全自動石墨消解儀中自動定容的分析與研究

羅煒程

摘 要：全自動石墨消解儀該類自動化設(shè)備在整個(gè)消解過程不需要任何人工介入，用戶只需稱樣放入儀器后，儀器自動完成加酸、混勻樣品、加蓋取蓋、程序升溫消解、趕酸、顏色識別、定容，全程實(shí)現(xiàn)無人操作。本文主要對定容步驟的自動化實(shí)現(xiàn)展開分析和研究。

關(guān)鍵詞：石墨消解儀;自動化;定容

0 引言

全自動石墨消解儀是繼電爐子，電熱板，普通電熱消解儀之后的引領(lǐng)濕法消解發(fā)展方向的新型儀器，是專門針對目前實(shí)驗(yàn)室樣品量大、實(shí)驗(yàn)人員少、要求自動化程度高等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一款高效全自動消解系統(tǒng)，主要用于食品、飲料、土壤（沉積物）、水樣、藥品、玩具五金、化妝品、地礦、農(nóng)產(chǎn)品，濾筒濾膜等樣品中的重金屬檢測前處理部。可用于環(huán)保、疾控、商檢、質(zhì)檢、第三方檢測、高校實(shí)驗(yàn)室、工廠、科研機(jī)構(gòu)等分析領(lǐng)域，自動實(shí)現(xiàn)加酸、搖勻、消解、趕酸、冷卻、定容等人工操作步驟，是原子吸收分光光度計(jì)和電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）的樣品前處理系統(tǒng)。

1 實(shí)現(xiàn)定容的方案選擇

1.1 應(yīng)用背景與檢測需求介紹

（1）應(yīng)用背景。無機(jī)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室一般都處于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、有毒的環(huán)境，在執(zhí)行檢測樣品消解實(shí)驗(yàn)過程中，會大量使用到高濃度的濃硝酸、濃硫酸、濃鹽酸、氫氟酸、高氯酸等，它們經(jīng)過高溫氣化后會腐蝕各類金屬和二氧化硅（陶瓷或玻璃）等材質(zhì)，需要用到高分子類的材質(zhì)進(jìn)行防腐處理，如特氟龍[1]。

（2）檢測需求。全自動石墨消解儀完成定容后，它的下一道工序是在原子吸收分光光度計(jì)或電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）儀等檢測分析設(shè)備。定容后在消解管中的體積準(zhǔn)確度會影響各類被檢測化學(xué)元素的濃度，從而影響上機(jī)檢測的結(jié)果，所以要求定容50ml時(shí)候精度需滿足1%范圍。

1.2 技術(shù)路線與器件廠商的選擇

（1）技術(shù)路線選擇。對于液體體積的測量可分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量用于手動領(lǐng)域，如帶刻度的量筒、移液管等，測量結(jié)果容易被不同的操作人員影響。間接測量一般用于半自動或者全自動領(lǐng)域，測量結(jié)果一致性好，它通過傳感器將信息轉(zhuǎn)化換算處理后得出最終的測量結(jié)果，如壓力傳感器、液位傳感器、超聲波傳感器等。由于全自動石墨消解儀的應(yīng)用是在無機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不能采用直接接觸式類型的傳感器，所以最終決定選擇采用非接觸式的超聲波傳感器[2]實(shí)現(xiàn)對消解管內(nèi)的體積進(jìn)行定量測量。

（2）檢測器件廠商的選擇。通過對比了解國內(nèi)外不同廠家[3]的產(chǎn)品資料，結(jié)合本儀器對定容功能需求和配套結(jié)構(gòu)的綜合評估，最終在banner產(chǎn)品中選擇了一款適合的超聲波傳感器，該傳感器的電氣參數(shù)特性摘錄如下[4]：

2 定容功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）原理設(shè)計(jì)。本方案采用的是ST公司M3內(nèi)核的單片機(jī)STM32F103RCT6，它集成有12位的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），在該功能的原理圖（圖1）的設(shè)計(jì)過程中考慮如下問題：

1）系統(tǒng)電壓匹配轉(zhuǎn)換：由于單片機(jī)是3.3伏供電，而超聲波傳感器是0～10伏的模擬信號輸出，所以通過R19和R20進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，以滿足單片機(jī)ADC輸入引腳的電氣要求。

2）輸入信號阻抗匹配：由于超聲波傳感器有負(fù)載阻抗要求，所以采用LM358對輸入信號進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)和緩沖。

3）輸入信號濾波干擾：由R21和C23組成RC濾波電路，在模擬信號輸入到單片機(jī)之前濾除高頻雜波干擾。

在PCB（圖2）的LAYOUT過程中，主要注意不同電壓的分布布局，以及信號回路的設(shè)計(jì)，盡量減少信號被干擾的可能性，并采用一些未雨綢繆的措施，如采用大面積的覆銅措施等。

（2）信號測試結(jié)果。將制作好的PCB安裝在測試平臺，用天平秤出不同的純凈水體積放入特氟龍消解管中，采用數(shù)字萬用表在R21和C23之間測試傳感器的信號輸出電壓，將測試數(shù)據(jù)記錄并生成關(guān)系圖（圖3），結(jié)果判定能滿足定容精度和線性度要求。

2.2 軟件編程與功能實(shí)現(xiàn)

STM32 的 ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它有 18個(gè)通道，可測量 16個(gè)外部和 2個(gè)內(nèi)部信號源[5]。各通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃 描或間斷模式執(zhí)行。軟件編程中首先依據(jù)STM32單片機(jī)資料對ADC進(jìn)行初始化配置，接著依據(jù)超聲傳感器的上電延時(shí)要求延長300ms，執(zhí)行啟動第一次ADC轉(zhuǎn)換。通過對ADC1->SR中ADC_FLAG_EOC判斷，確定本次模數(shù)轉(zhuǎn)換是否成功，如果成功則將ADC1->DR的值存到BUF中，接著啟動下一次的ADC轉(zhuǎn)換。在空閑的時(shí)候?qū)UF中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波算法平衡處理，使得獲取的ADC值具有較強(qiáng)的抗干擾性和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，最終將ADC值通過校準(zhǔn)計(jì)算，間接測量出特氟龍消解管中的液體體積。簡要的功能實(shí)現(xiàn)執(zhí)行流程圖（圖4）如下：

2.3 定容測量的結(jié)果驗(yàn)證

最終通過在全自動石墨消解儀實(shí)機(jī)測試，定容后測試36個(gè)特氟龍消解管中的液體體積，數(shù)據(jù)如下：50.02、50.02、50.05、50.22、49.63、50.42、50.06、49.82、49.84、49.91、50.06、49.98、50.07、49.89、49.83、50.03，50.43、49.91、50.13、49.74、49.95、49.85、49.87、49.9、50.41、50.15、49.9、50.14、49.88、49.8、50.09、50.24、50.39、49.55、50.38、49.78。計(jì)算得出精度相對誤差范圍在-0.52%到0.85%之間，結(jié)果判定本方案能滿足50ml@1%的定容要求。

3 結(jié)束語

在全自動石墨消解儀的定容功能開發(fā)設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)廠上市過程中，以及結(jié)合配套的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境中，還面臨許多棘手的問題，通過數(shù)據(jù)分析和影響因素排查，最終解決了如超聲波傳感器本身溫度效應(yīng)、目標(biāo)角度、液體蒸發(fā)氣流等因素對定容體積的影響，具有一定的市場價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]https：//baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E5%9B%9B%E6%B0%9F%E4%B9%99%E7%83%AF/627923？fr=aladdin.[DB/OL].

[2]https：//baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/243327？fr=aladdin.[DB/OL].

[3]http：//www.51spec.com/category.asp？categoryid=770.[DB/OL].

[4]banner產(chǎn)品手冊[K].

[5]STM32開發(fā)指南V1.0[K].