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一種可攜式水環境重金屬檢測儀的製作方法

2023-08-06 03:32:21 1

一種可攜式水環境重金屬檢測儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種可攜式水環境重金屬檢測儀,尤其涉及一種採用三極檢測、可以檢測多金屬濃度的可攜式水環境重金屬檢測儀,包括微處理器模塊以及與微處理器模塊連接的電源模塊、按鍵處理模塊、恆電位儀模塊、攪拌器及驅動模塊、顯示模塊和接口模塊,恆電位儀模塊包括三電極式電化學傳感器,三電極式電化學傳感器包括工作電極、輔助電極和參比電極,參比電極通過第一跟蹤器連接開環放大器的輸入端,開環放大器的輸出端連接輔助電極,工作電極通過反向比例放大器連接第二跟蹤器的輸入端,第二跟蹤器的輸出端通過模數轉換模塊與微處理器模塊輸入端相連。本實用新型具有監測多種金屬的濃度的功能,本設備操作簡單、便於攜帶、使用方便。
【專利說明】一種可攜式水環境重金屬檢測儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種可攜式水環境重金屬檢測儀,尤其是一種可以檢測多金屬濃度、採用三極檢測的可攜式水環境重金屬檢測儀,屬於環保水環境檢測領域。
【背景技術】
[0002]重金屬指原子密度大於5g/cm3的金屬元素,大約有40多種,如銅、鉛、鋅、鎘、錳、鐵、鈷、鎳、銀、萊、鶴等。重金屬汙染是危害最大的水汙染問題之一。隨著中國城市化的加速進展,以及大規模的工業發展,重金屬通過礦山開採、金屬冶煉、金屬加工及化工生產廢水、化石燃料的燃燒、施用農藥化肥和生活垃圾等人為汙染源,以及地質侵蝕、風化等天然形式進入水體,加之重金屬,特別是汞、鉛、鎘、鉻等,且在水體中不能被微生物降解,而只能發生各種形態的相互轉化和分散、富集過程(即遷移),不但汙染水資源,也嚴重威脅人類和水生物的生存。
[0003]水環境主要包括河流、湖泊、水庫、海洋以及工業用水、排放水和生活飲用水等水體環境。近年來,各種水環境中重金屬汙染問題日趨加劇已成為不爭的事實。江河湖庫底質的汙染率高達80.1%,太湖是我國第三大淡水湖,2005年的採樣分析結果表明,與海洋國家沉積物標準(GB18668-2002)、土壤環境質量國家標準(GB15618-1995)和生態危害臨界值(TEL)相比,太湖表層底泥中出現了重金屬的複合汙染,汙染物主要為Cu、Cd、N1、Zn。
[0004]目前,監測重金屬的方法主要包括原子光譜法、質譜分析法、中子活化分析法、紫外可見分光光度法、化學發光法和電化學分析法。光譜、質譜、中子活化、分光光度等幾種分析方法有些存在儀器價格昂貴,運行費用較高或不宜攜帶等缺點,在連續監測及現場實時測定等方面受到很大的限制;有些前處理複雜,需萃取、濃縮富集或抑制幹擾;有些不能進行多組分或多元素分析;有些儀器靈敏度或監測限達不到規定指標要求。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在於:針對上述現有技術存在的問題,提出一種可以高靈敏度、高效率監測多種金屬濃度,信息存儲量大,可以對監測的水質中各金屬濃度數據進行系統整理的可攜式水環境重金屬檢測儀。
[0006]為了達到以上目的,本實用新型的一種可攜式水環境重金屬檢測儀,包括微處理器模塊以及與微處理器模塊連接的電源模塊、按鍵處理模塊、恆電位儀模塊、攪拌器及驅動模塊、顯示模塊和接口模塊,恆電位儀模塊包括三電極式電化學傳感器,三電極式電化學傳感器包括工作電極、輔助電極和參比電極,參比電極通過第一跟蹤器連接放大器的輸入端,放大器的輸出端連接輔助電極,工作電極通過反向比例放大器連接第二跟蹤器的輸入端,第二跟蹤器的輸出端通過模數轉換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
[0007]本實用新型的優選方案是:微處理器模塊的輸出端通過數模轉化模塊連接第一放大器的輸入端。
[0008]優選的,微處理器模塊含有微處理器和數據存儲單元,數據存儲單元連接微處理器。
[0009]優選的,電源模塊包括電源處理單元和可充電備用電池,可充電備用電池與電源處理單元相連。優選的,攪拌器及驅動模塊採用微形直流電機驅動攪拌機。
[0010]優選的,顯示模塊通過接口模塊與微處理器模塊連接。
[0011]優選的,接口模塊含有藍牙接口,藍牙接口連接外部設備。
[0012]優選的,工作電極採用金或玻碳,輔助電極採用鉬,參比電極採用銀或氯化銀。
[0013]本實用新型有益效果為:
[0014]1、採用三電極進行監測,提高了監測的效率和靈敏度,同時本設備可以對水質中十三重金屬的濃度進行監測。
[0015]2、設備設計了藍牙模塊接口,以及配套的微型印表機,方便野外及時列印重金屬監測結果。
[0016]3、本實用新型包括硬體自檢測功能,當系統初始化時,通過自檢測,如果發現硬體問題,及時報警,或關斷設備,以免造成更大損失。
[0017]4、備用電池電量不足報警,以及備用電池饋電時自動斷電,防止備用電池饋電使用,以免縮短備用電池壽命。
[0018]5、預留開放平臺接口,各參數可自主設定,便於使用者自主設定其它重金屬的監測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0020]圖1為本實用新型系統結構框圖。
[0021]圖2為本實用新型陽極溶出伏安法波形圖。
[0022]圖3為本實用新型系統軟體流程圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例一
[0024]本實施例的一種可攜式水環境重金屬檢測儀,其結構如圖1所示,包括微處理器模塊以及與微處理器模塊連接的電源模塊、按鍵處理模塊、恆電位儀模塊、攪拌器及驅動模塊、顯示模塊和接口模塊,恆電位儀模塊包括三電極式電化學傳感器,三電極式電化學傳感器包括工作電極WE、輔助電極CE和參比電極RE,參比電極RE通過第一跟蹤器U3連接放大器U2的輸入端,放大器U2的輸出端連接輔助電極CE,工作電極WE通過反向比例放大器U4連接第二跟蹤器U5的輸入端,第二跟蹤器U5的輸出端通過模數轉換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
[0025]本實施例中設備的電源模塊為系統提供直流12V電壓,電源處理單元,將直流12V電壓轉換成內部各模塊所需要的電壓,分別是3.3V,±5V。同時,內部包含可充電備用電池。當外部直流12V斷電時,系統能自動切換到內部備用電池供電,便於野外以及無交流220V供電場所工作。在有外部電源時,系統定時監測內部充電電池的電壓,當電壓低於某一門檻值時,系統自動開始對備用電池供電。
[0026]微處理器模塊,包含MCU和EEPROM,MCU是可攜式處理器的心臟,系統採用瑞薩公司的RL78/G13系列的16位的MCU,其主頻高達32MHZ。EEPROM用於存儲測量數據,以及系統版本信息等。系統能保存近1000條左右的歷史數據,便於在野外操作的數據保存。
[0027]按鍵處理模塊,指的是系統操作部分,使用者通過按鍵對系統進行操作,實現系統的各項功能。系統包含的按鍵有,電源按鍵、左/右按鍵、確認鍵、清洗按鍵以及攪拌按鍵
坐寸ο
[0028]恆電位儀模塊,恆電位儀是系統設計中的核心,是各種三電極式(工作電極、輔助電極、參比電極)電化學傳感器的接口,主要將外部激勵信號近乎準確地施加於傳感器上,驅動樣品溶液發生電化學反應。早期的電流型傳感器只有兩個電極(工作電極和參比電極),工作時將電壓加於兩電極之間。在該電壓允許誤差範圍內,傳感器輸出為線性,但隨著氣體濃度的增加,流經兩電極之間的電解電流會使工作電極電壓偏離其電壓允許範圍,使傳感器輸出不穩定。所以,在兩電極的基礎上,增加參比電極。通過控制使工作電極和參比電極之間的電位保持一定,使工作電極和輔助電極的電位保持一定,構成恆電位儀電路。系統中U2、U3、U4以及攪拌池中的三個電極,一起構成了系統的恆電位儀。其中,U3做第一跟隨器,將RE的電壓做反饋;U2在系統中做開環放大器,分別將RE電壓以及十六位DA轉換出來的控制電壓做比較,再開環放大,輸出電壓到輔助電極;U4的作用是在外加電位的條件下,使待測溶液發生電化學反應,從而測定該電極上產生的電流;輔助電極和工作電極組成一個導通迴路;而參比作為工作電極和輔助電極的基準電極。流經工作電極上的電流通過U4將電流轉換成電壓,根據檔位的不同,切換Rx (x=l,2, 3,4,5)和Sx (x=l, 2,3,4,5)使電流經過不同的放大倍數變成電壓,U4在系統中的作用是反向比例放大器,U5是第二跟隨器,增大電壓的內阻。十六位AD轉換器接收從U5過來的電壓信號,到MCU。MCU根據電壓值以及對應的Rx值,根據歐默定律,算出流經工作電極的電流值。
[0029]攪拌器及其驅動模塊:系統的待測液中,當富集時,用攪拌器對溶液進行攪拌,力口速溶液中重金屬的分解。攪拌器採用微型直流電機,系統包含電機驅動模塊。當需要攪拌時,系統驅動電機工作,電機速度達5000轉每分鐘左右。
[0030]顯示模塊,顯示部分包含顯示控制單元和3.2英寸的TFT顯示屏。MCU通過UART接口與顯示控制單元通訊,顯示控制單元控制與驅動TFT顯示屏。儀器操作人員通過按鍵作業系統,通過TFT顯示屏,獲得系統實時信息。系統通過TFT顯示屏,獲得實時操作提示、最終的溶液濃度顯示,以及溶液中重金屬檢測峰值波形曲線等,直觀明了。
[0031 ] 接口模塊,主要包含USB接口和藍牙接口。USB接口主要用於可攜式重金屬檢測儀與上位機相連。儀器操作人員通過運行在電腦上的上位機的軟體,能更方便的操作和控制可攜式設備。藍牙模塊,則主要用於連接帶藍牙接口的微型印表機,方便攜帶在野外操作。可以實時將測試數據,通過微型印表機列印出來。
[0032]本實用新型的系統工作原理如下:
[0033]陽極溶出伏安法的操作主要分三步:富集,靜止和掃描(溶出)。如圖2所示,首先,溶液中的被測物質在一定電位下被電解富集到工作電極上,接著,靜止一會,使被富集的物質在工作電極上分部均勻,以提高分析結果的再現性,然後反向掃描電位,使被測物質快速溶出而獲得較大的溶出電流峰。溶出電流峰高在一定的溶度範圍內於被測物質的溶度成正t匕,出現溶出電流峰的電位與被測物質的性質有關。
[0034]基於陽極溶出伏安分析法的三步驟,設計系統軟體,系統軟體的工作流程如圖3所示。
[0035]主要思路是:首先配置空白樣,採用陽極溶出伏安法,測定掃描電壓下的出峰電壓,其次,同樣方法,配置標準樣,知道標準樣的溶度的情況下,測定其峰值電壓,再配置一份待測液,根據標準樣出峰電壓時的掃描電壓,系統找出待測液在此掃描電壓下的出峰電壓。即可推測出待測液的溶度。
[0036]該設備的優點在於:
[0037]1、採用三電極進行監測,提高了監測的效率和靈敏度,同時本設備可以對水質中十三重金屬的濃度進行監測。
[0038]2、設備設計了藍牙模塊接口,以及配套的微型印表機,方便野外及時列印重金屬監測結果。
[0039]3、本實用新型包括硬體自檢測功能,當系統初始化時,通過自檢測,如果發現硬體問題,及時報警,或關斷設備,以免造成更大損失。
[0040]4、備用電池電量不足報警,以及備用電池饋電時自動斷電,防止備用電池饋電使用,以免縮短備用電池壽命。
[0041]5、預留開放平臺接口,各參數可自主設定,便於使用者自主設定其它重金屬的監測。
[0042]除上述實施例外,本實用新型還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案,均落在本實用新型要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種可攜式水環境重金屬檢測儀,包括微處理器模塊以及與微處理器模塊連接的電源模塊、按鍵處理模塊、恆電位儀模塊、攪拌器及驅動模塊、顯示模塊和接口模塊,其特徵在於:所述恆電位儀模塊包括三電極式電化學傳感器,所述三電極式電化學傳感器包括工作電極(WE)、輔助電極(CE)和參比電極(RE),所述參比電極(RE)通過第一跟蹤器(U3)連接開環放大器(U2)的輸入端,所述開環放大器(U2)的輸出端連接所述輔助電極(CE);所述工作電極(WE)通過反向比例放大器(U4)連接第二跟蹤器(U5)的輸入端,所述第二跟蹤器(U5)的輸出端通過模數轉換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述微處理器模塊的輸出端通過數模轉化模塊連接所述第一放大器的輸入端。
3.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述微處理器模塊含有微處理器和數據存儲單元,所述數據存儲單元連接所述微處理器。
4.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述電源模塊包括電源處理單元和可充電備用電池,所述電源處理單元連接所述備用電池。
5.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述攪拌器及驅動模塊採用微形直流電機驅動攪拌機。
6.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述顯示模塊通過所述接口模塊與所述微處理器模塊連接。
7.根據權利要求6所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述接口模塊含有藍牙接口,所述藍牙接口連接外部設備。
8.根據權利要求1所述的可攜式水環境重金屬檢測儀,其特徵在於:所述工作電極採用金或玻碳,所述輔助電極採用鉬,所述參比電極採用銀/氯化銀。
【文檔編號】G01N27/26GK203535000SQ201320676285
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】周立夫, 史克濤, 李振華 申請人:南京珀奧環保科技有限公司

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