一種水質總磷快速在線監測儀器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種水質總磷快速在線監測儀，它包括電源模塊、嵌入式測控系統、光學檢測系統和多樣品與試劑順序進樣流路系統，嵌入式系統上通過串口連接有人機交互系統，人機交互系統包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統，GPRS系統與上位機連接，嵌入式系統上通過并口連接有光譜儀；嵌入式系統主控制器SAMSUNGS3C6410上有引腳與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接樣品檢測室，樣品檢測室連接光譜儀。本發明能夠在常溫常壓下應用于水質總磷污染監測與預警，適合野外多類水質監測現場分析，在樣品化學前處理及在線控制方面具有自動恒溫、高效攪拌與高效清洗的多功能系統集成的技術優勢，測量時間僅需15分鐘。
【專利說明】一種水質總磷快速在線監測儀器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光譜水質在線分析與監測【技術領域】，涉及一種在常溫常壓應用條件下基于超聲輔助消解與連續光譜分析的水質總磷快速在線監測儀器。
【背景技術】
[0002]總磷是控制水體富營養化的重要水質監測參數，是保護水資源的飲用、游覽和養殖等開發價值而必須有效監控的水質參數之一，是水環境監測的必測項目之一。
[0003]目前，總磷監測儀器大多采用國家標準檢測方法，即鑰酸銨分光光度法，其原理是用過硫酸鉀(或硝酸-高氯酸)使水樣消解，將焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和有機結合的磷酸鹽等各種形式存在的磷全部氧化為無機正磷酸鹽。正磷酸鹽與鑰酸銨反應生成磷鑰雜多酸，加入抗壞血酸使其被還原，生成藍色絡合物，用分光光度法在700nm處檢測總磷含量。該方法樣品需要在高溫、高壓容器中消解反應，檢測過程復雜，耗時耗能，并且存在較大的二次污染。
[0004]此外，就目前總磷檢測的其他方法而言，如氯化亞錫還原光度法、離子色譜法、等離子體光譜-質譜儀分析等，這些方法或操作步驟冗長繁瑣，或干擾因素較多，其中離子色譜法、等離子體光譜-質譜儀分析等檢測方法需要使用比較昂貴的儀器，而且對操作人員有很高的專業技能要求，并且大都采用大型分析儀器，只能在實驗室完成，不能滿足野外現場無人值守的在線監測要求，更不適用于突發性污染事故的現場快速在線監測與預警。
[0005]綜上分析，為滿足水質突發性污染監測與預警這一現代水質監測技術發展要求，開發能夠在常溫常壓應用條件下，低成本、高可靠、檢測實時快速的水質總磷監測儀器是我國環境監測與治理保護領域的迫切需求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于針對現有總磷檢測在樣品在線前處理條件苛刻(如國標中使用的方法，樣品一般需要在高溫高壓條件下消解2個小時，產物二次污染嚴重)和分析儀器難以滿足在線監測技術要求(如離子色譜法、等離子體光譜-質譜儀分析法等)兩方面存在的技術不足，提供一種集成超聲輔助消解高效樣品化學前處理與連續光譜分析技術的水質總磷快速監測儀器，可廣泛應用于多類地表水質污染監測與預警以及污水處理排放監測。
[0007]本發明采用如下技術方案:
一種水質總磷快速在線監測儀，它包括電源模塊、嵌入式測控系統、光學檢測系統和多樣品與試劑順序進樣流路系統，其特征在于:
所述嵌入式測控系統包括嵌入式系統和外圍控制電路系統，嵌入式系統上通過串口連接有人機交互系統，人機交互系統包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統，GPRS系統與上位機連接，嵌入式系統上通過并口連接有光譜儀，嵌入式系統主控制器上有接口與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接微型樣品反應檢測室，微型樣品反應檢測室連接光譜儀； 所述多樣品與試劑順序進樣流路系統由微電子多位閥、微型精密蠕動泵、樣品反應檢測室組成；
所述光學檢測系統包括準直光源，準直光源通過微型樣品反應檢測室，然后經過聚焦光路，最后進入光譜儀，所述的樣品反應檢測室由流通檢測池、恒溫超聲水槽、超聲換能器組成，流通檢測池設置在恒溫超聲水槽內部，恒溫超聲水槽底部設有超聲換能器，所述超聲換能器由超聲發生器驅動產生超聲波，超聲波頻率為40kHz，功率5?IOW可調。
[0008]優選的，流通檢測池頂部設樣品流路系統，流通檢測池底部通過直流泵連接廢液池,恒溫超聲水槽頂部設水槽蒸餾水進口，恒溫超聲水槽底部通過直流泵連接廢液池。
[0009]優選的，流通檢測池的下2/3部分淹沒于恒溫超聲水槽的蒸餾水之中。
[0010]優選的，流通檢測池由石英玻璃制成，恒溫超聲水槽由不銹鋼制成，恒溫超聲水槽上設有石英玻璃光窗，石英玻璃光窗用于檢測光路通過。
[0011 ] 優選的,恒溫超聲水槽的外部設有熱電溫控模塊。
[0012]優選的，嵌入式系統中主控制器為SAMSUNGS3C6410微處理器，其采用Linux內核技術。
[0013]優選的，外圍控制電路系統包括自動恒溫控制、光源開關控制、流路進樣控制、自動攪拌控制和自動清洗控制。
[0014]本發明取得的技術效果:
1、本發明體積小、功耗低、操作簡便，功能完善，檢測快速，能夠應用于水質總磷污染監測與預警，并適合野外多類水質監測的現場應用，儀器在樣品化學前處理在線控制方面具有自動恒溫、高效攪拌與高效清洗的多功能系統集成的技術優勢，儀器能夠在常溫常壓應用條件下快速檢測水樣中的總磷含量，測量時間僅需15分鐘；
2、總磷在線檢測的精密度、準確度與檢出限等關鍵技術指標優于國家環境保護對在線監測儀器的技術規范要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的結構原理圖；
圖2是樣品反應檢測室的結構示意圖，其中，1.蒸餾水進口，3.直流泵，5.檢測池，
8.樣品流路系統，12.廢液池，16.恒溫超聲水槽，18.石英玻璃光窗，20.熱電溫控模塊，21超聲換能器，22.超聲發生器；
圖3是羥基自由基氧化消解高效樣品前處理原理圖；
圖4是超聲輔助消解高效樣品前處理原理圖；
圖5是基于光譜儀的光學檢測系統示意圖；
圖6是本發明的測量流程示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的實施方式做進一步的說明。
[0017]圖1示出了本在線監測儀的結構原理圖，該監測儀包括電源模塊、嵌入式測控系統、光學檢測系統和多樣品與試劑順序進樣流路系統。
[0018]所述嵌入式測控系統包括嵌入式系統和外圍控制電路系統，嵌入式系統上通過串口連接有人機交互系統，人機交互系統包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統，GPRS系統與上位機連接，嵌入式系統上通過并口連接有光譜儀；嵌入式系統主控制器SAMSUNGS3C6410上有引腳與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接樣品檢測室，樣品檢測室連接光譜儀；所述多樣品與試劑順序進樣流路系統由微電子多位閥、微型精密蠕動泵、樣品反應檢測室組成；所述的光學監測系統包括準直光源，準直光源通過微型樣品反應檢測室，然后經過聚焦光路，最后進入光譜儀，所述的樣品反應檢測室由流通檢測池5、恒溫超聲水槽16、超聲換能器21組成，流通檢測池設置在恒溫超聲水槽內部，恒溫超聲水槽底部設有超聲換能器，所述的超聲換能器由超聲發生器22產生超聲波17，超聲波頻率為40kHz，功率10?20W可調。
[0019]所述的流通檢測池頂部設樣品流路系統8，流通檢測池底部通過直流泵3連接廢液池12，恒溫超聲水槽頂部設水槽蒸餾水進口 I，恒溫超聲水槽底部通過直流泵3連接廢液池12。
[0020]所述的流通檢測池的下2/3部分淹沒于恒溫超聲水槽的蒸餾水之中。
[0021]所述的流通檢測池由玻璃制成，恒溫超聲水槽由不銹鋼制成，恒溫超聲水槽上設有石英玻璃光窗18，石英玻璃光窗用于檢測光路6通過。
[0022]所述的恒溫超聲水槽的外部設有熱電溫控模塊20。
[0023]所述的嵌入式系統為SAMSUNG S3C6410微處理器，其采用Linux內核技術。
[0024]所述的外圍控制電路系統主要包括樣品檢測室的自動恒溫控制、光源開關控制、流路進樣控制、自動攪拌控制和自動清洗控制。
[0025]如圖1所示，主控制器SAMSUNG S3C6410向外圍控制電路系統發送控制命令，被測水樣與檢測試劑通過微電子多位閥與微型精密蠕動泵組成的切換流路按一定的體積比高精度定量進入微小型樣品反應檢測室，樣品反應體系在恒溫控制、攪拌控制和超聲輔助消解控制的作用下，在樣品反應檢測室內完成樣品的在線化學前處理和光譜分析，光譜儀的輸出信號送嵌入式系統分析處理，并通過GPRS系統把測量結果發送給上位機，嵌入式測控系統控制整個儀器系統運作，并通過無線發送模塊與上位機進行信號通訊，實現上位機對儀器工作的遠程監控。
[0026]圖2示出了樣品反應檢測室的結構示意圖，所述微小型多功能樣品檢測室在設計原理上不但考慮到水質樣品反應體系的光學檢測，而且還針樣品在線前處理對消解、攪拌、恒溫和清洗的技術要求，作為系統檢測光路與試樣流路的交叉，在不影響檢測光路的前提下，基于超聲技術與水浴恒溫原理，設計了一種集光學檢測、自動恒溫、攪拌與高效清洗等功能于一體的多功能微小型樣品反應檢測室。
[0027]所述的樣品檢測室在結構上主要由流通檢測池5、恒溫超聲水槽16、超聲換能器21組成，流通檢測池材料為K9玻璃，采用一體化熔融加工技術制造，是樣品檢測室的核心，它通過機械結構安裝于不銹鋼超聲水槽的正中，水槽內盛蒸餾水，流通池的下2/3部分淹沒于蒸餾水之中，實驗研究證明，蒸餾水作為檢測光路之一部分(檢測光路通過蒸餾水進入流通檢測池，再經過蒸餾水出樣品室進入光譜儀)對檢測光強的吸收很小，可以忽略不計，并且槽內蒸餾水可以通過流路系統定期更換，以保證蒸餾水的潔凈度。這樣，安裝于不銹鋼水槽正下方的微型超聲換能器21 (015mmX50mm)產生的超聲波17 (10?20W@40kHz)就可以穿過槽底蒸餾水進入流通檢測池中，對池內樣品反應體系起到超聲輔助消解作用，完成光學檢測后，在注水清洗流通池時，超聲波又可以起到清洗的作用。同時，由于流通檢測池的大部分淹沒于蒸餾水中，這樣，很容易在熱電溫控的作用下實現對樣品反應體系的水浴恒溫。
[0028]圖3示出了羥基自由基氧化消解高效樣品前處理原理圖，所述高效樣品前處理主要是利用Fenton試劑(硫酸亞鐵和雙氧水)中的Fe2+作為催化劑在酸性介質中催化H2O2分解產生氧化性極強的羥基自由基(.0Η)，并由此引發和傳播自由基鏈反應。Fenton試劑消解有機磷化合物的實質就是在基鏈反應的作用下，羥基自由基(.0H)的強氧化性能夠使有機磷化合物的分子結構發生脫Η(原子)反應，隨后發生C一C鍵的開裂，最后被完全氧化為C02、H2O和PO廣，從而達到消解總磷的目的,具有較高的氧化消解效率。
[0029]圖4示出了超聲輔助消解高效樣品前處理原理圖，所述超聲輔助消解是利用超聲波的“空化”作用可以在樣品前處理反應體系中形成瞬時高溫高壓，同時產生具有強烈沖擊力的微射流，也可使焦磷酸鹽、偏磷酸鹽等物質分子中的P— S鍵和P— O鍵斷裂，最后形成PO4'因此，超聲的“空化”作用與羥基自由基(.0Η)的強氧化性功能互補，極大增強了對水樣中總磷的消解，提高消解率，便于后續的鑰酸銨顯色光譜分析法檢測總磷的含量。
[0030]圖5示出了基于光譜儀的光學檢測系統示意圖，光學檢測系統主要由多功能微小型樣品檢測室和光譜儀組成，光源(5W/6V，儀器專用鹵鎢燈)經微透鏡準直后進入樣品反應檢測室，出射光經微透鏡聚焦進入光譜儀，光譜儀的光譜帶寬和分辨率等指標滿足水質光譜檢測的技術要求。
[0031]圖6示出了本發明的測量流程示意圖，在檢測時，上電后通過上位機監控軟件發出指令，控制系統響應，開機系統自檢后，初始化流路系統，待光源穩定30分鐘后，開始測量水樣中的總磷含量。
[0032]本發明的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離其保護范圍。倘若這些改動和變形屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍內，則本發明的意圖也包含這些改動和變形在內。
【權利要求】
1.一種水質總磷快速在線監測儀，它包括電源模塊、嵌入式測控系統、光學檢測系統和多樣品與試劑順序進樣流路系統，其特征在于: 所述嵌入式測控系統包括嵌入式系統和外圍控制電路系統，嵌入式系統上通過串口連接有人機交互系統，人機交互系統包括存儲器、觸摸屏和GPRS系統，GPRS系統與上位機連接，嵌入式系統上通過并口連接有光譜儀，嵌入式系統主控制器上經引腳與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接微型樣品反應檢測室，微型樣品反應檢測室連接光譜儀； 所述多樣品與試劑順序進樣流路系統由微電子多位閥、微型精密蠕動泵、微型樣品反應檢測室組成； 所述光學檢測系統包括準直光源，準直光源通過微型樣品反應檢測室，經聚焦光路與光譜儀連接。
2.根據權利要求1所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:所述的微型樣品反應檢測室由流通檢測池(5)、恒溫超聲水槽(16)、超聲換能器組成(21)，流通檢測池(5)設置在恒溫超聲水槽(16)內部，恒溫超聲水槽(16)底部設有超聲換能器(21 )，所述超聲換能器(21)由超聲發生器(22)驅動產生超聲波，超聲波頻率為40kHz，功率10?20W可調。
3.根據權利要求2所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:流通檢測池(5)頂部設樣品流路系統(8)，流通檢測池(5)底部通過直流泵(3)連接廢液池(12)，恒溫超聲水槽(16)頂部設水槽蒸餾水進口( 1)，恒溫超聲水槽(16)底部通過直流泵(3)連接廢液池(12)。
4.根據權利要求3所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:流通檢測池(5)的下2/3部分淹沒于恒溫超聲水槽(16)的蒸餾水之中。
5.根據權利要求3或4所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:所述流通檢測池(5)由石英玻璃制成，恒溫超聲水槽(16)由不銹鋼制成，恒溫超聲水槽(16)上設有石英玻璃光窗(18)，石英玻璃光窗用于檢測光路通過。
6.根據權利要求2或3所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:所述恒溫超聲水槽(16)的外部設有熱電溫控模塊(20)。
7.根據權利要求1至4任一權利要求所述的水質總磷快速在線監測儀，其特征在于:嵌入式系統中主控制器為SAMSUNGS3C6410微處理器，其采用Linux內核技術。
【文檔編號】G01N1/28GK103616525SQ201310667226
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】魏康林, 陳明 申請人:三峽大學