水质总氮在线分析仪的设计与测试

摘要：通过对进样单元、反应单元、检测单元合理的硬件架构，用单片机控制整个流程的运行，设计出了可用于地表水在线监测的总氮水质监测仪，仪器可实现全天候无人值守自动运行，具有良好的市场前景。

Abstract： Total Nitrogen on-line analyzer was designed through the reasonable hardware architecture of sample injection unit， reaction unit and detection unit， and single-chip microcomputer is used to control the operation of the whole process. The monitor can be used for surface water on-line monitoring and can achieve all-weather unattended automatic operation and have good market prospects.

关键词：水质总氮；地表水；在线监测

Key words： total Nitrogen；surface water；on-line monitoring

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0257-02

1 背景[1-3]

人口的过度膨胀和经济的高速增长，致使环境污染变得日益严重，特别是近年来的水质污染，已经成为制约我国经济发展、阻碍人民生活水平提高的突出问题。水体富营养化导致浮游生物及藻类的大量快速繁殖，降低溶解于水体中氧的含量，继而造成水质污染的主要原因是生活污水和工业废水大量排入河流，使得水中氮、磷含量快速增加，导致藻类过度繁殖打破了生态平衡。引发浮游生物、藻类、水生生物衰亡甚至于绝迹。因此推广应用水质总氮、总磷在线监测装置势在必行。

在“水十条”中有提到：深化污染物排放总量控制。完善污染物统计监测体系，将工业、城镇生活、农业、移动源等各类污染源纳入调查范围。选择对水环境质量有突出影响的总氮、总磷、重金属等污染物，研究纳入流域、区域污染物排放总量控制约束性指标体系。

2 设计方案

2.1 总体思路

水质总氮在线分析仪主要由进样单元，反应单元，检测单元，控制单元组成，具体实现方式：用光电定量原理抽取一定量的水样进入反应单元，再加入碱性过硫酸钾，在120度温度下消解20分钟，水样中的亚硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨及大部分有机含氮化合物中的氮，被过硫酸钾氧化为硝酸盐氮，采用光谱仪测量波长220nm和275nm处的吸光度，根据公式计算总氮的吸光度，最终传入嵌入式计算机，在嵌入式系统中，数据经过处理、拟合等方法，送入液晶显示器显示、储存到FLASH卡上。全部的过程控制均由单片机完成，无需人工操作。

2.2 进样单元

进样单元包括一个蠕动泵，一个计量管，一个六通电磁阀组，两个两通电磁阀，进样流路见图1。

水样通过阀3进入计量管精确定量后，打入到反应器中，蠕动泵将管路中的液体全部吹入反应器中，待测试流程完成后，废液通过阀2排入废液桶中。整体结构简单，水样和不同试剂之间加蒸馏水清洗，以免试剂残留造成污染。

2.3 反应单元

反应单元由反应器和两个高压阀体组成，反应器采用石英玻璃制造而成，整体形状构造如图2所示。

反应单元设计优点在于：反应单元为整体设计，两个阀体在两端使反应器处于全封闭状态，可使水样在反应器中加热到120度温度时，反应器内达到高压消解的效果，反应单元整体尺寸较小，便于小型化设计。

2.4 检测单元

检测单元由小型全扫描光谱仪和光源组成。光谱仪全部采用发黑铝材制造，光源使用氙灯。其发射的光线经透过反应器后经透镜汇聚到光纤，经光谱仪扫描，记录220nm和275nm波长处的光信号值，传入上位机进行存储和计算，即可得到水样的吸光度。

2.5 控制单元

仪器由工控机系统和单片机控制系统组成，系统结构如图3。

CPU：即单片机，负责与工控机的通讯、仪器流程时序控制、光电信号采集和集成取水控制等；

集成控制：主要負责集成取水控制，包括水位液位、水样预处理等；

信号采集：主要负责光电信号、进样系统液位信号和温度等信号的采集；

流路控制：主要负责仪器分析流程时序控制；

工控机系统：主要负责与下位机的通讯、数据结果运算显示和数据上传等功能；

显示单元：主要将仪器结果显示出来，同时提供操作显示画面、仪器控制信号显示等；

数据上传：负责仪器与数据控制平台的数据传输。

3 技术特点[4]

3.1 产品特点

①全自动运行：可实现自动校准、自动测量、自动清洗、自我保护、自动恢复等智能化功能；

②免维护设计：水样预处理装置采用免维护设计，可确保预处理装置维护周期超过半年；

③在线监测方式多样化：可实现人工随时测量、自动定时测量、自动周期测量等测定方式；

④测定速度快，数据准确，可随时监控生产过程中控制节点的样品浓度。

3.2 产品功能

①通讯模式：内置GPRS无线TCP通讯，数据主动上报平台中心站；

②接口：8路模拟量输出，支持RS485/232数字输出；

③测量时间：可任意选择或连续；

④自动校准：可以选择自动校准周期；

⑤清洗：可以手动清洗和自动清洗，并可设置自动清洗周期；

⑥可存储12个月历史运行数据，可查询具体年月日的数据。

4 测试

根据HJ/T 102-2003《总氮水质自动分析仪技术要求》中规定的指标要求和测试方法对设计开发的水质总氮在线分析仪进行调试和测试。在调试过程中确定最优试剂浓度、最佳测试温度及消解时间，根据相应测试方法和计算公式得出分析仪的性能指标见表1，相关指标完全达到标准要求。

5 结论

通过系统的程序软件和电路设计，控制进样阀体、蠕动泵、光谱仪、氙灯等使各硬件单元进行有效的协作，设计出了总氮水质在线分析仪，可用于地表水及地下水中的总氮的在线实时监测，具有良好的市场前景。

参考文献：

[1]李军，陈程.总氮总磷在线自动监测仪的现状与问题[J].环境科学与管理，2012，37（1）：161-164.

[2]方熠.水质中总氮测定的影响因素分析[J].广州化学，2012，37（3）：14-17，23.

[3]李影，杨慧中.一种水质总氮总磷在线自动监测仪的优化设计[J].工业水处理，2013，33（5）：77-81.

[4]罗玲，农永光，郭炜，等.多参数分析仪研究[J].价值工程报，2013，32（6）：193-194.

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