環(huán)境水質(zhì)綜合檢測箱的設(shè)計

藺馳原

（河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018）

水質(zhì)檢測對整個水環(huán)境保護、水污染控制、維護水環(huán)境健康以及保障民生等方面具有至關(guān)重要的作用?！笆濉逼陂g，隨著環(huán)保執(zhí)法力度的持續(xù)加大和配套環(huán)境水質(zhì)在線檢測法律法規(guī)的相繼出臺，環(huán)境水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)的需求大幅增長，市場潛力巨大。對于廢水污染檢測系統(tǒng)和地表水檢測系統(tǒng)的市場前景預(yù)測，預(yù)計2025 年將超過160 億元。

中國水質(zhì)檢測設(shè)備行業(yè)的競爭相當激烈。2010年后，隨著國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平逐漸提升，水質(zhì)檢測設(shè)備從以進口設(shè)備為主逐漸轉(zhuǎn)向更多地考慮使用國產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)如今的國內(nèi)水質(zhì)檢測儀按檢測目的可以分為多種：以納氏試劑分光光度法（GB/T 5750.5—2006）為基礎(chǔ)的水體氨氮檢測儀；利用電化學(xué)溶出伏安法測量水體中重金屬的水體重金屬檢測儀；在光電探測器中通過毒性生物的發(fā)光波長進行選擇的水體生物毒性檢測儀；技術(shù)較為成熟的pH 計、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）測定儀；綜合性的多功能消解儀和COD 氨氮總磷總氮測定儀[1-4]。因此，隨著溫度傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展和我國水質(zhì)分析儀器不斷突破技術(shù)瓶頸，未來高質(zhì)量、多功能、集成化、自動化、系統(tǒng)化和智能化將成為水質(zhì)分析儀器發(fā)展的主要趨勢。

以往的水質(zhì)檢測儀重心往往放在單個硬件檢測元件及配套的數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計開發(fā)上，而整體性、一體化的設(shè)計提出較少。大部分水質(zhì)檢測儀的設(shè)計還存在某些問題，如不具備對取樣試管進行清洗的功能和試管在放置時的穩(wěn)定問題，因而提出了新型的設(shè)計方案。

1 方案設(shè)計

1.1 檢測流程

為了清晰闡述檢測流程，設(shè)計方案的整體結(jié)構(gòu)、處理箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、仰視結(jié)構(gòu)以及放置板爆炸結(jié)構(gòu)分別如圖1 ～圖4 所示。

1.1.1 裝置放置與清洗

位于箱體一側(cè)的處理箱（1）可為試管存放與清洗提供空間，容器以試管為例。將放置板拿出后，取出擋板即可根據(jù)具體需要將試管或其他器皿放入或取出。工作人員可將試管放進放置槽（23）內(nèi)，用橡膠墊（24）與試管貼合。若存儲樣品，應(yīng)做好試管口的密封工作。通過以上方式可提高試管放置時的穩(wěn)定性，使該儀器在攜帶過程中盡量避免出現(xiàn)試管掉落情況。

進水管上表面嵌合連接的堵頭在儲水室水量不足時，可開啟閥門并加入蒸餾水或去離子水。若需要最大化，利用儲水室可在加水時將儀器適當傾斜。當試管使用結(jié)束后，將試管放置在限位環(huán)（13）之間進行固定，使連接桿可延伸進試管的內(nèi)部，對試管內(nèi)殘留污染物進行清洗。利用微型水泵（16）可對試管清洗所需的水進行抽取，同時可利用水流對試管進行沖刷。以上方式利用儲水室添加的蒸餾水及時清洗使用后的試管，從而方便后期使用試管。清洗2 ～3 次為宜[5]。清洗步驟也可以作為試管在采樣前的清潔 手段[6]。

1.1.2 水樣檢測

將采取好的水樣利用檢測箱內(nèi)的檢測儀器（5）進行檢測，同時注意樣品液體盡量不發(fā)生外濺，防止損壞敏感的電子元件。

1.1.3 攜帶與保養(yǎng)

處理箱（1）與檢測箱（6）的下方均設(shè)有可伸縮的背帶（19），在運輸過程中可對儀器進行背負。箱蓋（2）具有一定的防水性且內(nèi)部有起緩沖作用的海綿，檢測完畢后應(yīng)及時將箱蓋扣合并將鎖扣扣好。

1.2 工作原理

本設(shè)計的初衷是把市場中現(xiàn)有的電子檢測儀器與文中新提出的部分設(shè)計進行整合，設(shè)計出更靈活的新產(chǎn)品，不涉及對新型檢測儀器的開發(fā)。

整體設(shè)計的尺寸為500 mm×380 mm×250 mm， 檢測箱的預(yù)設(shè)尺寸為240 mm×310 mm×200 mm。在檢測箱中，既可以將儀器如便攜式農(nóng)藥快檢儀等儀器固定放置，也可以在對檢測箱經(jīng)簡易改裝后將手持pH 計、手持多參數(shù)水質(zhì)檢測儀等小型儀器放入收納。以便攜式農(nóng)藥快檢儀為例，檢測箱內(nèi)部設(shè)有總電源，所以既可以把檢測箱與和用于預(yù)處理、后期處理的處理箱設(shè)計成一個整體，也可以對檢測儀器按需靈活更換。

檢測箱的側(cè)表面通過可活動的合頁連接箱蓋，箱蓋的開合角度擬設(shè)為0°～180°。箱蓋的內(nèi)部設(shè)置有填充的起緩沖作用的海綿，可對檢測儀器起到很好的防護作用。箱蓋表面有鎖扣，利用鎖扣將箱蓋扣合。

檢測箱的側(cè)面是處理箱。擋板上和處理箱中的彈簧分別命名①號彈簧和②號彈簧。①號彈簧長度約為5 mm，②號彈簧長度在45 ～50 mm。

在處理箱的內(nèi)部連有一個可滑動的放置板，放置板的規(guī)格為230 mm×280 mm×40 mm。放置板上，設(shè)計成可以存放小試管4 個區(qū)域或長試管2 個區(qū)域。在放置板的上表面設(shè)有80 mm×120 mm× 30 mm 的放置槽。若是長試管，可擴展為80 mm× 200 mm×30 mm 的放置槽。擋板的四角各安裝一根兩端固定的①號彈簧，且擋板位于放置槽的上方，擋板的下表面設(shè)有絕緣橡膠墊。因為容器一般會用如試管等易碎器皿，所以利用彈簧、橡膠等高彈性系數(shù)、可發(fā)生形變的物質(zhì)所產(chǎn)生的緩沖效果，可對內(nèi)置易碎容器起到一定的保護作用，提高耐沖擊能力。在放置板兩側(cè)與處理箱箱壁接觸的地方設(shè)有長240 mm 的固定塊，放置板的側(cè)邊有用于抽取的皮帶把手。

處理箱的內(nèi)部位于放置板的下方，在其箱內(nèi)設(shè)有一個3.0 ～4.5 V 的電動馬達。馬達可由內(nèi)置電源（電池）或總電源供電，馬達的輸出端與連接桿相連，連接桿的側(cè)表面安裝毛刷。在處理箱的內(nèi)底壁上下各分別固定一根②號彈簧，②號彈簧的設(shè)計可以有效緩解由于馬達作用而帶來的震動。在②號彈簧遠離處理箱的一端固定一個限位環(huán)，且限位環(huán)連接到連接桿的一端。連接桿遠離馬達的一端設(shè)有擦拭布。

處理箱的前表面設(shè)有一根固定的進水管，進水管的上表嵌合一個密封性良好的堵頭。在處理箱的內(nèi)部通過隔板分隔出儲水室，儲水室的最大儲水量為 1.8 L。在處理箱中完成的清洗是利用儲水室中儲存的蒸餾水。處理箱的內(nèi)部位于②號彈簧的另一側(cè)設(shè)置一個抽水裝置，抽水裝置包括一枚12 V 的微型水泵，微型水泵可由總電源或內(nèi)置電源供電。微型水泵的兩頭分別連接水管，一側(cè)的水管延伸進入儲水室的內(nèi)部，另一側(cè)的水管固定在連接桿的上方。儲存的蒸餾水流經(jīng)水泵連接的水管，可清洗放置在限位環(huán)上的取樣容器，同時利用與馬達相連的毛刷對容器內(nèi)壁進行深度清洗。這項設(shè)計可代替一些清洗為目的的設(shè)備，充分發(fā)揮整合的作用。

在處理箱與檢測箱的下方均設(shè)有凹槽，凹槽的內(nèi)部設(shè)置背帶。背帶采用內(nèi)嵌式設(shè)計，方便工作人員的使用，同時可搭配日字扣調(diào)節(jié)背帶長度[7-10]。

2 結(jié)構(gòu)特點

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)點

2.1.1 一體化設(shè)計

采取一體化的設(shè)計思想，將檢測儀器、清洗裝置和容器樣本儲存整合在一起，使工作人員無須攜帶其他清洗裝置和試管架等物品。為適應(yīng)不同的檢測需求，可對檢測儀器采取不同的組合，靈活調(diào)整。

一體化設(shè)計要求從設(shè)計思考方式的層面上開始關(guān)照設(shè)計全流程，這在空間設(shè)計上體現(xiàn)得尤為明顯。在加快建設(shè)制造強國的時代背景下，充分發(fā)展裝備制造業(yè)工業(yè)設(shè)計，引導(dǎo)其向價值鏈高端延伸，增強其國際競爭力，對促進全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、推進制造業(yè)與服務(wù)業(yè)融合發(fā)展以及全面實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

2.1.2 保護性裝置

當試管放入放置槽的內(nèi)部后，利用彈簧彈性可調(diào)節(jié)擋板高度。由于彈簧能夠發(fā)生形變，會把物體的能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能，從而減輕沖擊作用。橡膠墊可與試管的表面貼合，增強試管放置時的穩(wěn)定性，防止該儀器在攜帶過程中發(fā)生試管掉落或碎裂的情況。

2.1.3 清洗裝置

與現(xiàn)有技術(shù)相比，環(huán)境水質(zhì)綜合檢測箱通過安裝的馬達、毛刷等元件，配合水泵引流的蒸餾水，可對試管內(nèi)壁進行清洗。對于目標水質(zhì)較為復(fù)雜或者含表面懸浮性物質(zhì)時，清洗步驟可以方便后期對試管進行二次使用。如利用儀器對水樣進行重金屬或有毒有害生物成分檢測，清洗便捷對于儀器防污和人員安全顯得格外重要。若在檢測前發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)沾染塵土?xí)r，還可以作為預(yù)處理進行清洗。

2.1.4 便攜裝置

通過設(shè)置的背帶，工作人員可以背負方式攜帶該儀器，方便了該儀器在戶外的使用，并可延伸至某些復(fù)雜地形，從而擴大該儀器的適用范圍。

2.2 缺點與對策

從改進設(shè)計的結(jié)構(gòu)分析，不排除出現(xiàn)氧化、使用次數(shù)等引起的設(shè)備部分元件的老化問題。第一，第一水管和第二水管的堵塞問題。由于進入儲水室的水質(zhì)（如硬度）的不同，內(nèi)部會沉淀水垢，水垢會隨著水流進入水管導(dǎo)致堵塞，同時隨水進入儲水室的某些不容性物質(zhì)也可導(dǎo)致水管堵塞，嚴重時會導(dǎo)致水管發(fā)黑并滋生細菌。對此可以定期檢查水管，若有堵塞及時疏通或更換，也可以使用雜質(zhì)較少的蒸餾水或去離子水。對于細菌滋生，可考慮定期加入消毒水或酒精進行消毒清洗。消毒清洗可采用空載方式。消毒完成后應(yīng)再次用蒸餾水或去離子水清洗，目的是去除殘留的消毒劑，防止對水質(zhì)檢測結(jié)果造成影響。第二，對于馬達的拼接金屬或塑料外殼不排除進水可能。馬達的整體防水系數(shù)不如水泵，若進水，其內(nèi)部電路易發(fā)生短路。對于馬達等電子元件，可以考慮在其外殼表面涂一層防水漆（膠），提升其防水性。第三，第一彈簧和第二彈簧的反復(fù)使用引發(fā)金屬疲勞導(dǎo)致彈性降低。隨著使用次數(shù)的增加，彈簧的彈性系數(shù)減小導(dǎo)致處理效果下降，故要定期檢查彈簧彈性。第四，敏感儀器整體防水性。在箱蓋的連接處可能發(fā)生滲水現(xiàn)象，對此可在縫隙中增設(shè)一層橡膠圈。第五，攜帶時要注意儀器外殼的棱角防止磕碰，考慮在棱角處設(shè)置橡膠或海綿等質(zhì)地松軟的護墊。第六，儲水室裝滿水后會增加儀器重量，可能會對工作人員的體力消耗較大，因此可以根據(jù)具體情況酌情注水。

3 預(yù)期效益與前景

3.1 應(yīng)用前景

近幾年，隨著水污染程度不斷加深和公眾環(huán)境保護意識的增強，人們對水質(zhì)檢測提出了更高要求，在一定程度上推進了水質(zhì)檢測產(chǎn)品的建設(shè)發(fā)展。從市場需求與購買意向上看，使用方便、功能更加齊全且體積更小的集成化儀器更受人們的青睞。

3.2 經(jīng)濟效益

對于產(chǎn)品賣家，可以將本設(shè)計與自家的檢測設(shè)備配套出售，以滿足買家對多功能、集成化產(chǎn)品的期望，提高產(chǎn)品對買家的吸引力，提升銷售量并產(chǎn)生額外的經(jīng)濟效益。

對于買家，本設(shè)計降低了檢測成本。對比傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測方式，集成的產(chǎn)品可以減少人工成本和設(shè)備采購成本，明顯降低水質(zhì)檢測的整體成本，性價比高，減少了實地檢測人員的配置，對應(yīng)的檢測成本、人力成本和時間成本控制更理想。

3.3 社會效益

環(huán)境檢測作為展開環(huán)境維護工作的前提，它的存在為社會、經(jīng)濟、環(huán)境的整合與共同開展提供了強而有力的信息支撐，并且在經(jīng)濟開展上促進了經(jīng)濟的增長質(zhì)量，在環(huán)境維護上節(jié)約了不可再生的自然資源，為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施行提供了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文闡述了一種便攜式環(huán)境水質(zhì)綜合檢測箱，方案設(shè)計貼合國內(nèi)水質(zhì)檢測行業(yè)加強對產(chǎn)品功能集成化、一體化研究設(shè)計的趨勢，并具體介紹了其實驗方案和原理。它的最大優(yōu)勢在于可與市場中現(xiàn)有的檢測儀器相結(jié)合，并加入了對容器器皿儲存運輸和清洗的功能，省去了工作人員對具有類似功能裝備的攜帶。對于買家，它可有效節(jié)省成本；對于賣家，它大大提高了產(chǎn)品的吸引力，帶來了積極的效益。此外，設(shè)計的產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用前還需進行如防水、高負荷使用等測試，并對測試中發(fā)現(xiàn)的新缺陷和漏洞提出解決和升級方案。