新型自動定容裝置的研制

劉日威 張冠文 倪樹標(biāo) 劉科勇 陳 云

（廣東省科學(xué)院、廣東省測試分析研究所（中國廣州分析測試中心）、廣東省食品營養(yǎng)與安全快速檢測儀器工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510070）

0 引言

目前實驗室大部分無機分析樣品都使用濕法消解。濕法消解[1]的基本過程包括選擇合適的消解液、通常需要加熱、有時需要加壓-高壓濕法消解、有時需要使用催化劑，當(dāng)樣品充分消解后，大多數(shù)需要定容?；瘜W(xué)分析中的定容是指用容量瓶溶解物質(zhì)或稀釋物質(zhì)至一定濃度的溶液，由于容量瓶的體積是固定的，必須用滴管準(zhǔn)確地將溶劑加至容量瓶的刻度線，視線與凹液面最低處相水平，使其達到與刻度線相切的過程。定容操作的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在石墨消解或微波消解中，通常選擇聚四氟乙烯消解管進行消解，該消解管耐溫達200 ℃左右，耐酸性強，但它不透明，無法標(biāo)刻度，需要定容時需要人工轉(zhuǎn)移到有刻度的比色管或離心管中。為了提高準(zhǔn)確性，有時會選擇小口徑的容量瓶，但是口徑小轉(zhuǎn)移并不方便，容易灑出來。轉(zhuǎn)移過程中有時會產(chǎn)生微量的樣品殘留在消解管中，造成最終結(jié)果數(shù)值偏低，手工操作誤差大、速度慢，且比色管須事先計量檢定、在一定程度上影響了檢測任務(wù)的高效完成[2]。該文研究的自動定容裝置通過監(jiān)控消解管的重量的方式實現(xiàn)定容，這樣可免去人工轉(zhuǎn)移樣品，無殘留，減小檢測結(jié)果的誤差。

1 自動定容裝置的原理

實現(xiàn)自動定容的方法是將溶液的體積換算為重量，通過監(jiān)控重量的變化從而獲得需要體積（這里簡稱稱量定容法[2]）。它的原理是由于定容后的體積V0=稀釋液的體積V1+消解產(chǎn)物的體積V2，V0=V1+V2，這里的前提條件是消解產(chǎn)物和稀釋液是沒有揮發(fā)性，整個定容過程中里面的物質(zhì)沒有損失。假設(shè)知道密度就可以換算為重量。通常稀釋液是純凈水，水的密度是已知，消解產(chǎn)物的密度也是可以預(yù)先測定，但由于消解產(chǎn)物的量通常比較少，把消解產(chǎn)物密度近似與水進行計算，定容的體積V0=稀釋液的重量M1/密度ρ1+消解產(chǎn)物的重量M2/密度ρ2，V0=M1/ρ1+M2/ρ2。把體積轉(zhuǎn)為重量進行測量，使用壓變式傳感器（稱重傳感器），測量精度可以達到0.1 %甚至0.01 %。利用蠕動泵控制加液的量精度可以達到0.1 %（加液25 mL），可以令最終容量誤差少于1 %。

2 自動定容裝置硬件設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

該裝置主要實現(xiàn)自動定容功能，操作人員在人機界面上設(shè)定需要定容的體積，把趕酸完成后的消解管，放在裝置上，按下啟動按鍵，即可自動加液，到達設(shè)定體積自動關(guān)閉，完成整個定容操作，定容的數(shù)據(jù)自動保存到本機或上傳至PC，如圖1 所示。

2.2 硬件設(shè)計

該裝置的硬件分成6 個模塊，如圖2 所示，包括主控模塊、供電模塊，稱重模塊、加液模塊、人機界面和存儲模塊。工作原理是通過控制蠕動泵進行加液，采用應(yīng)變式傳感器檢測消解管重量，反饋給主控模塊，實現(xiàn)閉環(huán)控制，這樣就能精確控制加樣量。下面對各模塊的功能進行說明。

2.2.1 供電模塊

圖1 稱重法定容裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 自動定容裝置硬件框圖

供電部分需要從交流220 V 轉(zhuǎn)換到直流24 V，這里采用了開關(guān)電源模塊?？刂齐娐分械奈⒖刂破鱉CU 采用3.3 V 供電，部分接口電路采用5 V 供電。從直流24 V 穩(wěn)壓到5 V 采用了LM2575 系列穩(wěn)壓集成芯片。它內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。芯片可提供外部控制引腳。是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。從直流5V 穩(wěn)壓到3.3 V 采用了LDO 線性穩(wěn)壓電源SPX1117M-3.3，它輸出電流高達800 mA，完全滿足系統(tǒng)的需要。

2.2.2 主控模塊

主控部分采用NXP 公司的LPC175X 系列ARM 微處理器，該處理器是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核，為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的高性能、低功耗的32 位微處理器。它的操作頻率可高達120 MHz，而且功能強大，集成度非常高，內(nèi)置有定時器、AD 轉(zhuǎn)換器、SPI，PWM，UART，USB 等。多達有50多個IO 口，直接連接各個部件，非常簡潔，省去各種邏輯芯片，大大減少PCB 的空間。它具有多個UART 接口，擴展外設(shè)非常方便。

2.2.3 稱重模塊

采用電阻應(yīng)變式傳感器（即稱重傳感器）[3]測量物體重量，它的原理是傳感器受到重量作用發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電阻的變化，經(jīng)過電橋放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再進行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號傳給主控芯片，如圖3 所示，從而計算出重量數(shù)值。

在圖3 中，R1～R4 是傳感器中的4 個應(yīng)變片，它們接成一個電橋。應(yīng)變片固定在彈性體上，當(dāng)彈性體受壓，應(yīng)變片隨著形變。4 個電阻同時發(fā)生變化，這時電橋不平衡，用儀表放大器AD623 將兩者的差值進行放大，AD623 使用非常簡單，只需通過電阻RG 即可設(shè)置放大倍數(shù)。信號經(jīng)過放大后進入AD 轉(zhuǎn)換器，這里選用的是ADI 公司推出的AD7705。它是一款16 位的AD 轉(zhuǎn)換器，具有高分辨率、寬動態(tài)范圍及優(yōu)良的抗噪聲性能等特點。最后AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過SPI 接口傳給主控芯片。

通常實驗室常用的50 mL 聚四氟乙烯消解管，它的重量在30 g～40 g 。實驗室大多數(shù)要求定容到25 mL 或50 mL，這里大約要增加25 g～50 g，最后消解總重量在100 g 左右。因此傳感器量程可以選200 g～300g 的。當(dāng)稱重系統(tǒng)采用16 位的AD 轉(zhuǎn)換器，理論上測量精度可以達到0.005 g。

2.2.4 加液模塊

加液部分選用蠕動泵[4]，它由3 個部分組成：驅(qū)動器、泵頭和軟管。流體被隔離在泵管中、可快速更換泵管、流體可逆行、可以干運轉(zhuǎn)。蠕動泵就像用手指夾擠一根充滿流體的軟管，隨著手指向前滑動管內(nèi)流體向前移動。蠕動泵也是這個原理只是由滾輪取代了手指。通過對泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送流體。就像用2 根手指夾擠軟管一樣，隨著手指的移動，管內(nèi)形成負(fù)壓，液體隨之流動。泵頭是由步進電機帶動，主控芯片通過PWM 控制電機從而控制泵的轉(zhuǎn)速。泵的加液精度是和泵管的內(nèi)徑相關(guān)，選用內(nèi)徑大的管，流速大，加樣時間短效率高，但是精度低。因此只能在保證精度的前提下，盡量選擇內(nèi)徑大的管。

圖3 應(yīng)變式傳感器信號處理電路

2.2.5 人機界面

該裝置的顯示及觸控操作處理是通過串口屏完成，串口屏[5]是把液晶屏LCD、觸摸屏及其驅(qū)動器集成在一起形成獨立的系統(tǒng)，它自帶CPU 處理器和大容量數(shù)據(jù)存儲器，通過UART 或RS232 接口與外部進行通信。使用的時候我們先把操作界面UI 設(shè)計好，包括背景、菜單、按鈕等。生成各種圖片文件后，下載到串口屏中。主控芯片通過UART 接口向串口屏發(fā)出指令調(diào)出相應(yīng)的圖片進行顯示，同時串口屏把用戶的觸摸操作解析為相應(yīng)指令回傳給主控芯片。使用串口屏，主控芯片無須進行復(fù)雜的底層顯示操作，可以專注于傳感器檢測和泵的控制。不但降低了開發(fā)難度，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.6 存儲模塊

該裝置設(shè)計有保存定容過程數(shù)據(jù)的功能，這里包括定容時間、編號、空管重量、消解后空管加產(chǎn)物的重量以及定容完成時消解管的總重量。每一條記錄共有20 字節(jié)，為以后擴展需要，每一條記錄預(yù)留32 字節(jié)的存儲空間。該裝置設(shè)計保存記錄數(shù)量為10 萬條，一共需要占用3.2 MB 字節(jié)空間。因此存儲器采用華邦公司（winbond）生產(chǎn)的W25Q64 系列的大容量FLASH，它的容量是64Mbit（8 MB 字節(jié)），而且支持SPI 接口，方便與主控芯片連接。

圖4 主界面

圖5 設(shè)置界面

圖6 查詢界面

2.3 定容的實施過程

定容的實施過程分5 步。1）測量空消解管的重量M0并做好標(biāo)記。2）在消解管內(nèi)加入待分析樣品，然后加入消解液，放到消解儀中進行加熱，進行樣品消解。消解后進行趕酸處理，消解管內(nèi)剩余消解產(chǎn)物。3）將消解管放到應(yīng)變式傳感器上稱重，測量記錄消解產(chǎn)物與空消解管的重量的總和M1，并計算消解產(chǎn)物的重量M2，M2=M1-M0。4）計算需要加入稀釋液（通常是純凈水或稀硝酸）的重量M3，已知其密度ρ1，稀釋液體體積V0=定容體積V1-消解產(chǎn)物體積V2，這里消解產(chǎn)物的體積不確定，當(dāng)消解產(chǎn)物量比較少時，可以將其密度近似為稀釋液密度ρ1進行計算，當(dāng)消解產(chǎn)物量比較多，且需要精度較高時，則需要預(yù)先測量一次得到ρ2。V2=M2/ρ2加入稀釋液的重量M3=（V1-M2/ρ2）ρ1，通過計算得知，加入稀釋液后，消解管的總重量為M總=M1+M3，即消解產(chǎn)物與空消解管的重量的總和再加上稀釋液的重量。5） 控制電路啟動蠕動泵進行加液，液體從硅膠導(dǎo)管進入蠕動泵內(nèi)，然后經(jīng)支架進入消解管，當(dāng)控制電路實時讀取稱重傳感器的數(shù)據(jù)，其重量數(shù)據(jù)達目標(biāo)總重量m總后，蠕動泵停止工作，定容工作完成。

2.4 軟件界面設(shè)計

軟件功能設(shè)計上，主要分為3 個模塊：系統(tǒng)運行、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢。用戶在使用本裝置時，首先要對消解管進行編號，把消解管放到稱重傳感器上，軟件自動顯示重量，手工輸入編號，點“錄入”按鍵，錄入完成（如圖5 所示）并保存。定容前（如圖4 所示），需要輸入消解管的編號，獲取到空管的重量，然后把管放到稱重傳感器上，就可以開始定容。定容過程的各數(shù)據(jù)都將記錄下來，供用戶查詢（如圖6 所示），包括時間、編號、空管重量、消解后空管加產(chǎn)物的重量、定容后的最終重量，特別是消解產(chǎn)物的重量參數(shù)，對整個消解方法的分析有一定參考作用。以前手工定容時只能看產(chǎn)物的形狀顏色，現(xiàn)在可以多一個參考量。

3 結(jié)語

該自動定容裝置利用蠕動泵進行加樣，通過監(jiān)控加樣量，經(jīng)過密度和體積的換算，實現(xiàn)自動定容的效果，最大優(yōu)點是無須轉(zhuǎn)移，沒有樣品損失，最大程度地保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確，定容過程一鍵完成，大大提高了實驗人員工作效率。該自動定容裝置不足的地方是需要操作人員去放管和取管，不能實現(xiàn)自動批量處理，需要人員值守，蠕動泵管有使用壽命，一般需要半年更換一次。將來如果能將該裝置與機械手技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)真正的自動化，把操作人員解放出來，市場前景將非常廣闊。