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饮用水中微量有害离子自动检测系统
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摘要：0 引言 近年来，我国在环境保护方面虽然取得了一定进展，但环境污染形势严峻的状况尚未得到根本扭转［1］。长期严重的水污染影响着水资源利用、水生态系统的完整性以及人们的身
0 引言
近年来，我国在环境保护方面虽然取得了一定进展，但环境污染形势严峻的状况尚未得到根本扭转［1］。长期严重的水污染影响着水资源利用、水生态系统的完整性以及人们的身心健康。水污染问题已经对我国经济社会可持续发展产生重大的负面影响。因此，实时在线监测饮用水中重金属元素的浓度，对人类生产生活具有极其重要的意义［2］。
原子光谱、质谱分析和电化学分析等是目前常见的用于检测重金属的方法［3－4］。离线测试方式的缺点是样品在采集、运输、检测等过程中受到的污染较为严重，影响了测试结果的准确性［5］。本文设计的基于LabVIEW的微量砷、氟离子自动检测系统，数据整体操作比较简单、人机交互界面友好，避免了很多人为干扰因素，实现了完全自动化测量。
1 自动检测系统设计
1.1 系统技术路线
整个系统技术路线以研发、检测和识别重金属元素的在线监测设备为目标，采用基于高性能电极的阳极溶出伏安法多元素检测原理。上位机系统的控制程序模块实现了单元之间的互联和数据传输控制［6］。饮用水安全保障的多元素重金属在线监测智能系统的技术路线如图1所示。
图1 在线监测预警系统的技术路线图Fig.1 The technical roadmap of onlinemonitoring and early warning system
整个测试系统位于测试现场并处于等待状态。Web服务器端通过发送启动指令至现场测试系统的上位机，上位机发送远程启动指令，检测系统的上位机收到指令后启动整个测试流程。由于整个测试流程的周期可能比较长，检测仪器会定时发送当前的工作状态给服务器。整个测试结束后，测试的源数据以及计算得出的重金属离子浓度数据会一并发送至服务器端。其中重金属离子浓度数据会在指定的网页上显示，测试的源数据也可以在指定的位置下载，以供研究人员做进一步的分析。
1.2 自动进样系统设计
重金属检测过程中需要加入待测试液体和各种反应液，而多数液体的加入采用手动方式或者采用普通蠕动泵计时方式。随着加入液体体积的减少，其误差会越来越大，在进样精度和重复性上存在诸多缺陷。单个蠕动泵控制一路液体的方法效率低，控制繁琐。合理的管路分离装置可以提升仪器的测试效率和分析结果的准确性。
为解决上述技术问题，本自动检测系统提供了一种高效、交叉污染少、重复性好的自动进样系统，包括用于精确加入微量标准液的注射泵以及抽取大量液体的蠕动泵、用于控制管路通断的多通基板和电磁阀。由蠕动泵、多通基板和电磁阀构成的液体进样控制系统准确地实现了大量液体的抽取，有效减少了蠕动泵的个数，同时避免了交叉污染。根据自动检测系统的功能设定和所需自动进样试剂的种类，进样系统管路包括水样采集系统、氟离子检测自动进样系统和砷离子检测自动进样系统，其管路连接示意图如图2所示。
图2 自动进样系统管路连接示意图Fig.2 Schematic diagram of the pipeline connections of the automatic sampling system
1.3 检测系统的电路设计
饮用水微量离子自动检测系统的电路连接框图如图3所示。
图3 自动检测系统的电路连接框图Fig.3 Circuitry connections of the automatic detection system
检测系统电路以美国国家仪器（National Instrument，NI）公司生产的USB-6212数据采集卡作为核心，设计了基于三电极系统的恒电位仪、微弱信号检测的电流-电压转换电路和自动进样控制电路。
三电极电化学传感器包含工作电极（WE）、参比电极（RE）和辅助电极（AE）。WE的作用是在电极表面产生化学反应。RE在没有电流通过的前提下，用来维持工作电极与参比电极间电压的恒定。AE用来输出反应产生的电流信号，由测量电路实现信号的转换和放大［7］。如果直接在工作电极和参比电极间加电压，在电压的作用下，工作电极表面将产生化学反应。由于此时工作电极和参比电极间形成回路，反应所产生的电流将通过参比电极输出。随着反应电流的变化，工作电极和参比电极间的电压也会发生改变，无法保持恒定。加入辅助电极，就是要通过反馈作用，使工作电极和参比电极间的电压保持恒定，保证参比电极没有电流流过，强迫反应电流全部通过辅助电极输出。恒电位电路用于维持工作电极和参比电极间电位差恒定，其精简电路如图4所示。
图4中，电极通过运算放大器A3的反向输入端接虚地，保持在地电势，可以稳定研究电极和减少干扰。极化电流为阴极还原电流，运放A1和4个电阻构成反相加法电路。因此有：
文章来源：《自动化与仪器仪表》 网址: http://www.zdhyyqybzz.cn/qikandaodu/2020/0728/400.html