水質(zhì)總氮在線分析儀的設(shè)計(jì)與測試

萬金穎 何佳睿 楚國棟

摘要：通過對(duì)進(jìn)樣單元、反應(yīng)單元、檢測單元合理的硬件架構(gòu)，用單片機(jī)控制整個(gè)流程的運(yùn)行，設(shè)計(jì)出了可用于地表水在線監(jiān)測的總氮水質(zhì)監(jiān)測儀，儀器可實(shí)現(xiàn)全天候無人值守自動(dòng)運(yùn)行，具有良好的市場前景。

Abstract： Total Nitrogen on-line analyzer was designed through the reasonable hardware architecture of sample injection unit， reaction unit and detection unit， and single-chip microcomputer is used to control the operation of the whole process. The monitor can be used for surface water on-line monitoring and can achieve all-weather unattended automatic operation and have good market prospects.

關(guān)鍵詞：水質(zhì)總氮；地表水；在線監(jiān)測

Key words： total Nitrogen；surface water；on-line monitoring

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0257-02

1 背景[1-3]

人口的過度膨脹和經(jīng)濟(jì)的高速增長，致使環(huán)境污染變得日益嚴(yán)重，特別是近年來的水質(zhì)污染，已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、阻礙人民生活水平提高的突出問題。水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致浮游生物及藻類的大量快速繁殖，降低溶解于水體中氧的含量，繼而造成水質(zhì)污染的主要原因是生活污水和工業(yè)廢水大量排入河流，使得水中氮、磷含量快速增加，導(dǎo)致藻類過度繁殖打破了生態(tài)平衡。引發(fā)浮游生物、藻類、水生生物衰亡甚至于絕跡。因此推廣應(yīng)用水質(zhì)總氮、總磷在線監(jiān)測裝置勢在必行。

在“水十條”中有提到：深化污染物排放總量控制。完善污染物統(tǒng)計(jì)監(jiān)測體系，將工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)、移動(dòng)源等各類污染源納入調(diào)查范圍。選擇對(duì)水環(huán)境質(zhì)量有突出影響的總氮、總磷、重金屬等污染物，研究納入流域、區(qū)域污染物排放總量控制約束性指標(biāo)體系。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體思路

水質(zhì)總氮在線分析儀主要由進(jìn)樣單元，反應(yīng)單元，檢測單元，控制單元組成，具體實(shí)現(xiàn)方式：用光電定量原理抽取一定量的水樣進(jìn)入反應(yīng)單元，再加入堿性過硫酸鉀，在120度溫度下消解20分鐘，水樣中的亞硝酸鹽氮、無機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨及大部分有機(jī)含氮化合物中的氮，被過硫酸鉀氧化為硝酸鹽氮，采用光譜儀測量波長220nm和275nm處的吸光度，根據(jù)公式計(jì)算總氮的吸光度，最終傳入嵌入式計(jì)算機(jī)，在嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、擬合等方法，送入液晶顯示器顯示、儲(chǔ)存到FLASH卡上。全部的過程控制均由單片機(jī)完成，無需人工操作。

2.2 進(jìn)樣單元

進(jìn)樣單元包括一個(gè)蠕動(dòng)泵，一個(gè)計(jì)量管，一個(gè)六通電磁閥組，兩個(gè)兩通電磁閥，進(jìn)樣流路見圖1。

水樣通過閥3進(jìn)入計(jì)量管精確定量后，打入到反應(yīng)器中，蠕動(dòng)泵將管路中的液體全部吹入反應(yīng)器中，待測試流程完成后，廢液通過閥2排入廢液桶中。整體結(jié)構(gòu)簡單，水樣和不同試劑之間加蒸餾水清洗，以免試劑殘留造成污染。

2.3 反應(yīng)單元

反應(yīng)單元由反應(yīng)器和兩個(gè)高壓閥體組成，反應(yīng)器采用石英玻璃制造而成，整體形狀構(gòu)造如圖2所示。

反應(yīng)單元設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：反應(yīng)單元為整體設(shè)計(jì)，兩個(gè)閥體在兩端使反應(yīng)器處于全封閉狀態(tài)，可使水樣在反應(yīng)器中加熱到120度溫度時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)達(dá)到高壓消解的效果，反應(yīng)單元整體尺寸較小，便于小型化設(shè)計(jì)。

2.4 檢測單元

檢測單元由小型全掃描光譜儀和光源組成。光譜儀全部采用發(fā)黑鋁材制造，光源使用氙燈。其發(fā)射的光線經(jīng)透過反應(yīng)器后經(jīng)透鏡匯聚到光纖，經(jīng)光譜儀掃描，記錄220nm和275nm波長處的光信號(hào)值，傳入上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，即可得到水樣的吸光度。

2.5 控制單元

儀器由工控機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

CPU：即單片機(jī)，負(fù)責(zé)與工控機(jī)的通訊、儀器流程時(shí)序控制、光電信號(hào)采集和集成取水控制等；

集成控制：主要負(fù)責(zé)集成取水控制，包括水位液位、水樣預(yù)處理等；

信號(hào)采集：主要負(fù)責(zé)光電信號(hào)、進(jìn)樣系統(tǒng)液位信號(hào)和溫度等信號(hào)的采集；

流路控制：主要負(fù)責(zé)儀器分析流程時(shí)序控制；

工控機(jī)系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通訊、數(shù)據(jù)結(jié)果運(yùn)算顯示和數(shù)據(jù)上傳等功能；

顯示單元：主要將儀器結(jié)果顯示出來，同時(shí)提供操作顯示畫面、儀器控制信號(hào)顯示等；

數(shù)據(jù)上傳：負(fù)責(zé)儀器與數(shù)據(jù)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。

3 技術(shù)特點(diǎn)[4]

3.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

①全自動(dòng)運(yùn)行：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)測量、自動(dòng)清洗、自我保護(hù)、自動(dòng)恢復(fù)等智能化功能；

②免維護(hù)設(shè)計(jì)：水樣預(yù)處理裝置采用免維護(hù)設(shè)計(jì)，可確保預(yù)處理裝置維護(hù)周期超過半年；

③在線監(jiān)測方式多樣化：可實(shí)現(xiàn)人工隨時(shí)測量、自動(dòng)定時(shí)測量、自動(dòng)周期測量等測定方式；

④測定速度快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可隨時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程中控制節(jié)點(diǎn)的樣品濃度。

3.2 產(chǎn)品功能

①通訊模式：內(nèi)置GPRS無線TCP通訊，數(shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)平臺(tái)中心站；

②接口：8路模擬量輸出，支持RS485/232數(shù)字輸出；

③測量時(shí)間：可任意選擇或連續(xù)；

④自動(dòng)校準(zhǔn)：可以選擇自動(dòng)校準(zhǔn)周期；

⑤清洗：可以手動(dòng)清洗和自動(dòng)清洗，并可設(shè)置自動(dòng)清洗周期；

⑥可存儲(chǔ)12個(gè)月歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，可查詢具體年月日的數(shù)據(jù)。

4 測試

根據(jù)HJ/T 102-2003《總氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》中規(guī)定的指標(biāo)要求和測試方法對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的水質(zhì)總氮在線分析儀進(jìn)行調(diào)試和測試。在調(diào)試過程中確定最優(yōu)試劑濃度、最佳測試溫度及消解時(shí)間，根據(jù)相應(yīng)測試方法和計(jì)算公式得出分析儀的性能指標(biāo)見表1，相關(guān)指標(biāo)完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)的程序軟件和電路設(shè)計(jì)，控制進(jìn)樣閥體、蠕動(dòng)泵、光譜儀、氙燈等使各硬件單元進(jìn)行有效的協(xié)作，設(shè)計(jì)出了總氮水質(zhì)在線分析儀，可用于地表水及地下水中的總氮的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍，陳程.總氮總磷在線自動(dòng)監(jiān)測儀的現(xiàn)狀與問題[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37（1）：161-164.

[2]方熠.水質(zhì)中總氮測定的影響因素分析[J].廣州化學(xué)，2012，37（3）：14-17，23.

[3]李影，楊慧中.一種水質(zhì)總氮總磷在線自動(dòng)監(jiān)測儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工業(yè)水處理，2013，33（5）：77-81.

[4]羅玲，農(nóng)永光，郭煒，等.多參數(shù)分析儀研究[J].價(jià)值工程報(bào)，2013，32（6）：193-194.