消解：三通电磁气阀A1打开，第一蠕动泵P1顺时针转动将试剂1从S1抽入透明石英计量管B1中。透明石英计量管B1内径为4mm，上下光电开关(G1、G2)相距15.9cm。当试剂1液位升到透明石英计量管B1上端的光电开关G1的位置时引起光电开关G1两端电压变化，三通电磁气阀A1关闭，第一蠕动泵P1也停止转动。接下来第一蠕动泵P1逆时针转动，三通电磁液阀L1下侧关闭，试剂1沿着管路被注入到消解腔X6中，试剂1加入量为2mL。当试剂1液位降低到透明石英计量管B1下端的光电开关G2的位置时，三通电磁气阀A1关闭，第一蠕动泵P1停止转动，三通电磁液阀L1右端关闭。

随后，第二蠕动泵P2逆时针转动，抽取40mL水样到消解腔X6中和试剂1混合均匀。完成进样后，第二蠕动泵P2停止转动，加热片X2开始加热，紫外灯X3打开，紫外灯X3发射波长为185nm。温度传感器X1实时监测消解腔X6加热温度，单片机采集温度传感器X1温度数据并控制加热片X2开关，使消解腔X6温度稳定在95℃。同时，转换阀H1左侧上端打开，转换阀H2右侧下端打开连接大气Y1，第四蠕动泵P4逆向转动，经过三通接头(C3、C2)向消解腔X6中鼓入空气，紫外灯X3将空气中的氧气转化为具有强氧化性的臭氧，加速总磷的消解反应。20min后，第四蠕动泵P4关闭，紫外灯X3及加热片X2关闭，消解反应完成，得到完成消解的水样(消解液)。

第三步，空白测试：转换阀H1左侧下端打开，转换阀H2右侧上端打开，两通电磁液阀D1打开，消解液因重力作用流入反应池R2中。第四蠕动泵P4顺时针转动，向比色光电检测组件E中注入部分消解液，当消解液充满比色池E4时，第四蠕动泵P4停止转动，此时反应池R2中的消解液还剩余原体积的一半。LED光源E1打开，发光波长为710nm，光束经过30mm比色池E4和滤过波长为700-720nm的滤光片E8到达硅光电池E7，记录此时硅光电池E7产生的电信号，测得空白消解液的吸光度为A1。

第四步，比色测量：两通电磁气阀(A2、A3)打开、第一蠕动泵P1顺时针转动，试剂2和试剂3分别被抽入到对应的透明石英计量管(B2、B3)中。当试剂液位升到透明石英计量管(B2、B3)上端的光电开关(G3、G5)的位置时引起光电开关(G3、G5)两端电压的变化，三通电磁液阀(L2、L3)下侧关闭，单片机命令第一蠕动泵P1逆时针转动，试剂液(S2、S3)被注入反应池R2中，当试剂液位降低到透明石英计量管(B2、B3)下端的光电开关(G4、G6)的位置时，单片机接收到光电开关(G4、G6)信号命令第一蠕动泵P1关闭，三通电磁液阀(L2、L3)右端关闭及两通电磁气阀(A2、A3)关闭，每10mL消解液中加入0.2mL试剂2、0.4mL试剂3后得到反应液。电机R1启动，对反应池R2内反应液进行搅拌混匀，4min后反应完全，得到显色液，电机R1停止转动，第四蠕动泵P4正向抽液，显色液被抽入比色池E4中使其充满，多余显色液由溢流口E5排出，第四蠕动泵P4停止转动。LED光源E1发出的光束经过比色池E4和滤光片E8到达硅光电池E7，记录此时硅光电池E7产生的电信号，测得显色液的吸光度为A2。接着，第五三通电磁液阀L5左右段打开，下端关闭，排出比色池中E4剩余的显色液。

第五步，管路清洗：第四三通电磁液阀L4左侧关闭，打开第三蠕动泵P3抽取蒸馏水试剂瓶S4中的蒸馏水，蒸馏水通过第四三通电磁液阀L4、三通接头(C4、C1、C2)进入消解腔X6。第三蠕动泵P3关闭，两通电磁液阀D1打开，消解腔X6中蒸馏水通过重力作用向下通过两通电磁液阀D1流入反应池R2中。电机R1启动，对反应池R2中蒸馏水进行搅拌清洗，10s后电机R1停止，第四蠕动泵P4开始抽反应池R2中蒸馏水，三通电磁气阀L5右侧关闭，蒸馏水流入到比色池E4；多余蒸馏水由溢流口E5排出，当溢流口无液体流出时，三通电磁气阀L5左右端打开，下端关闭，排出比色池中蒸馏水，即完成管路清洗，该步骤重复两次即完成管路的清洗。

水样的实际吸光度为：A＝A2-A1

根据仪器内置的标准曲线A＝K·c+b(其中A为吸光度，K为曲线斜率，c为浓度，b为曲线截距)，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度c＝(A-b)/K。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水质总磷在线分析仪，其特征在于，包括：试剂计量组件、消解反应组件、反应池组件、比色光电检测组件、单片机，所述试剂计量组件通过液体输送通道与消解反应组件、反应池组件连接，所述消解反应组件通过液体输送通道与反应池组件连接，所述反应池组件还通过液体输送通道与比色光电检测组件连接，所述单片机用于与各组件中电子元器件连接；

所述试剂计量组件包括三支透明计量管，每支计量管的下端均连接一个三通电磁液阀，上端均连接一个三通电磁气阀，各三通电磁气阀均与第一蠕动泵连接，各计量管的上部和下部两侧分别设有一对光电开关，各光电开关向计量管上端相对应的三通电磁气阀输出信号控制三通电磁气阀的开关，各三通电磁液阀的下端口通过管道分别连接到三个试剂瓶中，其中一个三通电磁液阀右端通过管道连接到第一三通接头，另外两个三通电磁液阀右端通过液体输送通道连接到反应池；所述透明计量管上具有一球形腔体，所述球形腔体位于两对开关之间或低于下端光电开关；

所述消解反应组件包括消解腔、加热装置和温度传感器，消解腔内伸入紫外灯管；紫外灯管、加热装置、温度传感器分别和单片机具有电连接；消解腔底部连接第二三通接头；所述消解腔采用双层中空夹层结构，上端开口放入紫外灯管，下端闭口，消解腔设置有进样口连通到夹层中，最外层设有避光层；

所述反应池组件包括反应池和搅拌电机，搅拌电机与搅拌扇叶连接，搅拌扇叶设置在反应池内，反应池底部与第一转换阀左侧下端连接；

所述比色光电检测组件包括设置在一侧的LED光源，另一侧设置有光电检测器，光电检测器表面覆有滤光片，LED光源和光电检测器之间依次设置有第一凸透镜、中部具有通孔的挡板、比色池、第二凸透镜；LED光源、光电检测器分别与单片机具有电连接，所述第一凸透镜用于汇聚自LED光源发出的光线，该光线穿过挡板上的通孔照射到比色池上，所述第二凸透镜用于汇聚透过比色池的光线，该光线被所述光电检测器接收后传输至单片机；比色池与第五三通电磁液阀一端连接；

所述第二三通接头还分别通过管道与第一三通接头和第三三通接头连接，第三三通接头两端口分别通过管道连接两通电磁液阀和第一转换阀左侧上端，两通电磁液阀通过管道连通至反应池内，第一三通接头另一端口还通过管道与第四三通接头连接，第四三通接头还通过管道连接第二蠕动泵和第四三通电磁液阀，第四三通电磁液阀还通过管道与反应池和第三蠕动泵连接，第三蠕动泵通过管道与蒸馏水试剂瓶连接，第一转换阀右侧与第四蠕动泵连接，第四蠕动泵还连接着第二转换阀左侧，第二转换阀右侧下端连通大气，右侧上端连接至第五三通电磁液阀，第五三通电磁液阀还连接至废液排放口。

2.根据权利要求1所述的水质总磷在线分析仪，其特征在于：所述消解腔外还整体包裹有隔热层。

3.根据权利要求1所述的水质总磷在线分析仪，其特征在于：所述紫外灯管发射波长为超短紫外线UVC。

4.根据权利要求1所述的水质总磷在线分析仪，其特征在于：所述比色池两端为漏斗形。

5.根据权利要求1所述的水质总磷在线分析仪，其特征在于：消解腔、比色池、反应池均设置有溢流口，各溢流口及废液排放口均连接至总废液通道。

6.一种水质总磷在线分析仪的检测方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任意一项所述的水质总磷在线分析仪实现，包括如下步骤：

步骤1，管路润洗

打开第二蠕动泵抽取水样，使水样依次经过消解腔、反应池和比色池最终排出，即完成管路的润洗；

步骤2，水样消解

试剂1经过试剂计量组件抽取和计量，一定体积的试剂1被注入消解腔，随后第二蠕动泵打开抽取水样注入消解腔中，试剂1和水样在消解腔中混匀；此时，加热装置开始加热，紫外灯打开，同时第四蠕动泵逆时针转动向消解腔中鼓吹空气，使得其中的水样发生彻底的消解反应；

步骤3，空白测试

消解腔中经过消解反应后得到的消解液进入反应池中；第四蠕动泵打开顺时针转动，反应池中部分消解液被注入到比色光电检测组件中进行光电检测，得到背景吸光度为A1；

步骤4，水样吸光度测量

试剂2及试剂3经过试剂计量组件抽取和计量，一定量的试剂2及试剂3被注入到反应池中，通过电机搅拌使试剂2和试剂3与原有消解液混合均匀，发生显色反应，反应完全后得到显色液；随后，反应池中的显色液被注入到比色光电检测组件中进行光电检测，得到显色液的吸光度为A2；水样实际吸光度值为A=A2-A1；

步骤5，计算水样浓度

根据仪器内置的标准曲线A=K•c+b，其中A为吸光度，K为曲线斜率，c为浓度，b为曲线截距，即可计算得到实际水样中目标污染物的浓度 c=(A-b) /K；

步骤6，管路清洗

管路清洗时打开第三蠕动泵抽取蒸馏水，通过第四三通电磁液阀依次经过消解腔、反应池和比色池最终排出，重复两次即完成管路的清洗；

其中，试剂1为40g/L过硫酸钾溶液，其中含5%vol硫酸；试剂2的组成为100g/L抗坏血酸，其中含0.05%vol硫酸、0.5%volβ-巯基乙醇；试剂3的组成为每500mL溶液含13g钼酸铵、0.35g酒石酸锑钾。

7.根据权利要求6所述的水质总磷在线分析仪的检测方法，其特征在于：所述步骤1中消解反应温度为90-95℃，消解时间为10-20 min。

8.根据权利要求6所述的水质总磷在线分析仪的检测方法，其特征在于：所述步骤4中水样显色反应完全的时间为4-10 min。