一種水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，它包括電源模塊、嵌入式測控系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)和多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)與上位機(jī)連接，嵌入式系統(tǒng)上通過并口連接有光譜儀；嵌入式系統(tǒng)主控制器SAMSUNGS3C6410上有引腳與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接樣品檢測室，樣品檢測室連接光譜儀。本實(shí)用新型能夠在常溫常壓下應(yīng)用于水質(zhì)總磷污染監(jiān)測與預(yù)警，適合野外多類水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)場分析，在樣品化學(xué)前處理及在線控制方面具有自動(dòng)恒溫、高效攪拌與高效清洗的多功能系統(tǒng)集成的技術(shù)優(yōu)勢，測量時(shí)間僅需15分鐘。
【專利說明】一種水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光譜水質(zhì)在線分析與監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在常溫常壓應(yīng)用條件下基于超聲輔助消解與連續(xù)光譜分析的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]總磷是控制水體富營養(yǎng)化的重要水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)，是保護(hù)水資源的飲用、游覽和養(yǎng)殖等開發(fā)價(jià)值而必須有效監(jiān)控的水質(zhì)參數(shù)之一，是水環(huán)境監(jiān)測的必測項(xiàng)目之一。
[0003]目前，總磷監(jiān)測儀器大多采用國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)結(jié)合的磷酸鹽等各種形式存在的磷全部氧化為無機(jī)正磷酸鹽。正磷酸鹽與鑰酸銨反應(yīng)生成磷鑰雜多酸，加入抗壞血酸使其被還原，生成藍(lán)色絡(luò)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(yīng)，檢測過程復(fù)雜，耗時(shí)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(zhì)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(zhì)譜儀分析等檢測方法需要使用比較昂貴的儀器，而且對(duì)操作人員有很高的專業(yè)技能要求，并且大都采用大型分析儀器，只能在實(shí)驗(yàn)室完成，不能滿足野外現(xiàn)場無人值守的在線監(jiān)測要求，更不適用于突發(fā)性污染事故的現(xiàn)場快速在線監(jiān)測與預(yù)警。
[0005]綜上分析，為滿足水質(zhì)突發(fā)性污染監(jiān)測與預(yù)警這一現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展要求，開發(fā)能夠在常溫常壓應(yīng)用條件下，低成本、高可靠、檢測實(shí)時(shí)快速的水質(zhì)總磷監(jiān)測儀器是我國環(huán)境監(jiān)測與治理保護(hù)領(lǐng)域的迫切需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有總磷檢測在樣品在線前處理?xiàng)l件苛刻(如國標(biāo)中使用的方法，樣品一般需要在高溫高壓條件下消解2個(gè)小時(shí)，產(chǎn)物二次污染嚴(yán)重)和分析儀器難以滿足在線監(jiān)測技術(shù)要求(如離子色譜法、等離子體光譜-質(zhì)譜儀分析法等)兩方面存在的技術(shù)不足，提供一種集成超聲輔助消解高效樣品化學(xué)前處理與連續(xù)光譜分析技術(shù)的水質(zhì)總磷快速監(jiān)測儀器，可廣泛應(yīng)用于多類地表水質(zhì)污染監(jiān)測與預(yù)警以及污水處理排放監(jiān)測。
[0007]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測器，它包括電源模塊、嵌入式測控系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)和多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)，所述嵌入式測控系統(tǒng)包括嵌入式系統(tǒng)和外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)與上位機(jī)連接，嵌入式系統(tǒng)上通過并口連接有光譜儀，嵌入式系統(tǒng)主控制器上經(jīng)引腳與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接微型樣品反應(yīng)檢測室，微型樣品反應(yīng)檢測室連接光譜儀；[0009]所述多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)由微電子多位閥、微型精密蠕動(dòng)泵、微型樣品反應(yīng)檢測室組成；
[0010]所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源，準(zhǔn)直光源通過微型樣品反應(yīng)檢測室，然后經(jīng)過聚焦光路，最后進(jìn)入光譜儀，所述的樣品反應(yīng)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(shè)置在恒溫超聲水槽內(nèi)部，恒溫超聲水槽底部設(shè)有超聲換能器，所述超聲換能器由超聲發(fā)生器驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波頻率為40kHz，功率5?IOW可調(diào)。
[0011]優(yōu)選的，流通檢測池頂部設(shè)樣品流路系統(tǒng)，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(shè)水槽蒸餾水進(jìn)口，恒溫超聲水槽底部通過直流泵連接廢液池。
[0012]優(yōu)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。
[0013]優(yōu)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(shè)有石英玻璃光窗，石英玻璃光窗用于檢測光路通過。
[0014]優(yōu)選的,恒溫超聲水槽的外部設(shè)有熱電溫控模塊。
[0015]優(yōu)選的，嵌入式系統(tǒng)中主控制器為SAMSUNGS3C6410微處理器，其采用Linux內(nèi)核技術(shù)。
[0016]優(yōu)選的，外圍控制電路系統(tǒng)包括自動(dòng)恒溫控制、光源開關(guān)控制、流路進(jìn)樣控制、自動(dòng)攪拌控制和自動(dòng)清洗控制。
[0017]本實(shí)用新型取得的技術(shù)效果:
[0018]1、本實(shí)用新型體積小、功耗低、操作簡便，功能完善，檢測快速，能夠應(yīng)用于水質(zhì)總磷污染監(jiān)測與預(yù)警，并適合野外多類水質(zhì)監(jiān)測的現(xiàn)場應(yīng)用，儀器在樣品化學(xué)前處理在線控制方面具有自動(dòng)恒溫、高效攪拌與高效清洗的多功能系統(tǒng)集成的技術(shù)優(yōu)勢，儀器能夠在常溫常壓應(yīng)用條件下快速檢測水樣中的總磷含量，測量時(shí)間僅需15分鐘；
[0019]2、總磷在線檢測的精密度、準(zhǔn)確度與檢出限等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國家環(huán)境保護(hù)對(duì)在線監(jiān)測儀器的技術(shù)規(guī)范要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0021]圖2是樣品反應(yīng)檢測室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1.蒸餾水進(jìn)口，3.直流泵，5.檢測池，8.樣品流路系統(tǒng)，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(fā)生器；
[0022]圖3是羥基自由基氧化消解高效樣品前處理原理圖；
[0023]圖4是超聲輔助消解高效樣品前處理原理圖；
[0024]圖5是基于光譜儀的光學(xué)檢測系統(tǒng)示意圖；
[0025]圖6是本實(shí)用新型的測量流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。
[0027]圖1示出了本在線監(jiān)測器的結(jié)構(gòu)原理圖，該監(jiān)測器包括電源模塊、嵌入式測控系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)和多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)。
[0028]所述嵌入式測控系統(tǒng)包括嵌入式系統(tǒng)和外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)與上位機(jī)連接，嵌入式系統(tǒng)上通過并口連接有光譜儀；嵌入式系統(tǒng)主控制器SAMSUNGS3C6410上有引腳與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)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(jìn)樣流路系統(tǒng)由微電子多位閥、微型精密蠕動(dòng)泵、樣品反應(yīng)檢測室組成；所述的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源，準(zhǔn)直光源通過微型樣品反應(yīng)檢測室，然后經(jīng)過聚焦光路，最后進(jìn)入光譜儀，所述的樣品反應(yīng)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(shè)置在恒溫超聲水槽內(nèi)部，恒溫超聲水槽底部設(shè)有超聲換能器，所述的超聲換能器由超聲發(fā)生器22產(chǎn)生超聲波17，超聲波頻率為40kHz，功率10?20W可調(diào)。
[0029]所述的流通檢測池頂部設(shè)樣品流路系統(tǒng)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(shè)水槽蒸餾水進(jìn)口 I，恒溫超聲水槽底部通過直流泵3連接廢液池12。
[0030]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。
[0031]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(shè)有石英玻璃光窗18，石英玻璃光窗用于檢測光路6通過。
[0032]所述的恒溫超聲水槽的外部設(shè)有熱電溫控模塊20。
[0033]所述的嵌入式系統(tǒng)為SAMSUNG S3C6410微處理器，其采用Linux內(nèi)核技術(shù)。
[0034]所述的外圍控制電路系統(tǒng)主要包括樣品檢測室的自動(dòng)恒溫控制、光源開關(guān)控制、流路進(jìn)樣控制、自動(dòng)攪拌控制和自動(dòng)清洗控制。
[0035]如圖1所示，主控制器SAMSUNG S3C6410向外圍控制電路系統(tǒng)發(fā)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(dòng)泵組成的切換流路按一定的體積比高精度定量進(jìn)入微小型樣品反應(yīng)檢測室，樣品反應(yīng)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(yīng)檢測室內(nèi)完成樣品的在線化學(xué)前處理和光譜分析，光譜儀的輸出信號(hào)送嵌入式系統(tǒng)分析處理，并通過GPRS系統(tǒng)把測量結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，嵌入式測控系統(tǒng)控制整個(gè)儀器系統(tǒng)運(yùn)作，并通過無線發(fā)送模塊與上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)儀器工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0036]圖2示出了樣品反應(yīng)檢測室的結(jié)構(gòu)示意圖，所述微小型多功能樣品檢測室在設(shè)計(jì)原理上不但考慮到水質(zhì)樣品反應(yīng)體系的光學(xué)檢測，而且還針樣品在線前處理對(duì)消解、攪拌、恒溫和清洗的技術(shù)要求，作為系統(tǒng)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(shù)與水浴恒溫原理，設(shè)計(jì)了一種集光學(xué)檢測、自動(dòng)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(yīng)檢測室。
[0037]所述的樣品檢測室在結(jié)構(gòu)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(shù)制造，是樣品檢測室的核心，它通過機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝于不銹鋼超聲水槽的正中，水槽內(nèi)盛蒸餾水，流通池的下2/3部分淹沒于蒸餾水之中，實(shí)驗(yàn)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(jìn)入流通檢測池，再經(jīng)過蒸餾水出樣品室進(jìn)入光譜儀)對(duì)檢測光強(qiáng)的吸收很小，可以忽略不計(jì)，并且槽內(nèi)蒸餾水可以通過流路系統(tǒng)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(chǎn)生的超聲波17 (10?20W@40kHz)就可以穿過槽底蒸餾水進(jìn)入流通檢測池中，對(duì)池內(nèi)樣品反應(yīng)體系起到超聲輔助消解作用，完成光學(xué)檢測后，在注水清洗流通池時(shí)，超聲波又可以起到清洗的作用。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)樣品反應(yīng)體系的水浴恒溫。
[0038]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(zhì)中催化H2O2分解產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的羥基自由基(.0Η)，并由此引發(fā)和傳播自由基鏈反應(yīng)。Fenton試劑消解有機(jī)磷化合物的實(shí)質(zhì)就是在基鏈反應(yīng)的作用下，羥基自由基(.0H)的強(qiáng)氧化性能夠使有機(jī)磷化合物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生脫Η(原子)反應(yīng)，隨后發(fā)生C一C鍵的開裂，最后被完全氧化為C02、H2O和PO廣，從而達(dá)到消解總磷的目的,具有較高的氧化消解效率。
[0039]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(yīng)體系中形成瞬時(shí)高溫高壓，同時(shí)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流，也可使焦磷酸鹽、偏磷酸鹽等物質(zhì)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(qiáng)氧化性功能互補(bǔ)，極大增強(qiáng)了對(duì)水樣中總磷的消解，提高消解率，便于后續(xù)的鑰酸銨顯色光譜分析法檢測總磷的含量。
[0040]圖5示出了基于光譜儀的光學(xué)檢測系統(tǒng)示意圖，光學(xué)檢測系統(tǒng)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(jīng)微透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入樣品反應(yīng)檢測室，出射光經(jīng)微透鏡聚焦進(jìn)入光譜儀，光譜儀的光譜帶寬和分辨率等指標(biāo)滿足水質(zhì)光譜檢測的技術(shù)要求。
[0041]圖6示出了本實(shí)用新型的測量流程示意圖，在檢測時(shí)，上電后通過上位機(jī)監(jiān)控軟件發(fā)出指令，控制系統(tǒng)響應(yīng)，開機(jī)系統(tǒng)自檢后，初始化流路系統(tǒng)，待光源穩(wěn)定30分鐘后，開始測量水樣中的總磷含量。
[0042]本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于上述的實(shí)施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離其保護(hù)范圍。倘若這些改動(dòng)和變形屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，它包括電源模塊、嵌入式測控系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)和多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)，其特征在于: 所述嵌入式測控系統(tǒng)包括嵌入式系統(tǒng)和外圍控制電路系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)上通過串口連接有人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器、觸摸屏和GPRS系統(tǒng)，GPRS系統(tǒng)與上位機(jī)連接，嵌入式系統(tǒng)上通過并口連接有光譜儀，嵌入式系統(tǒng)主控制器上經(jīng)引腳與外圍控制電路系統(tǒng)連接，外圍控制電路系統(tǒng)連接微型樣品反應(yīng)檢測室，微型樣品反應(yīng)檢測室連接光譜儀； 所述多樣品與試劑順序進(jìn)樣流路系統(tǒng)由微電子多位閥、微型精密蠕動(dòng)泵、微型樣品反應(yīng)檢測室組成； 所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源，準(zhǔn)直光源通過微型樣品反應(yīng)檢測室，經(jīng)聚焦光路與光譜儀連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，其特征在于:所述的微型樣品反應(yīng)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(5)設(shè)置在恒溫超聲水槽(16 )內(nèi)部，恒溫超聲水槽(16 )底部設(shè)有超聲換能器(21)，所述超聲換能器(21)由超聲發(fā)生器(22)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波頻率為40kHz，功率10?20W可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，其特征在于:流通檢測池(5)頂部設(shè)樣品流路系統(tǒng)(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(shè)水槽蒸餾水進(jìn)口( I )，恒溫超聲水槽(16)底部通過直流泵(3)連接廢液池(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，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(jù)權(quán)利要求3或4所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，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(shè)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(jù)權(quán)利要求2或3所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，其特征在于:所述恒溫超聲水槽(16)的外部設(shè)有熱電溫控模塊(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的水質(zhì)總磷快速在線監(jiān)測儀器，其特征在于:嵌入式系統(tǒng)中主控制器為SAMSUNGS3C6410微處理器，其采用Linux內(nèi)核技術(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK203672889SQ201320808453
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】魏康林, 陳明 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)