多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀流路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 建 溫志渝 魏康林 陳松柏

(新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室1，重慶 400044;微納系統(tǒng)及新材料技術(shù)國際研究中心2，重慶 400044)

0 引言

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測是現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一［1］，而對(duì)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器而言，流路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)。流路系統(tǒng)必須具有多樣品多試劑順序進(jìn)樣、流路切換和試樣的精確抽取等功能?，F(xiàn)有的流路系統(tǒng)大都采用基于多位閥與注射泵的順序注射流路［2］。該流路雖然具有試樣間多流路通道快速切換和試樣的高精度抽取功能，但注射泵的價(jià)格很高，如果采用基于多位閥與注射泵的順序注射流路系統(tǒng)來設(shè)計(jì)在線水質(zhì)檢測儀器，就會(huì)增加成本，難以滿足產(chǎn)業(yè)化的要求［3］。

為此，本文提出一種基于微電子多位閥與微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵的集成化多樣品多試劑順序進(jìn)樣、順序檢測流路系統(tǒng)。該流路具有小體積、低功耗、低成本的優(yōu)勢。經(jīng)反復(fù)在線測試，系統(tǒng)滿足快速切換(切換時(shí)間≤2 s)和精確進(jìn)樣(準(zhǔn)確度為±2%)的在線水質(zhì)檢測要求，且流路系統(tǒng)具有高效自動(dòng)清洗的功能，可以極大程度地降低交叉污染，保證水質(zhì)檢測精度。

1 流路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 流路總體設(shè)計(jì)

針對(duì)多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的檢測，各個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的樣品和反應(yīng)試劑通過多位閥的切換和經(jīng)蠕動(dòng)泵的抽取進(jìn)入流通檢測池。在流通池內(nèi)反應(yīng)平衡后，即通過光譜分析檢測樣品中該參數(shù)的含量，然后清洗流路系統(tǒng)(即公共流路和檢測池)，并依次進(jìn)行下一個(gè)水質(zhì)參數(shù)的檢測。按照項(xiàng)目要求，系統(tǒng)以氨氮、陰離子表面活性劑、Cr6+(六價(jià)鉻)、化學(xué)需氧量、Pb2+(鉛離子)、總酚和總磷7個(gè)水質(zhì)參數(shù)為檢測對(duì)象。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)7個(gè)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行在線水質(zhì)監(jiān)測的要求，設(shè)計(jì)了以AT89C55單片機(jī)為核心控制器的流路控制系統(tǒng)，分別控制多位閥對(duì)試樣的流路切換和蠕動(dòng)泵對(duì)試樣的精確抽取。

流路系統(tǒng)如圖1所示。流路系統(tǒng)選擇Valco公司的24位閥，流路通徑為0.6 mm，無死體積，交叉污染小，適合有效的流路切換和高精度進(jìn)樣［4］。24位閥的各個(gè)流路通道(定子)分別與蒸餾水、待檢水樣、空氣以及各個(gè)水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液、反應(yīng)試劑相連通。其中，公共通道(轉(zhuǎn)子)連接微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵，控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)試樣間的流路切換，各參數(shù)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)樣品與試劑通過蠕動(dòng)泵的精確定量抽取進(jìn)入流通檢測池。

圖1 流路系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of flow path system

1.2 流路切換模塊設(shè)計(jì)

24位多位閥具有多通道選擇切換的功能，其轉(zhuǎn)子可相對(duì)定子準(zhǔn)確地以任意15倍數(shù)的角度在正、反向旋轉(zhuǎn)。閥的公共通道與轉(zhuǎn)子連通，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下正反轉(zhuǎn)動(dòng)，即可與閥上的各定子連通，從而使蠕動(dòng)泵通過公共通道抽取不同的試樣，實(shí)現(xiàn)流路切換功能［5］。多位閥的工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 多位閥工作原理Fig.2 The working principle of multi-position valve

針對(duì)Valco公司的24位閥驅(qū)動(dòng)器的控制，本文設(shè)計(jì)了基于AT89C55單片機(jī)的多位閥自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過8位BCD碼來實(shí)現(xiàn)多位閥公共口(轉(zhuǎn)子)與其他各通道(定子)連接的流路切換控制。

單片機(jī)的P0口通過上拉電阻直接與多位閥控制器的IN口相連，把轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)命令(即所需要轉(zhuǎn)到的位置)發(fā)送給多位閥驅(qū)動(dòng)器。

單片機(jī)的P2.0口與多位閥驅(qū)動(dòng)器的DIR命令端口連接，可以向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制多位閥的轉(zhuǎn)向命令，使其以最短途徑轉(zhuǎn)到指定位置。如果轉(zhuǎn)到位置與現(xiàn)在位置之差小于12位，則多位閥正轉(zhuǎn)到指定位置;如果轉(zhuǎn)到位置與現(xiàn)在位置之差大于12位，則多位閥反轉(zhuǎn)到指定位置。

單片機(jī)的P1口與多位閥的OUT口連接，讀出轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置，從而判定多位閥的走位是否正確，如果不正確，則通過ERROR發(fā)送中斷。單片機(jī)的P2.1端口用來給驅(qū)動(dòng)器HOME端口發(fā)送復(fù)位信號(hào)［6］。多位閥控制模塊如圖3所示。

圖3 多位閥控制模塊Fig.3 Multi-position valve control module

1.3 進(jìn)樣模塊設(shè)計(jì)

微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵采用的是高精密兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響;可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)，可通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，以達(dá)到調(diào)速的目的。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，最大流量22 mL/min，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，電機(jī)的壽命為5000 h。電機(jī)采用全新的電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流的精確控制，其有效降低了輸出力矩脈動(dòng)、提高了細(xì)分精度;并且可以將電機(jī)的損耗降低25%，達(dá)到減小電機(jī)溫升的效果。

AT89C55單片機(jī)與微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)板的連接圖如圖4所示。

圖4中，RST為復(fù)位控制，EN為使能控制，DIR為方向控制，STEP為脈沖個(gè)數(shù)及頻率控制。編寫控制程序，單片機(jī)通過P2.6端口向蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)模塊的STEP端口發(fā)送精確脈沖信號(hào)。通過改變脈沖信號(hào)的頻率來更改蠕動(dòng)泵的進(jìn)樣速度，在需要系統(tǒng)清洗的時(shí)候使用最快速度，需要精確進(jìn)樣的時(shí)候使用正常速度，以保證進(jìn)樣精度。通過改變脈沖個(gè)數(shù)控制蠕動(dòng)泵抽取所需的溶液量，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到微型蠕動(dòng)泵的進(jìn)樣誤差在1%以內(nèi)［7］。單片機(jī)的 P2.5端口控制蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)板的DIR端口，可改變?nèi)鋭?dòng)泵的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器中導(dǎo)管的反沖清洗，減小各試劑間的交叉污染。

圖4 蠕動(dòng)泵控制模塊Fig.4 Peristaltic pump control module

2 流路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流路控制流程如圖5所示。

圖5 流路軟件流程圖Fig.5 The flowchart of flow path software

單片機(jī)控制軟件主要包括系統(tǒng)流路清洗模塊、系統(tǒng)建標(biāo)模塊、系統(tǒng)較標(biāo)模塊和系統(tǒng)檢測模塊。各模塊又由多位閥控制函數(shù)和蠕動(dòng)泵控制函數(shù)組合而成［7］。

①流路清洗程序模塊主要是清洗流路系統(tǒng)中的管道和樣品檢測室。

②系統(tǒng)建標(biāo)模塊是引進(jìn)各種標(biāo)準(zhǔn)液和試劑到檢測室，以建立濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

③系統(tǒng)較標(biāo)模塊是引進(jìn)已知濃度溶液和相應(yīng)試劑到檢測室，以檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)確性。

④系統(tǒng)檢測模塊是引進(jìn)待檢水和相應(yīng)試劑到檢測室檢測。

程序通過串口與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信，嵌入式系統(tǒng)發(fā)送各種指令使流路系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的工作，實(shí)現(xiàn)了流路的全自動(dòng)化。該程序設(shè)置方便、靈活，控制指令可任意調(diào)用;程序穩(wěn)定可靠，能保證進(jìn)樣的精度和測試效果。

本文設(shè)計(jì)的該流路的各個(gè)入口可重新組合實(shí)現(xiàn)流路的二次開發(fā)，并用于測量其他不同的各種指標(biāo)，加上良好的通信接口，可大大擴(kuò)展該流路系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3 試驗(yàn)

3.1 抽取精度試驗(yàn)

根據(jù)測量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)溶液和反應(yīng)試劑的進(jìn)樣要求，流路系統(tǒng)需要能夠精確抽取測試所需的體積為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、3(單位:mL)，為此，進(jìn)行了流路系統(tǒng)抽取試驗(yàn)。對(duì)各體積進(jìn)行5次重復(fù)抽取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表1所示。本試驗(yàn)是通過高精度的電子天平讀取數(shù)據(jù)，讀取的準(zhǔn)確度高、誤差小。

表1 精度抽取試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data of extracting precision mL

從表1的測試數(shù)據(jù)可以看出，各次測量與理論值(期望值)的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于2%(包括測量均值的偏差為0.6%)，證明準(zhǔn)確度很高，即流路系統(tǒng)具有很高的進(jìn)樣準(zhǔn)確度;其次，相對(duì)均值的誤差呈現(xiàn)出非常標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)性，方差為 0.01，測量精密度很高［8］，證明流路系統(tǒng)具有很好的重現(xiàn)性。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液測試試驗(yàn)

為驗(yàn)證流路系統(tǒng)的流路切換和試樣的精確抽取的功能，用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀對(duì)COD建標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，分別測試總磷濃度為 0、0.05、0.1、0.15(單位:mg/L)的標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度。試驗(yàn)采用雙波長測試法［9］，主波長為620 nm，參考波長為500 nm，則吸光度與濃度的直線方程為:

式中:A620、A500為待測物在620 nm、500 nm處的吸光度;K為靈敏度;C為待測物濃度;B為光程，水質(zhì)檢測儀的光程為2 cm。

由多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測量作出的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖6所示。

圖6 總磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 The standard curve of TP

由式(1)得出ΔA=1.2565C，直線擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.9967，達(dá)到了檢測要求，說明該流路能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)流路切換、精確進(jìn)樣和系統(tǒng)清洗等功能。

4 結(jié)束語

為滿足多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測試7種參數(shù)的要求，本文設(shè)計(jì)了基于微電子多位閥和微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵的集成化多樣品多試劑順序進(jìn)樣和順序檢測流路系統(tǒng)。該流路系統(tǒng)進(jìn)樣體積小、精度高，試劑間的交叉污染小，可節(jié)約試劑和減少廢液。

系統(tǒng)完全由微機(jī)控制，不同的分析過程不需改變流路體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了流路系統(tǒng)的全自動(dòng)化控制。該流路系統(tǒng)特別適合于對(duì)流路要求較多、可靠性和自動(dòng)化要求較高的過程分析。

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