可攜式水質分析儀的製作方法
2023-09-22 13:28:40 1
專利名稱：可攜式水質分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用電化學方法測試或分析材料的裝置，更確切地說是涉及一種水質分析儀。
水體內重金屬元素離子的測定是水質分析中的一個重要內容，目前大都採用經典的化學分析法測定這些微量元素離子，但化學分析法操作繁瑣、且容易造成二次汙染；某些條件較好的水質分析部門則使用原子吸收光譜儀，但原子吸收光譜儀價格較貴，安裝、使用及維護費用都比較高且不便在室外使用。
本實用新型的目的是設計一種可攜式水質分析儀，可快速、連續、準確地定量分析出水中的多種微量元素，操作簡便且可攜帶到室外使用，具有同原子吸收光譜儀相同的靈敏度及準確度水平、且成本低廉。
本實用新型的可攜式水質分析儀是根據電位溶出原理設計的，電位溶出法是近年來由瑞典科學家在陽極溶出法的基礎上發展起來的一種電化學分析方法，其要點是在待測樣品溶液中加入二階錄離子，用玻碳電極作工作電極，在工作電極上施加恆定的負電位對溶液進行電解。首先執行富集過程，即溶液中的二階汞離子被還原成汞，樣品溶液中的金屬離子也被還原成金屬並與汞結合生成汞齊化金屬沉積於工作電極表面，經過一段時間後，斷開工作電極上的恆定負電位停止電解；再執行溶出過程即沉積於工作電極表面的汞齊化金屬在溶液中氧化劑(如二階汞、溶解氧等)作用下被氧化成離子，根據其氧化還原電位順次地脫離工作電極表面回到樣品溶液中去，每當一種金屬溶出完畢時，工作電極上的電位都將有一個突躍。一種金屬從開始溶出到溶出完畢所需的時間與其濃度成正比。因此可以用電位突躍之間的時間值來計算金屬離子的含量。
本實用新型的可攜式水質分析儀，由電解裝置和分析儀主體組成，電解裝置包解電解杯和伸入電解杯中的工作電極和輔助電極，所述的分析儀主體包括單片機、與單片機I/O口連接的程序存貯器、數據存貯器、A/D變換器、D/A變換器、採樣電路、鍵盤及顯示器的接口電路和列印輸出電路，其特徵在於所述的電解裝置還包括一旋轉杯託，所述的電解杯置於旋轉杯託上並隨杯託一起旋轉，還包括一伸入電解杯中的參比電極；所述的採樣電路由電子開關組、阻抗變換電路、過零電路、二階微分放大電路和有源濾波電路組成，電子開關組開關控制端接單片機I/O端，電子開關觸點端分別連接電解裝置電極及阻抗變換電路，阻抗變換電路一路輸出連接A/D變換器，輸出另一路並接過零電路和二階微分放大電路輸入端，二階微分放大電路輸出連接有源濾波電路，過零電路輸出和有源濾波電路輸出分別接單片機I/O口，阻抗變換電路輸入端接D/A變換器輸出端，並經電子開關組接電解裝置電極。
分析儀各部分在單片機控制下協調工作，待測樣品溶液加在電解杯內，工作時富集電壓加在工作電極和輔助電極之間，旋轉杯託帶動電解杯作恆速旋轉對樣品進行攪拌，達到規定的動態和靜態富集時間後，儀器自動控制溶出狀態。
參比電極隨時檢測工作電極上的電位變化，在富集時它能自動調整富集電壓，使之隨工作電極與輔助電極之間的電壓自動跟隨變化，從而保證富集電壓恆定；在溶出時，它可準確地檢測出工作電極上電位的突躍信號。
工作電極上電位的突躍信號，經過阻抗變換電路及二階微分放大電路，分別送模數轉換器和單片機，經單片機處理和計算後，由印表機輸出分析結果。
下面結合實施例附圖進一步說明本實用新型的技術。
圖1、可攜式水質分析儀硬體結構框圖圖2、圖1所示原理方框的實施電路圖圖3、圖2所示阻抗變換電路、過零電路、二階微分放大電路及有源濾波電路的實施電路圖。
圖4、電解裝置結構示意圖圖5、可攜式水質分析儀工作流程圖參見圖1、100為單片機，101為鍵盤及顯示器接口，102為程序處理器ROM，103為數據處理器RAM，104為電子開關組，105為數模D/A轉換器、106為模數A/D轉換器，107為阻抗變換電路，108為過零電路，109為二階微分放大電路，110為有源濾波電路。100-110構成可攜式水質分析儀主體。
200為健盤，300為顯示器，400為電解裝置，500為列印輸出。
單片機100控制電子開關組104的通斷狀態組合，使電解裝置的輔助電極和工作電極在富集過程時與D/A轉換器105接通，將富集電壓加於電極上；溶出時則使之斷開。參比電極將採到的富集或溶出電壓經阻抗變換電路107一路輸出送A/D變換器106轉換成二進位數據送單片機計算處理，另二路輸出分別送過零電路108和二階微分放大電路109、有源濾波電路110，取溶出到零的時間及取溶出電位突躍的最快變化率。電子開關組同時還控制電解裝置的杯託旋轉，對待測溶液進行攪拌。
參見圖2，單片機100採用MCS-51系列的8031，數據存貯器RAM103採用8K字節6264，地址編碼0-1FFFH，程序存貯器ROM102採用8K字節2764。單片機8031、數據鎖存器74LS573、澤碼器74LS138/RAM6264和ROM2764構成單片機基本系統。
8031片內計數器、定時器TO和T1作為富集定時和對溶出時間進行計時，它們受外部過零電路、微分放大電路信號控制，計數器溢出時向8031發出中斷信號。
數模轉換器105採用DAC0832，採用單緩衝器工作方式，地址為5FFFH，由LF356將D/A轉換器輸出(OUT1、OUT2)的電流信號轉換成電壓信號，經S端送電子開關組104。模數轉換器106採用ADC0809，其地址編碼為3FF8H-3FFFH。來自阻抗變換電路107的富集或溶出電壓由A/D變換器的INO端輸入，由於分析儀工作時只用一路模數轉換輸入，故A/D的地址編碼輸入端A、B、C全部接地。
分析儀的外圍設備是鍵盤200、數碼顯示器300和微型印表機500，鍵盤和數碼顯示器是通過專用接口8279與單片機8031連接，8279的地址編碼為9FFEH-9FFFH。實施例鍵盤共設24個鍵，包括0-9十個數字鍵和QO-QD十四個功能鍵。顯示器為四位七段數碼管，75451及7407為顯示驅動器，微型印表機500採用GP16，通過電纜線直接與單片機8031相接，地址為7FFFH。
單片機8031通過P1口(P1.0-P1.3)控制電子開關組104，阻抗變換電路107輸出還送過零、二階微分放大及有源濾波電路108-110，過零電路及有源濾波電路輸出信號送單片機P1口(P1.4-P1.7)。
圖中400為電解裝置，C、W、R分別為輔助電極、工作電極和參比電極。
參見圖3，阻抗變換電路107由運算放大器U1、U2、U3、U4，電阻R1、R2、R3、R4和電容C1構成，U1負輸入端接C1一端和電子開關J1-1公共觸點，U1正輸入端接D/A變換器輸出端，C1另一端並接電子開關J1-1觸點一端、U1輸出端和電子開關J1-2公共觸點，電子開關J1-2觸點一端接輔助電極，電子開關J1-1觸點另一端接參比電極和電子開關J2-1觸點一端，電子開關J2-1觸點另一端接U3負輸入端、電子開關J2-2公共觸點和地，電子開關J2-2觸點一端接工作電極，電子開關J2-1公共觸點接U2正輸入端，U2負輸入端接U2輸出端和R1一端，U3正輸入端接U3輸出端和R2一端，R1另一端接U4負輸入端和R4一端，R2另一端接R3一端和U4正輸入端，R3另一端接地，R4另一端並接所述的過零電路、二階微分放大電路和模數轉換器。
觸點J1-1、J1-2是繼電器J1的兩組觸點，觸點J2-1、J2-2是繼電器J2的兩組觸點，另有繼電器J3作為控制杯託旋轉的電子開關。繼電器作為電晶體的負載，受單片機P1口的控制，其電路圖為普通的電晶體單管開關電路，圖中未示出。
開機後，J2-1的1與2短接，J2-2的1與2短接；富集時J1-1的1與3短接，J1-2的1與2短接，使輔助電極C和工作電極W與D/A轉換器(S)接通，將富集電壓加於電極W與C間，溶出時，J1-2的1與2斷開，J1-1的1與3斷開且1與2短接，U1接成電壓跟隨器。
過零電路由運算放大器U5、U6，電阻R5、R6、R7、R8構成，R5一端接阻抗變換電路輸出，R5另一端接U5負輸入端和R7一端，U5正輸入端接R6一端，U5輸出端接R7另一端和U6負輸入端，R6另一端和U6正輸入端接地，U6輸出端接單片機I/O端(P1.6)和通過R8接電源正。當溶出到零時過零電路輸出「O」信號，通過單片機進入下一個富集過程。
二階微分放大電路由運算放大器U7、U8，電阻R9、R10、R11、R12、R13、R14，電容C2、C3、C4、C5，穩壓二極體DW1、DW2、DW3構成，R9一端接阻抗變換電路輸出，R9另一端接C2一端，C2另一端並接U7負輸入端、C3一端、R10一端和DW1負端，U7輸出端並接DW1正端、R10另一端、C3另一端和R12一端，R12另一端接C4一端，C4另一端並接U8負輸入端、C5一端、R13一端和DW2正端，DW2負端接DW3負端，U8輸出端並接DW3正端、R13另一端、C5另一端和所述的有源濾波電路，U7正輸入端通過R11接地，U8正輸入端通過R14接地。
有源濾波電路由運算放大器U9、U10，電阻R15-R19，電容C6-C8構成，R15一端並接C6一端和二階微分放大電路輸出端，R15另一端並接C7一端和R17一端，C6另一端並接R16一端和C8一端，R17另一端並接C8另一端和U9正輸入端，R16另一端並接C7另一端和U10的負輸入端及輸出端，U9負輸入端並接U9輸出端和R18一端，R18另一端接U10正輸入端和通過R19接地。
還包括一正負信號取樣電路，與所述的有源濾波電路輸出端連接，輸出正、負溶出電壓突躍變化率信號送單片機I/O口(P1、4P1.5)。
參見圖4，1為底座，2為外罩，3為旋轉杯託，4為電解杯，5為工作電極、6為輔助電極(鉑金)、7為參比電極(甘汞)，8為電極座、9為電極支杆，10為鎖緊螺釘、11為滑座，12為支杆，13為外圓罩。電極支杆9可上下滑動定位，使電極插入電解杯4中。
目前對樣品的攪拌方式包括採用轉動電極(如常用的圓盤電極)和採用攪拌杆、攪拌槌、攪拌子(如常用的電動或磁力攪拌品)兩種，本實用新型採用電極不動、由旋轉杯託帶動電解杯轉動從而使樣品相對電極作恆速旋轉運動的攪拌方式，不同於上述兩種攪拌方式，具有攪拌線速度高、穩定性好、攪拌效果好的特點。
參見圖5，本分析儀軟體採用模塊化結構，由主程序和若於中斷服務子程序組成。
系統上電或按復位鈕後即進行初始化，對單片機和各接口晶片的初始狀態進行設置，在進行初始化前先運行一段延時程序用於等待各晶片完成復位，保證分析儀正常工作。初始化後轉入等待鍵盤輸入狀態，一旦有鍵按下，接口片8279即向單片機發出中斷申請，當8031響應中斷申請後先判別是數字鍵還是命令鍵，如果是數字鍵，則讀入鍵值後送數據緩衝區暫存，同時送數碼顯示器顯示；如果是命令鍵，則按鍵值分散轉各服務子程序。
圖中各框意義是501-開機；502-延時100ms；503-顯示提示符等待鍵入；504-操作鍵盤設置富集時間、攪拌時間、靜止時間和設置電解電壓值；505-單片機TO及T1定時器工作裝入初值，D/A轉換器工作輸出電解電壓；506-電解電壓經電子開關加在電極上並自動調節該電壓大小，阻抗變換器讀出電解電壓送A/D變換器，507一定時時間到，電子開關組動作斷開電解電壓和控制溶出；508-溶出開始後微分電路工作，阻抗變換器及A/D轉換器採樣溶出電壓值並送單片機，溶出時間計時器工作，以0.01秒為單位計時；509-溶出到零，過零電路輸出過零信號，單片機按溶出時間計算元素含量，送印表機列印處理結果，並重複步驟504至509；510-操作STOP鍵，暫停工作，保留設置參數。
實施例水質分析儀可設置手動，自動兩種操作方式，手動時由人工設置測試參數與條件，列印出全部測試數據，再由用戶選擇處理計算出最終結果，可測定水中的鋅、鉛、鎘、銅、鎵、錫、銻、鉍、鉈、鉀、鈉、鈣等金屬元素和砷、碲等非金屬元素。一份樣品能同時測2-3種元素，測試一次需用20分鐘左右的時間；自動時，自動設置測試參數和列印輸出最終結果，可對最常用的四種元素鋅、鎘、鉛、銅作測定，一份樣品同時測2-3種元素，測試一次樣品20分鐘左右。本分析儀除了可測定分析水中的金屬、非金屬元素外，還可測定血、尿、毛髮、生物組織、食品、飲料、藥品、礦物、中草藥、化妝品和土壤等樣品中的上述微量元素，可應用於水質和環保監測、臨床檢驗、保健普查、食品及藥品檢驗、勞動保護和農業科研等部門。
本分析儀實施例可測定水溶液中含量僅為10-9克/毫升的微量元素，變異係數小於5％，價格僅為原子吸收光譜儀的十幾分之一，體積300×230×120mm，重量2kg，是一種高性能價格比的可攜式儀器。
權利要求1一種可攜式水質分析儀，由電解裝置和分析儀主體組成，電解裝置包解電解杯和伸入電解杯中的工作電極和輔助電極，所述的分析儀主體包括單片機、與單片機I/O口連接的程序存貯器、數據存貯器、A/D變換器、D/A變換器、採樣電路、鍵盤及顯示器的接口電路和列印輸出電路，其特徵在於所述的電解裝置還包括一旋轉杯託，所述的電解杯置於旋轉杯託上並隨杯託一起旋轉，還包括一伸入電解杯中的參比電極；所述的採樣電路由電子開關組、阻抗變換電路、過零電路、二階微分放大電路和有源濾波電路組成，電子開關組開關控制端接單片機I/O端，電子開關觸點端分別連接電解裝置電極及阻抗變換電路，阻抗變換電路一路輸出連接A/D變換器，輸出另一路並接過零電路和二階微分放大電路輸入端，二階微分放大電路輸出連接有源濾波電路，過零電路輸出和有源濾波電路輸出分別接單片機I/O口，阻抗變換電路輸入端接D/A變換器輸出端，並經電子開關組接電解裝置電極。
2.根據權利要求1所述的可攜式水質分析儀，其特徵在於，所述的阻抗變換電路由運算放大器U1、U2、U3、U4，電阻R1、R2、R3、R4和電容C1構成，U1負輸入端接C1一端和電子開關J1-1公共觸點，U1正輸入端接D/A變換器輸出端，C1另一端並接電子開關J1-1觸點一端、U1輸出端和電子開關J1-2公共觸點，電子開關J1-2觸點一端接輔助電極，電子開關J1-1觸點另一端接參比電極和電子開關J2-1觸點一端，電子開關J2-1觸點另一端接U3負輸入端、電子開關J2-2公共觸點和地，電子開關J2-2觸點一端接工作電極，電子開關J2-1公共觸點接U2正輸入端，U2負輸入端接U2輸出端和R1一端，U3正輸入端接U3輸出端和R2一端，R1另一端接U4負輸入端和R4一端，R2另一端接R3一端和U4正輸入端，R3另一端接地，R4另一端並接所述的過零電路、二階微分放大電路和模數轉換器。
3.根據權利要求1所述的可攜式水質分析儀，其特徵在於所述的過零電路由運算放大器U5、U6，電阻R5、R6、R7、R8構成，R5一端接阻抗變換電路輸出，R5另一端接U5負輸入端和R7一端，U5正輸入端接R6一端，U5輸出端接R7另一端和U6負輸入端，R6另一端和U6正輸入端接地，U6輸出端接單片機I/O端和通過R8接電源正。
4.根據權利要求1所述的可攜式水質分析儀，其特徵在於二階微分放大電路由運算放大器U7、U8，電阻R9、R10、R11、R12、R13、R14，電容C2、C3、C4、C5，穩壓二極體DW1、DW2、DW3構成，R9一端接阻抗變換電路輸出，R9另一端接C2一端，C2另一端並接U7負輸入端、C3一端、R10一端和DW1負端，U7輸出端並接DW1正端、R10另一端、C3另一端和R12一端，R12另一端接C4一端，C4另一端並接U8負輸入端、C5一端、R13一端和DW2正端，DW2負端接DW3負端，U8輸出端並接DW3正端、R13另一端、C5另一端和所述的有源濾波電路，U7正輸入端通過R11接地，U8正輸入端通過R14接地。
5.根據權利要求1所述的可攜式水質分析儀，其特徵在於有源濾波電路由運算放大器U9、U10，電阻R15-R19，電容C6-C8構成，R15一端並接C6一端和二階微分放大電路輸出端，R15另一端並接C7一端和R17一端，C6另一端並接R16一端和C8一端，R17另一端並接C8另一端和U9正輸入端，R16另一端並接C7另一端和U10的負輸入端及輸出端，U9負輸入端並接U9輸出端和R18一端，R18另一端接U10正輸入端和通過R19接地。
6.根據權利要求1所述的可攜式水質分析儀，其特徵在於還包括一正負信號取樣電路，與所述的有源濾波電路輸出端連接，輸出正、負溶出電壓突躍變化率信號送單片機I/O口。
專利摘要本實用新型涉及一種水質分析儀，可定量分析出水中的多種微量元素，由電解裝置和分析儀主體構成，電解裝置包括電解杯、旋轉杯託和參比、工作、輔助電極。分析儀主體包括單片機系統、A/D片、D/A片、顯示及鍵盤接口、列印輸出和採樣電路。採樣電路由阻抗變換電路、電子開關組、過零電路、二階微分放大電路和有源濾波電路組成。富集過程單片機控制向電極施加電解電壓，溶出過程單片機讀溶出電壓，經處理計算後列印測定結果。
文檔編號G01N27/26GK2224421SQ9520044
公開日1996年4月10日 申請日期1995年1月11日 優先權日1995年1月11日
發明者鄧伯莊, 朱燕 申請人:鄧伯莊, 朱燕