在線水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)及其控制電路設(shè)計

魏康林 周 豐 王振帥 戴賢明 胡 濱 余 麗 譚 森

(1．三峽大學(xué) a.電氣與新能源學(xué)院；b.計算機(jī)與信息學(xué)院；c.生物與制藥學(xué)院；2．宜昌市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站； 3．北京市富迪迅捷科技有限公司)

在線水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)及其控制電路設(shè)計

魏康林1a周 豐1b王振帥1b戴賢明1b胡 濱1c余 麗2譚 森3

(1．三峽大學(xué) a.電氣與新能源學(xué)院；b.計算機(jī)與信息學(xué)院；c.生物與制藥學(xué)院；2．宜昌市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站； 3．北京市富迪迅捷科技有限公司)

針對基于光譜分析的在線水質(zhì)監(jiān)測儀對流路系統(tǒng)的功能要求，深入開展了具體的流路系統(tǒng)設(shè)計及其控制電路原理研究。以微型蠕動泵、微型三通換向電磁閥、微型電磁閥、微型真空泵、流通檢測池為流路器件，設(shè)計出具有進(jìn)樣、清洗及留樣等功能的流路系統(tǒng)及其控制電路與方法。儀器聯(lián)調(diào)實驗結(jié)果表明：所設(shè)計的流路系統(tǒng)滿足儀器的功能要求，能夠為儀器的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的技術(shù)保障。

水質(zhì)監(jiān)測 流路 光譜分析 控制電路

在線水質(zhì)監(jiān)測儀可以為水資源環(huán)境保護(hù)與治理提供有力的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，尤其是基于光譜分析的水質(zhì)監(jiān)測更是該技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。但是就儀器設(shè)計的角度而言，流路系統(tǒng)的設(shè)計與控制是儀器穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)該具有自動進(jìn)樣、清洗期留樣取證等功能，為此，依托實際工程項目，針對基于光譜分析的在線水質(zhì)監(jiān)測儀對流路系統(tǒng)的功能要求，深入展開了具體的流路系統(tǒng)設(shè)計及其控制電路原理研究[1]。將流路控制原理與方法運(yùn)用到儀器測試中，并進(jìn)行了儀器整機(jī)聯(lián)調(diào)實驗。

1 流路系統(tǒng)設(shè)計

針對在線光譜水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)應(yīng)具有的進(jìn)樣、清洗和留樣功能[2]，以微型蠕動泵、微型三通換向電磁閥、微型電磁閥、微型真空泵、流通檢測池為流路器件，設(shè)計了儀器流路系統(tǒng)，流路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)各器件間的連接如圖2所示。管網(wǎng)水經(jīng)電磁閥控制進(jìn)入樣品池 ，蠕動泵1與三通換向電磁閥1、2匹配工作(兩個閥保持常開狀態(tài))，抽取一定體積的被測水樣進(jìn)入石英流通檢測池，在檢測池內(nèi)完成水樣的光譜分析。若光譜分析檢測到被測水樣光譜特征發(fā)生突變或被測成分(如水質(zhì)參數(shù)COD等)超標(biāo)報警，則三通電磁閥2流路切換，與蠕動泵1匹配工作，抽取水樣進(jìn)入留樣池作進(jìn)一步取證分析。測量完畢后，則三通電磁閥1流路切換到常閉口(以備抽取蒸餾水)，三通電磁閥2常開，與蠕動泵1、2匹配工作，抽取蒸餾水清洗流通檢測池，清洗完后，為避免顆粒物粘附在流通池的通光面上，打開夾管電磁閥1、2，采用微型真空泵1、2壓縮空氣吹掃流通池的通光面[2]，為下一次水樣的測量做好準(zhǔn)備。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 各器件間的連接示意圖

2 流路控制系統(tǒng)電路設(shè)計

流路控制系統(tǒng)由單片機(jī)(下位機(jī))、工控機(jī)(上位機(jī))、電源模塊、繼電器和各個流路器件組成。以工控機(jī)為控制和信息處理平臺，使用LabVIEW軟件作為上位機(jī)開發(fā)環(huán)境[3]。

流路控制系統(tǒng)電路示意圖如圖3所示，流路器件皆與對應(yīng)繼電器的常閉端、公共端(圖中繼電器O為常開端、C為常閉端、COM為公共端)接入+24V電源兩端，繼電器的輸入端再接單片機(jī)的IO口。

圖3 流路控制系統(tǒng)電路示意圖

控制電路啟動后，電源和工控機(jī)開啟，單片機(jī)上電，IO口首先默認(rèn)輸出高電平，與之相連的繼電器會轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，由閉合變?yōu)閿嚅_，這樣控制電路啟動后被控流路器件都處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)需要某個器件或多個器件工作時，使用者可通過上位機(jī)中的LabVIEW軟件發(fā)送對應(yīng)器件的控制命令，再由串行通信協(xié)議將控制命令傳給下位機(jī)以改變對應(yīng)IO口的電平狀態(tài)(由高電平變?yōu)榈碗娖?，與之相連的繼電器工作狀態(tài)便由斷開切換為閉合，從而接通相關(guān)流路器件所在電路，使得對應(yīng)流路器件工作。

另外，系統(tǒng)使用的上位機(jī)軟件LabVIEW具有豐富的函數(shù)與控件，可以通過上述控制原理方便地設(shè)置每個器件的開啟時間、次序和不同器件間的聯(lián)合控制方式，再加上各種循環(huán)結(jié)構(gòu)、判斷結(jié)構(gòu)及事件結(jié)構(gòu)等多功能控件的混合使用，使得整個流路系統(tǒng)具有靈活多變的控制方式，方便了在線水質(zhì)監(jiān)測儀的多功能開發(fā)[4]。

3 流路系統(tǒng)測試與應(yīng)用

3.1 清洗功能測試

為驗證流路系統(tǒng)的清洗效果，以污染性較強(qiáng)的有機(jī)試劑亞甲藍(lán)來污染樣品檢測池，經(jīng)2min 的蒸餾水灌洗與壓縮空氣沖洗后,取出檢測池中的水樣送島津紫外分光光度計UV-2450分析。測量結(jié)果顯示，亞甲藍(lán)特征吸收波長652nm處的吸光度降為0.001，可以認(rèn)為是蒸餾水的吸光度，說明流通檢測池已經(jīng)被清洗干凈，進(jìn)一步表明系統(tǒng)具有快速、高效的清洗功能[5]。

圖4、5分別是清洗控制流程與清洗前后吸光度對比圖。

圖4 清洗控制流程

a. 污染試劑亞甲藍(lán)的吸收光譜

b. 經(jīng)過清洗后檢測池內(nèi)蒸餾水的吸收光譜

3.2 樣品檢測測試

為測試優(yōu)化設(shè)計的流路系統(tǒng)是否滿足儀器檢測需求，采用實驗室標(biāo)準(zhǔn)溶液配制方法[6]配制濃度為10、20、30、40、50、60、70mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀溶液備用。使用所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行樣品檢測，先用蒸餾水灌洗和壓縮空氣沖洗的方式徹底清洗整個流路系統(tǒng)并進(jìn)3mL蒸餾水到流通檢測池做參比，再采用濃度由低到高的方式依次測量各溶液的吸光度[7]。測量時先用9mL的待測溶液連續(xù)灌洗整個流路系統(tǒng)，再進(jìn)3mL待測溶液到流通檢測池中測得吸光度曲線，測量完成后排空殘液，繼續(xù)抽取9mL下一濃度待測液灌洗整個流路系統(tǒng)并進(jìn)樣3mL測得其吸光度曲線，依此過程直至7個濃度的標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀溶液測量完成，最終的吸光度曲線如圖6所示，圖中曲線由下到上依次對應(yīng)的濃度為10、20、30、40、50、60、70mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀溶液。

圖6 不同濃度標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀溶液吸光度圖譜

采用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二甲酸氫鉀溶液在280nm處的吸光度，建立鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)工作曲線[8]。如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9987，達(dá)到了檢測要求，說明優(yōu)化設(shè)計的流路系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了進(jìn)樣、留樣、清洗功能，而且滿足了在線水質(zhì)監(jiān)測儀的水質(zhì)檢測需要。

圖7 鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

3.3 留樣功能測試

針對在線水質(zhì)監(jiān)測儀留樣功能的需要，建立吸光度-波長-時間三維光譜數(shù)據(jù)庫。在實際檢測過程中，只要某一時間點或某一時間段，某個波長處的吸光度突變(急劇上升或突破判定閾值等)，則認(rèn)為水質(zhì)異常事件發(fā)生，若污染物質(zhì)的特征吸收光譜在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，便可識別污染物，但不管識別與否，均立即自動留樣，送權(quán)威部門分析，從而實現(xiàn)對水質(zhì)安全的監(jiān)測。

具體以沙河污水廠實際環(huán)境水樣做留樣功能實驗，連續(xù)采集監(jiān)測水體的吸光度數(shù)據(jù)，建立吸光度-波長-時間三維光譜圖(圖8)。通過三維圖譜可直觀看出吸光度數(shù)據(jù)變化，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)便立即自動留樣，以分析污染物。實驗結(jié)果表明所設(shè)計的流路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對水體的持續(xù)性監(jiān)測，并能及時自動留樣，滿足在線水質(zhì)監(jiān)測儀的流樣功能要求。

圖8 沙河污水廠吸光度-波長-時間三維圖譜

4 結(jié)束語

對在線水質(zhì)監(jiān)測儀的流路系統(tǒng)及其控制電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，測試結(jié)果表明設(shè)計的流路系統(tǒng)進(jìn)樣、留樣功能正常，流通檢測池清洗效果良好、數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，能夠保證在線水質(zhì)監(jiān)測儀的長期穩(wěn)定運(yùn)行。另外，整機(jī)功耗低、線路布局規(guī)范、上位機(jī)開發(fā)環(huán)境LabVIEW的可擴(kuò)展性良好，方便了本系統(tǒng)的多功能二次開發(fā)和持續(xù)優(yōu)化。同時，通過控制電路與軟件的優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能間的快速切換，提升了使用過程中在線水質(zhì)監(jiān)測儀的靈活性。

[1] 武新. 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測控系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學(xué), 2012.

[2] 郭建, 溫志渝, 魏康林,等.多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表, 2012, 33(2):80～82.

[3] 徐立友,劉洋,張敏.基于 LabVIEW 的液壓機(jī)械無級變速器試驗臺測控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2014, 52(4): 18～22.

[4] 程立.在線水質(zhì)分析儀器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展[J].分析儀器, 2011, (2): 75～78.

[5] 魏康林.基于微型光譜儀的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶: 重慶大學(xué), 2012.

[6] 周小峰, 溫志渝, 謝瑛珂, 等.多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].化工自動化及儀表, 2014, 41(1): 22～26.

[7] 潘建章.便攜式多功能光度計的研制及其在環(huán)境分析中的應(yīng)用[D].成都：四川師范大學(xué), 2005.

[8] 李玉春.基于紫外可見光譜的水下多參數(shù)水質(zhì)檢測技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué), 2012.

DesignofFlowPassageSystemandItsControlCircuitforOn-lineWaterQualityMonitoringInstrument

WEI Kang-lin1a, ZHOU Feng1b, WANG Zhen-shuai1b, DAI Xian-ming1b,

TH83

A

1000-3932(2017)02-0152-05

2016-07-31，

2016-09-13)

(Continued on Page 179)

魏康林(1975-)，副教授，主要從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究。

聯(lián)系人周豐(1991-)，碩士研究生，主要從事自動化檢測裝置的研究，1490214612@qq.com。