智能海水懸浮物真空過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ171.75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0117-04

Abstract：The filtration device used in the conventional laboratory suspended solids detection is a glassclamp filter， which has many problems such as lowdegre of automationand insuficient integration，and has manyproblems such as time-consuming and laborious operation，low filtration eficiencyand inconvenientfield transportation.Aseawater suspended solids vacuum filtration device was designed and developed，which took the STM32 processor asthe controlcore，and was integratedon the basis ofthe designof the liquidcollectionbottle，the safetybotleandthecleaning device，so as to realize the automatic filtration，automatic drainage or recoveryand automatic cleaning of water samples.Thetest verificationresults showed thatthe devicehadthecharacteristics of high integration，friendlymanmachine interfaceand more convenient operation，which significantly improves the filtration eficiency，providesa more convenient and practical methodfor the filtration of seawater suspended solids，is conducive to improving the technical level of marine environmental monitoring in China，and plays apositive role in promoting the intellgent monitoring of marine environment in China.

Key words ： seawater suspended matter; vacuum filtration ; the system design

懸浮物（SS）是指水體中各種不同分散度的懸浮顆粒物質(zhì)，其粒徑變化范圍較大，既有小于 i0.2μm 的顆粒狀膠體，也有毫米級(jí)的浮游植物、魚(yú)卵、浮游動(dòng)物、糞便顆粒和海洋雪花等[1]。海洋中懸浮顆粒物（SPC）（包括浮游微生物和懸浮泥沙等）是沉積物的主要來(lái)源，而沉積物是許多痕量元素由表層水向底層水輸送的主要載體，在元素輸送、循環(huán)和去除中充當(dāng)著重要角色，是元素的一種賦存形態(tài)[2]。認(rèn)識(shí)海洋懸浮顆粒物的含量高低、主要成分及分布特征，對(duì)于探討懸浮顆粒動(dòng)力學(xué)過(guò)程、海洋環(huán)境控制因素以及海洋污染物的來(lái)源等具有重要的意義[3]

國(guó)內(nèi)外測(cè)定海水中懸浮物的方法有很多，主要分為間接法和直接法兩類。間接法通常采用遙感、光譜傳感器等對(duì)水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取光學(xué)、電學(xué)等信號(hào)進(jìn)而反演推算出懸浮物濃度。直接法是指《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB17378.4—2007）中規(guī)定的重量法，該方法作為一種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法是常規(guī)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)懸浮物這一業(yè)務(wù)的主要方法，方法規(guī)定海水樣品從現(xiàn)場(chǎng)取回，在實(shí)驗(yàn)室用玻璃鉗式過(guò)濾器對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，所得濾膜稱重，計(jì)算懸浮物濃度。這種方法是一種精確的定量方法，裝置主要為玻璃材質(zhì)，安裝、移動(dòng)、拆卸不方便，易破碎，連接不可靠且密封性不好等，過(guò)濾后過(guò)瓶?jī)?nèi)液體不方便取出水樣等原因，導(dǎo)致處理步驟比較繁瑣，過(guò)濾效率較低，工作量較大，各配件比較零散，集成化程度不高，不方便外業(yè)攜帶使用等問(wèn)題。

目前，過(guò)濾設(shè)備產(chǎn)品較多，主要以處理生活污水、工業(yè)廢水為主，設(shè)備設(shè)施不適用于實(shí)驗(yàn)室海水懸浮物過(guò)濾的操作要求。適用于重量法的過(guò)濾設(shè)備改進(jìn)相關(guān)研究和設(shè)備較少，海水原位過(guò)濾伍茲霍爾海洋研究所和Mclane公司合作開(kāi)發(fā)了一款懸浮物原位過(guò)濾裝置并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[5-7]

本文針對(duì)海水懸浮物過(guò)濾存在的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有成果和實(shí)際業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)制備了智能海水懸浮物真空過(guò)濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器，在集液瓶、安全瓶、清洗裝置等設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成，通過(guò)操作上位機(jī)發(fā)送指令，下位機(jī)接收指令執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)一鍵式水樣的自動(dòng)過(guò)濾、自動(dòng)排水或回收、自動(dòng)清洗等步驟，具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶等特點(diǎn)，提高了懸浮物過(guò)濾的效率，方便了外業(yè)運(yùn)輸，節(jié)約了人力成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海水懸浮物真空過(guò)濾系統(tǒng)主要包括進(jìn)樣單元、加樣單元、真空單元、過(guò)濾單元、清洗單元和控制單元。進(jìn)樣單元主要為加樣計(jì)量泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定量加樣。單元實(shí)現(xiàn)設(shè)定樣品量添加到對(duì)應(yīng)的磁吸濾杯中，真空單元實(shí)現(xiàn)對(duì)集液瓶的抽真空，形成真空負(fù)壓狀態(tài)，使其海水樣品通過(guò)濾膜進(jìn)行過(guò)濾，主要由真空隔膜泵、安全瓶、截留閥、電磁閥、壓力傳感器等組成；過(guò)濾單元實(shí)現(xiàn)樣品的過(guò)濾、集液瓶的排空，主要由磁吸濾杯、磁吸底座、集液瓶、隔膜泵、三通電磁閥等組成，集液瓶是真空單元、過(guò)濾單元、清洗單元的連接樞紐，是系統(tǒng)一體化集成的關(guān)鍵。根據(jù)過(guò)濾的特性和配件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了集液瓶的設(shè)計(jì)，在保證真空過(guò)濾過(guò)程中密封性的同時(shí)，滿足高真空環(huán)境條件、提供過(guò)濾的集液、實(shí)現(xiàn)高壓清洗以及排廢功能；清洗單元實(shí)現(xiàn)集液瓶的快速清洗，由隔膜泵、錐形噴嘴、電磁閥等組成；控制單元實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令的發(fā)送和下位機(jī)的指令接收、執(zhí)行、反饋，進(jìn)而完成對(duì)整套系統(tǒng)的控制，該單元主要由STM32單片機(jī)、觸控屏等組成。其結(jié)構(gòu)連接如圖1所示，其中所述控制單元未進(jìn)行圖示。

1.2 工作原理

當(dāng)需要溶液過(guò)濾時(shí)，在磁吸過(guò)濾漏斗底座上放置濾膜并與磁吸過(guò)濾漏斗固定在一起，將溶液倒入磁吸過(guò)濾漏斗中，點(diǎn)擊觸屏上按鍵開(kāi)啟隔膜真空泵和對(duì)應(yīng)的過(guò)濾裝置控制閥，真空泵將集液瓶?jī)?nèi)的空氣抽走提供負(fù)壓狀態(tài)，迫使小于濾膜孔徑的溶液和固體物質(zhì)通過(guò)濾膜流入集液瓶?jī)?nèi)，大于濾膜的固體物質(zhì)留在濾膜上，達(dá)到固液分離的目的。集液瓶?jī)?nèi)的樣品根據(jù)樣品處理需求在觸控屏上操作進(jìn)行一鍵式回收或排廢處理?；厥諡V液（或排廢）時(shí)，將集液瓶與真空泵的連接切換為連通大氣，同時(shí)啟動(dòng)濾液回收泵（或排廢泵），將濾液泵出回收（或排廢）。過(guò)濾結(jié)束清洗時(shí)，可點(diǎn)擊觸屏上清洗鍵進(jìn)行自動(dòng)清洗，清洗泵從純水管將清洗液（通常為純水）泵人集液瓶中，清洗集液瓶而后排廢。

1.3 性能指標(biāo)

該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，在過(guò)濾聯(lián)數(shù)方面，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)增并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)同步過(guò)濾，但每增加一聯(lián)，儀器整體尺寸會(huì)隨之變大，從便于運(yùn)輸角度考慮設(shè)定可同步過(guò)濾聯(lián)數(shù)為兩聯(lián)。在適用領(lǐng)域方面，可以滿足水樣中懸浮固形物（SS）或微生物的檢查過(guò)濾，以及營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬樣品過(guò)濾等。在過(guò)濾體的材質(zhì)選擇上從操作加工、可視度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐高溫耐腐蝕、不易分解析出等因素考慮[8，液體可接觸材料為性質(zhì)穩(wěn)定的工程塑料和石英玻璃，工程塑料包括：氟橡膠（FKM）、聚丙烯（PP）、聚苯硫醚（PPS）聚四氟乙烯（PTFE）聚醚砜樹(shù)脂（PES）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)需要能夠進(jìn)行抽濾、收集、排廢、清洗、負(fù)壓值采集與顯示以及能夠進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制的一套智能系統(tǒng)。在滿足傳統(tǒng)過(guò)濾的基礎(chǔ)上，能夠提高過(guò)濾效率，同時(shí)也能更方便的對(duì)水樣、濾膜的回收，水樣的排廢以及罐體的清洗功能。

為滿足系統(tǒng)的性能要求，系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)組成包括：以STM32為核心的控制單元；以壓力變送器為核心的數(shù)據(jù)采集單元；以真空泵所組成的負(fù)壓?jiǎn)卧灰噪姶砰y所組成的開(kāi)關(guān)控制單元；以水泵所組成的排水單元；以隔膜泵所組成的清洗單元；以嵌入式開(kāi)發(fā)模組所組成的上位機(jī)控制單元；以MAX232、232串口收發(fā)器所組成的串口通信數(shù)據(jù)傳輸單元。

本文從以下5個(gè)單元對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 核心控制單元

硬件平臺(tái)的核心控制單元為以STM32芯片為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ARM公司的STM2F103ZET6芯片作為中央處理單元。此外，控制系統(tǒng)還包括供電模塊、復(fù)位模塊、下載模塊以及外部晶振模塊。供電模塊選用ASM1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器；下載模塊主要用于程序的下載及系統(tǒng)的調(diào)試，主要連接芯片的SWDIO與SWCLK;8MHZ晶振提供外部高速時(shí)鐘，用于程序處理的速率與定時(shí)更精確定時(shí)， 晶振提供外部低速時(shí)鐘（LSE），實(shí)現(xiàn)低功耗計(jì)時(shí)；復(fù)位模塊外接按鍵可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，方便調(diào)試。

同時(shí)根據(jù)具體的使用情況，板載了MAX232模塊、MAX485模塊，可以使用232或485連接外部設(shè)備進(jìn)行通信；板載了三極管電路部分，可以對(duì)外部進(jìn)行24V開(kāi)關(guān)量控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)滿足了對(duì)開(kāi)關(guān)量控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸以及AD采集的功能。

2.2 壓力采集單元

電壓采集模塊采用SIN-P300通用型壓力變送器。在抽濾過(guò)程中，管路內(nèi)的壓力值會(huì)逐漸增大，壓力變送器將壓力值通過(guò)電壓的方式顯示出來(lái)，控制單元通過(guò)對(duì)壓力變送器的輸出電壓進(jìn)行AD采集，來(lái)對(duì)管路進(jìn)行壓力監(jiān)控。其壓力變送器電壓輸出為0＼～5V，經(jīng)R11電阻串聯(lián)分壓與芯片的PC口連接，進(jìn)行電壓采集。

2.3 電磁閥、水泵控制單元

對(duì)于電磁閥和水泵，其控制方式采用開(kāi)關(guān)量的控制方式。但由于STM32配置的推挽輸出電流小于 20mA ，故選用三極管做電路設(shè)計(jì)，三極管的基極串聯(lián)限流電阻與芯片的IO口連接，集電極通過(guò)聯(lián)排分別與電磁閥、水泵的負(fù)極相連，三極管的發(fā)射集通過(guò)并聯(lián)電阻接地，確保三極管基極輸入端開(kāi)路時(shí)，基極電位等于發(fā)射極電位，三極管能夠可靠截止。由于電磁閥、水泵為感性元件，當(dāng)三極管關(guān)閉的瞬間由于流經(jīng)感性負(fù)載的電流不能突然消失，在感性負(fù)載兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓，因此通過(guò)反并聯(lián)一個(gè)二極管，使其能夠在高電壓下導(dǎo)通，及時(shí)將電流引流，防止三極管被擊穿。

2.4真空泵、隔膜泵控制單元

硬件平臺(tái)中負(fù)壓產(chǎn)生模塊為真空泵，清洗模塊的動(dòng)力裝置為隔膜泵。因二者的工作電流都較大，為防止三極管被擊穿，采用串聯(lián)繼電器的方式解決上述問(wèn)題。繼電器的端子1連接電源正極，端子2連接集電極，公共腳端子位連接泵的負(fù)極，常開(kāi)觸點(diǎn)連接泵的正極。當(dāng)輸出高電平給NPN三極管的基極時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，泵通電工作。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸單元

硬件平臺(tái)中數(shù)據(jù)傳輸單元為MAX232串口通信模塊。MAX232芯片具有兩路輸出，電源引腳VCC接 3.3V 經(jīng) 100nF 的電容與GND連接； V⁺ 、V^- 分別連接 100nF 的電容和地;兩路的 C¹⁺?C^1- 與C²⁺，C^2- 分別串聯(lián) 100nF 的電容;串口分別經(jīng)芯片的PA9、PA1O與Tlin、Rlout相連，輸出口Tout、Rlin與 DB9口的二腳、三腳相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：下位機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用DGUS_V5.1軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)并與OSBuild3.0.2.6軟件編寫(xiě)上位機(jī)程序，選擇KeiluVi-sion5軟件編寫(xiě)下位機(jī)程序。為滿足系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，提高系統(tǒng)的魯棒性。在傳輸協(xié)議中，除了使用不同的傳輸代碼表示不同的功能外，還加入了MODBUSCRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)格式，在數(shù)據(jù)上傳時(shí)加入校驗(yàn)代碼，在接收時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，加入了獨(dú)立看門(mén)狗程序，在系統(tǒng)意外跑飛后，能夠強(qiáng)制復(fù)位，恢復(fù)到系統(tǒng)初始狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，分別在青島魯海豐海洋牧場(chǎng)、半升洞碼頭、黃河入海口進(jìn)行采樣，除用該系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室抽濾系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行過(guò)濾這一過(guò)程外，其他處理步驟保持一致并均采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法進(jìn)行測(cè)定。獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果，由于沒(méi)有懸浮物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為比較參考，故以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室抽濾系統(tǒng)處理后測(cè)得的為真值，對(duì)測(cè)量結(jié)果處理獲取儀器的重復(fù)性和準(zhǔn)確度指標(biāo)，具體見(jiàn)表2。

由表2可知，儀器的準(zhǔn)確度小于等于 ±5% ，精密度小于等于 5% ，滿足實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制要求，可以作為實(shí)驗(yàn)室懸浮物檢測(cè)的過(guò)濾裝置使用。

數(shù)據(jù)浮動(dòng)原因分析結(jié)果表明，測(cè)定時(shí)樣液用量讀數(shù)誤差，濾膜干燥程度誤差，濾膜稱重誤差等系統(tǒng)誤差為主要誤差來(lái)源，其可通過(guò)用更加精密的儀器設(shè)備減小誤差；但系統(tǒng)誤差無(wú)法完全消除，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍之內(nèi)。

檢驗(yàn)性能過(guò)程中，能夠?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾系統(tǒng)相比，具有產(chǎn)生的負(fù)壓更快更穩(wěn)定、過(guò)濾效率更高、可同步過(guò)濾多組、清洗方便、濾液回收或廢棄更便捷、噪音小、系統(tǒng)整潔等優(yōu)勢(shì)。大批量實(shí)際操作過(guò)程中，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾系統(tǒng)相比大批量操作時(shí)效率可大幅提高。

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了海水懸浮物過(guò)濾裝置的發(fā)展現(xiàn)狀與不足，并針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題，在分析了過(guò)濾原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于STM32的海水懸浮物真空過(guò)濾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證，滿足實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制要求，應(yīng)用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一鍵式水樣的自動(dòng)過(guò)濾、自動(dòng)排水或回收、自動(dòng)清洗等功能。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室抽濾系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單易行，集成化程度高，極大提高了懸浮物的過(guò)濾效率，提升了海水懸浮物過(guò)濾儀器的智能化水平，方便了外業(yè)的運(yùn)輸。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)海水懸浮物監(jiān)測(cè)提供了更多的選擇，為今后海水

【參考文獻(xiàn)】

[1]MCCAVE I N. Size spectra and aggregation of suspendedparticles in the deep ocean[J].Deep SeaResearch PartOceanographic Research Papers，1984，31（4）：329-352.

[2] LAL D.The oceanic microcosm of particles[J]. Science，1997，198（4321） ：997-1009.

[3] 陳濤，楊波，張際標(biāo)，等.湛江灣表層海水懸浮物分布特征及影響因素[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016，39（S2）：422-428.

[4] 陳永華，姜斌，劉慶奎，等.海水懸浮物多通道原位自動(dòng)采集與過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J].工程與試驗(yàn)，2020，60（2） ：59-63.

[5] GATFNERWD，F(xiàn)RASERW，KARLDM.etal.Determi-ningtrue particulate organic carbon：bottles，pumps andmethodologies[J].Deep Sea Research Part ⅡI：TopicalStudiesin Oceanography，2003，50（3） ：655-674.

[6] ROMEROOE，HEBBLND，WEFER G.Temporal andspatial variability inexport productionin the SE Pacific O-cean：evidence from siliceous plankton fluxes and surfacesediment assemblages[J].Deep-Sea Research PartI：Ocea-nographicResearch Papers，2001，48（12）：2673-2697.

[7]TURICH C，F(xiàn)REEMAN K H，BRUNS M A，et al.Lipidsofmarine Archaea：Patternsand provenance inthe water-column and sediments[J].Geochimica et CosmochimicaActa，2007，71（13）：3272-3291.

[8] 宮美樂(lè)，黃金鐘，賀菊華.海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)用新型過(guò)濾器的研制[J].水處理技術(shù)，1995（3）：132-136.