水質(zhì)總氮在線分析儀的設(shè)計與測試

萬金穎 何佳睿 楚國棟

摘要：通過對進樣單元、反應(yīng)單元、檢測單元合理的硬件架構(gòu)，用單片機控制整個流程的運行，設(shè)計出了可用于地表水在線監(jiān)測的總氮水質(zhì)監(jiān)測儀，儀器可實現(xiàn)全天候無人值守自動運行，具有良好的市場前景。

Abstract： Total Nitrogen on-line analyzer was designed through the reasonable hardware architecture of sample injection unit， reaction unit and detection unit， and single-chip microcomputer is used to control the operation of the whole process. The monitor can be used for surface water on-line monitoring and can achieve all-weather unattended automatic operation and have good market prospects.

關(guān)鍵詞：水質(zhì)總氮；地表水；在線監(jiān)測

Key words： total Nitrogen；surface water；on-line monitoring

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0257-02

1 背景[1-3]

人口的過度膨脹和經(jīng)濟的高速增長，致使環(huán)境污染變得日益嚴重，特別是近年來的水質(zhì)污染，已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展、阻礙人民生活水平提高的突出問題。水體富營養(yǎng)化導致浮游生物及藻類的大量快速繁殖，降低溶解于水體中氧的含量，繼而造成水質(zhì)污染的主要原因是生活污水和工業(yè)廢水大量排入河流，使得水中氮、磷含量快速增加，導致藻類過度繁殖打破了生態(tài)平衡。引發(fā)浮游生物、藻類、水生生物衰亡甚至于絕跡。因此推廣應(yīng)用水質(zhì)總氮、總磷在線監(jiān)測裝置勢在必行。

在“水十條”中有提到：深化污染物排放總量控制。完善污染物統(tǒng)計監(jiān)測體系，將工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)、移動源等各類污染源納入調(diào)查范圍。選擇對水環(huán)境質(zhì)量有突出影響的總氮、總磷、重金屬等污染物，研究納入流域、區(qū)域污染物排放總量控制約束性指標體系。

2 設(shè)計方案

2.1 總體思路

水質(zhì)總氮在線分析儀主要由進樣單元，反應(yīng)單元，檢測單元，控制單元組成，具體實現(xiàn)方式：用光電定量原理抽取一定量的水樣進入反應(yīng)單元，再加入堿性過硫酸鉀，在120度溫度下消解20分鐘，水樣中的亞硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態(tài)氨及大部分有機含氮化合物中的氮，被過硫酸鉀氧化為硝酸鹽氮，采用光譜儀測量波長220nm和275nm處的吸光度，根據(jù)公式計算總氮的吸光度，最終傳入嵌入式計算機，在嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、擬合等方法，送入液晶顯示器顯示、儲存到FLASH卡上。全部的過程控制均由單片機完成，無需人工操作。

2.2 進樣單元

進樣單元包括一個蠕動泵，一個計量管，一個六通電磁閥組，兩個兩通電磁閥，進樣流路見圖1。

水樣通過閥3進入計量管精確定量后，打入到反應(yīng)器中，蠕動泵將管路中的液體全部吹入反應(yīng)器中，待測試流程完成后，廢液通過閥2排入廢液桶中。整體結(jié)構(gòu)簡單，水樣和不同試劑之間加蒸餾水清洗，以免試劑殘留造成污染。

2.3 反應(yīng)單元

反應(yīng)單元由反應(yīng)器和兩個高壓閥體組成，反應(yīng)器采用石英玻璃制造而成，整體形狀構(gòu)造如圖2所示。

反應(yīng)單元設(shè)計優(yōu)點在于：反應(yīng)單元為整體設(shè)計，兩個閥體在兩端使反應(yīng)器處于全封閉狀態(tài)，可使水樣在反應(yīng)器中加熱到120度溫度時，反應(yīng)器內(nèi)達到高壓消解的效果，反應(yīng)單元整體尺寸較小，便于小型化設(shè)計。

2.4 檢測單元

檢測單元由小型全掃描光譜儀和光源組成。光譜儀全部采用發(fā)黑鋁材制造，光源使用氙燈。其發(fā)射的光線經(jīng)透過反應(yīng)器后經(jīng)透鏡匯聚到光纖，經(jīng)光譜儀掃描，記錄220nm和275nm波長處的光信號值，傳入上位機進行存儲和計算，即可得到水樣的吸光度。

2.5 控制單元

儀器由工控機系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

CPU：即單片機，負責與工控機的通訊、儀器流程時序控制、光電信號采集和集成取水控制等；

集成控制：主要負責集成取水控制，包括水位液位、水樣預處理等；

信號采集：主要負責光電信號、進樣系統(tǒng)液位信號和溫度等信號的采集；

流路控制：主要負責儀器分析流程時序控制；

工控機系統(tǒng)：主要負責與下位機的通訊、數(shù)據(jù)結(jié)果運算顯示和數(shù)據(jù)上傳等功能；

顯示單元：主要將儀器結(jié)果顯示出來，同時提供操作顯示畫面、儀器控制信號顯示等；

數(shù)據(jù)上傳：負責儀器與數(shù)據(jù)控制平臺的數(shù)據(jù)傳輸。

3 技術(shù)特點[4]

3.1 產(chǎn)品特點

①全自動運行：可實現(xiàn)自動校準、自動測量、自動清洗、自我保護、自動恢復等智能化功能；

②免維護設(shè)計：水樣預處理裝置采用免維護設(shè)計，可確保預處理裝置維護周期超過半年；

③在線監(jiān)測方式多樣化：可實現(xiàn)人工隨時測量、自動定時測量、自動周期測量等測定方式；

④測定速度快，數(shù)據(jù)準確，可隨時監(jiān)控生產(chǎn)過程中控制節(jié)點的樣品濃度。

3.2 產(chǎn)品功能

①通訊模式：內(nèi)置GPRS無線TCP通訊，數(shù)據(jù)主動上報平臺中心站；

②接口：8路模擬量輸出，支持RS485/232數(shù)字輸出；

③測量時間：可任意選擇或連續(xù)；

④自動校準：可以選擇自動校準周期；

⑤清洗：可以手動清洗和自動清洗，并可設(shè)置自動清洗周期；

⑥可存儲12個月歷史運行數(shù)據(jù)，可查詢具體年月日的數(shù)據(jù)。

4 測試

根據(jù)HJ/T 102-2003《總氮水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求》中規(guī)定的指標要求和測試方法對設(shè)計開發(fā)的水質(zhì)總氮在線分析儀進行調(diào)試和測試。在調(diào)試過程中確定最優(yōu)試劑濃度、最佳測試溫度及消解時間，根據(jù)相應(yīng)測試方法和計算公式得出分析儀的性能指標見表1，相關(guān)指標完全達到標準要求。

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)的程序軟件和電路設(shè)計，控制進樣閥體、蠕動泵、光譜儀、氙燈等使各硬件單元進行有效的協(xié)作，設(shè)計出了總氮水質(zhì)在線分析儀，可用于地表水及地下水中的總氮的在線實時監(jiān)測，具有良好的市場前景。

參考文獻：

[1]李軍，陳程.總氮總磷在線自動監(jiān)測儀的現(xiàn)狀與問題[J].環(huán)境科學與管理，2012，37（1）：161-164.

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[4]羅玲，農(nóng)永光，郭煒，等.多參數(shù)分析儀研究[J].價值工程報，2013，32（6）：193-194.