水質總氮在線分析儀的設計與測試

萬金穎 何佳睿 楚國棟

摘要：通過對進樣單元、反應單元、檢測單元合理的硬件架構，用單片機控制整個流程的運行，設計出了可用于地表水在線監測的總氮水質監測儀，儀器可實現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.

關鍵詞：水質總氮；地表水；在線監測

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濟的高速增長，致使環境污染變得日益嚴重，特別是近年來的水質污染，已經成為制約我國經濟發展、阻礙人民生活水平提高的突出問題。水體富營養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，繼而造成水質污染的主要原因是生活污水和工業廢水大量排入河流，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平衡。引發浮游生物、藻類、水生生物衰亡甚至于絕跡。因此推廣應用水質總氮、總磷在線監測裝置勢在必行。

在“水十條”中有提到：深化污染物排放總量控制。完善污染物統計監測體系，將工業、城鎮生活、農業、移動源等各類污染源納入調查范圍。選擇對水環境質量有突出影響的總氮、總磷、重金屬等污染物，研究納入流域、區域污染物排放總量控制約束性指標體系。

2 設計方案

2.1 總體思路

水質總氮在線分析儀主要由進樣單元，反應單元，檢測單元，控制單元組成，具體實現方式：用光電定量原理抽取一定量的水樣進入反應單元，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，在嵌入式系統中，數據經過處理、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，打入到反應器中，蠕動泵將管路中的液體全部吹入反應器中，待測試流程完成后，廢液通過閥2排入廢液桶中。整體結構簡單，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 反應單元

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

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

2.4 檢測單元

檢測單元由小型全掃描光譜儀和光源組成。光譜儀全部采用發黑鋁材制造，光源使用氙燈。其發射的光線經透過反應器后經透鏡匯聚到光纖，經光譜儀掃描，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

儀器由工控機系統和單片機控制系統組成，系統結構如圖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：主要負責與下位機的通訊、數據結果運算顯示和數據上傳等功能；

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

數據上傳：負責儀器與數據控制平臺的數據傳輸。

3 技術特點[4]

3.1 產品特點

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

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

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

④測定速度快，數據準確，可隨時監控生產過程中控制節點的樣品濃度。

3.2 產品功能

①通訊模式：內置GPRS無線TCP通訊，數據主動上報平臺中心站；

②接口：8路模擬量輸出，支持RS485/232數字輸出；

③測量時間：可任意選擇或連續；

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，并可設置自動清洗周期；

⑥可存儲12個月歷史運行數據，可查詢具體年月日的數據。

4 測試

根據HJ/T 102-2003《總氮水質自動分析儀技術要求》中規定的指標要求和測試方法對設計開發的水質總氮在線分析儀進行調試和測試。在調試過程中確定最優試劑濃度、最佳測試溫度及消解時間，根據相應測試方法和計算公式得出分析儀的性能指標見表1，相關指標完全達到標準要求。

5 結論

通過系統的程序軟件和電路設計，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作，設計出了總氮水質在線分析儀，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測儀的現狀與問題[J].環境科學與管理，2012，37（1）：161-164.

[2]方熠.水質中總氮測定的影響因素分析[J].廣州化學，2012，37（3）：14-17，23.

[3]李影，楊慧中.一種水質總氮總磷在線自動監測儀的優化設計[J].工業水處理，2013，33（5）：77-81.

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