CN214150595U - 应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置，包括滴定泵、滴定管、反应池、进液泵和储液罐，所述滴定管设有滴定液检测装置，所述滴定液检测装置设有滴定液检测元件，所述反应池设有反应终点检测装置，管道系统设有三通阀、计量管、通断阀和旋转多通阀，所述反应池设有搅拌装置。可以采用滴定泵以稳定流量经滴定管持续将滴定液滴加到反应池，依据滴定液流经滴定管检测部位的起始时间确定滴加起始时间，依据滴定液的输送流量以及滴加时间计算滴定液用量。本实用新型能够在控制装置及数据采集电路等的配合下，更为精确地计算出滴定液的实际用量，以获得更高的滴定检测精度。

Description

应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置

技术领域

本实用新型涉及水质在线监测设备的高精度定量滴定装置，尤其适用于测定水质中痕量污染物时的高精度滴定分析。

背景技术

近年来，我国对监测指标的全面性要求越来越高，以水质监测为例，需要实时监测水体中的污染物种类持续增加，尤其涉及到重金属、毒性物质等；对监测精度的要求也越来越高，在保证仪器稳定运行的前提下，监测精度要求逐年提高。而在试剂用量的要求方面，为降低水质监测过程中形成的二次污染，对试剂用量的要求越来越严格，试剂用量少，二次污染小的设备越来越受市场欢迎。

其中，水质监测中需要检测的重金属指标往往很小的排放量便能形成较大的污染范围，因此痕量监测是目前水质在线监测的一个重要检测要求和考核指标。

现有水质在线监测设备的主要检测方法分为光度法和电化学法，其中滴定检测方式是一种有效的检测方式，使用滴定液滴定经过前处理的水样，通过电化学或吸光度变化来确定滴定终点，从而判定水体中特征污染物的浓度。

现有滴定检测多采用手工操作，但手工操作效率低且需要耗费大量的人力，不能很好地适应于自动化在线检测要求。另一方面，尽管现有技术能够将多种反应液体（样品、试剂、助剂等）投入同一个反应池并实现搅拌混合，满足反应要求，然而，由于在滴定检测法中，滴定液的用量是判定浓度的一个重要指标，现有技术尚无法在自动添加滴定液的过程中对滴定液进行高精度的剂量和控制，因此，需要开发出一种能够精确计量和控制滴定液用量的检测技术和检测装置，以适应于高精度水质在线监测的要求。

实用新型内容

为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定方法，还提供了基于这种检测方法的一种应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置，以获得较高的滴定检测精度。

本实用新型的技术方案是：应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置，其包括滴定系统，所述滴定系统包括滴定泵、滴定管及反应池（用于滴定反应的容器，或称反应罐、反应槽、反应器等），所述滴定管的出口位于所述反应池内或者位于所述反应池的顶部开口上方，所述滴定泵的出口通过管道系统连接所述滴定管的进口，所述滴定管设有滴定液检测装置，所述滴定液检测装置设有用于检测滴定管检测部位内有无液体（滴定液）的滴定液检测元件，所述反应池设有反应终点检测装置。

根据需要，所述反应池可以设有搅拌装置。

所述搅拌装置为磁搅拌装置，包括竖向设置的搅拌电机及固定安装在搅拌电机的顶端轴伸上的永磁体，所述永磁体位于所述反应池的下方，所述反应池内设有能够跟随所述永磁体运动的搅拌子。

通常，所述滴定管竖向设置于反应池的上方，其下端延伸至所述反应池内。

必要时，可以依据现有技术设置用于反应池内液体混合搅拌的搅拌器，所述搅拌器可以为机械式搅拌器或者磁搅拌器，所述机械式搅拌器设有位于所述反应池内的搅拌叶片，所述磁搅拌器设有位于所述反应池内的搅拌子，通过搅拌器的电机带动位于反应池外（通常位于反应池的下方）的永磁铁旋转，进而依靠永磁体的磁力作用带动搅拌子运动。

所述滴定液检测装置的滴定液检测元件为光电开关，发光件发出的光线沿直径方向（在相应高度下过滴定管轴线的水平方向）穿过滴定管，射向光敏元件（光接收元件），在滴定管内有液体和没有液体的两种状体下，透射光强度会有明显变化，光电开关根据光强改变工作状态，形成不同的检测信号输出。当采用光电开关进行计量管的液位高度检测时，也可以采用类似的工作方式，确定光电开关所在检测高度下的计量管内有无液体（反应液）。

所述反应终点检测装置的检测元件为能够检测反应池内液体的导电特性的检测电极，当到达反应终点时，反应池内液体的导电特性（液体电阻率或电导率）会发生明显变化，进而使检测电极的输出（电压、电流等）发生明显变化，由此表明到达反应终点。

所述滴定泵优选为能够输出恒定流量的柱塞泵。

还可有设有进液泵和储液罐（用于容纳反应液体的容器，或称液体存放装置、样品存放装置），所述管道系统设有三通阀、计量管、通断阀和旋转多通阀，所述滴定泵和进液泵的出口分别连接所述三通阀的第一进口（或称第一单通口）和第二进口（或称第二单通口），所述三通阀的出口（或称多通口）连接所述计量管的第一通口，所述计量管的第二通口连接所述截止阀的第一通口，所述截止阀的第二通口连接所述多通阀的多通口，所述多通阀为旋转多通阀，设有多个通口，其中至少包括一个多通口（能够分别与各单通口连通的通口）和多个单通口（只能与多通口连通的通口），所述储液罐的出口连接所述多通阀上与其对应的单通口，所述滴定管的进口与所述管道系统的连接方式为所述滴定管的进口连接所述多通阀上与其对应的单通口，所述计量管设有用于检测其液位信号的液位检测装置。

所述储液罐的数量为一个或多个，以适应于放置多种不同反应液体的需要。

所述液位检测装置的检测元件为光电开关。

所述液位检测装置的光电开关的数量为一个或多个。

当液体从计量管的下端口（第二通口）流入计量管时，计量管内的液位逐渐升高，到达相应光电开关的检测高度时，相应光电开关的检测信号由计量管内没有液体的信号转换为计量管内有液体的信号，由此显示液位达到该光电开关的检测高度，可以将光电开关的检测高度设置在相应液体所需剂量对应的高度，达到该高度时，进液泵停止抽取相应液体。

当涉及多种反应液体时，可以设置多个光电开关分别用于检测不同反应液体的液位，也可以采用一个光电开关，控制该光电开关移动到相应反应液体对应的检测高度进行相应反应液体液位的检测。

所述液位检测装置的光电开关固定设置在所述计量管的外侧，或者滑动安装在与所述计量管并联的竖向轨道上并设有能够将其在所述竖向轨道上固定住的紧固装置，例如，用于固定的顶丝，所述顶丝可以带有用于手动旋转的把手。

可以依据现有技术设置配套的控制装置进行相关元件/装置的控制，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集各检测元件的输出信号，送入控制装置作为控制相关元件/装置工作的依据。

本实用新型的装置适应于下列方法：

应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定方法，其采用滴定泵以稳定流量经滴定管持续将滴定液滴加到（送入）反应池，依据滴定液流经滴定管检测部位的起始时间（时间点，或称时刻）确定滴加起始时间（时间点），依据反应终止时间（时间点）确定滴加终止时间（时间点），进而确定滴加时间（时间段），依据滴定液的输送流量（或称滴加流量）以及滴加时间计算滴定液用量（滴加量）。

滴定液的输送流量可以依据滴定泵的流量计算。

可以在反应终止时间控制滴定泵停止运行，和/或，通过截止阀切断滴定泵至滴定管的滴定液输送通道，进而终止滴加。

所述滴定泵优选能够形成稳定流量的柱塞泵，以获得稳定和精确的流量。

所述滴加流量可以根据实际确定，可以通过调节滴定泵的工作参数和/或调节设置在滴定泵至滴定管的滴定液输送通道的调节阀实现流量调节或设定。

滴定液自滴定管进入（落入）反应池的形态可以是连续的流束（或称束流），也可以呈液滴状，或见滴成线。

可以根据实际需要配置样液，所述样液包括待检测水（或液)，也可以根据处理和检测要求在待检测水（或液）中添加适当比例的前处理试剂等其他物质。

可以对原水（或原液）进行一定的预处理，形成符合检测要求的待检测水（液）。

在滴加滴定液之前，应先将定量的样液送入反应池内，滴定管排空。

样液可以经滴定管送入反应池，也可以通过其他管道或方式送入反应池。

在滴定的起始阶段，优选以光电开关作为感应元件检测滴定管内是否有滴定液，光电开关在滴定管内无滴定液（空管）和有滴定液的两种状态下能够分别送出不同的检测信号（状况信号），通过相应的数据采集电路采集光电开关的检测信号，以光电开关输出的检测信号（相应的数据采集电路采集到的检测信号）发生改变（由之前的管内无滴定液的信号转换为管内有滴定液的信号）的时间（时间点，或称时刻）作为滴定液流经滴定管检测部位的起始时间。

可以依据精度要求，直接以滴定液流经滴定管检测部位的起始时间作为滴加起始时间，或者依据滴定管检测部位距滴定管出口的距离在考虑具体滴定液流速或者以预设的固定滴定液流速的情形下，推算出具体的滴加起始时间。

也可以采用其他能够检测滴定管内是否存在液体的传感器或检测元件检测滴定管内是否有液体（滴定液）。

在滴定过程中，以检测电极为检测元件检测反应池内液体的导电特性（电阻率或电导率），在反应终止时，反应池内液体的导电特性会急剧明显变化，以检测电极输出的检测信号（电压、电流或电阻率等，依据具体的检测装置）出现相应变化的时刻作为反应终点（反应终止时间），可以通过相应的数据采集电路检测电极的检测信号输出，依据检测电极的检测信号输出确定反应终点。

所述检测电极设有相间分布的电极对，其探测端延伸至反应池的液体内，电极之间的电阻以及依赖于电极之间的电阻的其他参数（例如，在一定条件下的电压、电流等）体现了液体的导电特性。

达到反应终点时，可以通过相应的控制装置控制滴定泵停止运转。

本实用新型的有益效果是：本实用新型主要针对滴定法水质在线监测设备监测过程中的高精度定量滴定过程，适用于光度法和电极法的滴定终点判定，能够获得相关感应信号，并能够在控制装置的控制下工作，进而在相应控制装置及其数据采集电路等的配合下，更为精确地计算出滴定液的实际用量，进而获得更高的滴定检测精度。

附图说明

图1是本实用新型的装置构造示意图；

图2是本实用新型涉及滴定部分的装置构造示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型的高精度定量滴定装置在使用状态下，可以配套设置相应的数据采集电路及控制装置等，主要可以由进液泵（或称计量泵）1、滴定泵2、高精度计量模块4、电磁截止阀7、多通旋转阀8、高精度滴定液定量计算模块12、搅拌装置14、滴定池（反应池）15、检测电极16、主控单元17等器件构成。

各部分器件的功能及原理如下：

滴定泵2：采用高精度滴定柱塞泵，动作步数与滴定液量成一定的线性关系，相对于蠕动泵，进液稳定性有所提高；

进液泵1：采用蠕动泵，主要功能为配合高精度计量模块抽取待测样品和前处理试剂等反应液体，反应液体的具体种类和数量依据具体检测要求设置；

三通阀3：切换滴定泵和进液泵的选择；

高精度计量模块4：主要由光电开关5和计量管6组成，反应液体（例如待测液体）通过进液泵或滴定泵抽取进计量管6，光电开关5在无液体时呈现高电平状态，有液体时呈现低电平状态，电平信号通过屏蔽线连接主控模块（或称主控单元）17，由主控模块判定各计量模块状态，控制各泵、阀的动作；

电磁截止阀7：截止液位波动作用，当高精度计量模块检测到进液完成后，为防止计量管内液位在压力作用下波动，关闭该截止阀，达到精确计量的目的；

多通旋转阀8：选择性抽取样品作用，主控模块通过RS232接口发送控制指令，经相应的控制电路控制多通旋转阀转换不同的通口（或称端口），以达到抽取不同反应液体的目的；

待测样品存放装置9、前处理试剂存放装置10和滴定液存放装置11分别用于存放作为反应液体的待测样品、前处理试剂盒滴定液；

高精度滴定液定量计算模块12：块主要通过滴定液检测转置（或称滴定液检测器）13实时监测滴定液进液情况，滴定液检测器通过100ms扫描频率来实时监测电平变化，以确定是否有液体流经检测器，滴定液检测装置的光电开关在有滴定管18内有液体时呈现低电平（输出），无液体时呈现高电平（输出）。电平信号反馈给高精度滴定液定量计算模块，计算模块根据滴定泵的滴定速度实时计算滴定液用量，然后通过RS232接口将信号传送至主控单元17；

反应容器搅拌装置14：滴定开始时，主控单元17通过继电器控制开启搅拌装置，使滴定液与已经存在于反应池内的待测液体充分混合；

滴定池15：是待测样品和滴定液反应容器；

检测电极16：检测电极是指示滴定终点的重要器件，滴定池内只注入待测样品和前处理试剂时，通过主控单元17采集到的电压信号为1000mV-2500mV左右，当到达滴定终点时，电压有一个急剧的下降过程，瞬间降至10mV-50mV左右，至此主控单元17判定为到达滴定终点；

主控单元17主要可以为由STM32系列单片机为主MCU的主控单元，集成AD信号采集、RS232接口、开关量输入、开关量输出等接口，主要功能为控制该滴定装置内的泵、阀动作、信号采集、状态采集等。

反应池的搅拌装置：可以采用机械式搅拌装置等，优选采用磁搅拌装置，所述磁搅拌装置主要包括搅拌电机19和由搅拌电机带动旋转的永磁体20，永磁体横向设置，固定安装在搅拌电机上部的竖向轴伸上，贴近于反应池的底部，反应池（容器）至少底部采用不妨碍磁力传递的材料制成，例如大部分塑料或玻璃等，在反应池内设置搅拌子21，所述搅拌子可以呈球形或其他适宜形状，能够在永磁体的带动下随永磁体做圆周运动，进而通过搅拌子的搅动作用在反应池内形成高混合效果的旋流。

这种装置在实际使用中涉及的具体实施步骤（以反应液体包括待测样品、前处理试剂和滴定剂为例）：

1）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到待测样品存放装置9；

2）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7和三通阀3，通过开关量控制端口控制进液泵2正转，抽取待测样品；

3）高精度计量模块4中的光电开关5开始以100ms的周期持续扫描电平变化，电平信号实时传送给主控单元17；

4）主控单元17检测到电平由高到低的变化，证明待测样品抽取完成（在计量管内达到设定液位高度），此时通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7、三通阀3和进液泵2；

5）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到滴定池15；

6）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7和三通阀3，通过开关量控制端口控制进液泵2反转，将待测样品推送至滴定池15；

7）主控单元17计算推送时间，到达预设推送时间，通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7、三通阀3和进液泵2；

8）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到前处理试剂存放装置10；

9）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7和三通阀3，通过开关量控制端口控制进液泵2正转，抽取前处理试剂；

10）高精度计量模块4中的光电开关5开始以100ms的周期持续扫描电平变化，电平信号实时传送给主控单元17；

11）主控单元17检测到电平由高到低的变化，证明待测样品抽取完成，此时通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7、三通阀3和进液泵2；

12）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到滴定池15；

13）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7和三通阀3，通过开关量控制端口控制进液泵2反转，将前处理试剂推送至滴定池15；

14）主控单元17计算推送时间，到达预设推送时间，通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7、三通阀3和进液泵2；

15）主控单元17通过开关量控制端口发送高电平，将反应容器搅拌装置14的继电器吸合，控制搅拌装置开始工作；

16）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到滴定液存放装置11；

17）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7，通过开关量控制端口控制进液泵2正转，抽取滴定液；

18）高精度计量模块4中的光电开关5开始以100ms的周期持续扫描电平变化，电平信号实时传送给主控单元17；

19）主控单元17检测到电平由高到低的变化，证明待测样品抽取完成，此时通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7和进液泵2；

20）主控单元17通过RS232将控制指令发送给多通旋转阀8，控制其转动到滴定池15；

21）主控单元17通过开关量控制端口打开电磁截止阀7，通过RS232控制端口控制滴定泵1反推，将滴定液向滴定池15推送；

22）高精度滴定液定量计算模块12中的滴定液检测器13开始以100ms的周期进行扫描；

23）主控单元17检测到滴定液检测器13电平由高到低的变化，证明滴定液到达预定的位置，此时主控单元17开始以100ms的频率开始对检测电极16的电压值进行实时监测；

24）主控单元17通过RS232端口实时收取高精度滴定液定量计算模块12的计算值，高精度滴定液定量计算模块每100ms扫描一次液位变化，将电平变化值转化为滴定液的用量，传送给主控单元17；

25）检测电极16的电压值到达滴定终点的电压值后，会触发一个中断信号，中断信号唤醒主控单元17的滴定终点判断系统，指示整个系统到达滴定终点；

26）主控单元17记录下此时的高精度滴定液定量计算模块12的滴定液用量值；

27）主控单元17通过开关量控制端口关闭电磁截止阀7和滴定泵1，通过RS232端口将多通旋转阀8转动到滴定液存放装置11将剩余滴定液返回给滴定液存放装置11；

28）主控单元17根据高精度滴定液计算模块12的滴定液用量值，结合标定曲线，计算出待测样品的浓度，整套装置的滴定过程完成。

本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (10)

1.应用于水质在线监测设备的高精度定量滴定装置，其特征在于包括滴定系统，所述滴定系统包括滴定泵、滴定管及反应池，所述滴定管的出口位于所述反应池内或者位于所述反应池的顶部开口上方，所述滴定泵的出口通过管道系统连接所述滴定管的进口，所述滴定管设有滴定液检测装置，所述滴定液检测装置设有用于检测滴定管检测部位内有无液体的滴定液检测元件，所述反应池设有反应终点检测装置，所述反应池设有搅拌装置。

2.如权利要求1所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述搅拌装置为磁搅拌装置，包括竖向设置的搅拌电机及固定安装在搅拌电机的顶端轴伸上的永磁体，所述永磁体位于所述反应池的下方，所述反应池内设有能够跟随所述永磁体运动的搅拌子。

3.如权利要求1所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述滴定泵为能够输出恒定流量的柱塞泵。

4.如权利要求1所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述滴定液检测装置的滴定液检测元件为光电开关。

5.如权利要求1所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述反应终点检测装置的检测元件为能够检测反应池内液体的导电特性的检测电极。

6.如权利要求1-5任一项中所述的高精度定量滴定装置，其特征在于还设有进液泵和储液罐，所述管道系统设有三通阀、计量管、通断阀和多通阀，所述多通阀为旋转多通阀，设有多个通口，其中至少包括一个多通口和多个单通口，所述滴定泵和进液泵的出口分别连接所述三通阀的第一进口和第二进口，所述三通阀的出口连接所述计量管的第一通口，所述计量管的第二通口连接截止阀的第一通口，所述截止阀的第二通口连接所述多通阀的多通口，所述储液罐的出口连接所述多通阀上与其对应的单通口，所述滴定管的进口与所述管道系统的连接方式为所述滴定管的进口连接所述多通阀上与其对应的单通口，所述计量管设有用于检测其液位信号的液位检测装置。

7.如权利要求6所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述储液罐的数量为一个或多个。

8.如权利要求6所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述液位检测装置的检测元件为光电开关。

9.如权利要求8所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述液位检测装置的光电开关的数量为一个或多个。

10.如权利要求9所述的高精度定量滴定装置，其特征在于所述液位检测装置的光电开关固定设置在所述计量管的外侧，或者滑动安装在与所述计量管并联的竖向轨道上并设有能够将其在所述竖向轨道上固定住的紧固装置。

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