游泳池水中尿素在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的研究與開發(fā)

張麗君　孫吉勇　季建剛

(1.蘇州高新區(qū)衛(wèi)生監(jiān)督所, 蘇州215000；2、江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司, 蘇州 215000)

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儀器研制與改進(jìn)

游泳池水中尿素在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的研究與開發(fā)

張麗君1孫吉勇2季建剛1

(1.蘇州高新區(qū)衛(wèi)生監(jiān)督所, 蘇州215000；2、江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司, 蘇州 215000)

研制了一種用于測(cè)量游泳池水中尿素含量的在線尿素自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，并通過信號(hào)傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該儀器設(shè)計(jì)包括液路控制模塊、化學(xué)反應(yīng)控制模塊、光電檢測(cè)模塊、信號(hào)處理與自動(dòng)控制模塊。實(shí)驗(yàn)表明該儀器達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度,自動(dòng)化程度高,可以用于游泳池水中尿素含量的自動(dòng)在線測(cè)量。

游泳池水質(zhì)尿素在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)

1　引言

尿素是游泳池水質(zhì)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)之一[1]，不潔的游泳池水質(zhì)有可能會(huì)引起皮膚病、結(jié)膜炎、腸胃炎等傳染性疾病的爆發(fā)或流行。為了保持水中尿素的含量合格，需要在日常運(yùn)行中補(bǔ)充一定量的新水。但是，游泳池管理者為了節(jié)省成本，往往會(huì)減少新水的補(bǔ)充量，導(dǎo)致尿素含量偏高。傳統(tǒng)的尿素含量都是基于手動(dòng)的檢測(cè)方法，在進(jìn)行尿素檢測(cè)的時(shí)候，首先需要執(zhí)法人員到現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，然后將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量[2-4]。這種檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，容易存在執(zhí)法漏洞。

本研究開發(fā)出了一種基于GB-T 18204.29-2000的在線尿素自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，該儀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)游泳池水中尿素的在線自動(dòng)測(cè)量，然后將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊自動(dòng)發(fā)送到監(jiān)控中心，提高了游泳池水質(zhì)的監(jiān)測(cè)效率和檢測(cè)水平。

2　原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1儀器原理

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

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括：液路控制模塊、化學(xué)反應(yīng)控制模塊、光電檢測(cè)模塊、信號(hào)處理與自動(dòng)控制模塊。液路控制模塊的功能主要包括：待測(cè)水樣的自動(dòng)采集，化學(xué)試劑的添加，廢液的排除，檢測(cè)裝置的清洗等?；瘜W(xué)反應(yīng)控制模塊主要是根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定，確?；瘜W(xué)反應(yīng)在合適的溫度下進(jìn)行。它主要包括加熱絲和冷卻風(fēng)扇。加熱絲對(duì)混合溶液進(jìn)行加熱并在規(guī)定的溫度下保持一定的時(shí)間，在完成反應(yīng)之后，冷卻風(fēng)扇將反應(yīng)液快速冷卻到室溫。光電檢測(cè)模塊主要對(duì)反應(yīng)溶液的吸光度進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)處理控制模塊主要負(fù)責(zé)儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.2.1光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)模塊是儀器的核心部件，用于檢測(cè)水中的尿素在化學(xué)反應(yīng)之后的吸光度。根據(jù)比爾朗伯特定理：A=Klc；其中A是吸光度，K是吸收系數(shù)；l是吸收介質(zhì)的厚度；c是吸光物質(zhì)的濃度，通過吸光度可以求出物質(zhì)的濃度。檢測(cè)模塊包括：反應(yīng)比色池、光源、光電探測(cè)器、檢測(cè)光路和檢測(cè)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。因此光電檢測(cè)模塊同時(shí)集成了反應(yīng)控制模塊包含的加熱和冷卻功能。光源選用中心波長(zhǎng)為460nm的發(fā)光二極管、光電探測(cè)器選用普通的PIN光電二極管。由于在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候比色皿的溫度會(huì)達(dá)到100℃，且保持一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間，防止高溫對(duì)光電器件的影響，在檢測(cè)光路中選用石英光纖來隔離光電器件和比色池。發(fā)光二極管發(fā)出的光通過石英光纖傳輸?shù)奖壬氐囊粋?cè)。透射光又通過石英光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器上，增加了光電檢測(cè)模塊的穩(wěn)定性，圖2為光電檢測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)。

2.2.2液路單元模塊

液路單元模塊主要負(fù)責(zé)水樣的抽取、化學(xué)試劑的添加、反應(yīng)溶液的控制等功能。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它包括多通道旋轉(zhuǎn)閥、蠕動(dòng)泵、光電計(jì)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(biāo)準(zhǔn)液、純水和廢液。多通道旋轉(zhuǎn)閥含有1個(gè)公共端口和7個(gè)普通端口。在步進(jìn)電機(jī)的控制下，7個(gè)普通端口可以分別和公共端口相通。蠕動(dòng)泵和光電計(jì)量管的一端相連，光電計(jì)量管的另一端和多通道旋轉(zhuǎn)閥的公共端口相連。通過控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，在旋轉(zhuǎn)閥的幫助下，可以將水樣或試劑吸取到光電計(jì)量管中，然后再反轉(zhuǎn)蠕動(dòng)泵，將光電計(jì)量管中的溶液送到反應(yīng)比色池中。因此，在PLC的控制下，通過蠕動(dòng)泵和多通道旋轉(zhuǎn)閥可以將水樣和化學(xué)試劑依次抽送到比色反應(yīng)池中；檢測(cè)完之后，再將廢液排到存放廢液的試劑瓶中。光電計(jì)量管主要用于控制蠕動(dòng)泵抽取的液體的體積，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由玻璃管和兩對(duì)光電傳感器組成。每對(duì)光電傳感器包含一個(gè)近紅外發(fā)光二極管和光電探測(cè)器。當(dāng)液體到達(dá)光電傳感器所在的位置

的時(shí)候，由于玻璃管中的折射率發(fā)生變化，因此光電探測(cè)器接受到的光信號(hào)將發(fā)生變化，PLC通過光電探測(cè)器輸出信號(hào)的變化可以知道液位已經(jīng)處于光電傳感器所設(shè)定的位置。停止蠕動(dòng)泵，可以使得光電計(jì)量管中抽取的液體體積為設(shè)定的體積。通過該裝置可以控制尿素監(jiān)測(cè)儀所抽取的水樣和試劑的體積。本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)光電傳感器位置所對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)液體的自動(dòng)取樣和控制。

2.2.3信號(hào)處理與控制電路模塊

該模塊主要分為3個(gè)子功能：信號(hào)放大與處理、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸與顯示。信號(hào)處理主要包括比色反應(yīng)池光電檢測(cè)信號(hào)的處理，光電計(jì)量管光電傳感器信號(hào)檢測(cè)，其檢測(cè)電路如圖5所示。系統(tǒng)控制主要包括蠕動(dòng)泵的控制、多通道旋轉(zhuǎn)閥的控制和電磁閥的控制，以及儀器的整個(gè)測(cè)試流程控制與判斷。數(shù)據(jù)傳輸與顯示負(fù)責(zé)將測(cè)試結(jié)果通過無(wú)線傳輸方式發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，或者顯示在儀器的顯示面板上。整個(gè)控制系統(tǒng)通過PLC來實(shí)現(xiàn)。

3　儀器檢測(cè)

檢測(cè)流程分為標(biāo)定和測(cè)試兩個(gè)類型。標(biāo)定主要是用儀器測(cè)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(guān)系，得到標(biāo)定曲線。測(cè)試時(shí)，通過待測(cè)溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)定曲線可以求出待測(cè)容易尿素的含量。表1、表2分別給出了該儀器的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果和在蘇州高新區(qū)克拉克游泳館現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的尿素含量與新區(qū)衛(wèi)生監(jiān)督所用實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)試的結(jié)果比對(duì)的結(jié)果，兩結(jié)果均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)。通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該儀器可以對(duì)游泳池水中的尿素含量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的在線自動(dòng)測(cè)量。

表1　尿素自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果　mg/L

表2　與傳統(tǒng)檢測(cè)儀器測(cè)試結(jié)果對(duì)比 　mg/L

4　討論

(1)該儀器能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)游泳池水中尿素含量，滿足了游泳池水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)管的要求。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法和現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方法相比，有節(jié)約人力資源、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)管的優(yōu)點(diǎn)。但由于儀器設(shè)定的自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率為1小時(shí)/次，對(duì)試劑的消耗量較大，而現(xiàn)實(shí)中游泳池使用的時(shí)間為白天到晚上9點(diǎn)左右。因此為節(jié)約儀器維護(hù)成本，在試用過程中，要求現(xiàn)場(chǎng)工作人員每天下班時(shí)關(guān)閉儀器，在早上上班時(shí)重新開啟。因此該儀器的使用過程并沒有完全做到自動(dòng)化。另外由于本次研究制作的只是樣機(jī)，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(jìn)的方面。

(2) 從標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該儀器在濃度為0～5mg/L之間的水樣檢測(cè)具有較好的精確度。同時(shí)在蘇州高新區(qū)試用階段，衛(wèi)生監(jiān)督人員會(huì)不定期攜帶現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀器與該儀器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示該儀器與快速檢測(cè)儀器測(cè)試結(jié)果也較為吻合(表2)，能夠達(dá)到衛(wèi)生監(jiān)督的目的工作要求。但是由于該儀器僅試用了一段時(shí)間，儀器的穩(wěn)定性還未得到驗(yàn)證。儀器是否能夠長(zhǎng)期連續(xù)的保持一定精度的監(jiān)測(cè)，儀器攜帶的試劑的更換頻率等問題都是有待繼續(xù)研究和探討的。

5　結(jié)論

研制了一種在線尿素監(jiān)測(cè)儀，用于對(duì)游泳池水中尿素含量的在線自動(dòng)測(cè)量，分析了儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)方式，該方法已經(jīng)申請(qǐng)專利、開發(fā)的儀器被蘇州高新區(qū)衛(wèi)生監(jiān)督所推薦安裝到克拉克游泳館對(duì)游泳池的尿素進(jìn)行在線測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明該儀器可以用于游泳池水中尿素含量的自動(dòng)在線測(cè)量，對(duì)我國(guó)游泳池水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和控制具有積極的意義。

[1]GB/T 18204.29-2000.公共場(chǎng)所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法[s].

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

[3]陳武明,陳波,徐明敏. 游泳池水尿素檢測(cè)方法改進(jìn)探討[J].浙江預(yù)防醫(yī)學(xué),2008,20(11):95.

[4]徐向陽(yáng)．測(cè)定游泳池水中尿素方法的改進(jìn)[J]．中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)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(shè)專項(xiàng)資金扶持項(xiàng)目：游泳場(chǎng)所遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用。

張麗君，女，助理研究員，2011年畢業(yè)于蘇州大學(xué)，碩士，公共衛(wèi)生專業(yè)，2013年至蘇州高新區(qū)衛(wèi)生監(jiān)督所工作，E-mail：lijunzhang527@163.com。

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