CN1165559A - 具有圆筒形吸管组件的用于测量水质的自动分析装置 - Google Patents

Abstract

一种自动分析装置，它包括：吸管组件，它通过将活塞(12)移动一定距离以吸入或转送诸如样品、试剂和清洗溶液的液体；内建式搅棒(31)，它位于吸管桶(11)的内部；驱动组件，用于转动搅棒(31)；驱动装置(13)，用于将活塞(12)向上、下移动；若干连接线路(15a-15f)，它们位于吸管桶(11)的下部或在活塞(12)中，样品、试剂、清洗溶液和空气能在此处供应或排出；双通的接通/切断阀(16a-16f)，它们连接在每条连接线路(15a-15f)上；检测装置(3)，它位于吸管桶(11)的外壁上，与活塞杆(14)相垂直；附加的加热和冷却组件(4)，用于进行温度控制或样品溶解；控制组件(6)，用于控制上述的驱动装置(13)、检测器(2)和阀(16a-16f)。

Description

具有圆筒形吸管组件的用于测量水质的自动分析装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量液体样品中所含化学成分或杂质的自动分析装置。更具体地讲，该发明涉及一种适用于进行实时水质监视的简单的多功能分析器。背景技术

在水和废水分析领域，经常对溶解氧、无机养料、化学需氧量(COD)、总的磷量、总的氮量、主要阳离子和阴离子、毒性有机物以及微量金属进行测量。

由于上述水质测量，除某些成分和物理参数外，通常是在样品取得和转送后才能在实验室中进行的，因而希望能在现场立即进行分析。但是，无人管理的自动分析器的引入已使从现场直接获得连续或半连续数据成为现实。通过采用有线或无线遥测数据采集系统已实现了实时基础上的水质监视。在现场安装的全自动分析系统节能省人力、时间、成本等，还能提供大量的水质数据，这有助于监视水的现有状态和长期趋势。自动水质监视已经有许多应用，诸如由点源排出的污水监视；利用行船机会(ship of opportunity)进行大面积的地理区域的海洋勘测；停泊于一个固定位置的水质监视浮筒；多个位置上的水质同时测量。目前采用的无人管理水质测量装置模拟人的操作来实现实验过程。它们通常由采样组件、混合室、反应槽、液体传送装置、样品和试剂储罐、检测器、电源和控制组件构成。

常规的自动分析装置是这样布置的，从源收集样品，将样品与由液体传送泵供给的来自储罐的某些试剂进行混合，使样品和试剂在特定条件下于反应槽中进行反应，应用检测器测量浓度，然后藉助泵排出反应物。如果需要，可安装加热和冷却室以溶解样品或加速反应。常规的自动分析装置还能设计成，能预置实验过程和条件的系列，并由微处理器或计算机加以控制。

前述装置中液体的自动定量递送由于应用螺状泵(用于提供流体匣的已知装置)，已能方便地实现。这种螺状泵可具有例如在美国专利NO.3358609和NO.4233001中所示的结构。通常，自动分析装置要求在每条流体线路上有若干螺状泵，这造成仪器的高生产成本，以及过大的体积和重量。由于其大的尺寸和大的电能要求，必须建造具有足够大空间和电源的现场台站或特殊设计的船只或浮筒以便在现场安装若干个自动分析器。在有些自动分析器中，采用惰性气体源和快速动作电磁阀以便将液体从加压储罐传送至反应室(例如公布于美国专利NO.4920056中的)。为将相应的加压试剂引入至反应室中以加工样品，应用一个或多个自动驱动电磁阀。引入至反应室中的试剂体积由相应的试剂阀的阀门打开时间所控制。由于试剂的流速和体积完全取决于储罐的压力和阀门打开时间，因而要精确地分配其粘性随温度变化而改变的液体是十分困难的。

为改进常规自动水质分析器的缺陷，在EP0185334A2中公开了一种注射管光度计。该光度计包括：带汽缸头和活塞的注射管泵；用于将活塞前、后移动的马达；用于充分混合样品和试剂的独立组件；以及光源和光电探测器，它们平行于活塞杆，并分别位于汽缸头和活塞上。此注射管光度计在结构上要比具有螺状泵的常规自动分析器简单，而其应用仅限于比色法的确定。

但是，注射管光度计在用作多功能自动水质分析器时有很多问题。注射管光度计本身不具备拌搅功能，因此为了使样品和试剂充分混合，必须或添加一台辅助的混合泵、一个混合室、或添加一台附加的注射管泵。此外，注射器光度计与辅助混合组件之间通过连结管道进行反复的给-取，以充分地混合混合体。

本身缺少拌搅器使其不可能执行容量分析，它依赖于为在提交试验的样品中完成特定反应所需的标准溶液的液体试剂容积的测量。为应用标准溶液滴定样品，必须添加小量试剂并反复混合，直至达到计量终点为止。但是上述辅助混合组件限止了注射管泵对这类分析的可应用性。

注射管光度计的另一基本缺陷是，光源和光电探测器都直接接触液体，因此它们很可能被沾污，因为样品、试剂及其有色络合物都流入至活塞泵的内部。在很多情况，为光度测量所准备的带色化合物或络合物很可能粘在固体表面上，而检测器和光源的变脏可能引起分析器中底线漂移和灵敏度减弱。这样，必须对活塞泵进行经常的手工清洗，这使其难于在现场对自动化机械保养。发明内容

与上述自动水质分析器不同，本发明力图提供一种新的系统或装置，其特点是结构简单，并集流体的处理、混合及检测于一体。

为达到上述意图，本发明提出一种自动分析装置，它包括装备有搅拌器和检测器的简单的圆筒形吸管组件。具体讲，该吸管执行泵、混合室、反应槽、测量装置、滴定器、稀释器和检测器的多种功能。

本发明的实施例包括：

吸管组件，它具有样品、试剂、清洗溶液和空气向其供应或由其排出的吸管桶，和插入在吸管桶内以形成可变的密封空间的活塞；

搅拌装置，它位于吸管桶内，用于混合溶液；

驱动装置，用于上、下移动活塞；

连接线路，样品、试剂、清洗溶液和空气能通过它们向吸管桶供应或由其排出；

双通的接通/切断阀，它们连接至每条连接线路上；

检测装置，设置在吸管桶的外壁上，与活塞杆相垂直；

和控制组件，用于控制上述的搅拌装置、驱动装置、检测装置和阀。

按照该发明，当装备在连接线路上的双通的接通/切断阀有选择地打开或关闭时，通过上、下移动活塞，吸管组件能精确地吸入或排出所选液体量。设置在吸管桶下部的搅拌装置能使吸管桶内的搅拌充分、快速地将样品与试剂混合。装备有双通的接通/切断阀的分离的试剂入口设置在活塞本身上或在吸管桶的下部，以防止受试剂的沾污。

按照该发明，与搅拌装置结合成一体的吸管组件能用作滴定器，这使它不仅可能执行比色法检测，还能执行各种各样的容量分析，诸如电位测定分析、电量分析、和光度滴定分析等。此外，光度或荧光光源和检测器布置在吸管桶外壁，并与活塞轴垂直，具有防止光路可能被弄脏的优越性，因为吸管桶的反复冲程总是清洁吸管桶的内壁。此特点保证能长期运行、无需人工清洁吸管桶。

本发明的其它方面和各种优越性将结合附图，通过其实施例的下述说明变得更为清晰。附图概述

包含在说明书中，并成为说明书一个部分的附图展示了发明的一个实施例，并与说明书一起用于解释发明的原理，其中：

图1是本发明提出的自动分析装置的示意图；

图2是本发明提出的自动分析装置的另一示意图。发明的最佳实施例实施例1

请参考图1，本发明提出的自动分析装置包括：圆筒形吸管组件1，它既用作反应室又用作液体处理装置，用于吸入或传送样品、试剂和清洗溶液；检测器2，用于测量圆筒形吸管组件1中进行的预期分析反应；搅拌器3，用于混合圆筒形吸管组件1内部的反应溶液；加热/冷却组件4；储罐5，用于存放试剂和清洗溶液；和主控制器6。

该发明的心脏是所述的圆筒形吸管组件1，它布置成，插入活塞12以便在吸管桶11内部形成可变的密封空间。该活塞12由与活塞杆14相连接的驱动装置13加以上下移动。样品、试剂、清洗溶液和空气在电磁阀16a-16f有选择地打开或关闭的同时，利用活塞12行程通过连接线路15a-15f供给或排出。装备在所有连接线路15a-15f上的电磁阀16a-16f由微处理器独立地打开和关闭。连接线路15a-15f或设置于吸管桶11的下部或通过活塞12本身。

在最佳实施例中，吸管桶11由透明的玻璃或石英制成，以避免其内壁的腐蚀和污物的吸附，在那里进行光度检测。活塞12也由例如PTFE这种已知材料制成，它保证抗腐蚀性、水密性和气密性。

驱动装置13将活塞12上、下移动一定距离。虽然步进马达或伺服马达等可用作驱动装置13，但采用直线地移动马达轴的线性驱动器步进马达简化圆筒形吸管组件1的结构。

为防止试剂之间的混合或沾污，连接线15a-15f的单独的试剂入口分别装备有电磁阀16a-16f，并设置在活塞12本身或吸管桶11的下部。特别希望将连接线路15a，15b设置在吸管桶11的下部，因为流体需流至辅助加热和冷却室41、42。排出物出口的连接线路15f设置在吸管桶11的底部比较方便，而空气流动连接线路15c则设置在活塞12上。

虽然该发明的原理设计并不限于化学分析的任一特殊类型，但作为自动分析装置一部分而说明的最佳实施例则将是一台光度滴定装置。光源21和光电检测器22可以是已知的用于比色法测量的装置，但它们布置成与活塞14相垂直，并在吸管筒11之外，面对面地设置，这在防止光路可能的变脏方面具有很大的优越性，因为活塞12的反复行程总是清洁吸管桶11的内壁。此特点保证能长期运行，无需人工清洁吸管桶11。

搅拌器3也是已知的用于将样品与试剂进行混合的装置。在本发明的实施例中，当足够多的电磁铁32围绕吸管桶11布置时，由搅拌器控制器33控制的电磁铁32的北极/南极的变换会转动吸管桶11内部的内建式搅棒31。此内建式搅拌器3使吸管桶11得以起到作为混合室、反应槽、滴定器和检测器的多种作用。

所有试剂、标准溶液和清洗流体被保持在储罐5的容器中，而用于这些物质的每个容器的出口则通过装备有电磁阀16d的连接线路15d与吸管桶11相连接。由于试剂和清洗溶液将由活塞12的运动加以传送，因而不必要安装螺状泵，这样整体结构将大大简化。

所述加热和冷却组件4的目的是控制反应温度或溶解样品。这它们也具有已知的结构，此结构包括：装备有加热器43和温度传感器44的加热室41；以及由冷却风扇45和温度传感器46构成的冷却室42。但是，发明的独特结构使吸管桶11得以将混合体传送至加热和冷却室41、42，以及从加热和冷却室41、42抽出样品，不要求为了传输液体而有附加的螺状泵。

由于没有螺状泵，该系统不要求使用很多的电功率，因此在遥远的地理现场和漂浮在水上的浮筒情况可应用用作直流电源的电容器和太阳能电池。

主控制器6控制自动分析装置的各个组件。微处理器具有预先编程的一个命令系列，驱动驱动装置13、电磁阀16a-16f、检测器2、搅拌器3、加热/冷却组件等。主控制器6还包括数据贮存组件61、显示组件62和通讯装置63，被测的数据在其中被贮存、显示和传输。

本发明提出的应用光度滴定法的自动分析装置的基本操作如下。首先，当电磁阀16e打开时，通过将活塞12在吸管桶11中向上移动，吸入样品。采样的量完全取决于活塞12的移动距离，它正比于输送至步进电机的脉冲数。其它试剂和清洗溶液从储罐5的吸入也按上述相同方式进行。

搅拌器控制器33开始转动内建式搅棒31，于是样品与试剂充分地混合。为溶解样品，在打开电磁阀16a后，向下推动活塞12，于是混合的溶液被传送至加热室41。混合溶液的传送是通过活塞12的小行程推动空气而完成的。当活塞12提升时，关闭电磁阀16a，打开阀16c。当向下推动活塞12时，打开电磁阀16a，关闭阀16c。通过驱动电磁阀16a、16b和16c，在加热室14中的被溶解样品被传送至冷却室42中。当冷却完成时，于是被溶解的溶液再从冷却室42吸入，并通过依次的活塞12的微小提升以及试剂和被溶解样品的混合进行滴定。滴定期间，使特定波长的光通过溶液并检测通过样品的光量能测量吸收率(透射率)。通过添加特定的指示剂或测量正比于感兴趣物质浓度的带色络合物的量能找到当量端点。滴定完成后，向下移动活塞12，排出废料。实施例2

图2展示了本发明提出的自动分析装置的示意结构，它装备有统一的加热/冷却组件4。该组件的设计关键是应用一珀尔帖效应热模块47。此热模块47是一个np型半导体，当供以电能时，它具有将热量从一侧泵送至另一侧的能力。根据电流方向的换向，热量泵送的方向也能换向。

统一的加热/冷却组件4包括：

在其底部具有连接线路的罐48；具有若干连接线路的盖49；在罐48内部的内建式搅棒；转动搅棒的驱动组件；围绕罐48的热模块47；与热模块47外表面相连接的热潭(heat sinks)50；安装在加热/冷却组件4底部的风扇51和风障壳52；和安装在空气连接线路上的压力传感器53。

统一的加热/冷却组件4具有在同一组件中加热和冷却的优越性，它还起冷凝器的作用，因为蒸汽在罐48的上部凝结，并从罐48的上部落下。在反向模式时，罐48中的热量被泵出至热潭50，接着，藉助风扇51将其排除。

与实施例1相比，上述自动分析装置的结构的不同在于圆筒形吸管组件1的排出口是与统一的加热/冷却组件4的排出口相连接的。实施例2代表了一种不同的运动模式，也即样品、试剂和清洗液体是通过盖49的连接线路直接引入至统一的加热/冷却组件4中的，这使得运行过程更为简单，并防止吸管桶11由于热量或腐蚀化学品的损坏。

但是，在这种情况下，液体进入统一的加热/冷却组件4的入口速度可能减低。

为解决这一问题，能采用对试剂储罐5进行加压的方法。压力传感器53安装在连接线路上，且储罐5的所有试剂容器都用惰性气体或由泵来加压。首先，不打开位于加热/冷却组件4上的试剂入口阀，而将活塞提升至某一距离。这一操作引起吸管桶11和加热/冷却组件4内部的压力下降。这时，打开试剂入口阀，于是加压的试剂被引入至加热/冷却组件4中。试剂的流入将被吸管桶11和加热/冷却组件4内的低压所冲抵。内压由安装在连接线路中的压力传感器连续地检验，当内压变得与大气压相同时，试剂入口阀被关闭。

因此，此方法得以使样品和试剂快速地进入吸管桶11，并使连接线路不会被堵塞。

应用此加压方法的压力装置能应用于该发明的所有装置。但是，不一定对所有装置都安装此装置。它只对这装置是必须的。

作为上述结构的一个例子，可以作为测量化学需氧量(COD)用的自动分析器。化学需氧是用于测量样品中易于受强化学氧化剂氧化作用的有机物质含量的氧当量。有关化学需氧量测量的更为全面的说明和讨论可见“水和废水检验的标准方法”，，克莱斯司塞里，勒·斯等(编辑)，美国公众健康协会，5-10页等节(Standard Method of The Examination of Water and Wastewater，Clesceri，L.S.et al.(eds.)，American PublicHealth Association，pps5-10et sec)。

更具体地讲，本发明提出了一种下述的化学需氧量自动分析器的最佳实施例。

首先，通过吸管桶11的抽吸将5毫升的水样品引入至统一的加热/冷却组件4中。缓慢地将7毫升含氯化汞和硫酸银的硫酸加入至样品中，并转动罐48内的内建式搅棒进行混合。在混合期间，在统一的加热/冷却组件4中，持续地进行电冷却以避免挥发性物质的可能损失。然后，加入3毫升重铬酸钾作为溶解溶液。将统一的加热/冷却组件4的温度提高至150℃，并回流加热2小时。被溶解的样品冷却至室温，并传送进入吸管桶11。加入0.10毫升的亚铁菲绕啉离子指示剂溶液，并加以混合。多余的重铬酸钾用0.10M标准硫酸铵亚铁(FAS)溶液进行滴定。当用FAS进行滴定时，被溶解的样品用吸管桶11内部的内建式搅拌器快速搅拌。在滴定终点，光学传感器检测到从兰绿玉淡红褐色的急剧的颜色改变。记录用于样品的FAS量，即可自动计算出样品的化学需氧量。当所有分析过程完成时，向下推动活塞，废料从排出口排出。抽吸清洗流体，清洗吸管桶11和加热/冷却组件4，以备下次分析应用。工业应用性

该发明能应用于新型自动水质分析器。由于圆筒形吸管组件1造成常规零件的功能整体化及结构的简化，使重量轻、价格低的用于实时水质监视的自动分析器的生产成为可能。尺寸和价格上的优势将加速扩大其在有关领域的应用。圆筒形吸管组件1在应用中是高度的多功能的。在开发用于分析多种水质参数的新型仪器中上述结构也是可应用的。

Claims (11)

1、一种自动分析装置，该装置用于确定液体样品中所含的化学成分或杂质的量，包括：

吸管组件，它具有样品、试剂、清洗溶液和空气向其供应或由其排出的吸管桶，和插入在吸管桶内以形成可变的密封空间的活塞；

搅拌装置，它位于吸管桶内，用于混合溶液；

驱动装置，它用于将活塞上、下移动；

连接线路，样品、试剂、清洗溶液和空气能通过它们向吸管桶供应或由其排出；

双通的接通/切断阀，它们连接在每条连接线路上；

检测装置，它设置在吸管桶的外壁上，与活塞轴相垂直；和

控制组件，它用于控制上述的搅拌装置、驱动装置、检测装置和阀。

2、如权利要求1的自动分析装置，其特征在于，所述驱动装置是线性驱动器步进马达，它直接地移动马达轴。

3、如权利要求1的自动分析装置，其特征在于，所述搅拌装置装备有若干围绕吸管桶的电磁铁，用于转动吸管桶内的内建式搅棒，还装备有控制装置，用于进行电磁铁的北极/南极变换。

4、如权利要求1的自动分析装置，其特征在于，所述连接线路位于吸管桶的下部或在活塞中。

5、如权利要求1的自动分析装置，其特征在于，所述检测装置是光源和光电探检器，它们布置成与活塞杆相垂直，并面对面地设置在吸管桶外侧。

6、如权利要求1的自动分析装置，其特征在于，吸管组件的内空间通过连接线路与辅助的一个加热和冷却组件相连接，加热和冷却组件的温度是自动控制的。

7、如权利要求6的自动分析装置，其特征在于，所述加热和冷却组件包括：

装载液体的罐；

热模块，它围绕罐放置，应用珀尔帖效应以泵送热量；和

控制器，用于转换热模块的电流方向。

8、如权利要求7的自动分析装置，其特征在于，所述加热和冷却组件附加地装备有混合溶液的搅拌器。

9、如权利要求8的自动分析装置，其特征在于，所述搅拌器装备有若干围绕罐的电磁铁，用于通过电磁铁的北极/南极变换以转动罐内的内建式搅棒。

10、如权利要求7的自动分析装置，其特征在于，所述加热和冷却组件额外地通过连接线路与试剂储罐相连接。

11、如权利要求10的自动分析装置，其特征在于，所述试剂储罐装备有压力装置，它对储罐的内空间进行加压。