一種水質重金屬在線監測儀器的制造方法
【專利摘要】一種水質重金屬在線監測儀器，包括在線樣品消解系統、在線樣品檢測系統、測量與控制系統。本發明一種水質重金屬多參數在線監測儀器，可實現對水質汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬含量的自動在線監測，能廣泛應用于地表水質污染監測、海水污染監測和工業廢水處理與城市污水處理的達標排放監測等領域。具備功能擴展性強、測量范圍寬、成本較低的優點。
【專利說明】
一種水質重金屬在線監測儀器
技術領域
[0001]本發明一種水質重金屬在線監測儀器，涉及水質監測儀器科技領域。
【背景技術】
[0002]重金屬對環境水體的污染，尤其是汞、鉛、鎘、鉻、砷這五種一類重金屬污染，將直接影響水生態環境安全和飲用水源安全，使水生生物死亡，或富集于水生生物體內，最終通過食物鏈嚴重危害人體健康，因而重金屬是需要嚴格監控的水質參數，近年來，水質重金屬污染事件頻發，受到我國政府的高度重視，環保部部長周生賢在接受《中國環境報》采訪時曾說到，“十二五”重金屬污染防治的目標是建立比較完善的重金屬污染防治體系、事故應急體系和環境與健康風險評估體系，而水質重金屬污染監測是該體系重要前提和基礎，急需先進的水質監測儀器科技支持，為水污染的評估、預警與防治提供重要的科學技術支持。
[0003]隨著科學技術的發展，水質重金屬污染的檢測方法取得了很大的成就，常用的檢測方法有質譜法、原子光譜分析法、分光光度法、電感耦合等離子體法等，此外，一些新興的檢測方法也有所發展，如生物傳感器法、酶抑制法、微流控分析法等，但這些方法或操作步驟冗長繁瑣，或干擾因素較多、或需要使用比較昂貴的大型分析儀器，而且對操作人員有很高的專業技能要求，因而，大都只能在實驗室內完成，不能滿足現場、快速在線檢測的技術要求。
[0004]比較而言，比色分析法和電化學分析法，檢測快速，操作簡單，易于開發水質監測儀器，實現對重金屬的現場、快速在線檢測。但是，重金屬污染很多，如汞、鉛、鉻、鎘、砷、銅、錳、鐵等，目前，環保、水利等部門為了全面監測重金屬污染和綜合評價水質變化，不得不采用多電化學傳感器探頭集成型儀器、多比色分析模塊集成型儀器、甚至多臺單參數水質監測儀器的組合這三種技術途徑來實現水質重金屬的多參數實時監測，然而，以上技術途徑難以滿足水質監測技術在多參數監測的擴展性和現場緊急使用的靈活性這兩個方面重要的用戶需求和技術要求，并且使用成本比較高，如多比色分析模塊集成型儀器一般最多集成3-4個模塊，否則儀器成本過高(一般為多檢測一項水質參數，每增加一個比色分析模塊儀器價格將增加7-10萬元)而使用戶難以接受，而且每增加一個比色分析模塊儀器體積也會變大。基于陽極溶出伏安法的水質重金屬監測儀器雖然能夠檢測多項重金屬參數，但是，由于傳感電極與水接觸，為保證電極不被污水腐蝕而延長儀器的使用壽命，此類儀器檢測上限不高，測量范圍不大，一般只能監測地表一類與二類水質污染，而不能用于工業廢水處理和城市污水處理的排放監測，也不能用于地表水質的突發性重金屬污染監測。
【發明內容】
[0005]
為解決上述問題，本發明提供一種水質重金屬在線監測儀器，可實現對水質汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬含量的自動在線監測，能廣泛應用于地表水質污染監測、海水污染監測和工業廢水處理與城市污水處理的達標排放監測等領域。具備多功能擴展性強、現場緊急使用靈活、測量范圍寬和低成本的優點。
[0006]本發明采取的技術方案為:
一種水質重金屬在線監測儀器，包括在線樣品消解系統、在線樣品檢測系統、測量與控制系統。
[0007]所述在線消解系統包括消解反應池，消解反應池分別連接第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗；消解反應池的出液口連接三通換向電磁閥，三通換向電磁閥連接直流栗;所述第一微型蠕動栗用于接通經物理預處理后的在線水樣，所述第二微型蠕動栗連接多聯體電磁閥;所述消解反應池連接第一數字溫度傳感器，消解反應池外繞有第一電熱絲，消解反應池底部膠合有第一超聲波發生系統。
[0008]在線樣品檢測系統包括樣品檢測流路、樣品檢測室、微型光譜儀，所述樣品檢測流路包括多位閥、儲液環、注射栗，多位閥通過管路連接儲液環一端，儲液環另一端通過管路連接注射栗一端，注射栗另一端通過管路連接超純水，多位閥通過管路連接樣品檢測室；
光源發出檢測光束進入樣品檢測室，出射光束經過透鏡聚焦后進入微型光譜儀，微型光譜儀連接測量與控制系統。
[0009]所述樣品檢測室包括不銹鋼水槽，不銹鋼水槽內設有流通檢測池，流通檢測池連通至樣品檢測室，所述流通檢測池通過管路連接多位閥，所述流通檢測池連接廢液池，所述所述流通檢測池連接第三微型蠕動栗，第三微型蠕動栗連接超純水;所述樣品檢測室一側安置有第二超聲波發生系統。
[0010]所述測量與控制系統包括電源模塊、嵌入式系統、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系統通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統上連接微型光譜儀;嵌入式系統與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接樣在線樣品消解系統和在線樣品檢測系統。
[0011 ]所述消解反應池為不銹鋼材料加工而成，消解反應池通過硅膠管分別連接第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗;所述消解反應池的出液口通過硅膠管連接三通換向電磁閥的公共口；所述第二微型蠕動栗通過硅膠管連接多聯體電磁閥的公共出口；所述三通換向電磁閥的常開口通過硅膠管連接直流栗一端，直流栗另一端通過硅膠管連接廢液池。
[0012]所述第一數字溫度傳感器包括安裝在消解反應池內的、玻璃封裝的熱敏電阻片。
[0013]所述多聯體電磁閥為六聯體電磁閥，六聯體電磁閥的入口分別通過硅膠管連接消解試劑、超純水、空氣。
[0014]所述第一電熱絲連接第一繼電器;所述超聲波發生器連接第二繼電器。
[0015]所述第一微型蠕動栗、第二微型蠕動栗均為微型步進電機蠕動栗，所述直流栗為微型直流電機蠕動栗。
[0016]所述流通檢測池設有接口、溢流口，不銹鋼水槽設有進水口，所述接口、進水口、溢流口均連通至樣品檢測室，所述接口通過管路連接多位閥，所述溢流口連接廢液池，所述進水口連接第三微型蠕動栗，第三微型蠕動栗連接超純水;所述樣品檢測室一側安置有第二超聲波發生系統。
[0017]所述樣品檢測室的側壁設有熱電溫控模塊，流通檢測池內安裝有熱敏電阻，熱敏電阻連接數字溫度傳感器，數字溫度傳感器輸出信號到測量與控制系統，測量與控制系統連接熱電溫控模塊。
[0018]所述樣品檢測室下部設有光窗，檢測光束穿過光窗、并透過流通檢測池。
[0019]所述樣品檢測室底部設有水槽排廢口、檢測池排廢口，水槽排廢口連接第一微型直流電機蠕動栗一端、第一微型直流電機蠕動栗另一端連接廢液池;所述檢測池排廢口連接三通換向電磁閥的公共口，所述三通換向電磁閥的常開口連接微型步進電機蠕動栗，所述三通換向電磁閥的常閉口連接第二微型直流電機蠕動栗，第二微型直流電機蠕動栗連接至廢液池。
[0020]一種水質重金屬多參數在線監測方法，在線水樣與消解試劑通過消解流路進入消解反應池，在消解反應池內實現在線高溫與超聲波輔助消解，使水樣中的重金屬被氧化成離子態，消解完畢后，一定體積的消解后水樣再進入在線樣品檢測系統，所述在線樣品檢測系統使消解后水樣和被測重金屬對應的檢測試劑，按一定的體積精確地進入樣品檢測室，在樣品檢測室內完成在線顯色反應與光譜分析，同時，控制檢測流路，實現水質重金屬多參數在線順序檢測;所述測量與控制系統的嵌入式系統發出命令，通過外圍控制電路系統控制樣品的在線消解過程與在線檢測過程，嵌入式系統連接微型光譜儀以獲取微型光譜儀的輸出數據，通過信號分析與處理檢測水樣中被測重金屬的含量，并通過GPRS把測量結果發送給上位機，測量與控制系統控制整個儀器系統運作與數據分析處理，并通過GPRS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。
[0021]本發明一種水質重金屬在線監測儀器，技術效果如下:
1、采用超聲輔助消解技術，利用較高功率超聲波的空化作用，以粉碎、乳化、溶解被測環境水樣中絕大部分以微小顆粒形態存在的非離子態重金屬，加快在線消解反應的進程，提高消解效率，為儀器的準確度提供了技術保證；
2、以微型光譜儀為核心檢測器件，在其連續寬光譜范圍內，易于展開基于光譜分析的在線水質監測光譜測量信號處理，以動態消除光譜測量信號的系統誤差、噪聲干擾和背景干擾，提高水質監測的準確度；
3、基于寬光譜連續分析的水質重金屬監測儀器能實現對一類重金屬污染(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的在線監測，能代替多臺儀器實現對多項水質重金屬參數的在線監測，極大降低了用戶的使用成本；
4、僅需改變對應的檢測試劑和光譜檢測波長，即可檢測其余的水質重金屬參數，因而該儀器具有很強的功能擴展性和現場應急使用的靈活性，其本質上是一個水質重金屬多參數在線監測技術平臺，可以滿足對水質汞、鉛、鎘、鉻、砷、銅、錳、鐵等20種重金屬的在線消解與檢測；
5、具有自動標定和校正功能，可以應用于地表一類與二類水質污染監測、海水污染監測和工業廢水處理與城市污水處理的達標排放監測等多個領域，應用面廣，適用性強，因此，該儀器可以作為網絡節點應用于現代水質監測物聯網，實現對水污染監測的網絡化監測與預警。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的總體結構原理圖。
[0023]圖2是本發明的在線樣品消解系統原理圖。
[0024]圖3是本發明的在線樣品檢測系統原理圖。
[0025]圖4是本發明的儀器光譜檢測系統原理圖。
[0026]圖5(a)、圖5(b)是本發明的樣品反應檢測室結構不意圖。
[0027]圖6是本發明的儀器測量與控制系統原理圖。
[0028]圖7是本發明的樣品消解反應體系溫度控制系統圖。
[0029]圖8是本發明的樣品檢測反應體系溫度控制系統圖。
[0030]圖9是本發明的儀器工作流程圖。
[0031]圖10是本發明的水質鎘、鉛、砷三參數檢測流程圖。
[0032]圖11是本發明的水質鉻檢測流程圖。
[0033]圖12是本發明的水質萊檢測流程圖。
【具體實施方式】
[0034]一種水質重金屬在線監測儀器，由在線樣品消解系統A、在線樣品檢測系統B、測量與控制系統C組成，經物理預處理(即粉碎、乳化、過濾)后的在線被測水樣在控制系統的作用下先進入在線樣品消解系統A，使水樣中的汞、鉛、鎘、鉻、砷均被氧化消解為相應的離子態后，再進入在線樣品檢測系統B通過“顯色反應”和“光譜分析”檢測被測重金屬的含量，儀器集成國家標準檢測方法，由于汞、鉛、鎘、鉻和砷各自對應的被測顯色物質的特征吸收波長非常接近(汞:485nm、鉛:535nm、鎘:518nm、鉻:540nm、砷:530nm)，因此，為降低光譜信號處理的難度和保證檢測的精確度，儀器采用多參數順序檢測的方法。
[0035]在線樣品消解系統A參考國家環境保護保護標準(HJ678-2013水質、金屬總量的消解)創新結合超聲波輔助消解技術而設計，主要由樣品消解流路、不銹鋼消解反應池、加熱恒溫裝置、超聲波發生系統(超聲波換能器、超聲波發生器)組成。在線水樣和消解反應試劑按一定的體積及體積比在控制系統的作用下通過流路系統進入消解反應池，形成消解反應體系，在高溫與超聲波作用下，加速重金屬的氧化消解，待充分反應后，通過流路控制，抽取一定體積的反應溶液進入在線樣品檢測系統B，通過在線顯色反應與光譜分析檢測被測重金屬的含量。
[0036]在線樣品檢測系統B基于順序注射原理與連續光譜分析而設計，主要由樣品檢測流路、光譜檢測系統組成，所述光譜檢測系統由準直光源d、樣品檢測室b和微型光譜儀c組成。在控制系統作用下，檢測流路順序抽取一定體積的消解后水樣和被測重金屬對應的檢測試劑(即顯色反應檢測試劑)進入樣品檢測室b，在樣品檢測室b內完成顯色反應，通過光譜分析檢測水樣中被測重金屬的含量。
[0037]所述測量與控制系統C由電源模塊、外圍控制電路及嵌入式系統組成。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，嵌入式系統發出命令，通過外圍控制電路系統控制樣品的在線消解過程與在線檢測過程，嵌入式系統通過并口獲取在線樣品檢測系統中光譜儀的輸出數據，通過信號分析與處理檢測樣品中被測重金屬的含量。
[0038]圖1示出了發明的總體結構，該監測儀包括在線樣品消解系統A、在線樣品檢測系統B、測量與控制系統C，所述樣品消解系統A的功能是把水樣中的被測重金屬氧化成離子態，所述樣品檢測系統的功能是用檢測試劑(或稱“顯色試劑”)與重金屬離子反應，生成顯色物質，并通過該顯色物質的特征吸收光譜分析水樣中被測重金屬的含量，所述測量與控制系統的功能是控制水樣的在線消解和檢測過程，并通過光譜分析檢測水樣中被測重金屬含量，從而實現全自動在線水質監測。
[0039]圖2示出了在線樣品消解系統A結構原理，該系統主要包括樣品消解流路、不銹鋼的消解反應池1、加熱恒溫裝置和第一超聲波發生系統9。
[0040]所述消解流路由消解反應池1、第一微型蠕動栗2、第二微型蠕動栗3、多聯體電磁閥4:六聯體電磁閥、三通換向電磁閥5、直流栗6組成。所述消解反應池I為不銹鋼加工而成，是流路系統的核心，通過硅膠管7連接第一微型蠕動栗2和第二微型蠕動栗3，其出液口8通過硅膠管7連接三通換向電磁閥5的公共口 9;所述第一微型蠕動栗2另一端接通經物理預處理后的在線水樣。所述第二微型蠕動栗3另一端通過硅膠管連接六聯體電磁閥的公共出口1，六聯體電磁閥由六個微型電磁閥集成加工而成，可通過電路控制各個電磁閥的開關(通常狀態下各個電磁閥是關閉的，通以12V高電平后電磁閥導通)，六聯體電磁閥的入口(即各個電磁閥的入口)分別通過硅膠管鏈接消解試劑、超純水w和空氣;所述三通換向電磁閥的常開口 11通過硅膠管連接直流栗6，直流栗6的另一端通過硅膠管連接廢液池6.1，所述三通換向電磁閥的常閉口 12通過硅膠管連接在線樣品檢測系統，通常狀態下所述三通換向電磁閥的常開口 11與公共口9是導通的(但直流栗6不工作，仍然確保消解池的出液口處于對外關閉狀態)，當所述三通換向電磁閥通以12V高電平時，則常閉口 12打開與公共口導通，為在線檢測系統提供消解處理后水樣。綜上，所述樣品消解流路具有三大功能:水樣與試劑的抽取、提供在線消解處理后水樣、清洗反應池，詳述為:通過蠕動栗精確抽取一定體積的在線水樣進入反應池，通過第一微型蠕動栗2與六聯體電磁閥的匹配抽取一定體積的試劑進入反應池，水樣消解反應完畢后，打開三通換向電磁閥5的常閉口為在線檢測系統提供消解后水樣，最后使三通換向電磁閥5工作于常態(不通電)，直流栗6工作，排掉反應池內多余廢液，并打開六聯體電磁閥4的閥5#，與第一微型蠕動栗2協同工作，完成反應池的清洗。
[0041]所述消解反應池I是整個在線消解系統的核心，其上端面開有透氣孔13與外界大氣導通，其內裝配有玻璃封裝熱敏電阻14以檢測反應池內消解反應體系15的溫度檢測，熱敏電阻外接第一數字溫度傳感器16，溫度傳感器輸出信號送測量與控制系統C。所述不銹鋼消解反應池外側繞加熱用第一電熱絲17，通過繼電器18的導通可以實現對反應池內消解反應體系的加熱。所述不銹鋼消解反應池外底部通過膠合工藝與第一超聲波發生器19耦合，第一超聲波發生系統19通過第一超聲波換能器發出的超聲波20進入消解反應池以加快在線消解反應的進行，通過第二繼電器21導通可以實現對反應池內消解反應體系的超聲波輔助作用。綜上，所述不銹鋼消解反應池具有高溫加熱與超聲波輔助消解反應的功能。
[0042]所述在線樣品消解系統A的第一微型蠕動栗2、第二微型蠕動栗3、六聯體電磁閥、三通換向電磁閥5、直流栗6、第一繼電器18和第二繼電器21均連接測量與控制系統C，可通過測量與控制系統C控制其工作狀態或工作過程。
[0043]圖3示出了在線樣品檢測系統B結構原理，該系統主要包括樣品檢測流路a和光譜檢測系統，所述光譜檢測系統包括光源e、樣品檢測室b和微型光譜儀C。
[0044]所述樣品檢測流路由24位多位閥al、儲液環a2和注射栗a3組成，主要基于順序注射原理而設計，所述24位多位閥al具有多通道流路切換功能，其閥位13#通過PEEK(聚醚醚酮)管連接在線樣品消解系統流路，其公共口通過PEEK管連接儲液環，其閥位1#通過PEEK管連接在線光譜檢測系統內的樣品檢測室b。所述儲液環a2另一端通過PEEK管連接注射栗a3，注射栗a3的另一端口通過PEEK管接通超純水W。樣品檢測流路a具有流路切換、樣品與試劑的精確抽取和流路的自動清洗功能，詳述為:控制多位閥轉子(其內部一個可以轉動的管道)可以使公共口與連接標準樣品、檢測試劑、在線水樣、超純水等閥位的流路導通，從而實現流路切換;檢測某一重金屬參數時，控制注射栗與多位閥，把一定體積的樣品(標準樣品或消解后在線水樣)與對應的檢測試劑依次抽入儲液環內，然后多位閥轉子轉到閥位1#，注射栗a3反推，即可把樣品反應體系推入樣品檢測室b進行在線顯色反應與光譜檢測，檢測完畢后，控制直流栗排空樣品檢測室b，并控制多位閥與注射栗a3協同工作，完成樣品檢測室的自動清洗。
[0045]圖4示出了光譜檢測系統原理，包括光源e、樣品檢測室b和微型光譜儀C。所述光源e為儀器專用鹵鎢燈，經準直后形成平行檢測光束9.1進入樣品檢測室b，出射光束經透鏡e聚焦進入微型光譜儀c，微型光譜儀c輸出數據通過并口送入測量與控制系統C進行處理分析，測量與控制系統C也通過并口對微型光譜儀c供電。所述微型光譜儀c波長范圍為:200-1lOOnm,波長分辨率為I nm。
[0046]圖5示出了樣品檢測室b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，而且還針對樣品在線顯色反應對攪拌、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檢測室。
[0047]如圖5(a)和圖5(b)所示，所述微小型樣品檢測室的主體為不銹鋼水槽1.1，其內設有流通檢測池2.1，所述流通檢測池2.1設有接口 3.1、溢流口 4.1;所述不銹鋼水槽1.1設有進水口 5.1;所述接口 3.1、進水口 5.1、溢流口 4.1均連通至樣品檢測室b，并伸出樣品室外壁;所述接口 3.1通過PEEK管連通多位閥閥位1#(即連接檢測流路)，所述溢流口 4.1通過管道連接至廢液池6.1，所述進水口 5.1通過硅膠管連接第三微型蠕動栗7.1，第三微型蠕動栗7.1通過硅膠管接通超純水W。所述第三微型蠕動栗7.1為微型步進電機蠕動栗，連接控制系統控制其工作狀態與過程。
[0048]所述樣品檢測室b下部側壁設有光窗8.1，檢測光束9.1通過光窗8.1并透過流通檢測池2.1。所述樣品檢測室b—側外壁膠合有第二超聲波換能器10.1，第二超聲波換能器10.1接第二超聲波發生器，產生超聲波12.1，用于超聲波攪拌。所述第二超聲波發生系統
11.1連接測量與控制系統C，控制其工作狀態與過程。
[0049]所述樣品檢測室b底部設有水槽排廢口13.1、檢測池排廢口 14.1，所述水槽排廢口13.1通過硅膠管連接第一微型直流電機蠕動栗15.1，第一微型直流電機蠕動栗15.1的另一端管道連接廢液池6.1，所述檢測池排廢口 14.1通過硅膠管連接三通換向電磁閥16.1的公共口 17.1，所述三通換向電磁閥16.1的常開口 18.1通過硅膠管連接微型步進電機蠕動栗19.1，所述三通換向電磁閥16.1的常閉口 20.1通過硅膠管連接器第二微型直流電機蠕動栗21.1，第二微型直流電機蠕動栗21.1通過硅膠管連接至廢液池6.1。所述檢測池排廢口 13.1為空氣氣泡流路進口。所述第一微型直流電機蠕動栗15.1和第二微型直流電機蠕動栗21.1、所述微型步進電機蠕動栗19.1、所述三通換向電磁閥16均連接測量與控制系統C，以控制其工作狀態或工作過程。
[0050]所述樣品檢測室b的側壁設有熱電溫控模塊22.1，流通池內安裝有玻璃封裝熱敏電阻23.1，熱敏電阻23.1通過導線連接數字溫度傳感器24.1，所述數字溫度傳感器24.1輸出信號送測量與控制系統C，作為反饋信號控制熱電溫控模塊22.1的工作模式，
以通過水浴恒溫控制流通檢測池2.1內樣品反應體系25.1的溫度。
[0051]蓋板26.1通過機械結構固定，不銹鋼水槽1.1通過進水口5.1在主控系統作用下，往水槽1.1內注入一定體積的超純水W，超純水w的更換可通過由水槽排廢口 13.1和第一微型直流電機蠕動栗15.1將廢液排入廢液池6.1，溢流口4.1通過密封固定結構伸出樣品反應檢測室，通過硅膠管與廢液池6.1連接，是流路進樣故障時的安全保證。接口3.1為檢測流路接口，在樣品檢測室內接流通檢測池2.1，在樣品室外接檢測流路。在控制系統作用下，可以向流通檢測池2.1內注入被測樣品及檢測試劑，形成在線樣品化學前處理反應體系25.1。通過控制系統控制微型步進電機蠕動栗19.1可以反向吹氣，對反應體系2 5.1形成氣泡攪拌27.1，樣品檢測完畢后，通過控制系統打開三通換向電磁閥16.1的常閉口20.1，控制第二微型直流電機蠕動栗21.1、第二超聲波發生系統11.1以及檢測流路，四者協同工作，完成樣品檢測室的排廢及清洗。所述流路系統與樣品檢測室外圍流路系統、所述超聲發生器、熱電溫控模塊均連接控制系統C，以控制其工作過程。
[0052]圖6示出了儀器測量與控制系統的工作原理，所述測量與控制系統C包括電源模塊、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系統通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統上通過并口連接光譜儀內數據采集模塊;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在線樣品消解系統A和在線樣品檢測系統B。所述嵌入式系統核心為SAMSUNGS3C6410微處理器，采用Linux內核技術，所述電源模塊為嵌入式系統及外圍控制電路系統供電，嵌入式系統主控制器SAMSUNG S3C6410向外圍控制電路系統發送控制命令，實現在線樣品消解系統A與在線樣品檢測系統B工作過程的控制。所述在線樣品消解系統A工作過程的控制，包括消解流路控制和消解溫度控制。
[0053]所述消解流路控制為:控制在線水樣和消解試劑按一定的體積與體積比例在消解流路系統的作用下進入樣品消解反應池1，經過一定時間消解反應完畢后，控制消解流路與檢測流路協同工作，使消解后水樣進入在線檢測系統，此外，消解反應池I的排廢與清洗也需控制消解流路得以實現。
[0054]圖7示出了所述消解溫度流路控制過程與原理，由于電熱絲加熱和超聲波作用都能使反應體系溫度上升，促進樣品消解反應的進行，因此溫度控制同時包括了對電熱絲加熱控制和超聲波作用控制，通過控制繼電器I和2的工作狀態可以實現，所述超聲波消解功率為400W，所述溫度控制范圍為:95±2°C。
[0055]所述在線樣品檢測系統B工作過程的控制，包括檢測流路控制、樣品反應溫度控制、反應體系攪拌控制及流路清洗控制，所述流路清洗控制包括對樣品檢測室的超聲清洗控制。被測水樣與檢測試劑通過24位多位閥al與注射栗a3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檢測室，樣品反應體系在恒溫控制、攪拌控制的作用下，在樣品檢測室b內完成樣品的在線化學前處理和光譜分析。反應體系溫度控制是確保儀器重復性的重要條件，圖8示出了所述樣品反應體系溫度控制原理，即通過熱電溫控模塊(帕爾貼)的工作模式實現溫度控制，所述溫度控制范圍為:30 ±0.1°C。
[0056]在線樣品檢測系統B的光譜儀輸出數據通過并口傳輸到嵌入式系統，通過數據處理與分析，檢測樣品中被測重金屬含量，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。
[0057]圖6示出了本發明的測量工作流程示意圖，在工作時，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，系統初始化化后，開始在線檢測水樣中被測重金屬(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的含量。由于這五類重金屬的國家標準消解原理有所區別(鎘、鉛、砷這三項重金屬水質參數的檢測需要高溫輔助濃硝酸消解;鉻的檢測需要高溫輔助濃硝酸-濃鹽酸消解，并且濃硝酸的濃度與前者不同，汞的檢測需要高溫輔助高錳酸鉀-過硫酸鉀消解)，因此儀器采用各個參數順序消解、順序檢測的在線檢測流程與方法。
[0058]圖10示出了水質重金屬鎘、鉛、砷的在線順序檢測流程。
[0059]圖11示出了水質重金屬鉻的在線檢測流程。
[0060]圖12示出了水質重金屬汞的在線檢測流程。
[0061 ]所述水質重金屬(汞、鉛、鎘、鉻、砷)的在線檢測實為對被測水樣中總重金屬(總萊、總鉛、總錦、總絡和總神)的在線檢測。
[0062]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本發明的范圍和精神。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。
【主權項】
1.一種水質重金屬在線監測儀器，包括在線樣品消解系統(A)、在線樣品檢測系統(B)、測量與控制系統(C)，其特征在于，所述在線樣品消解系統(A)包括消解反應池(1)，消解反應池(I)分別連接第一微型蠕動栗(2)、第二微型蠕動栗(3);消解反應池(I)的出液口(8)連接三通換向電磁閥(5)，三通換向電磁閥(5)連接直流栗(6);所述第一微型蠕動栗(2)用于接通經物理預處理后的在線水樣，所述第二微型蠕動栗(3)連接多聯體電磁閥(4);所述消解反應池(I)連接第一數字溫度傳感器(16)，消解反應池(I)外繞有第一電熱絲(17)，消解反應池(I)底部膠合有第一超聲波發生系統(19); 在線樣品檢測系統包括樣品檢測流路(a)、樣品檢測室(b)、微型光譜儀(C)，所述樣品檢測流路(a)包括多位閥(al)、儲液環(a2)、注射栗(a3)，多位閥(al)通過管路連接儲液環(a2)—端，儲液環(a2)另一端通過管路連接注射栗(a3)—端，注射栗(a3)另一端通過管路連接超純水(W)，多位閥(al)連接樣品檢測室(b);光源(d)發出檢測光束(9.1)進入樣品檢測室(b)，出射光束經過透鏡(e)聚焦后進入微型光譜儀(C)，微型光譜儀(C)連接測量與控制系統(C);所述樣品檢測室(b)包括不銹鋼水槽(1.1)，不銹鋼水槽(1.1)內設有流通檢測池(2.1)，流通檢測池(2.1)連通至樣品檢測室(b)，所述流通檢測池(2.1)通過管路連接多位閥(al)，所述流通檢測池(2.1)連接廢液池(6.1)，所述流通檢測池(2.1)連接第三微型蠕動栗(7.1)，第三微型蠕動栗(7.1)連接超純水(w);所述樣品檢測室(b)—側安置有第二超聲波發生系統(11.1);所述測量與控制系統包括電源模塊、嵌入式系統、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系統通過無線傳輸與上位機連接，嵌入式系統上連接微型光譜儀(c);嵌入式系統與外圍控制電路系統連接，外圍控制電路系統連接樣在線樣品消解系統和在線樣品檢測系統;所述消解反應池(I)為不銹鋼材料加工而成，消解反應池(I)通過硅膠管(7)分別連接第一微型蠕動栗(2)、第二微型蠕動栗(3);所述消解反應池(I)的出液口(8)通過硅膠管(7)連接三通換向電磁閥(5)的公共口(9);所述第二微型蠕動栗(3)通過硅膠管(7)連接多聯體電磁閥(4)的公共出口(10);所述三通換向電磁閥(5)的常開口(11)通過硅膠管(7)連接直流栗(6)—端，直流栗(6)另一端通過硅膠管(7)連接廢液池(6.1); 所述流通檢測池(2.1)設有接口( 3.1)、溢流口(4.1)，不銹鋼水槽(1.1)設有進水口(5.1)，所述接口(3.1)、進水口( 5.1)、溢流口( 4.1)均連通至樣品檢測室(b)，所述接口(3.1)通過管路連接多位閥(aI)，所述溢流口( 4.1)連接廢液池(6.1)，所述進水口( 5.1)連接第三微型蠕動栗(7.1)，第三微型蠕動栗(7.1)連接超純水(w);所述樣品檢測室(b)—側外壁膠合有第二超聲波發生系統(11.1);所述樣品檢測室(b)的側壁設有熱電溫控模塊(22)，流通檢測池(2)內安裝有熱敏電阻(23)，熱敏電阻(23)連接數字溫度傳感器(24)，數字溫度傳感器(24)輸出信號到測量與控制系統(f)，測量與控制系統(f)連接熱電溫控模塊(22)。2.根據權利要求1所述一種水質重金屬在線監測儀器，其特征在于，所述第一數字溫度傳感器(16 )包括安裝在消解反應池(I)內的、玻璃封裝的熱敏電阻片(14); 所述多聯體電磁閥(4)為六聯體電磁閥，六聯體電磁閥的入口分別通過硅膠管(7)連接消解試劑、超純水、空氣。3.根據權利要求1所述一種水質重金屬在線監測儀器，其特征在于，所述第一電熱絲(17)連接第一繼電器(18);所述超聲波發生器(19)連接第二繼電器(21)。4.根據權利要求1所述一種水質重金屬在線監測儀器，其特征在于，所述第一微型蠕動栗(2)、第二微型蠕動栗(3)均為微型步進電機蠕動栗，所述直流栗(6)為微型直流電機蠕動栗O5.根據權利要求1所述一種水質重金屬在線監測儀器，其特征在于，所述樣品檢測室(b)下部設有光窗(8)，檢測光束(9)穿過光窗(8)、并透過流通檢測池(2)。6.根據權利要求1所述一種水質重金屬在線監測儀器，其特征在于，所述樣品檢測室(b)底部設有水槽排廢口(13)、檢測池排廢口(14)，水槽排廢口(13)連接第一微型直流電機蠕動栗(15 )—端、第一微型直流電機蠕動栗(15 )另一端連接廢液池(6 );所述檢測池排廢口(14)連接三通換向電磁閥(16)的公共口(17)，所述三通換向電磁閥(16)的常開口(18)連接微型步進電機蠕動栗(19)，所述三通換向電磁閥(16)的常閉口(20)連接第二微型直流電機蠕動栗(21)，第二微型直流電機蠕動栗(21)連接至廢液池(6)。
【文檔編號】G01N1/44GK105866448SQ201610203316
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年4月8日
【發明人】魏康林
【申請人】三峽大學