游泳池水中尿素在線自動監測儀的研究與開發

張麗君　孫吉勇　季建剛

(1.蘇州高新區衛生監督所, 蘇州215000；2、江蘇蘇凈集團有限公司, 蘇州 215000)

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儀器研制與改進

游泳池水中尿素在線自動監測儀的研究與開發

張麗君1孫吉勇2季建剛1

(1.蘇州高新區衛生監督所, 蘇州215000；2、江蘇蘇凈集團有限公司, 蘇州 215000)

研制了一種用于測量游泳池水中尿素含量的在線尿素自動監測儀，并通過信號傳導實現遠程監控。該儀器設計包括液路控制模塊、化學反應控制模塊、光電檢測模塊、信號處理與自動控制模塊。實驗表明該儀器達到較高的檢測靈敏度和準確度,自動化程度高,可以用于游泳池水中尿素含量的自動在線測量。

游泳池水質尿素在線自動監測

1　引言

尿素是游泳池水質監測的關鍵參數之一[1]，不潔的游泳池水質有可能會引起皮膚病、結膜炎、腸胃炎等傳染性疾病的爆發或流行。為了保持水中尿素的含量合格，需要在日常運行中補充一定量的新水。但是，游泳池管理者為了節省成本，往往會減少新水的補充量，導致尿素含量偏高。傳統的尿素含量都是基于手動的檢測方法，在進行尿素檢測的時候，首先需要執法人員到現場采集水樣，然后將水樣帶回實驗室進行測量[2-4]。這種檢測方法費時費力，效率低下，容易存在執法漏洞。

本研究開發出了一種基于GB-T 18204.29-2000的在線尿素自動監測儀，該儀器可以實現對游泳池水中尿素的在線自動測量，然后將數據通過GPRS模塊自動發送到監控中心，提高了游泳池水質的監測效率和檢測水平。

2　原理與系統設計

2.1儀器原理

該儀器尿素檢測的原理是根據GB-T 18204.29-2000的規定，利用尿素與二乙酰一肟及安替比林反應呈黃色，在波長460nm處的吸光度測量尿素的含量。

2.2系統設計

整個系統的功能框圖如圖1所示。整個檢測系統包括：液路控制模塊、化學反應控制模塊、光電檢測模塊、信號處理與自動控制模塊。液路控制模塊的功能主要包括：待測水樣的自動采集，化學試劑的添加，廢液的排除，檢測裝置的清洗等。化學反應控制模塊主要是根據國標的規定，確保化學反應在合適的溫度下進行。它主要包括加熱絲和冷卻風扇。加熱絲對混合溶液進行加熱并在規定的溫度下保持一定的時間，在完成反應之后，冷卻風扇將反應液快速冷卻到室溫。光電檢測模塊主要對反應溶液的吸光度進行測量。信號處理控制模塊主要負責儀器的運轉、信號檢測和數據傳輸功能。

2.2.1光電檢測模塊設計

光電檢測模塊是儀器的核心部件，用于檢測水中的尿素在化學反應之后的吸光度。根據比爾朗伯特定理：A=Klc；其中A是吸光度，K是吸收系數；l是吸收介質的厚度；c是吸光物質的濃度，通過吸光度可以求出物質的濃度。檢測模塊包括：反應比色池、光源、光電探測器、檢測光路和檢測電路等部分。由于尿素、二乙酰一肟和安替比林的混合液也是在比色池里進行化學反應。因此光電檢測模塊同時集成了反應控制模塊包含的加熱和冷卻功能。光源選用中心波長為460nm的發光二極管、光電探測器選用普通的PIN光電二極管。由于在進行化學反應的時候比色皿的溫度會達到100℃，且保持一個比較長的時間，防止高溫對光電器件的影響，在檢測光路中選用石英光纖來隔離光電器件和比色池。發光二極管發出的光通過石英光纖傳輸到比色池的一側。透射光又通過石英光纖傳輸到光電探測器上，增加了光電檢測模塊的穩定性，圖2為光電檢測模塊的結構。

2.2.2液路單元模塊

液路單元模塊主要負責水樣的抽取、化學試劑的添加、反應溶液的控制等功能。其結構如圖3所示。它包括多通道旋轉閥、蠕動泵、光電計量管、電磁閥、試劑瓶和管路。

試劑瓶依次盛放二乙酰乙肟溶液、安替比林溶液、尿素標準液、純水和廢液。多通道旋轉閥含有1個公共端口和7個普通端口。在步進電機的控制下，7個普通端口可以分別和公共端口相通。蠕動泵和光電計量管的一端相連，光電計量管的另一端和多通道旋轉閥的公共端口相連。通過控制蠕動泵的轉動方向，在旋轉閥的幫助下，可以將水樣或試劑吸取到光電計量管中，然后再反轉蠕動泵，將光電計量管中的溶液送到反應比色池中。因此，在PLC的控制下，通過蠕動泵和多通道旋轉閥可以將水樣和化學試劑依次抽送到比色反應池中；檢測完之后，再將廢液排到存放廢液的試劑瓶中。光電計量管主要用于控制蠕動泵抽取的液體的體積，其結構如圖4所示。它由玻璃管和兩對光電傳感器組成。每對光電傳感器包含一個近紅外發光二極管和光電探測器。當液體到達光電傳感器所在的位置

的時候，由于玻璃管中的折射率發生變化，因此光電探測器接受到的光信號將發生變化，PLC通過光電探測器輸出信號的變化可以知道液位已經處于光電傳感器所設定的位置。停止蠕動泵，可以使得光電計量管中抽取的液體體積為設定的體積。通過該裝置可以控制尿素監測儀所抽取的水樣和試劑的體積。本設計中，兩個光電傳感器位置所對應的玻璃管中的液體的體積為1mL和2mL。通過該液路單元可以實現對液體的自動取樣和控制。

2.2.3信號處理與控制電路模塊

該模塊主要分為3個子功能：信號放大與處理、系統控制和數據傳輸與顯示。信號處理主要包括比色反應池光電檢測信號的處理，光電計量管光電傳感器信號檢測，其檢測電路如圖5所示。系統控制主要包括蠕動泵的控制、多通道旋轉閥的控制和電磁閥的控制，以及儀器的整個測試流程控制與判斷。數據傳輸與顯示負責將測試結果通過無線傳輸方式發送到遠程服務器終端，或者顯示在儀器的顯示面板上。整個控制系統通過PLC來實現。

3　儀器檢測

檢測流程分為標定和測試兩個類型。標定主要是用儀器測試含有已知尿素含量的樣品的吸光度，求出不同濃度的樣品的吸光度與尿素含量的關系，得到標定曲線。測試時，通過待測溶液的吸光度，根據標定曲線可以求出待測容易尿素的含量。表1、表2分別給出了該儀器的標定試驗結果和在蘇州高新區克拉克游泳館現場測試的尿素含量與新區衛生監督所用實驗室儀器測試的結果比對的結果，兩結果均無統計學差異(P<0.05)。通過實際測試數據可以看出，該儀器可以對游泳池水中的尿素含量進行比較準確的在線自動測量。

表1　尿素自動監測儀標定試驗結果　mg/L

表2　與傳統檢測儀器測試結果對比 　mg/L

4　討論

(1)該儀器能夠自動監測游泳池水中尿素含量，滿足了游泳池水質遠程監管的要求。與傳統實驗室檢測方法和現場快速檢測方法相比，有節約人力資源、實現動態監管的優點。但由于儀器設定的自動監測頻率為1小時/次，對試劑的消耗量較大，而現實中游泳池使用的時間為白天到晚上9點左右。因此為節約儀器維護成本，在試用過程中，要求現場工作人員每天下班時關閉儀器，在早上上班時重新開啟。因此該儀器的使用過程并沒有完全做到自動化。另外由于本次研究制作的只是樣機，試劑的更換、廢液的清理等也都需要人工完成，這些都是以后需要改進的方面。

(2) 從標定實驗結果看，該儀器在濃度為0～5mg/L之間的水樣檢測具有較好的精確度。同時在蘇州高新區試用階段，衛生監督人員會不定期攜帶現場快速檢測儀器與該儀器進行對比測試，結果顯示該儀器與快速檢測儀器測試結果也較為吻合(表2)，能夠達到衛生監督的目的工作要求。但是由于該儀器僅試用了一段時間，儀器的穩定性還未得到驗證。儀器是否能夠長期連續的保持一定精度的監測，儀器攜帶的試劑的更換頻率等問題都是有待繼續研究和探討的。

5　結論

研制了一種在線尿素監測儀，用于對游泳池水中尿素含量的在線自動測量，分析了儀器的系統結構和具體實現方式，該方法已經申請專利、開發的儀器被蘇州高新區衛生監督所推薦安裝到克拉克游泳館對游泳池的尿素進行在線測量，測試結果表明該儀器可以用于游泳池水中尿素含量的自動在線測量，對我國游泳池水質的監測和控制具有積極的意義。

[1]GB/T 18204.29-2000.公共場所衛生標準檢驗方法[s].

[2]唐明江,劉宗林,王劍. 游泳池水中尿素測定方法的研究[J].中國衛生檢驗雜志,2008,18(4):641-642.

[3]陳武明,陳波,徐明敏. 游泳池水尿素檢測方法改進探討[J].浙江預防醫學,2008,20(11):95.

[4]徐向陽．測定游泳池水中尿素方法的改進[J]．中國衛生檢驗雜志,2006，16(2)：236-237.

Research on and development of on-line automatic monitor for urea in swimming pool water.

Zhang Lijun1, Sun Jiyong2, Ji Jiangang1

(1.HealthInspectionInstituteofSuzhouNationalNewandHi-techIndustrialDevelopmentZone,Suzhou215000,China；2.JiangsuSujingGroupco.,LTD.,Suzhou215000,China)

The instrument design includes a fluid control module, a chemical reaction control module, a photoelectric detection module, a signal processing and a automatic control module. The results reveal that the instrument has high detection sensitivity and accuracy with high automation level, and it can be used for on-line automatic monitoring of urea in swimming pool water.

quality of swimming pool water; urea; on-line automatic monitoring

2013年蘇州市加快信息化建設專項資金扶持項目：游泳場所遠程監控系統應用。

張麗君，女，助理研究員，2011年畢業于蘇州大學，碩士，公共衛生專業，2013年至蘇州高新區衛生監督所工作，E-mail：lijunzhang527@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.002