CN112129616B - 石墨消解前处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨消解前处理系统及方法，属于分析检测技术领域。石墨消解前处理系统包括机架、设置在机架上的石墨体加热机构、可升降地设置在机架上的震荡机构、设置在机架上的加液机构、安装于震荡机构上方的行走机构、超声波传感器、以及与加液机构和超声波传感器均电连接的控制器；石墨体加热机构具有用于放置消解管的多个消解位。震荡机构位于石墨体加热机构的上方；加液机构具有加液头。行走机构具有可移动的夹持组件，夹持组件用于夹持加液头；超声波传感器固定安装于夹持组件上。本发明还提供了一种石墨消解前处理方法。本发明提供的石墨消解前处理系统及方法，实现了石墨消解前处理操作的全自动化操作，提高了消解操作的安全性。

Description

石墨消解前处理系统及方法

技术领域

本发明属于分析检测技术领域，更具体地说，是涉及一种石墨消解前处理系统及方法。

背景技术

石墨消解前处理系统是根据实验室标准样品处理流程，为各类样品重金属元素分析而设计的自动化消解前处理设备。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中存在至少如下问题：当前市场上前处理消解设备普遍存在消解时间长，消解过程危险，自动化程度较低等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种石墨消解前处理系统及方法，旨在解决当前市场上前处理消解设备普遍存在消解时间长，消解过程危险，自动化程度较低等问题。

一方面，提供了一种石墨消解前处理系统，包括：

机架；

石墨体加热机构，设置在所述机架上，具有用于放置消解管的多个消解位；

震荡机构，可升降地设置在所述机架上，位于所述石墨体加热机构的上方；

加液机构，设置在所述机架上，具有加液头；

行走机构，安装于所述震荡机构的上方，具有可移动的夹持组件，所述夹持组件用于夹持所述加液头；

超声波传感器，固定安装于所述夹持组件上；以及

控制器，与所述加液机构和所述超声波传感器均电连接；

其中，所述超声波传感器用于在加液操作前对相应消解位发送声波信号，并将接收到的反馈信号实时传递至所述控制器，所述控制器将接收到的反馈信号进行去噪处理后生成声波图形，之后将所述声波图形与预设标准波形进行比对，判断得出相应消解位上是否有消解管，并根据判断结果控制所述加液机构工作；

所述超声波传感器还能够在加液操作过程中对消解管内液位高度进行实时监测，并将监测数据传递至所述控制器，所述控制器根据接收到的监测数据估算出消解管内液面高度，并将估算出的消解管内液面高度与预设液面高度进行比对，并根据比对结果控制所述加液机构的工作状态。

进一步地，所述控制器内设用于去噪的滑动中值滤波器和卡尔曼滤波器，经所述超声波传感器传递至所述控制器的信号先经所述滑动中值滤波器再传递至所述卡尔曼滤波器。

进一步地，所述加液机构包括：

定容组件，具有与所述控制器电连接的蠕动泵，用于向消解管内添加定容液；以及

注液组件，包括通过管道与加液头连通的注射泵、多通阀，多通阀的一个接口通过管道与所述注射泵连通，其他接口通过管道与多个储液罐分别连通；

其中，所述注射泵具有反吸功能，所述控制器根据估算出的消解管内液面高度与预设液面高度的比对结果调整所述蠕动泵的加液速度或控制所述蠕动泵停止加液。

进一步地，所述多通阀的阀芯为聚四氟乙烯阀芯。

进一步地，所述石墨体加热机构包括：

石墨块，具有多个所述消解位，每个所述消解位上设有用于容纳消解管的凹槽；

加热件，环绕所述石墨块设置；

隔热保温组件，环绕所述加热件设置；以及

外壳，罩设于所述石墨块、所述加热件和所述隔热保温组件的组合件外；

其中，所述外壳与所述机架之间有隔热间隔。

进一步地，所述标准波形为消解位上有消解管时对应的声波图形。

进一步地，所述震荡机构的震荡频率远离所述石墨消解前处理系统中其他机构的固有频率。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，可借助超声波传感器和控制器实现消解位上是否有消解管的自动检测，同时可根据检测结果控制加液机构的工作状态，实现了石墨消解前处理操作的全自动化操作，提高了消解操作的安全性。

另一方面，提供了一种石墨消解前处理方法，基于所述的石墨消解前处理系统，包括以下步骤：

通过所述超声波传感器和所述控制器检测各消解位上是否有消解管；

向有消解管的消解位加液、定容。

进一步地，所述向有消解管的消解位加液、定容步骤包括以下步骤：

通过注射泵进行加液，加液完成后反吸0.1-0.5ml；

通过蠕动泵进行定容，期间所述超声波传感器对消解管内液面高度进行实时监测，所述控制器以预设时间间隔连续由所述超声波传感器获取检测数据，通过迭代计算估算出消解管内液面高度x_n，并将估算出的消解管内液面高度x_n与预设液面高度x_target进行比较，判断得出定容是否到位，并在定位到位时，控制所述蠕动泵停止加液。

进一步地，在通过蠕动泵进行定容期间所述控制器还根据估算出的消解管内液面高度x_n与预设液面高度x_target之间的差值大小，调整所述蠕动泵的加液速度。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，采用了上述石墨消解前处理系统，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的石墨消解前处理系统的结构示意图；

图2为沿图1中A-A线的剖视结构图；

图3为沿图1中B-B线的剖视结构图；

图4为本发明实施例提供的石墨消解前处理系统的控制结构框线示意图；

图5为采用一种具体的实施例提供的石墨消解前处理系统进行石墨消解前处理时生成的声波图形一，此声波图形为先扫描到消解管、后无消解管图形；

图6为采用一种具体的实施例提供的石墨消解前处理系统进行石墨消解前处理时控制器生成的声波图形二，此声波图形为先扫描到无消解管、后出现消解管图形；

图7为采用一种具体的实施例提供的石墨消解前处理系统进行石墨消解前处理时控制器生成的声波图形的各级声波图形，图中(a)为未经去噪的声波图形，(b)为经滑动中值滤波器去噪后的声波图形，(c)为经卡尔曼滤波器后的声波图形波形；

图8为图7中(a)和(b)的对比图。

图中：100、机架；200、石墨体加热机构；210、石墨块；220、加热件；230、隔热保温组件；240、外壳；300、震荡机构；400、加液机构；410、蠕动泵；420、注射泵；500、行走机构；510、X方向行走臂；520、Y方向行走臂；530、夹持组件；600、超声波传感器；700、控制器；710、滑动中值滤波器；720、卡尔曼滤波器；800、消解管。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图4，现对本发明实施例提供的石墨消解前处理系统进行说明。所述石墨消解前处理系统，包括机架100、设置在机架100上的石墨体加热机构200、可升降地设置在机架100上的震荡机构300、设置在机架100上的加液机构400、安装于震荡机构300上方的行走机构500、超声波传感器600、以及与加液机构400和超声波传感器600均电连接的控制器700。

石墨体加热机构200具有用于放置消解管800的多个消解位。震荡机构300位于石墨体加热机构200的上方。加液机构400具有加液头。行走机构500具有可移动的夹持组件530，夹持组件530用于夹持加液头。超声波传感器600固定安装于夹持组件530上。

其中，超声波传感器600用于在加液操作前对相应消解位发送声波信号，并将接收到的反馈信号实时传递至控制器700，控制器700将接收到的反馈信号进行去噪处理后生成声波图形，之后将声波图形与预设标准波形进行比对，判断得出相应消解位上是否有消解管800，并根据判断结果控制加液机构400工作。

超声波传感器600还能够在加液操作过程中对消解管800内液位高度进行实时监测，并将监测数据传递至控制器700，控制器700根据接收到的监测数据估算出消解管800内液面高度，并将估算出的消解管800内液面高度与预设液面高度进行比对，并根据比对结果控制加液机构400的工作状态。

上述石墨体加热机构200则用于对消解管800及其内液体进行加热，震荡机构300用于消解管800的抬升和震荡。行走机构500包括设置在机架100上的X方向行走臂510、以及沿X方向滑动设置在X方向行走臂510上的Y方向行走臂520，夹持组件530沿Y方向滑动设置在Y方向行走臂520上，加液头和超声波传感器600均固定设置在夹持组件530上。这些均采用市场上现有的相应机构即可。

加液前，先借助行走机构500将超声波传感器600和加液头移动至待加液消解位的上方，使得超声波传感器600位于消解位的中轴上，之后通过超声波传感器600对待加液的消解位进行声波扫描，即向相应消解位发送声波信号，并接收经相应消解位反馈回来的反馈信号，再将接收到的反馈信号实时传递至控制器700。

控制器700则将接收到的反馈信号进行去噪处理后生成声波图形，再将上述声波图形与预设标准波形进行比对，判断得出相应消解位上是否有消解管800。这里所说的标准波形可为消解位上有消解管800时对应的声波图形，也可为消解位上无消解管800时对应的声波图形。为便于理解，现以标准波形为消解位上有消解管800时对应的声波图形时，控制器700的判断逻辑进行说明，当生成的声波图形与标准波形一致时，则判定相应消解位上有消解管800，当生成的声波图形与标准波形不一致时，则判定相应消解位上无消解管800。当标准波形为解位上无消解管800时对应的声波图形时，控制器700的判断逻辑与上述逻辑相反。

当控制器700判断得出对应消解位上有消解管800后，对加液机构400发出加液指令，加液机构400向相应消解位上的消解管800内添加相应液体，否则控制器700不对加液机构400发出指令，加液机构400不工作。

本发明实施例提供的石墨消解前处理系统，与现有技术相比，可借助超声波传感器600和控制器700实现消解位上是否有消解管800的自动检测，同时可根据检测结果控制加液机构400的工作状态，实现了石墨消解前处理操作的全自动化操作，提高了消解操作的安全性。

为保证生成的声波图形准确，在控制器700接收到超声波传感器600传递过来的反馈信号后，需首先对上述反馈信号进行去噪处理；又由于受到超声波传感器600噪声，液面强烈波动，液柱遮挡波束以及普遍采用蠕动泵410作为加液泵时不稳定的流量，导致超声波传感器600无法传回稳定减少的距离数值即液面上升情况，因此很难通过简单的信号处理达到准确定容的目的。基于上述两个理由，超声波传感器600传递至控制器700的信号均需先进行去噪处理，再进行分析。

请参阅图4，作为本发明提供的石墨消解前处理系统的一种具体实施方式，控制器700内设用于去噪的滑动中值滤波器710和卡尔曼滤波器720，经超声波传感器600传递至控制器700的信号先经滑动中值滤波器710再传递至卡尔曼滤波器720。

上述滑动中值滤波器710是一种非线性数字滤波器，能够大幅度去除测量信号中大幅度的脉冲噪声，但会引入测量值时间的延迟和波动，尤其是在滑动窗口较大情况下。根据超声波传感器600测量速度和加液速度的相对关系，窗口宽度可取3～10。

滑动中值滤波器710输出的信号中包含偶发的脉冲噪声(窗口较窄时)以及较小的高斯噪声，因此非常容易通过卡尔曼滤波器720进行滤除，从而得到理想的液面情况的估计值。

采用滑动中值滤波器710作为前置滤波器，去除超声波传感器600原始数据中大量的脉冲噪声，再通过卡尔曼滤波器720对超声波传感器600传回的数据进行信号处理，得到估计出的实际液面上升情况，包括液面距离和其上升速度。

请参阅图3，作为本发明提供的石墨消解前处理系统的一种具体实施方式，石墨体加热机构200包括石墨块210、环绕石墨块210设置的加热件220、环绕加热件220设置的隔热保温组件230、以及外壳240。

石墨块210具有多个消解位，每个消解位上设有用于容纳消解管800的凹槽。外壳240罩设于石墨块210、加热件220和隔热保温组件230的组合件外。其中，外壳240与机架100之间有隔热间隔。

本实施例中石墨体加热机构200采用独立的保温结构，不与机架100直接接触，尽量减少散热面积，还可采用带PID的控温方式，实现温度的精确控制。

为减小设备使用时噪声，作为本发明提供的石墨消解前处理系统的一种具体实施方式，震荡机构300的震荡频率远离石墨消解前处理系统中其他机构的固有频率。

进一步地，控制过程中电路部分与震荡结构为了尽量减少噪声、避免产生共振，对设备的震荡频率、震荡速度设置为可调；经测试得出设备的固有频率，震荡频率设置，尽量远离固有频率，最大幅度的减小共振；同时对结构进行优化，采用橡胶缓冲件等，将设备的噪音降至最小。

请参阅图4，作为本发明提供的石墨消解前处理系统的一种具体实施方式，加液机构400包括定容组件以及定容组件。定容组件具有与控制器700电连接的蠕动泵410，用于向消解管800内添加定容液。注液组件包括通过管道与加液头连通的注射泵420、多通阀，多通阀的一个接口通过管道与注射泵420连通，其他接口通过管道与多个储液罐分别连通。

其中，注射泵420具有反吸功能，控制器700根据估算出的消解管800内液面高度与预设液面高度的比对结果调整蠕动泵410的加液速度或控制蠕动泵410停止加液。

在加液时，注射泵420起到排出气体，增大压差的作用，通过压差实现无接触式加液，注射泵420芯无腐蚀性液体经过，增加注射泵420的使用寿命；为防止各种腐蚀性液体在加液头上的液滴出现，在加液完成后，注射泵420采取反吸的动作实现无液滴残留。

进一步地，为避免多通阀被腐蚀性液体腐蚀，多通阀的阀芯可采用耐腐蚀的材料(如聚四氟乙烯或其他耐腐蚀材料)制成，或在阀芯外涂覆耐腐蚀涂层。

本发明实施例还提供一种石墨消解前处理方法。请参阅图1至图8，石墨消解前处理方法，基于石墨消解前处理系统，包括以下步骤：

通过超声波传感器600和控制器700检测各消解位上是否有消解管800；

向有消解管800的消解位加液、定容。

本发明实施例提供的石墨消解前处理方法，采用了上述石墨消解前处理系统，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

作为本发明提供的石墨消解前处理方法的一种具体实施方式，向有消解管800的消解位加液、定容步骤包括以下步骤：

通过注射泵420进行加液，加液完成后反吸0.1-0.5ml；

通过蠕动泵410进行定容，期间超声波传感器600对消解管800内液面高度进行实时监测，控制器700以预设时间间隔连续由超声波传感器600获取检测数据，通过迭代计算估算出消解管800内液面高度x_n，并将估算出的消解管800内液面高度x_n与预设液面高度x_target进行比较，判断得出定容是否到位，并在定位到位时，控制蠕动泵410停止加液。

为防止各种腐蚀性液体在加液头上的液滴出现，在加液完成后，注射泵420采取反吸的动作，通过多次实验，注射泵420采取反吸0.1-0.5ml可实现无液滴残留；此反吸数值根据加液管的直径、加液量、加液头部管的弯曲程度有关，通过实验可得。

进一步地，在通过蠕动泵410进行定容期间控制器700还根据估算出的消解管800内液面高度x_n与预设液面高度x_target之间的差值大小，调整蠕动泵410的加液速度。

为便于理解，现以一个具体的实施例对上述石墨消解前处理方法进行说明。加液前，先借助行走机构500将超声波传感器600和加液头移动至待加液消解位的上方，使得超声波传感器600位于消解位的中轴上，之后通过超声波传感器600对待加液的消解位进行声波扫描，即向相应消解位发送声波信号，并接收经相应消解位反馈回来的反馈信号，再将接收到的反馈信号实时传递至控制器700。

控制器700则将接收到的反馈信号进行去噪处理后生成声波图形，再将上述声波图形与预设标准波形进行比对，判断得出相应消解位上是否有消解管800。其中，声波图形如图5及图6所示，还可以是其他形式。之后向有消解管800的消解位加液、定容。

定容操作具体操作如下：

假定距离(液面)匀速变化，即

其中，[Q]是状态转移噪声矩阵。观测模型为

其中，[R]是观测噪声矩阵。

定容停止的依据是状态变量[x_n v_n]^T中对液面距离的估计值x_n达到预定值x_target。

为了减少蠕动泵410以及液体惯性导致的不确定性过量加液，可以在x_n低于x_target一定倍数例如0.7倍时减小蠕动泵410速度，同时为了加快v_n的跟踪速度，可以预先在减小蠕动泵410速度时刻将v_n减小相应倍数。必要时甚至可以多段减速。

具体实现时可以使用蠕动泵410启动时超声波传感器600传回的数据作为x_n初始值，v_n可设为0或一个负的经验值(这对于初始时即很接近定容目标值的情况很适用)。随后在均匀的Δt时间间隔上读取超声波传感器600数值并输入卡尔曼滤波器720更新阶段。除了上述减慢定容速度的步骤，最终停止蠕动泵410的条件是预期下个采样点液面距离会低于目标值即

x_n*+v_n*·Δt≤x_target

此时即可停止蠕动泵410。尽管这可能会造成一个Δt时间间隔内的加液误差，但若其足够小，此误差相对于其他噪声和机械尺寸导致的误差可以忽略。

将超声波传感器600的准确定容与蠕动泵410结合，实现实时定容与蠕动泵410加液的闭环系统，定容时测定消解管800中剩余液体体积与定容值的差值，蠕动泵410开启加液模式，开始蠕动泵410以5转/s的高速加液，超声波传感器600实时传回加液体积数值，当消解管800中液体体积与定容值的差值小于8ml时，加液速度变为当前速度的60％；当消解管800中液体体积与定容值的差值小于4ml时，加液速度变为当前速度的40％；当消解管800中液体体积与定容值的差值小于1ml时，加液速度变为当前速度的20％，开始进入滴定状态，以解决整个闭环系统中的延迟问题，最终实现高精度、高时效的定容。上述消解管800中液体体积、定容值分别由上述估计值x_n和预定值x_target转换得出。

经实际实验验证，本发明实施例提供的石墨消解前处理方法在不使用复杂的机械结构的情况下能够达到较为精确的定容结果，如图7所示。图7(a)中Raw代表超声波传感器传回的原始数据，可见较为密集的脉冲噪声，这主要是由于液柱遮挡波束导致的；(b)Stage1表示经过滑动中值滤波器后的信号，可见绝大部分脉冲噪声已被滤除，剩余噪声为真实的本底测量噪声，该噪声可近似为高斯噪声，因此容易使用卡尔曼滤波器消除；(c)Stage2代表经过卡尔曼滤波器后的信号，可见除一些数值运算噪声外，基本上各种测量噪声已经被消除。图8对比了滤波结果与原始数据的关系，图中显然可见最终输出信号是原始信号的无偏估计值，因此很容易利用它作为定容终止的判据。实验中使用的超声波传感器频率为200kHz，分辨率为0.1mm，测量周期为35ms；滑动中值滤波器的窗口宽度为6；卡尔曼滤波器的测量噪声方差设为25.0；使用的消解管内径为26mm，超声波传感器换能片距离消解管底部160mm，从0mL开始定容到50mL，设置的目标距离为69.5mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.石墨消解前处理系统，其特征在于，包括：

机架；

石墨体加热机构，设置在所述机架上，具有用于放置消解管的多个消解位；

震荡机构，可升降地设置在所述机架上，位于所述石墨体加热机构的上方；

加液机构，设置在所述机架上，具有加液头；

行走机构，安装于所述震荡机构的上方，具有可移动的夹持组件，所述夹持组件用于夹持所述加液头；

超声波传感器，固定安装于所述夹持组件上；以及

控制器，与所述加液机构和所述超声波传感器均电连接；

其中，所述超声波传感器用于在加液操作前对相应消解位发送声波信号，并将接收到的反馈信号实时传递至所述控制器，所述控制器将接收到的反馈信号进行去噪处理后生成声波图形，之后将所述声波图形与预设标准波形进行比对，判断得出相应消解位上是否有消解管，并根据判断结果控制所述加液机构工作；

所述超声波传感器还能够在加液操作过程中对消解管内液位高度进行实时监测，并将监测数据传递至所述控制器，所述控制器根据接收到的监测数据估算出消解管内液面高度，并将估算出的消解管内液面高度与预设液面高度进行比对，并根据比对结果控制所述加液机构的工作状态；

所述控制器内设用于去噪的滑动中值滤波器和卡尔曼滤波器，经所述超声波传感器传递至所述控制器的信号先经所述滑动中值滤波器再传递至所述卡尔曼滤波器。

2.如权利要求1所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，所述加液机构包括：

定容组件，具有与所述控制器电连接的蠕动泵，用于向消解管内添加定容液；以及

注液组件，包括通过管道与加液头连通的注射泵、多通阀，多通阀的一个接口通过管道与所述注射泵连通，其他接口通过管道与多个储液罐分别连通；

其中，所述注射泵具有反吸功能，所述控制器根据估算出的消解管内液面高度与预设液面高度的比对结果调整所述蠕动泵的加液速度或控制所述蠕动泵停止加液。

3.如权利要求2所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，所述多通阀的阀芯为聚四氟乙烯阀芯。

4.如权利要求2或3所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，所述石墨体加热机构包括：

石墨块，具有多个所述消解位，每个所述消解位上设有用于容纳消解管的凹槽；

加热件，环绕所述石墨块设置；

隔热保温组件，环绕所述加热件设置；以及

外壳，罩设于所述石墨块、所述加热件和所述隔热保温组件的组合件外；

其中，所述外壳与所述机架之间有隔热间隔。

5.如权利要求2或3所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，所述标准波形为消解位上有消解管时对应的声波图形。

6.如权利要求2或3所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，所述震荡机构的震荡频率远离所述石墨消解前处理系统中其他机构的固有频率。

7.石墨消解前处理方法，基于权利要求2-6任一项所述的石墨消解前处理系统，其特征在于，包括以下步骤：

通过所述超声波传感器和所述控制器检测各消解位上是否有消解管；

向有消解管的消解位加液、定容。

8.如权利要求7所述的石墨消解前处理方法，其特征在于，所述向有消解管的消解位加液、定容步骤包括以下步骤：

通过注射泵进行加液，加液完成后反吸0.1-0.5ml；

通过蠕动泵进行定容，期间所述超声波传感器对消解管内液面高度进行实时监测，所述控制器以预设时间间隔连续由所述超声波传感器获取检测数据，通过迭代计算估算出消解管内液面高度x_n，并将估算出的消解管内液面高度x_n与预设液面高度x_target进行比较，判断得出定容是否到位，并在定位到位时，控制所述蠕动泵停止加液。

9.如权利要求8所述的石墨消解前处理方法，其特征在于，在通过蠕动泵进行定容期间所述控制器还根据估算出的消解管内液面高度x_n与预设液面高度x_target之间的差值大小，调整所述蠕动泵的加液速度。

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