專利名稱：便攜式水質(zhì)分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用電化學(xué)方法測試或分析材料的裝置，更確切地說是涉及一種水質(zhì)分析儀。
水體內(nèi)重金屬元素離子的測定是水質(zhì)分析中的一個重要內(nèi)容，目前大都采用經(jīng)典的化學(xué)分析法測定這些微量元素離子，但化學(xué)分析法操作繁瑣、且容易造成二次污染；某些條件較好的水質(zhì)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(hù)費(fèi)用都比較高且不便在室外使用。
本實用新型的目的是設(shè)計一種便攜式水質(zhì)分析儀，可快速、連續(xù)、準(zhǔn)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(zhǔn)確度水平、且成本低廉。
本實用新型的便攜式水質(zhì)分析儀是根據(jù)電位溶出原理設(shè)計的，電位溶出法是近年來由瑞典科學(xué)家在陽極溶出法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電化學(xué)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，在工作電極上施加恒定的負(fù)電位對溶液進(jìn)行電解。首先執(zhí)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并與汞結(jié)合生成汞齊化金屬沉積于工作電極表面，經(jīng)過一段時間后，斷開工作電極上的恒定負(fù)電位停止電解；再執(zhí)行溶出過程即沉積于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(jù)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(dāng)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。
本實用新型的便攜式水質(zhì)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(jī)、與單片機(jī)I/O口連接的程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、A/D變換器、D/A變換器、采樣電路、鍵盤及顯示器的接口電路和打印輸出電路，其特征在于所述的電解裝置還包括一旋轉(zhuǎn)杯托，所述的電解杯置于旋轉(zhuǎn)杯托上并隨杯托一起旋轉(zhuǎn)，還包括一伸入電解杯中的參比電極；所述的采樣電路由電子開關(guān)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(guān)組開關(guān)控制端接單片機(jī)I/O端，電子開關(guān)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，輸出另一路并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(jī)I/O口，阻抗變換電路輸入端接D/A變換器輸出端，并經(jīng)電子開關(guān)組接電解裝置電極。
分析儀各部分在單片機(jī)控制下協(xié)調(diào)工作，待測樣品溶液加在電解杯內(nèi)，工作時富集電壓加在工作電極和輔助電極之間，旋轉(zhuǎn)杯托帶動電解杯作恒速旋轉(zhuǎn)對樣品進(jìn)行攪拌，達(dá)到規(guī)定的動態(tài)和靜態(tài)富集時間后，儀器自動控制溶出狀態(tài)。
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(diào)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，從而保證富集電壓恒定；在溶出時，它可準(zhǔn)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(jīng)過阻抗變換電路及二階微分放大電路，分別送模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理和計算后，由打印機(jī)輸出分析結(jié)果。
下面結(jié)合實施例附圖進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)。


圖1、便攜式水質(zhì)分析儀硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖圖5、便攜式水質(zhì)分析儀工作流程圖參見圖1、100為單片機(jī)，101為鍵盤及顯示器接口，102為程序處理器ROM，103為數(shù)據(jù)處理器RAM，104為電子開關(guān)組，105為數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器、106為模數(shù)A/D轉(zhuǎn)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(gòu)成便攜式水質(zhì)分析儀主體。
200為健盤，300為顯示器，400為電解裝置，500為打印輸出。
單片機(jī)100控制電子開關(guān)組104的通斷狀態(tài)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(zhuǎn)換器105接通，將富集電壓加于電極上；溶出時則使之?dāng)嚅_。參比電極將采到的富集或溶出電壓經(jīng)阻抗變換電路107一路輸出送A/D變換器106轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)送單片機(jī)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(guān)組同時還控制電解裝置的杯托旋轉(zhuǎn)，對待測溶液進(jìn)行攪拌。
參見圖2，單片機(jī)100采用MCS-51系列的8031，數(shù)據(jù)存貯器RAM103采用8K字節(jié)6264，地址編碼0-1FFFH，程序存貯器ROM102采用8K字節(jié)2764。單片機(jī)8031、數(shù)據(jù)鎖存器74LS573、澤碼器74LS138/RAM6264和ROM2764構(gòu)成單片機(jī)基本系統(tǒng)。
8031片內(nèi)計數(shù)器、定時器TO和T1作為富集定時和對溶出時間進(jìn)行計時，它們受外部過零電路、微分放大電路信號控制，計數(shù)器溢出時向8031發(fā)出中斷信號。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器105采用DAC0832，采用單緩沖器工作方式，地址為5FFFH，由LF356將D/A轉(zhuǎn)換器輸出(OUT1、OUT2)的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)S端送電子開關(guān)組104。模數(shù)轉(zhuǎn)換器106采用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，由于分析儀工作時只用一路模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)備是鍵盤200、數(shù)碼顯示器300和微型打印機(jī)500，鍵盤和數(shù)碼顯示器是通過專用接口8279與單片機(jī)8031連接，8279的地址編碼為9FFEH-9FFFH。實施例鍵盤共設(shè)24個鍵，包括0-9十個數(shù)字鍵和QO-QD十四個功能鍵。顯示器為四位七段數(shù)碼管，75451及7407為顯示驅(qū)動器，微型打印機(jī)500采用GP16，通過電纜線直接與單片機(jī)8031相接，地址為7FFFH。
單片機(jī)8031通過P1口(P1.0-P1.3)控制電子開關(guān)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(jī)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(yùn)算放大器U1、U2、U3、U4，電阻R1、R2、R3、R4和電容C1構(gòu)成，U1負(fù)輸入端接C1一端和電子開關(guān)J1-1公共觸點，U1正輸入端接D/A變換器輸出端，C1另一端并接電子開關(guān)J1-1觸點一端、U1輸出端和電子開關(guān)J1-2公共觸點，電子開關(guān)J1-2觸點一端接輔助電極，電子開關(guān)J1-1觸點另一端接參比電極和電子開關(guān)J2-1觸點一端，電子開關(guān)J2-1觸點另一端接U3負(fù)輸入端、電子開關(guān)J2-2公共觸點和地，電子開關(guān)J2-2觸點一端接工作電極，電子開關(guān)J2-1公共觸點接U2正輸入端，U2負(fù)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(fù)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另一端并接所述的過零電路、二階微分放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)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作為控制杯托旋轉(zhuǎn)的電子開關(guān)。繼電器作為晶體管的負(fù)載，受單片機(jī)P1口的控制，其電路圖為普通的晶體管單管開關(guān)電路，圖中未示出。
開機(jī)后，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(zhuǎn)換器(S)接通，將富集電壓加于電極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(yùn)算放大器U5、U6，電阻R5、R6、R7、R8構(gòu)成，R5一端接阻抗變換電路輸出，R5另一端接U5負(fù)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(fù)輸入端，R6另一端和U6正輸入端接地，U6輸出端接單片機(jī)I/O端(P1.6)和通過R8接電源正。當(dāng)溶出到零時過零電路輸出“O”信號，通過單片機(jī)進(jìn)入下一個富集過程。
二階微分放大電路由運(yùn)算放大器U7、U8，電阻R9、R10、R11、R12、R13、R14，電容C2、C3、C4、C5，穩(wěn)壓二極管DW1、DW2、DW3構(gòu)成，R9一端接阻抗變換電路輸出，R9另一端接C2一端，C2另一端并接U7負(fù)輸入端、C3一端、R10一端和DW1負(fù)端，U7輸出端并接DW1正端、R10另一端、C3另一端和R12一端，R12另一端接C4一端，C4另一端并接U8負(fù)輸入端、C5一端、R13一端和DW2正端，DW2負(fù)端接DW3負(fù)端，U8輸出端并接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(yùn)算放大器U9、U10，電阻R15-R19，電容C6-C8構(gòu)成，R15一端并接C6一端和二階微分放大電路輸出端，R15另一端并接C7一端和R17一端，C6另一端并接R16一端和C8一端，R17另一端并接C8另一端和U9正輸入端，R16另一端并接C7另一端和U10的負(fù)輸入端及輸出端，U9負(fù)輸入端并接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(fù)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(fù)溶出電壓突躍變化率信號送單片機(jī)I/O口(P1、4P1.5)。
參見圖4，1為底座，2為外罩，3為旋轉(zhuǎn)杯托，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為電極支桿，10為鎖緊螺釘、11為滑座，12為支桿，13為外圓罩。電極支桿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采用轉(zhuǎn)動電極(如常用的圓盤電極)和采用攪拌桿、攪拌槌、攪拌子(如常用的電動或磁力攪拌品)兩種，本實用新型采用電極不動、由旋轉(zhuǎn)杯托帶動電解杯轉(zhuǎn)動從而使樣品相對電極作恒速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的攪拌方式，不同于上述兩種攪拌方式，具有攪拌線速度高、穩(wěn)定性好、攪拌效果好的特點。
參見圖5，本分析儀軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序和若于中斷服務(wù)子程序組成。
系統(tǒng)上電或按復(fù)位鈕后即進(jìn)行初始化，對單片機(jī)和各接口芯片的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，在進(jìn)行初始化前先運(yùn)行一段延時程序用于等待各芯片完成復(fù)位，保證分析儀正常工作。初始化后轉(zhuǎn)入等待鍵盤輸入狀態(tài)，一旦有鍵按下，接口片8279即向單片機(jī)發(fā)出中斷申請，當(dāng)8031響應(yīng)中斷申請后先判別是數(shù)字鍵還是命令鍵，如果是數(shù)字鍵，則讀入鍵值后送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)暫存，同時送數(shù)碼顯示器顯示；如果是命令鍵，則按鍵值分散轉(zhuǎn)各服務(wù)子程序。
圖中各框意義是501-開機(jī)；502-延時100ms；503-顯示提示符等待鍵入；504-操作鍵盤設(shè)置富集時間、攪拌時間、靜止時間和設(shè)置電解電壓值；505-單片機(jī)TO及T1定時器工作裝入初值，D/A轉(zhuǎn)換器工作輸出電解電壓；506-電解電壓經(jīng)電子開關(guān)加在電極上并自動調(diào)節(jié)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(guān)組動作斷開電解電壓和控制溶出；508-溶出開始后微分電路工作，阻抗變換器及A/D轉(zhuǎn)換器采樣溶出電壓值并送單片機(jī)，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(jī)按溶出時間計算元素含量，送打印機(jī)打印處理結(jié)果，并重復(fù)步驟504至509；510-操作STOP鍵，暫停工作，保留設(shè)置參數(shù)。
實施例水質(zhì)分析儀可設(shè)置手動，自動兩種操作方式，手動時由人工設(shè)置測試參數(shù)與條件，打印出全部測試數(shù)據(jù)，再由用戶選擇處理計算出最終結(jié)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(shè)置測試參數(shù)和打印輸出最終結(jié)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、毛發(fā)、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(yīng)用于水質(zhì)和環(huán)保監(jiān)測、臨床檢驗、保健普查、食品及藥品檢驗、勞動保護(hù)和農(nóng)業(yè)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，變異系數(shù)小于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便攜式儀器。
權(quán)利要求1一種便攜式水質(zhì)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(jī)、與單片機(jī)I/O口連接的程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、A/D變換器、D/A變換器、采樣電路、鍵盤及顯示器的接口電路和打印輸出電路，其特征在于所述的電解裝置還包括一旋轉(zhuǎn)杯托，所述的電解杯置于旋轉(zhuǎn)杯托上并隨杯托一起旋轉(zhuǎn)，還包括一伸入電解杯中的參比電極；所述的采樣電路由電子開關(guān)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(guān)組開關(guān)控制端接單片機(jī)I/O端，電子開關(guān)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，輸出另一路并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(jī)I/O口，阻抗變換電路輸入端接D/A變換器輸出端，并經(jīng)電子開關(guān)組接電解裝置電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的阻抗變換電路由運(yùn)算放大器U1、U2、U3、U4，電阻R1、R2、R3、R4和電容C1構(gòu)成，U1負(fù)輸入端接C1一端和電子開關(guān)J1-1公共觸點，U1正輸入端接D/A變換器輸出端，C1另一端并接電子開關(guān)J1-1觸點一端、U1輸出端和電子開關(guān)J1-2公共觸點，電子開關(guān)J1-2觸點一端接輔助電極，電子開關(guān)J1-1觸點另一端接參比電極和電子開關(guān)J2-1觸點一端，電子開關(guān)J2-1觸點另一端接U3負(fù)輸入端、電子開關(guān)J2-2公共觸點和地，電子開關(guān)J2-2觸點一端接工作電極，電子開關(guān)J2-1公共觸點接U2正輸入端，U2負(fù)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(fù)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另一端并接所述的過零電路、二階微分放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水質(zhì)分析儀，其特征在于所述的過零電路由運(yùn)算放大器U5、U6，電阻R5、R6、R7、R8構(gòu)成，R5一端接阻抗變換電路輸出，R5另一端接U5負(fù)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(fù)輸入端，R6另一端和U6正輸入端接地，U6輸出端接單片機(jī)I/O端和通過R8接電源正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水質(zhì)分析儀，其特征在于二階微分放大電路由運(yùn)算放大器U7、U8，電阻R9、R10、R11、R12、R13、R14，電容C2、C3、C4、C5，穩(wěn)壓二極管DW1、DW2、DW3構(gòu)成，R9一端接阻抗變換電路輸出，R9另一端接C2一端，C2另一端并接U7負(fù)輸入端、C3一端、R10一端和DW1負(fù)端，U7輸出端并接DW1正端、R10另一端、C3另一端和R12一端，R12另一端接C4一端，C4另一端并接U8負(fù)輸入端、C5一端、R13一端和DW2正端，DW2負(fù)端接DW3負(fù)端，U8輸出端并接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(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水質(zhì)分析儀，其特征在于有源濾波電路由運(yùn)算放大器U9、U10，電阻R15-R19，電容C6-C8構(gòu)成，R15一端并接C6一端和二階微分放大電路輸出端，R15另一端并接C7一端和R17一端，C6另一端并接R16一端和C8一端，R17另一端并接C8另一端和U9正輸入端，R16另一端并接C7另一端和U10的負(fù)輸入端及輸出端，U9負(fù)輸入端并接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(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水質(zhì)分析儀，其特征在于還包括一正負(fù)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(fù)溶出電壓突躍變化率信號送單片機(jī)I/O口。
專利摘要本實用新型涉及一種水質(zhì)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(gòu)成，電解裝置包括電解杯、旋轉(zhuǎn)杯托和參比、工作、輔助電極。分析儀主體包括單片機(jī)系統(tǒng)、A/D片、D/A片、顯示及鍵盤接口、打印輸出和采樣電路。采樣電路由阻抗變換電路、電子開關(guān)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(jī)控制向電極施加電解電壓，溶出過程單片機(jī)讀溶出電壓，經(jīng)處理計算后打印測定結(jié)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(yōu)先權(quán)日1995年1月11日
發(fā)明者鄧伯莊, 朱燕 申請人:鄧伯莊, 朱燕