多參數水質監測儀流路系統的優化設計

周小峰 溫志渝 謝瑛珂 韓孝貞 于志強

(1.國家級微納系統與新材料技術國際聯合研究中心，重慶 400044；2.重慶大學新型微納器件與系統國家重點學科實驗室，重慶 400044)

水質監測是水資源環境保護的前提與基礎，多參數水質監測是現代水質監測科學技術的重要發展方向之一[1]。而對在線多參數水質監測儀器而言，流路系統的設計是關鍵技術之一，其決定了流路切換與進樣的順序和精度，從而最終決定了儀器檢測的精度。

目前，國內外多參數水質監測儀器正處于快速發展階段，如美國HACH、意大利SYSTEA及國內的聚光科技等公司皆有著豐富的水質監測儀器開發經驗。重慶大學微系統研究中心研制出的第一代多參數水質監測儀可以實現包括總磷、氨氮在內的7個水質參數的實時快速檢測，該儀器具有微小型、低功耗、多參數及實時快速等優點[1～3]。該儀器流路系統主要采用微型步進電機蠕動泵進樣，實驗過程中發現其在長時間工作后穩定性大幅下降，同時控制模塊采用單片機控制再與上位機通信的方式[3]，降低了儀器的可靠性與穩定性，維護周期短，同時未能充分發揮微電子多位閥多進多出的功能?；诖耍P者提出了基于ARM微處理器，采用精密注射泵與微電子多位閥相結合的順序注射流路系統，優化了原流路系統與流路控制電路，提高了進樣精度與電路穩定性，使系統流路與檢測池的清洗更高效，從而提高了儀器的重復性與準確度，保證了儀器長時間穩定工作。

1 流路系統優化設計①

1.1 新流路的總體介紹

多參數水質監測儀的流路系統借鑒順序注射技術，在監測區域通過泵、閥及導管等流控器件把經過沉淀和過濾的水樣送入流通池(檢測室)[4，5]，最終實現主要污染源水質參數——總磷、總氮、氨氮、化學需氧量(COD)和突發事件水質參數六價鉻(Cr6+)的在線檢測。

新流路系統(圖1)主要基于精密工業注射泵、微電子多位閥及直流電機等部件，流路管道采用0.6mm通徑的進口匹克管，無死體積，交叉污染小，進樣精度高。Valco公司生產的20位微電子多位閥實現流路的切換功能，其各個通道(定子)分別與空氣、儲液環、流通檢測池、廢液池和各參數對應的樣品及試劑相連接，實現進樣功能的注射泵采用保定蘭格公司的MSP1-C2型工業注射泵，其入口連接蒸餾水，出口連接儲液環后與多位閥的公共通道(轉子)相連，通過多位閥切換控制閥位與注射泵抽推實現液體精確定量地進入儲液環，并從儲液環進入流通檢測池，檢測完后，通過直流電機排空檢測池。

圖1 新流路系統

流路系統的控制電路摒棄了第一代儀器中使用的51單片機，而以三星公司的S3C2410 ARM芯片為核心控制器[6]，直接控制多位閥、注射泵、直流電機及電磁閥等，增強了控制電路部分的穩定性，同時也縮小了控制電路板的體積，降低了成本。

1.2 注射泵的選擇與控制

第一代儀器流路使用的微型步進電機蠕動泵雖具有成本低及體積小等優點，但在實驗過程中發現，儀器長時間工作時，蠕動泵的穩定性會大幅下降，導致進樣精度受到嚴重影響，必須在更換蠕動泵泵管后重新測試進樣精度，更換過程復雜；此外，使用蠕動泵進行試劑管道灌滿時需要經過公共管道和流通檢測池，增加了灌滿時間與清洗難度。

因此，在新流路中采用精密注射泵代替原來的蠕動泵，此注射泵具有高精度(抽液精度達到5‰)、高準確性、結構緊湊、高可靠性及適合工業自動化應用等優點，使用過程中注射泵針管不需要與試劑直接接觸，避免了化學試劑對針管的污染，同時穩定性高，而且注射泵速度可調，既可以實現慢速穩定進樣，又可以達到快速沖洗管道的目的。

注射泵的控制電路如圖2所示，驅動電壓為24V，直接通過S3C2410微處理器來控制，但由于微處理器串口輸出電平與注射泵控制器的電平不一致，因此需要通過串口電平轉換芯片MAX3232轉換電平，最終實現微處理器對注射泵的精確控制。

圖2 注射泵控制電路

1.3 多位閥的切換控制

流路系統中使用Valco公司的20位微電子多位閥，其具有多通道選擇切換功能，工作原理如圖3所示。以八位閥為例，轉子可相對定子準確地以任意15倍數的角度正、反向旋轉，閥的公共通道與轉子連通，轉子在步進電機的帶動下正、反轉動，即可與閥上各定子連通，從而蠕動泵就可以通過公共通道抽取不同的試樣，實現流路切換功能[7]。

圖3 多位閥的工作原理

多位閥切換模塊的優化主要體現在電路的控制和對各通道的利用兩個方面。

第一代儀器流路中使用單片機的20個I/O口與多位閥控制器相連接，通過8位BCD碼來實現切換控制，此方式主要存在以下缺點：接口連接不穩定，誤碼率高；軟件程序的編寫復雜，需要判斷位置及比較大小等。優化后直接通過三線串口來控制(圖4)，接口連接穩定，誤碼率低，軟件控制簡單，只需要一個指令即可控制多位閥轉向指定通道，同時還可以通過串口返回信息判斷多位閥是否工作正常。這里串口間也需要進行電平轉換，與注射泵共用轉換芯片MAX3232。

圖4 多位閥控制電路

在多位閥各管道的利用方面，新流路充分利用各管道，增加了閥上排廢通道，真正實現多位閥“多通道進多通道出”的特點，這樣管道清洗就無需經過流通檢測池，避免了對檢測池的污染，減少了清洗時間。

1.4 微型直流電機的控制與驅動

微型直流電機主要用于檢測池的廢液排放和試劑反應過程中的氣泡攪拌。但由于本系統控制電路中需對多個直流電機進行控制，且直流電機在上電瞬間工作電流很大，第一代儀器電路中直接通過固態繼電器來驅動直流電機，如圖5a所示，在電機開閉瞬間容易對電路系統造成干擾，沒有實現理想的電隔離，同時固態繼電器也具有成本高及負載能力受溫度影響較大等缺點。

針對以上缺點，對電路進行了改進，如圖5b所示。采用光耦進行隔離，有效地避免了直流電機開閉瞬間的大電流對ARM處理器的干擾，并通過反相施密特觸發器對信號進行整形，消除疊加在脈沖上的干擾[8]。再通過高耐壓、大電流的達林頓管陣列ULN2003來驅動直流電機，滿足其瞬時大電流的需求。通過系統長時間的運行，可以發現此驅動電路在工作過程中滿足了以上要求，同時降低了成本。

a. 優化前

b. 優化后

2 優化對比實驗

2.1 流路進樣精度對比實驗

根據各參數測量需要的標準溶液和反應試劑進樣體積的要求，對優化后流路系統進行抽取精度實驗，并與原流路系統測試結果進行比較，需要抽取的體積有0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0mL，這里主要以0.2、0.8、2.0mL為例來驗證。首先計算出注射泵抽取各體積的理論值，再通過反復實驗對理論值進行修正補償，然后確定出誤差最小的實際值，最后進行精度對比。

本實驗通過高精度的電子天平來讀取蒸餾水的質量從而得到其體積，讀取精度高、誤差小。表1為原流路與新流路的精度抽取的實驗數據。

表1 精度抽取實驗數據 mL

通過對實驗結果進行理論分析，計算可得到原流路各次測量值與理論值(期望值)的相對誤差絕對值在0.6%～4.9%之間，而新流路則在0.1%～0.5%之間，由此看出優化后流路的進樣準確度要遠高于優化前[6]。同時原流路各體積多次測量的標準偏差分別為0.8%、1.9%和2.4%，而新流路則為0.1%、0.2%和0.8%，標準偏差是對測量重復性的反映，由分析結果可知優化后流路的進樣重復性遠優于優化前[9]。

2.2 流路管道清洗實驗

儀器在實驗前需要對標準溶液與反應試劑進行管道灌滿，而灌滿完成后為避免交叉污染對實驗產生影響，必須進行管道清洗。因此，高效清洗是多參數水質監測儀快速檢測的關鍵技術之一，在第一代儀器的流路系統中，試劑管道灌滿需要經過公共管道與流通檢測池，因此清洗過程涉及到檢測池的清洗，增加了清洗難度與清洗時間；優化后的流路系統中，多位閥增加了閥上排廢口，整個灌滿過程無需經過檢測池，直接通過儲液環，然后閥上排空，最后通過注射泵高速沖洗儲液環，沖洗速度可達1mL/s。

實驗通過污染性較強的有機試劑亞甲藍污染流路管道(主要是儲液環)，再通過紫外分光光度計測量第一次經過受到污染的儲液環的蒸餾水的吸光度值，然后在經過管道清洗后，再次測量經過儲液環的蒸餾水的吸光度值，通過比較這兩次測得值來判斷清洗效果。圖6為清洗前、后的吸光度曲線，可以看出，用亞甲藍污染儲液環，經過20mL蒸餾水的快速沖洗，通過島津紫外分光光度計(Shimadzu UV-2450)檢測，亞甲藍特征吸收波長652nm處的吸光度降為0.001，可以認為是蒸餾水的吸光度，說明儲液環已經清洗干凈。

圖6 清洗前(左)與清洗后(右)的吸光度值

2.3 標準溶液快速建標實驗

為驗證優化后的流路系統是否能滿足儀器的檢測要求，以六價鉻(Cr6+)為例，用優化流路后的多參數水質監測儀對其進行快速建標實驗。分別測試六價鉻濃度為0.00、0.01、0.02、0.04、0.06mg/L的標準液與顯色劑反應后的吸光度。為消除背景干擾與濁度干擾，實驗采用雙波長測試法，主波長為540nm，參考波長為625nm，通過推導可得吸光度與濃度的關系為[10]：

ΔA=A540-A625

=ε540bc-ε625bc

(1)

=Δεbc=kc

式中A540、A625——待測物在540、625nm處的吸光度值；

b——光程；

c——待測物濃度；

k——靈敏度；

ΔA——反應體系吸光度差值；

ε——摩爾吸光系數。

由式(1)可知，兩個特定波長處的吸光度差值與濃度呈線性關系，只需要檢測出雙波長的吸光度值就能通過計算得到標準液中所測參數的濃度值。多參數水質監測儀自動測量繪制出的標準曲線如圖7所示。

圖7 六價鉻的標準曲線

由圖7可知，靈敏度k達到了1.073 2，直線擬合相關系數R2為0.996 3，均達到了檢測要求，說明優化后的流路在穩定準確地實現流路切換、精確進樣及系統清洗等功能的同時，也滿足了儀器對各水質參數精確測試的要求。

3 結束語

針對重慶大學微系統研究中心研制的第一代多參數水質監測儀在流路系統方面存在的不足，設計了基于ARM控制的新型順序注射流路系統，采用高精度注射泵與多位閥相結合，優化了流路系統及其控制模塊。實驗測試結果表明，新流路系統的進樣精度與進樣速度得到了顯著提高，并且能夠快速徹底地清洗流路系統各部分管道，避免了試劑間的交叉污染。同時對控制電路進行了優化，增強了儀器控制的可靠性與穩定性，特別適用于檢測參數多、穩定性與自動化要求高的分析過程。