CN202275068U - 一种便携式水质重金属分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式水质重金属分析仪，分析仪由电解装置和分析仪主体构成，电解装置包括上盖、电极固定座、透明视窗、底座、搅拌电机、电极、搅拌杆和电解杯；分析仪主体包括对外接口和内部电路模块。分析仪各部分在所述嵌入式系统控制下协调工作，自动控制富集、搅拌、静置和溶出过程。本实用新型的便携式水质重金属分析仪可以实现现场快速、准确检测水质重金属离子浓度，并实现测试数据和测试地点同时生成，避免人为记录或者统计错误的发生。通过便携小型化设计，本实用新型可直接用于野外现场重金属污染应急快速检测。

Description

一种便携式水质重金属分析仪

技术领域

本实用新型涉及水质分析领域，具体来说，涉及一种便携式水质重金属分析仪。

背景技术

水体中重金属元素离子的测定是水质分析的一项重要内容，目前水环境重金属污染监测所用到的技术主要有电化学分析、原子吸收光谱分析、电感耦合等离子体-原子发射光谱、电感耦合等离子体-质谱分析仪技术及生物监测等方法。现有的光度比色检测法使用成本高，检测灵敏度和精度低(ppm)，试剂成分复杂，易产生二次污染，受其他成分干扰大；而原子吸收法类和ICP类仪器昂贵，体积庞大或操作复杂度高，不适宜在现场或应急检测。

阳极溶出伏安法(ASV)首先发明于19世纪二十年代，并于1959年为其发明者Jaroslav Heyrovsky赢得了诺贝尔化学奖，可用于多金属元素同时进行定性、定量分析的一种电化学分析方法，其要点是以玻碳或者金盘作为工作电极，将还原电势施加于工作电极，当电极电势超过某种金属离子的析出电势，溶液中被分析的金属离子还原为金属电镀于工作电极表面，电势施加时间越长，还原出来电镀于电极表面(被称为“沉积”或“积累”过程)的金属越多，当足够的金属镀于工作电极表面，向工作电极以恒定速度增加电势，金属将在电极上溶出(氧化)。对于给定电解质溶液和电极，每种金属都有特定的氧化或溶出反应电压，该过程释放出的电子形成峰值电流。测量该电流并记录相应电势，根据氧化发生的电势值来识别金属种类，并通过它们氧化电势的差异同时测量多种金属。样品离子浓度的计算，是通过计算电流峰高或者面积并且与相同条件下的标准溶液相比较得出。该方法具有测量速度快，检出限低，优于ppb级，试剂耗量少成本低，可同时测量多种金属的特点。

实用新型内容

为了克服现有的实验室分析仪器体积庞大、结构复杂、检测精度低、成本昂贵和不适合在现场测试的缺点，本实用新型提供一种便携式水质重金属分析仪，采用便携式水质重金属分析仪进行现场测试，收集分析结果，并内置全球定位系统(GPS)和无线GPRS数据传输模块，对采样测试地点进行地理坐标定位和远程无线传输数据，轻松实现样品成分数据与位置数据一次性生成，并能实现数据远程无线传输，使水质中重金属分析具有针对性，系统性以及较高的准确性。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式水质重金属分析仪，由电解装置和分析仪主体组成，电解装置包括上盖、电极固定座、透明视窗、底座、搅拌电机、电极、搅拌杆和电解杯；分析仪主体包括内部电路模块和对外接口。

所述的搅拌电机通过减速器与搅拌杆连接，所述减速器的作用是将转速降低至3000rpm以下；所述搅拌杆的下端为倒锥盘形结构，在液体中高速转动时不会产生气泡，搅拌效率高。

所述电极含有工作电极、参比电极和辅助电极，而且三个电极与搅拌杆的夹角在5-10度之间。

所述分析仪主体内部电路模块连接关系为：嵌入式系统分别与液晶显示器、电源模块、操作按键、USB2.0接口、A/D模块、GPS接收器、无线GPRS模块、波形发生和电位控制模块和电解装置相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、交流电源适配器或车载电源适配器和嵌入式系统连接；电解装置包括电极和搅拌装置；波形发生和电位控制电路分别与电极和嵌入式系统连接；信号处理电路分别与电极和A/D模块连接。

所述对外接口含有USB2.0接口，电源适配器接口和电解装置连接接口。

所述的电解装置连接接口密封防水。

一种利用所述的便携式水质重金属分析仪分析水质中重金属的方法，包括以下步骤：

S1：分析仪各部分在嵌入式系统控制下协调工作，将待测样品溶液加在电解杯内，工作时富集电压加在工作电极和参比电极之间，直流电机和减速器带动搅拌杆做恒速旋转对样品进行搅拌，在达到规定的动态和静态富集时间5-120秒后，仪器自动控制溶出过程；

S2：参比电极随时检测工作电极上的电位变化，在富集时它能自动调整富集电压，使之随工作电极和辅助电极之间的电压自动跟随变化，从而保证富集电压在-0.5V到-2.0V之间的某一点恒定；

S3：在溶出时，溶液中的重金属离子会在工作电极上产生突跃电流信号，经过电流电压变换电路及电压放大滤波电路，送至模数转换器和嵌入式系统，嵌入式系统对转换的数据处理后形成伏安扫描图谱，分析得出具体含有重金属元素的成分和含量；

S4：嵌入式系统启动GPS接收器进行采样位置的全球定位，在分析报表中自动加入测试样品所在地的精确地理位置信息。

有益效果：使用本实用新型可以实现现场快速、准确检测水质重金属离子浓度，并实现测试数据和测试地点同时生成，避免人为记录或者统计错误的发生。本实用新型通过便携小型化设计，可直接用于野外现场重金属污染事故应急检测，通过增加GPS定位功能和GPRS数据传输功能，便于测试数据直接传输到地理信息系统软件上，增强可视化效果，提高分析效率。

附图说明

图1是本实用新型的便携式水质重金属分析仪的硬件结构框图。

图2是本实用新型的电解装置结构示意图。

图3是本实用新型的仪器工作流程图。

图中标号说明：1.上盖，2.电极固定座，3.透明视窗，4.底座，5.搅拌电机，6.电极，7.搅拌杆，8.电解杯。

具体实施方式

本实用新型的便携式水质重金属检测仪包括电解装置和分析仪主体。

如图1所示，分析仪主体内部模块连接关系为：嵌入式系统分别与液晶显示屏、电源模块、操作按键、USB2.0接口、A/D模块、GPS接收器、无线GPRS模块和波形发生和电位控制模块相连接。电源模块分别与锂聚合物电池、交流电源适配器或车载电源适配器和嵌入式系统连接。所述操作按键设有确定键、搅拌键、上移键、下移键、返回键和开关机键，与嵌入式系统连接。电解装置包括电极和搅拌装置。波形发生和电位控制电路分别与电极和嵌入式系统连接。信号处理电路分别与电极和嵌入式系统连接。

嵌入式系统是基于ARM9处理器，内嵌Linux操作系统和伏安法水质分析软件，大容量聚合物锂电池达到了2600mAh，7.4V输出，为整个仪器提供了长达10小时以上的电力支持；电源模块一方面为仪器各部件提供3.3V和5V电压，另一方面提供各种过压、过流保护和功耗管理，保证仪器的电路安全，同时还可以喝仪器外置的交流电源适配器或车载电源适配器连接，为仪器充电。液晶显示屏和按键操作为用户和仪器之间提供交互手段，用户可通过操作按键发送各种指令，由液晶显示屏读取测量结果，获取操作提示。

波形发生和电位控制电路与参比电极相连接，参比电极的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，对于一个三电极的测试系统，引入参比电极可以确切的知道工作电极的电极电位。

信号处理电路分别与电极和A/D模块连接，在仪器测量溶出过程中，工作电极上产生的电流突跃信号经过信号处理电路进行电流电压转化，电压信号放大电路和低通有源滤波电路至A/D模块，A/D模块进行信号采样。

如图2所示，电解装置包括上盖1、电极固定座2、透明视窗3、底座4、搅拌电机5、电极6、搅拌杆7和电解杯8。电解杯8放置定位于底座4上，可将电极6固定座拿开以加入或更换电解杯内的溶液；搅拌电机5固定于电极固定座2上，其下端与搅拌杆7紧密连接，搅拌电机5通过屏蔽电缆线和电极连接接口与分析仪主体连接，搅拌电机5的启动和转速受控于分析仪主体内的嵌入式系统；电极6固定于电极固定座2相应孔位上，下端伸入至电解杯8中，与电解杯8内溶液及分析仪主体内部电路模块一起构成三电极电化学工作结构，在分析仪主体的控制下，执行整个分析测试流程；透明视窗3位于底座4和电极固定座2之间，透明视窗3与电极固定座2紧配合连接，与底座4间隙连接，通过透明视窗3可以观察到电解杯8内的化学反应过程。

如图3所示，仪器的工作流程如下：按下开机键后，系统开始启动，同时系统进行初始化操作，对嵌入式系统外围接口电路初始化和系统自检操作，LCD同步显示开机信息和系统自检信息，之后系统进入低功耗状态。系统自检通过后，表示仪器工作正常。此时用户可以开始准备工作电极，将参比电极、工作电极和辅助对电极取出，插入到电极座上对应的孔位中，并连接好连线。然后取出多个电解杯，将各种试剂，包括镀汞液、清洗液、空白样、标准样和待测样放定量移至各自的电解杯中，做好标识，对电极用清洗液清洗后，将装有镀汞液的电解杯放入电解装置内，对工作电极进行镀汞膜或铋膜操作。汞膜电镀完毕后，用户按照LCD液晶屏提示，将装有空白样的电解杯放入电极座内，操作按键进行空白样测量。嵌入式系统通过控制外围部件，执行阳极溶出方法工作流程：富集、静置和溶出，自动控制各个流程的时间。在空白样测量完毕后，以同样的方式进行标准样和待测样测量，再调用模型计算最终结果在LCD显示器上显示。用户可选择继续测量多个待测样，也可以不再继续测量不操作按键，仪器返回低功耗状态。

Claims (5)

1.一种便携式水质重金属分析仪，由电解装置和分析仪主体组成，其特征在于，电解装置包括上盖(1)、电极固定座(2)、透明视窗(3)、底座(4)、搅拌电机(5)、电极(6)、搅拌杆(7)和电解杯(8)；分析仪主体包括内部电路模块和对外接口；

所述搅拌电机(5)通过减速器与搅拌杆(7)连接；

所述搅拌杆(7)的下端为倒锥盘形结构。

2.根据权利要求1所述的便携式水质重金属分析仪，其特征在于，所述电极(6)含有工作电极、参比电极和辅助电极，三个电极与搅拌杆(7)的夹角在5-10度之间。

3.根据权利要求1所述的便携式水质重金属分析仪，其特征在于，所述分析仪主体内部电路模块连接关系为：嵌入式系统分别与液晶显示器、电源模块、操作按键、USB2.0接口、A/D模块、GPS接收器、无线GPRS模块、波形发生和电位控制模块和电解装置相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、交流电源适配器或车载电源适配器和嵌入式系统连接；电解装置包括电极和搅拌装置；波形发生和电位控制电路分别与电极和嵌入式系统连接；信号处理电路分别与电极和A/D模块连接。

4.根据权利要求1所述的便携式水质重金属分析仪，其特征在于，所述对外接口含有USB2.0接口，电源适配器接口和电解装置连接接口。

5.根据权利要求4所述的便携式水质重金属分析仪，其特征在于，所述的电解装置连接接口密封防水。 

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