在線水質監測儀流路系統及其控制電路設計

魏康林 周 豐 王振帥 戴賢明 胡 濱 余 麗 譚 森

(1．三峽大學 a.電氣與新能源學院；b.計算機與信息學院；c.生物與制藥學院；2．宜昌市環境保護監測站； 3．北京市富迪迅捷科技有限公司)

在線水質監測儀流路系統及其控制電路設計

魏康林1a周 豐1b王振帥1b戴賢明1b胡 濱1c余 麗2譚 森3

(1．三峽大學 a.電氣與新能源學院；b.計算機與信息學院；c.生物與制藥學院；2．宜昌市環境保護監測站； 3．北京市富迪迅捷科技有限公司)

針對基于光譜分析的在線水質監測儀對流路系統的功能要求，深入開展了具體的流路系統設計及其控制電路原理研究。以微型蠕動泵、微型三通換向電磁閥、微型電磁閥、微型真空泵、流通檢測池為流路器件，設計出具有進樣、清洗及留樣等功能的流路系統及其控制電路與方法。儀器聯調實驗結果表明：所設計的流路系統滿足儀器的功能要求，能夠為儀器的穩定運行提供有力的技術保障。

水質監測 流路 光譜分析 控制電路

在線水質監測儀可以為水資源環境保護與治理提供有力的科學依據和技術支持，尤其是基于光譜分析的水質監測更是該技術領域的重要發展方向之一。但是就儀器設計的角度而言，流路系統的設計與控制是儀器穩定可靠運行的關鍵技術之一，應該具有自動進樣、清洗期留樣取證等功能，為此，依托實際工程項目，針對基于光譜分析的在線水質監測儀對流路系統的功能要求，深入展開了具體的流路系統設計及其控制電路原理研究[1]。將流路控制原理與方法運用到儀器測試中，并進行了儀器整機聯調實驗。

1 流路系統設計

針對在線光譜水質監測儀流路系統應具有的進樣、清洗和留樣功能[2]，以微型蠕動泵、微型三通換向電磁閥、微型電磁閥、微型真空泵、流通檢測池為流路器件，設計了儀器流路系統，流路系統結構如圖1所示。

水質監測儀流路系統各器件間的連接如圖2所示。管網水經電磁閥控制進入樣品池 ，蠕動泵1與三通換向電磁閥1、2匹配工作(兩個閥保持常開狀態)，抽取一定體積的被測水樣進入石英流通檢測池，在檢測池內完成水樣的光譜分析。若光譜分析檢測到被測水樣光譜特征發生突變或被測成分(如水質參數COD等)超標報警，則三通電磁閥2流路切換，與蠕動泵1匹配工作，抽取水樣進入留樣池作進一步取證分析。測量完畢后，則三通電磁閥1流路切換到常閉口(以備抽取蒸餾水)，三通電磁閥2常開，與蠕動泵1、2匹配工作，抽取蒸餾水清洗流通檢測池，清洗完后，為避免顆粒物粘附在流通池的通光面上，打開夾管電磁閥1、2，采用微型真空泵1、2壓縮空氣吹掃流通池的通光面[2]，為下一次水樣的測量做好準備。

圖1 水質監測儀流路系統結構

圖2 各器件間的連接示意圖

2 流路控制系統電路設計

流路控制系統由單片機(下位機)、工控機(上位機)、電源模塊、繼電器和各個流路器件組成。以工控機為控制和信息處理平臺，使用LabVIEW軟件作為上位機開發環境[3]。

流路控制系統電路示意圖如圖3所示，流路器件皆與對應繼電器的常閉端、公共端(圖中繼電器O為常開端、C為常閉端、COM為公共端)接入+24V電源兩端，繼電器的輸入端再接單片機的IO口。

圖3 流路控制系統電路示意圖

控制電路啟動后，電源和工控機開啟，單片機上電，IO口首先默認輸出高電平，與之相連的繼電器會轉換工作狀態，由閉合變為斷開，這樣控制電路啟動后被控流路器件都處于待機狀態。當需要某個器件或多個器件工作時，使用者可通過上位機中的LabVIEW軟件發送對應器件的控制命令，再由串行通信協議將控制命令傳給下位機以改變對應IO口的電平狀態(由高電平變為低電平)，與之相連的繼電器工作狀態便由斷開切換為閉合，從而接通相關流路器件所在電路，使得對應流路器件工作。

另外，系統使用的上位機軟件LabVIEW具有豐富的函數與控件，可以通過上述控制原理方便地設置每個器件的開啟時間、次序和不同器件間的聯合控制方式，再加上各種循環結構、判斷結構及事件結構等多功能控件的混合使用，使得整個流路系統具有靈活多變的控制方式，方便了在線水質監測儀的多功能開發[4]。

3 流路系統測試與應用

3.1 清洗功能測試

為驗證流路系統的清洗效果，以污染性較強的有機試劑亞甲藍來污染樣品檢測池，經2min 的蒸餾水灌洗與壓縮空氣沖洗后,取出檢測池中的水樣送島津紫外分光光度計UV-2450分析。測量結果顯示，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，說明流通檢測池已經被清洗干凈，進一步表明系統具有快速、高效的清洗功能[5]。

圖4、5分別是清洗控制流程與清洗前后吸光度對比圖。

圖4 清洗控制流程

a. 污染試劑亞甲藍的吸收光譜

b. 經過清洗后檢測池內蒸餾水的吸收光譜

3.2 樣品檢測測試

為測試優化設計的流路系統是否滿足儀器檢測需求，采用實驗室標準溶液配制方法[6]配制濃度為10、20、30、40、50、60、70mg/L的標準鄰苯二甲酸氫鉀溶液備用。使用所設計系統進行樣品檢測，先用蒸餾水灌洗和壓縮空氣沖洗的方式徹底清洗整個流路系統并進3mL蒸餾水到流通檢測池做參比，再采用濃度由低到高的方式依次測量各溶液的吸光度[7]。測量時先用9mL的待測溶液連續灌洗整個流路系統，再進3mL待測溶液到流通檢測池中測得吸光度曲線，測量完成后排空殘液，繼續抽取9mL下一濃度待測液灌洗整個流路系統并進樣3mL測得其吸光度曲線，依此過程直至7個濃度的標準鄰苯二甲酸氫鉀溶液測量完成，最終的吸光度曲線如圖6所示，圖中曲線由下到上依次對應的濃度為10、20、30、40、50、60、70mg/L的標準鄰苯二甲酸氫鉀溶液。

圖6 不同濃度標準鄰苯二甲酸氫鉀溶液吸光度圖譜

采用不同濃度的標準鄰苯二甲酸氫鉀溶液在280nm處的吸光度，建立鄰苯二甲酸氫鉀標準工作曲線[8]。如圖7所示，標準工作曲線的線性相關系數R2=0.9987，達到了檢測要求，說明優化設計的流路系統不僅實現了進樣、留樣、清洗功能，而且滿足了在線水質監測儀的水質檢測需要。

圖7 鄰苯二甲酸氫鉀標準工作曲線

3.3 留樣功能測試

針對在線水質監測儀留樣功能的需要，建立吸光度-波長-時間三維光譜數據庫。在實際檢測過程中，只要某一時間點或某一時間段，某個波長處的吸光度突變(急劇上升或突破判定閾值等)，則認為水質異常事件發生，若污染物質的特征吸收光譜在數據庫內，便可識別污染物，但不管識別與否，均立即自動留樣，送權威部門分析，從而實現對水質安全的監測。

具體以沙河污水廠實際環境水樣做留樣功能實驗，連續采集監測水體的吸光度數據，建立吸光度-波長-時間三維光譜圖(圖8)。通過三維圖譜可直觀看出吸光度數據變化，一旦出現異常，系統便立即自動留樣，以分析污染物。實驗結果表明所設計的流路系統能夠實現對水體的持續性監測，并能及時自動留樣，滿足在線水質監測儀的流樣功能要求。

圖8 沙河污水廠吸光度-波長-時間三維圖譜

4 結束語

對在線水質監測儀的流路系統及其控制電路進行了優化設計，測試結果表明設計的流路系統進樣、留樣功能正常，流通檢測池清洗效果良好、數據測量準確，能夠保證在線水質監測儀的長期穩定運行。另外，整機功耗低、線路布局規范、上位機開發環境LabVIEW的可擴展性良好，方便了本系統的多功能二次開發和持續優化。同時，通過控制電路與軟件的優化設計，可實現系統各項功能間的快速切換，提升了使用過程中在線水質監測儀的靈活性。

[1] 武新. 多參數水質監測儀測控系統研究[D].重慶：重慶大學, 2012.

[2] 郭建, 溫志渝, 魏康林,等.多參數水質監測儀流路系統設計[J].自動化儀表, 2012, 33(2):80～82.

[3] 徐立友,劉洋,張敏.基于 LabVIEW 的液壓機械無級變速器試驗臺測控系統研究[J].農業裝備與車輛工程, 2014, 52(4): 18～22.

[4] 程立.在線水質分析儀器應用技術的發展[J].分析儀器, 2011, (2): 75～78.

[5] 魏康林.基于微型光譜儀的多參數水質檢測儀關鍵技術研究[D].重慶: 重慶大學, 2012.

[6] 周小峰, 溫志渝, 謝瑛珂, 等.多參數水質監測儀流路系統的優化設計[J].化工自動化及儀表, 2014, 41(1): 22～26.

[7] 潘建章.便攜式多功能光度計的研制及其在環境分析中的應用[D].成都：四川師范大學, 2005.

[8] 李玉春.基于紫外可見光譜的水下多參數水質檢測技術研究[D].天津：天津大學, 2012.

DesignofFlowPassageSystemandItsControlCircuitforOn-lineWaterQualityMonitoringInstrument

WEI Kang-lin1a, ZHOU Feng1b, WANG Zhen-shuai1b, DAI Xian-ming1b,

TH83

A

1000-3932(2017)02-0152-05

2016-07-31，

2016-09-13)

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魏康林(1975-)，副教授，主要從事環境監測技術的研究。

聯系人周豐(1991-)，碩士研究生，主要從事自動化檢測裝置的研究，1490214612@qq.com。