饮用水砷/氟智能检测仪器设计

赵欣　倪瑞　杨全年

摘 要：文章介绍一种可以自动测定饮用水中氟离子成分和砷离子成分的电化学检测仪器。该仪器在对饮用水中的砷和氟进行全自动检测的同时还能实现全自动更换检测电极的功能。该仪器的主要组成包括自动抽样管路和阀系统；包含对氟离子具有选择性的电极的氟离子检测装置；利用阳极溶出伏安法的差分脉冲砷离子测定系统；用于在砷离子检测过程中自动更换检测电极的装置；用于在砷离子检测过程中对水样进行温控消解的器件；为了电化学检测的恒电压线路；以及检测微弱电流信号电流线路。经测试，该仪器能够快速、精确地检测出饮用水中的砷离子和氟离子成分。

关键词：检测仪器；氟离子浓度；砷离子浓度；电极自动更换装置；温控消解装置

引言

氟中毒是一种全身慢性疾病，前期表现为头晕、头痛、记忆力减退。氟斑牙和氟骨症主要是因为过量的氟进入人体后沉积在牙齿和骨骼中形成的。砷中毒会损害人体的皮肤、导致毛发脱落，继发感染，最终转变为皮肤原位癌。长期接触氟的人群有高肺癌发病率。通常检测氟采用氟离子选择电极，而检测砷使用基于阳极溶出伏安法的差分脉冲测量。由于自然界中井水氟含量超标常常伴有砷含量超标。所以该仪器的设计同时考虑了两种因素，设计了能同时测定砷和氟在水中的离子成分的检测仪器。另外，在测试较多样品时，使用手工更换电极，操作效率很低。因此文章研究开发了一种快速、精确、自动地测定饮用水中的砷离子和氟离子成分的仪器。

1 机柜整体设计

饮用水砷/氟智能检测仪器的机柜有上中下三层结构：下层主要摆放稳压电源、废液瓶等装置；中间层主要固定电路板器件，砷、氟检测杯，用于测定砷离子的自动转换选择性检测电极的装置，用于测定样品砷离子的温控制消解器，自动抽样的管路和阀；上层用来安放各种试剂瓶。

机柜是钣金框架的，四周有面板，主要尺寸为（长×宽×高）：500mm×550mm×700mm。前面板用来固定触屏电脑，带门把手的活动上面板，有利于随时打开更换各种药品，其它面板直接焊死。图1是砷/氟智能检测仪器的机箱SolidWorks部件装配体。

2 仪器的机械部分设计

2.1 自动抽样系统

该智能测定仪器的自动抽样管路是一种快速、交叉污染少、反复性好的管路系统。分别是由可以准确添加微量标准试剂的注射器、以及抽取较多液体的蠕动泵、可以实现管路之间切换的多歧板和一系列电磁阀组成。准确地实现大量水样的采样主要靠由蠕动泵、多歧板和电磁阀组成的水样采集控制管路，该管路使蠕动泵的数目大大地减少了，同时消除了试剂间的交叉污染。

根据砷/氟智能测试仪器的基本功能和每次自动添加的测量所用药品类别，自动抽样管路含有氟离子测定自主进样管路、砷离子测定自主进样管路和水样采集管路，其管路连接见图2。

样品采集管路由抽水隔膜泵（2个）、一般电磁阀（1只）和样品贮存瓶（1个）组成。氟离子检测进样管路由四进一出多歧板（1个）、一般电磁阀（4只）、蠕动泵（1个）、氟离子测试杯（1个）和排水隔膜泵（1个）组成。砷离子检测自动进样系统由四进一出多歧板（1个）、二进一出多歧板（1个）、精密注射泵（1个）、蠕动泵（3个）、一般电磁阀（5只）、耐压电磁阀（3只）、消解器（1个）、砷离子测试杯（1个）和排水隔膜泵（1个）组成。

2.2 测定砷离子的样品温控消解器

假设在待测水体中含有较多有机物等杂质，在通过电化学方法检测样品中的金属离子成分等化学指标时，会在检测前把待测样品进行高温消解处置。消除有机物和悬浮物是主要目的，并氧化或者还原不同形态或者价态不同的金属离子成单一价态，便于检测。消解后得到清澈的待测水样。

消解装置由不锈钢制成的测试釜、加热圈、温控器、数据接头、单片机和外围电路与电脑用户软件等组成，消解器上安放了三只高温耐压电磁阀、压力表和特殊防爆膜。对消解反应釜进行环形加热的是环形电加热圈，实现了均匀和快速地加热，同时环形加热圈通过温控器和电脑电连接，为了准确地操作加热的温度与时间我们使用用户软件来确保了消解处理的完全。并且为了实现了进水、排水和排气的有序动作，我们使用进水阀、排水阀、排气阀三只耐压电磁阀，提升了消解处理的成效，对消解处理的控制性提升了。在样品消解处理时，利用进水阀将采集样品和强氧化剂加入反应釜里，加热后内部液体降温至正常，打开排气阀，然后再利用进水阀加入还原剂，与被氧化的中间样品再进入高温高压处理，反应完成后接着打开排气阀，等降温至正常后打开排水阀得到消解后的样品。（图4）

2.3 测定砷离子的自动转换电极装置

用于测定砷离子的自动转换选择性检测电极的装置是基于一种电控精密台，工作时，把精密电控平移台和精密电控旋转台以及步进电机驱动器的串行数据口分别连接并对应上，步进电机驱动器均与单片机电连接。在饮用水砷/氟智能测定仪器工作时，图5砷离子测定的自动转换检测电极装置：图5（a）是砷离子测定的自动转换检测电极装置的整体装配示意图；图5（b）是测定砷离子的自动转换检测电极装置中触杆固定台和电极旋转圆盘组合成的信号引出部件的等轴测图；图5（c）是砷离子测定的自动转换检测电极装置中为了引出信号部件的触杆的组合概略图；图5（d）是测定砷离子的自动转换检测电极装置为了引出信号部件的电极触头的组合概略图。单片机分别向步进电机驱动器发送动作信号，步进电机驱动器分别带动精密电控平移台、精密电控旋转台进行动作。精密电控旋转台带动电极旋转圆盘转动，以便各个电极的触头逐个和触杆碰触，然后引出对应电极上的信号，供后续电路处理。

3 仪器的电路部分设计

图6是饮用水砷/氟智能测定仪器的线路的连接方框图，以美国国家仪器（National Instru-ment，NI）公司设计的USB-6212数据采集卡当成系统中心，提出了利用三电极电路的恒电压线路、检测微弱信号的电流-电压转换电路和自动抽样操作电路。NI公司生产的USB-6212是一种总线供电的多功能DAQ器件。其即插即用的功能很大程度地减少了配置和设置耗时。还有，USB-6212采用了前沿的信号读写技术，在USB总线上达到了双向高速数据流操作。

3.1 提供仪器电化学检测的恒电压线路

电化学三电极工作电路包括工作电极（Working Electrode， WE），参考电极（Reference Electrode， RE）和辅助电极（Auxiliary Electrode，AE）。电化学三电极检测线路有两个环路：检测电极和参照电极形成的环路用来测定检测电极的电化学处理进程，当检测电极的表面发生化学反应时，参照电极在没有电流流过的情况下，该电路能够用作保持检测电极与参照电极间电压的稳定；检测电极和辅助电极组成的环路传输电子，辅助电极可以输出反应所生成的电流信号。

3.2 测试微弱电流信号电流线路

目前常见的测试微弱电流信号线路有取样电阻法、电流反馈法、积分法，为了测量微弱电流通常使用电流负反馈直流放大器来实现电流-电压转换。其道理如下：（1）需要很大的反馈系数，需要给予理想的反馈电阻。（2）要求较快速的反应时间。本仪器中所使用电流-电压转换线路大概布置如图8所示。能把电流转化精度为10nA，R1，R2，R3形成T形网络，反馈阻值为R1（l+R2/R3），能实现在获得较大的反馈系数的同时又能使R1的阻值依然较小。

电流-电压转换后面的信号放大器是前置的放大器，其噪声特性和增益对整个电路的性能的影响，是前置放大电路和低噪声计算的主要难点。关键是如何在电路设计中降低该级噪声，一般在前置放大电路的输出之后接上一个有特定截止频率的带通滤波器，为了抑制工频干扰和噪声影响，该仪器采用4阶Sallen-Key结构的巴特沃斯滤波器。经测试，可以去除信号中的直流分量，优化电路的动态范围。（图9）

4 结束语

用作砷离子测定的自动转换检测电极装置可以迅速地转换检测电极，提高仪器单次使用时长，达到很长时间无人看管。基于饮用水中砷离子就算在富集后传感器的响应信号也比较微弱的情况，该仪器建立了电路的噪声模型并模拟其噪声特性，最后完成电路搭建方案。测试和分析显示该智能测试仪器拥有很高的精度和灵敏度，电化学检测仪器可以取代成品电化学检测站进行阳极溶出伏安法差分脉冲测量。

参考文献

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[2]高小明.水环境重金属检测仪器的硬件设计[D].浙江大学，2010.

[3]李波，贾金明.饮用水中有害离子检测分析仪设计[J].计算机测量与控制，2014，22（2）：633-635.