環(huán)境水質(zhì)綜合檢測(cè)箱的設(shè)計(jì)

藺馳原

（河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018）

水質(zhì)檢測(cè)對(duì)整個(gè)水環(huán)境保護(hù)、水污染控制、維護(hù)水環(huán)境健康以及保障民生等方面具有至關(guān)重要的作用。“十三五”期間，隨著環(huán)保執(zhí)法力度的持續(xù)加大和配套環(huán)境水質(zhì)在線檢測(cè)法律法規(guī)的相繼出臺(tái)，環(huán)境水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的需求大幅增長(zhǎng)，市場(chǎng)潛力巨大。對(duì)于廢水污染檢測(cè)系統(tǒng)和地表水檢測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2025 年將超過(guò)160 億元。

中國(guó)水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈。2010年后，隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平逐漸提升，水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備從以進(jìn)口設(shè)備為主逐漸轉(zhuǎn)向更多地考慮使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。現(xiàn)如今的國(guó)內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)儀按檢測(cè)目的可以分為多種：以納氏試劑分光光度法（GB/T 5750.5—2006）為基礎(chǔ)的水體氨氮檢測(cè)儀；利用電化學(xué)溶出伏安法測(cè)量水體中重金屬的水體重金屬檢測(cè)儀；在光電探測(cè)器中通過(guò)毒性生物的發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)行選擇的水體生物毒性檢測(cè)儀；技術(shù)較為成熟的pH 計(jì)、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）測(cè)定儀；綜合性的多功能消解儀和COD 氨氮總磷總氮測(cè)定儀[1-4]。因此，隨著溫度傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展和我國(guó)水質(zhì)分析儀器不斷突破技術(shù)瓶頸，未來(lái)高質(zhì)量、多功能、集成化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化和智能化將成為水質(zhì)分析儀器發(fā)展的主要趨勢(shì)。

以往的水質(zhì)檢測(cè)儀重心往往放在單個(gè)硬件檢測(cè)元件及配套的數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)上，而整體性、一體化的設(shè)計(jì)提出較少。大部分水質(zhì)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)還存在某些問(wèn)題，如不具備對(duì)取樣試管進(jìn)行清洗的功能和試管在放置時(shí)的穩(wěn)定問(wèn)題，因而提出了新型的設(shè)計(jì)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)流程

為了清晰闡述檢測(cè)流程，設(shè)計(jì)方案的整體結(jié)構(gòu)、處理箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、仰視結(jié)構(gòu)以及放置板爆炸結(jié)構(gòu)分別如圖1 ～圖4 所示。

1.1.1 裝置放置與清洗

位于箱體一側(cè)的處理箱（1）可為試管存放與清洗提供空間，容器以試管為例。將放置板拿出后，取出擋板即可根據(jù)具體需要將試管或其他器皿放入或取出。工作人員可將試管放進(jìn)放置槽（23）內(nèi)，用橡膠墊（24）與試管貼合。若存儲(chǔ)樣品，應(yīng)做好試管口的密封工作。通過(guò)以上方式可提高試管放置時(shí)的穩(wěn)定性，使該儀器在攜帶過(guò)程中盡量避免出現(xiàn)試管掉落情況。

進(jìn)水管上表面嵌合連接的堵頭在儲(chǔ)水室水量不足時(shí)，可開啟閥門并加入蒸餾水或去離子水。若需要最大化，利用儲(chǔ)水室可在加水時(shí)將儀器適當(dāng)傾斜。當(dāng)試管使用結(jié)束后，將試管放置在限位環(huán)（13）之間進(jìn)行固定，使連接桿可延伸進(jìn)試管的內(nèi)部，對(duì)試管內(nèi)殘留污染物進(jìn)行清洗。利用微型水泵（16）可對(duì)試管清洗所需的水進(jìn)行抽取，同時(shí)可利用水流對(duì)試管進(jìn)行沖刷。以上方式利用儲(chǔ)水室添加的蒸餾水及時(shí)清洗使用后的試管，從而方便后期使用試管。清洗2 ～3 次為宜[5]。清洗步驟也可以作為試管在采樣前的清潔 手段[6]。

1.1.2 水樣檢測(cè)

將采取好的水樣利用檢測(cè)箱內(nèi)的檢測(cè)儀器（5）進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)注意樣品液體盡量不發(fā)生外濺，防止損壞敏感的電子元件。

1.1.3 攜帶與保養(yǎng)

處理箱（1）與檢測(cè)箱（6）的下方均設(shè)有可伸縮的背帶（19），在運(yùn)輸過(guò)程中可對(duì)儀器進(jìn)行背負(fù)。箱蓋（2）具有一定的防水性且內(nèi)部有起緩沖作用的海綿，檢測(cè)完畢后應(yīng)及時(shí)將箱蓋扣合并將鎖扣扣好。

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)的初衷是把市場(chǎng)中現(xiàn)有的電子檢測(cè)儀器與文中新提出的部分設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出更靈活的新產(chǎn)品，不涉及對(duì)新型檢測(cè)儀器的開發(fā)。

整體設(shè)計(jì)的尺寸為500 mm×380 mm×250 mm， 檢測(cè)箱的預(yù)設(shè)尺寸為240 mm×310 mm×200 mm。在檢測(cè)箱中，既可以將儀器如便攜式農(nóng)藥快檢儀等儀器固定放置，也可以在對(duì)檢測(cè)箱經(jīng)簡(jiǎn)易改裝后將手持pH 計(jì)、手持多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀等小型儀器放入收納。以便攜式農(nóng)藥快檢儀為例，檢測(cè)箱內(nèi)部設(shè)有總電源，所以既可以把檢測(cè)箱與和用于預(yù)處理、后期處理的處理箱設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，也可以對(duì)檢測(cè)儀器按需靈活更換。

檢測(cè)箱的側(cè)表面通過(guò)可活動(dòng)的合頁(yè)連接箱蓋，箱蓋的開合角度擬設(shè)為0°～180°。箱蓋的內(nèi)部設(shè)置有填充的起緩沖作用的海綿，可對(duì)檢測(cè)儀器起到很好的防護(hù)作用。箱蓋表面有鎖扣，利用鎖扣將箱蓋扣合。

檢測(cè)箱的側(cè)面是處理箱。擋板上和處理箱中的彈簧分別命名①號(hào)彈簧和②號(hào)彈簧。①號(hào)彈簧長(zhǎng)度約為5 mm，②號(hào)彈簧長(zhǎng)度在45 ～50 mm。

在處理箱的內(nèi)部連有一個(gè)可滑動(dòng)的放置板，放置板的規(guī)格為230 mm×280 mm×40 mm。放置板上，設(shè)計(jì)成可以存放小試管4 個(gè)區(qū)域或長(zhǎng)試管2 個(gè)區(qū)域。在放置板的上表面設(shè)有80 mm×120 mm× 30 mm 的放置槽。若是長(zhǎng)試管，可擴(kuò)展為80 mm× 200 mm×30 mm 的放置槽。擋板的四角各安裝一根兩端固定的①號(hào)彈簧，且擋板位于放置槽的上方，擋板的下表面設(shè)有絕緣橡膠墊。因?yàn)槿萜饕话銜?huì)用如試管等易碎器皿，所以利用彈簧、橡膠等高彈性系數(shù)、可發(fā)生形變的物質(zhì)所產(chǎn)生的緩沖效果，可對(duì)內(nèi)置易碎容器起到一定的保護(hù)作用，提高耐沖擊能力。在放置板兩側(cè)與處理箱箱壁接觸的地方設(shè)有長(zhǎng)240 mm 的固定塊，放置板的側(cè)邊有用于抽取的皮帶把手。

處理箱的內(nèi)部位于放置板的下方，在其箱內(nèi)設(shè)有一個(gè)3.0 ～4.5 V 的電動(dòng)馬達(dá)。馬達(dá)可由內(nèi)置電源（電池）或總電源供電，馬達(dá)的輸出端與連接桿相連，連接桿的側(cè)表面安裝毛刷。在處理箱的內(nèi)底壁上下各分別固定一根②號(hào)彈簧，②號(hào)彈簧的設(shè)計(jì)可以有效緩解由于馬達(dá)作用而帶來(lái)的震動(dòng)。在②號(hào)彈簧遠(yuǎn)離處理箱的一端固定一個(gè)限位環(huán)，且限位環(huán)連接到連接桿的一端。連接桿遠(yuǎn)離馬達(dá)的一端設(shè)有擦拭布。

處理箱的前表面設(shè)有一根固定的進(jìn)水管，進(jìn)水管的上表嵌合一個(gè)密封性良好的堵頭。在處理箱的內(nèi)部通過(guò)隔板分隔出儲(chǔ)水室，儲(chǔ)水室的最大儲(chǔ)水量為 1.8 L。在處理箱中完成的清洗是利用儲(chǔ)水室中儲(chǔ)存的蒸餾水。處理箱的內(nèi)部位于②號(hào)彈簧的另一側(cè)設(shè)置一個(gè)抽水裝置，抽水裝置包括一枚12 V 的微型水泵，微型水泵可由總電源或內(nèi)置電源供電。微型水泵的兩頭分別連接水管，一側(cè)的水管延伸進(jìn)入儲(chǔ)水室的內(nèi)部，另一側(cè)的水管固定在連接桿的上方。儲(chǔ)存的蒸餾水流經(jīng)水泵連接的水管，可清洗放置在限位環(huán)上的取樣容器，同時(shí)利用與馬達(dá)相連的毛刷對(duì)容器內(nèi)壁進(jìn)行深度清洗。這項(xiàng)設(shè)計(jì)可代替一些清洗為目的的設(shè)備，充分發(fā)揮整合的作用。

在處理箱與檢測(cè)箱的下方均設(shè)有凹槽，凹槽的內(nèi)部設(shè)置背帶。背帶采用內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，方便工作人員的使用，同時(shí)可搭配日字扣調(diào)節(jié)背帶長(zhǎng)度[7-10]。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 一體化設(shè)計(jì)

采取一體化的設(shè)計(jì)思想，將檢測(cè)儀器、清洗裝置和容器樣本儲(chǔ)存整合在一起，使工作人員無(wú)須攜帶其他清洗裝置和試管架等物品。為適應(yīng)不同的檢測(cè)需求，可對(duì)檢測(cè)儀器采取不同的組合，靈活調(diào)整。

一體化設(shè)計(jì)要求從設(shè)計(jì)思考方式的層面上開始關(guān)照設(shè)計(jì)全流程，這在空間設(shè)計(jì)上體現(xiàn)得尤為明顯。在加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的時(shí)代背景下，充分發(fā)展裝備制造業(yè)工業(yè)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)其向價(jià)值鏈高端延伸，增強(qiáng)其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、推進(jìn)制造業(yè)與服務(wù)業(yè)融合發(fā)展以及全面實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

2.1.2 保護(hù)性裝置

當(dāng)試管放入放置槽的內(nèi)部后，利用彈簧彈性可調(diào)節(jié)擋板高度。由于彈簧能夠發(fā)生形變，會(huì)把物體的能量轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，從而減輕沖擊作用。橡膠墊可與試管的表面貼合，增強(qiáng)試管放置時(shí)的穩(wěn)定性，防止該儀器在攜帶過(guò)程中發(fā)生試管掉落或碎裂的情況。

2.1.3 清洗裝置

與現(xiàn)有技術(shù)相比，環(huán)境水質(zhì)綜合檢測(cè)箱通過(guò)安裝的馬達(dá)、毛刷等元件，配合水泵引流的蒸餾水，可對(duì)試管內(nèi)壁進(jìn)行清洗。對(duì)于目標(biāo)水質(zhì)較為復(fù)雜或者含表面懸浮性物質(zhì)時(shí)，清洗步驟可以方便后期對(duì)試管進(jìn)行二次使用。如利用儀器對(duì)水樣進(jìn)行重金屬或有毒有害生物成分檢測(cè)，清洗便捷對(duì)于儀器防污和人員安全顯得格外重要。若在檢測(cè)前發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)沾染塵土?xí)r，還可以作為預(yù)處理進(jìn)行清洗。

2.1.4 便攜裝置

通過(guò)設(shè)置的背帶，工作人員可以背負(fù)方式攜帶該儀器，方便了該儀器在戶外的使用，并可延伸至某些復(fù)雜地形，從而擴(kuò)大該儀器的適用范圍。

2.2 缺點(diǎn)與對(duì)策

從改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析，不排除出現(xiàn)氧化、使用次數(shù)等引起的設(shè)備部分元件的老化問(wèn)題。第一，第一水管和第二水管的堵塞問(wèn)題。由于進(jìn)入儲(chǔ)水室的水質(zhì)（如硬度）的不同，內(nèi)部會(huì)沉淀水垢，水垢會(huì)隨著水流進(jìn)入水管導(dǎo)致堵塞，同時(shí)隨水進(jìn)入儲(chǔ)水室的某些不容性物質(zhì)也可導(dǎo)致水管堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水管發(fā)黑并滋生細(xì)菌。對(duì)此可以定期檢查水管，若有堵塞及時(shí)疏通或更換，也可以使用雜質(zhì)較少的蒸餾水或去離子水。對(duì)于細(xì)菌滋生，可考慮定期加入消毒水或酒精進(jìn)行消毒清洗。消毒清洗可采用空載方式。消毒完成后應(yīng)再次用蒸餾水或去離子水清洗，目的是去除殘留的消毒劑，防止對(duì)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。第二，對(duì)于馬達(dá)的拼接金屬或塑料外殼不排除進(jìn)水可能。馬達(dá)的整體防水系數(shù)不如水泵，若進(jìn)水，其內(nèi)部電路易發(fā)生短路。對(duì)于馬達(dá)等電子元件，可以考慮在其外殼表面涂一層防水漆（膠），提升其防水性。第三，第一彈簧和第二彈簧的反復(fù)使用引發(fā)金屬疲勞導(dǎo)致彈性降低。隨著使用次數(shù)的增加，彈簧的彈性系數(shù)減小導(dǎo)致處理效果下降，故要定期檢查彈簧彈性。第四，敏感儀器整體防水性。在箱蓋的連接處可能發(fā)生滲水現(xiàn)象，對(duì)此可在縫隙中增設(shè)一層橡膠圈。第五，攜帶時(shí)要注意儀器外殼的棱角防止磕碰，考慮在棱角處設(shè)置橡膠或海綿等質(zhì)地松軟的護(hù)墊。第六，儲(chǔ)水室裝滿水后會(huì)增加儀器重量，可能會(huì)對(duì)工作人員的體力消耗較大，因此可以根據(jù)具體情況酌情注水。

3 預(yù)期效益與前景

3.1 應(yīng)用前景

近幾年，隨著水污染程度不斷加深和公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)水質(zhì)檢測(cè)提出了更高要求，在一定程度上推進(jìn)了水質(zhì)檢測(cè)產(chǎn)品的建設(shè)發(fā)展。從市場(chǎng)需求與購(gòu)買意向上看，使用方便、功能更加齊全且體積更小的集成化儀器更受人們的青睞。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于產(chǎn)品賣家，可以將本設(shè)計(jì)與自家的檢測(cè)設(shè)備配套出售，以滿足買家對(duì)多功能、集成化產(chǎn)品的期望，提高產(chǎn)品對(duì)買家的吸引力，提升銷售量并產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于買家，本設(shè)計(jì)降低了檢測(cè)成本。對(duì)比傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)方式，集成的產(chǎn)品可以減少人工成本和設(shè)備采購(gòu)成本，明顯降低水質(zhì)檢測(cè)的整體成本，性價(jià)比高，減少了實(shí)地檢測(cè)人員的配置，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)成本、人力成本和時(shí)間成本控制更理想。

3.3 社會(huì)效益

環(huán)境檢測(cè)作為展開環(huán)境維護(hù)工作的前提，它的存在為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的整合與共同開展提供了強(qiáng)而有力的信息支撐，并且在經(jīng)濟(jì)開展上促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)質(zhì)量，在環(huán)境維護(hù)上節(jié)約了不可再生的自然資源，為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一種便攜式環(huán)境水質(zhì)綜合檢測(cè)箱，方案設(shè)計(jì)貼合國(guó)內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)行業(yè)加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品功能集成化、一體化研究設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，并具體介紹了其實(shí)驗(yàn)方案和原理。它的最大優(yōu)勢(shì)在于可與市場(chǎng)中現(xiàn)有的檢測(cè)儀器相結(jié)合，并加入了對(duì)容器器皿儲(chǔ)存運(yùn)輸和清洗的功能，省去了工作人員對(duì)具有類似功能裝備的攜帶。對(duì)于買家，它可有效節(jié)省成本；對(duì)于賣家，它大大提高了產(chǎn)品的吸引力，帶來(lái)了積極的效益。此外，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用前還需進(jìn)行如防水、高負(fù)荷使用等測(cè)試，并對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的新缺陷和漏洞提出解決和升級(jí)方案。