專利名稱：一種水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，特別涉及水體中低濃度、
寬動(dòng)態(tài)范圍Fe元素的高靈敏度、高精度高光譜監(jiān)測(cè)儀。
背景技術(shù)：
海水中痕量元素Fe， Mn， Cu， Zn， Mo， Co， B等，與生物的生命過程密切 相關(guān)，稱為"痕量營(yíng)養(yǎng)元素"。其中Fe是控制和影響浮游植物生長(zhǎng)的主要因素 之一，適度的Fe元素會(huì)促進(jìn)生物和微生物生長(zhǎng)，含量不足則會(huì)限制浮游植物生 長(zhǎng)，影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力，含量過高則易引起富營(yíng)養(yǎng)化，可能進(jìn)一步導(dǎo)致赤潮 的發(fā)生，從而對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境、生物資源和海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)形成極大危害。痕量 元素Fe的監(jiān)測(cè)技術(shù)涉及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、赤潮研究、海洋生態(tài)過程研究、 海洋生化研究等科研領(lǐng)域，涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖、水產(chǎn)捕撈等養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，涉及 沿海工業(yè)排放等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，以及人們的生活健康等社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的 一系列科學(xué)問題的解決和政府決策，具有重大的戰(zhàn)略意義，具有廣泛的應(yīng)用需 求。
傳統(tǒng)的Fe等痕量元素的監(jiān)測(cè)需要由調(diào)査船到現(xiàn)場(chǎng)收集樣品再在船上實(shí)驗(yàn)室 或岸上實(shí)驗(yàn)室分析，測(cè)定方法通常采用分光光度法、原子吸收分光光度法、X 射線熒光光譜法、ICP—發(fā)射光譜法、陽(yáng)極溶出伏安法和中子活化分析法，樣品 消耗量大，分析周期長(zhǎng)，而且，樣品可能在轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存過程中受到沾污或發(fā)生 化學(xué)變化。而定量研究海水中痕量組分格外強(qiáng)調(diào)防止樣品沾污，通常需要配備 潔凈的采樣裝置，從而使費(fèi)用增加，操作更加復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在線進(jìn)行自動(dòng)取樣， 混合、反應(yīng)、進(jìn)樣及自動(dòng)監(jiān)測(cè)的水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，能有效減少物耗和人工，提高了分析的可靠性和準(zhǔn)確性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種水體痕量元素的在線高光譜 監(jiān)測(cè)儀，其包括
水體抽取裝置，用于抽取來自水體的樣品溶液；
自動(dòng)進(jìn)樣裝置，用于自動(dòng)抽取來自水體抽取裝置的樣品溶液并進(jìn)行混合反
應(yīng)形成待測(cè)溶液；
長(zhǎng)光程液芯樣品池，接收來自自動(dòng)進(jìn)樣裝置的待測(cè)溶液；
光源，將輸出光通過設(shè)于長(zhǎng)光程液芯樣品池上的入光口入射至樣品池中；
光纖光譜儀，接收由長(zhǎng)光程液芯樣品池出光口出射的光信號(hào)并進(jìn)行采集與
處理；
自動(dòng)進(jìn)樣控制單元，用于控制自動(dòng)進(jìn)樣裝置抽取與混合樣品溶液的動(dòng)作；
監(jiān)測(cè)主控單元，用于協(xié)調(diào)自動(dòng)進(jìn)樣裝置與光纖光譜儀之間的工作過程，并 對(duì)光纖光譜儀采樣結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)及處理。
自動(dòng)進(jìn)樣裝置包括存放待反應(yīng)試劑的試劑池、連接水體抽取裝置的存放樣 品溶液的樣品池、用于緩存按一比例配比的待反應(yīng)試劑及樣品溶液的樣品混合 池、分別將待反應(yīng)試劑及樣品溶液抽取至樣品混合池的抽取裝置。
該抽取裝置包括用于抽取試劑池待反應(yīng)試劑的第一蠕動(dòng)泵、用于抽取樣品 池樣品溶液的第二蠕動(dòng)泵及與樣品混合池連接的注射泵。
該自動(dòng)進(jìn)樣裝置還包括一純水池，該第二蠕動(dòng)泵為雙通道蠕動(dòng)泵，該純水 池與第二蠕動(dòng)泵的輸入端連接，第二蠕動(dòng)泵的輸出端分別與樣品混合池及長(zhǎng)光 程液芯樣品池相連接。
試劑池與安裝在第一蠕動(dòng)泵上的第一蠕動(dòng)泵管的一端與相通，第一蠕動(dòng)泵 管的另一端接第二四通接頭的a端，樣品池與第一四通接頭的b端，第一四通 接頭的d端與安裝在第二蠕動(dòng)泵上一通道的第二蠕動(dòng)泵管的一端相通，第二蠕 動(dòng)泵管的另一端與第一三通電磁閥的a端相連，第一四通接頭的a端與第一三 通電磁閥的b端相連，第一三通電磁閥的c端與第二四通接頭的b端相連，第 二四通接頭的d端連接至第二三通電磁閥的c端，純水池與安裝在第二蠕動(dòng)泵
6上另一通道的第三蠕動(dòng)泵管的一端相通，第三蠕動(dòng)泵管的另一端通過第一二通 電磁閥連接至第二四通接頭的C端，第三蠕動(dòng)泵管的另一端還分別連接至第二
三通電磁閥的b端及長(zhǎng)光程液芯樣品池，第二三通電磁閥的a端連接至樣品混合池。
第一蠕動(dòng)泵由第一步進(jìn)電機(jī)及單通道蠕動(dòng)泵頭構(gòu)成，其中，第一步進(jìn)電機(jī)
的轉(zhuǎn)軸與單通道蠕動(dòng)泵頭的轉(zhuǎn)軸固定在一起；
第二蠕動(dòng)泵由第二步進(jìn)電機(jī)及雙通道蠕動(dòng)泵頭構(gòu)成，其中，第二步進(jìn)電機(jī)
的轉(zhuǎn)軸與雙通道蠕動(dòng)泵頭的轉(zhuǎn)軸固定在一起；
注射泵包括插裝于樣品混合池中的活塞、與活塞末端連接的活塞手柄、注 射泵頭及插裝于注射泵頭內(nèi)并能做往復(fù)移動(dòng)的絲桿及與絲桿末端連接的第三步 進(jìn)電機(jī)，絲桿與活塞手柄連接并能帶動(dòng)活塞手柄做往復(fù)移動(dòng)。
第二三通電磁閥的a端還通過第二二通電磁閥與廢水抽取裝置連接，廢水 抽取裝置包括與第—二通電磁閥連接的廢水池及與廢水池連接的出廢水低壓 泵，該廢水池還通過第三二通電磁闊與長(zhǎng)光程液芯樣品池連接。
該長(zhǎng)光程液芯樣品池采用兩端安裝有光液耦合器的、光程大于100cm的液 芯波導(dǎo)。
該水體抽取裝置包括進(jìn)水體低壓泵、設(shè)于進(jìn)水體低壓泵進(jìn)水口的粗過濾網(wǎng)、 設(shè)于進(jìn)水體低壓泵出水口的細(xì)過濾網(wǎng)及設(shè)于粗過濾網(wǎng)外側(cè)的防生物附著的清潔 裝置。
該自動(dòng)進(jìn)樣控制單元包括用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊，用于驅(qū)動(dòng)第一、第二三通電磁閥及第一、第二二通電磁閥動(dòng)作的第一驅(qū)動(dòng) 器，用于驅(qū)動(dòng)水體低壓泵、清潔裝置、第三二通電磁閥及出廢水低壓泵動(dòng)作的 第二驅(qū)動(dòng)器，連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、第一驅(qū)動(dòng)器及第二驅(qū)動(dòng)器的處理器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下有益效果
1、水體中痕量元素的檢測(cè)和分析從室內(nèi)成功的轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場(chǎng)，減少了物耗和 人工，提高了分析的可靠性和準(zhǔn)確性，有利于在海洋生物化學(xué)研究中開展常規(guī)2、 采用長(zhǎng)光程液芯波導(dǎo)代替常規(guī)的比色皿作為樣品測(cè)量池，將檢測(cè)限從目
前分光光度法的50nm提高到0. lnm，大大的拓寬了儀器測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍；
3、 儀器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)混合、進(jìn)樣、反應(yīng)以及清洗，消除了一切人為的不確定因 素，在確?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成為可能的前提下，更好的提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確 性；
4、 進(jìn)水口采用防污染和雙重過濾相結(jié)合的辦法，有效地解決了儀器現(xiàn)場(chǎng)使 用易污染的難題，同時(shí)也避免了大的顆粒物和氣泡對(duì)測(cè)量?jī)x器及測(cè)量結(jié)果所帶 來的不利影響。


圖1為本發(fā)明水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明自動(dòng)進(jìn)樣裝置中向樣品混合池中進(jìn)樣時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明自動(dòng)進(jìn)樣裝置中樣品混合池中混合樣品排空時(shí)的結(jié)構(gòu)示意
圖4為本發(fā)明中自動(dòng)進(jìn)樣控制單元的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
現(xiàn)場(chǎng)分析手段可以減少物耗和人工，便于在海洋生物地球化學(xué)研究中開展 常規(guī)監(jiān)測(cè)。對(duì)于海水中痕量元素的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定分析，如Fe， 一般應(yīng)該滿足以下幾
點(diǎn)需求
① 要求現(xiàn)場(chǎng)分析儀器具有高靈敏度，寬動(dòng)態(tài)范圍，不僅能夠用于近海較高
濃度Fe元素的測(cè)定分析，而且能夠適用于大洋水體中低濃度Fe元素分析的需 求。
② 要求滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求，要求現(xiàn)場(chǎng)儀器解決長(zhǎng)期水下工作的污染問題等等。
③ 根據(jù)監(jiān)測(cè)儀的特殊使用環(huán)境，要求在線測(cè)量?jī)x能夠自動(dòng)完成取樣、混合、 反應(yīng)、進(jìn)樣及測(cè)量。
根據(jù)上述需求，本發(fā)明提供一種能夠在線進(jìn)行自動(dòng)取樣，混合、反應(yīng)、進(jìn)樣及自動(dòng)監(jiān)測(cè)水體中痕量元素濃度的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀。 以下為本發(fā)明設(shè)計(jì)原理。
長(zhǎng)光程吸收光譜儀測(cè)定痕量元素Fe的基本原理就是分光光度法。分光光度 法是分光譜來鑒定物質(zhì)性質(zhì)及含量的技術(shù)，其理論依據(jù)主要是利用物質(zhì)特有的 Lambert-Beer定律(--束單色光通過溶液后，吸光度與溶液的濃度和液層的厚 度的乘積成正比)。 一單色光通過某溶液，根據(jù)Lambert-Beer定律，有
A二lg(10/It):kbc
其中b為樣品光程長(zhǎng)度(cm)， c為樣品濃度(mol/L)， k為樣品摩爾吸收 系數(shù)(￡'.wor''Cm-')，對(duì)于一定的分光光度計(jì)及配件，b是常數(shù)，對(duì)于某一樣品 和波長(zhǎng)，k是常數(shù)，因此，有
Ac =——
艮P:樣品濃度的檢測(cè)限由探測(cè)器光電特性(A4)和樣品光程等因素聯(lián)合確 定。如對(duì)于亞鐵，最大摩爾吸收系數(shù)約為2.8xlOV.m。r'.c;7r1，如果采用10cm 光程的比色皿，假若分光光度計(jì)吸光度的測(cè)量限為0.001，則可估算得亞鐵濃度 的檢測(cè)限約為10"卿/.r、但是，如果采用300cm光程的比色皿，則可估算出亞
鐵的檢測(cè)限約為0.l鵬o/.r1。即長(zhǎng)光程樣品池可顯著提高濃度檢測(cè)限。本發(fā)明
的水體中痕量元素的高精度在線高光譜監(jiān)測(cè)儀即是基于這一原理而設(shè)計(jì)的。 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖1所示， 一種水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其包括 水體抽取裝置，用于抽取來自水體的樣品溶液；
自動(dòng)進(jìn)樣裝置6，用于自動(dòng)抽取來自水體抽取裝置的樣品溶液并進(jìn)行混合反
應(yīng)形成待測(cè)溶液；
長(zhǎng)光程液芯樣品池3，接收來自自動(dòng)進(jìn)樣裝置6的待測(cè)溶液；
光源4，將輸出光通過設(shè)于長(zhǎng)光程液芯樣品池3上的入光口入射至樣品池中；
光纖光譜儀2，接收由長(zhǎng)光程液芯樣品池4出光口出射的光信號(hào)并進(jìn)行采集
與處理；自動(dòng)進(jìn)樣控制單元5，用于控制自動(dòng)進(jìn)樣裝置6抽取與混合樣品溶液的動(dòng)作; 監(jiān)測(cè)主控單元1，用于協(xié)調(diào)自動(dòng)進(jìn)樣裝置6與光纖光譜儀2之間的工作過程，
并對(duì)光纖光譜儀2的采集結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)及處理。
所述監(jiān)測(cè)主控單元1為PC104，監(jiān)測(cè)主控單元1與光纖光譜儀2之間通過 PC104總線連接通信，光纖光譜儀2的入光口通過光纖9與長(zhǎng)光程液芯樣品池3 的出光口 L—o連接，長(zhǎng)光程液芯樣品池3的入光口 L一i與光源4的出光口之間 通過光纖8相連，長(zhǎng)光程液芯樣品池3的進(jìn)水口 W—i通過管件14與自動(dòng)進(jìn)樣裝 置6連通，長(zhǎng)光程液芯樣品池3的出水口 W—o通過管件與二通電磁閥15的a端 相連，二通電磁閥15的b端與三通接頭16的b端通過管件相連，三通接頭16 的c端通過管件19與自動(dòng)進(jìn)樣裝置6相通，三通接頭16的a端通過管件與廢 水池17的入水口相連，廢水池17的出水口與出廢水低壓泵18的進(jìn)水口之間通 過管件相連。
如圖2及圖3所示，自動(dòng)進(jìn)樣裝置6包括存放待反應(yīng)試劑的試劑池20、連接 水體抽取裝置的存放樣品溶液的樣品池21、用于緩存按一比例配比的待反應(yīng)試 劑及樣品溶液的樣品混合池31、分別將待反應(yīng)試劑及樣品溶液抽取至樣品混合 池31的抽取裝置。
該抽取裝置包括用于抽取試劑池20待反應(yīng)試劑的第一蠕動(dòng)泵、用于抽取樣 品池21樣品溶液的第二蠕動(dòng)泵及與樣品混合池31連接的注射泵。
該自動(dòng)進(jìn)樣裝置6還包括一純水池22，該第二蠕動(dòng)泵為雙通道蠕動(dòng)泵，該 純水池22與第二蠕動(dòng)泵的輸入端連接，第二蠕動(dòng)泵的輸出端分別與樣品混合池 31及長(zhǎng)光程液芯樣品池3相連接。
試劑池20與安裝在第一蠕動(dòng)泵上的第一蠕動(dòng)泵管34的一端與相通，第一 蠕動(dòng)泵管34的另一端接第二四通接頭42的a端，樣品池21與第一四通接頭41 的b端，第一四通接頭41的d端與安裝在第二蠕動(dòng)泵上一通道的第二蠕動(dòng)泵管 35的一端相通，第二蠕動(dòng)泵管35的另一端與第一三通電磁閥37的a端相連， 第一四通接頭41的a端與第一三通電磁閥37的b端相連，第一三通電磁閥37 的c端與第二四通接頭42的b端相連，第二四通接頭42的d端連接至第二三通電磁閥39的c端，純水池22與安裝在第二蠕動(dòng)泵上另一通道的第三蠕動(dòng)泵 管36的一端相通，第三蠕動(dòng)泵管36的另一端連接三通接頭45的b端，三通接 頭45的c端通過第一二通電磁閥38連接至第二四通接頭42的c端，第三蠕動(dòng) 泵管36的另一端即三通接頭45的a端連接至三通接頭44的a端，三通接頭44 的c端通過通過管件14連接至長(zhǎng)光程液芯樣品池3的進(jìn)水口 W_i，三通接頭44 的b端連接至第二三通電磁閥39的b端，第二三通電磁閥39的a端連接至三 通接頭43的b端，三通接頭43的a端通過第二二通電磁閥40、管件19與廢水 抽取裝置連接，廢水抽取裝置包括與第二二通電磁閥40連接的廢水池17及與 廢水池17連接的出廢水低壓泵，該廢水池17還通過第三二通電磁閥15與長(zhǎng)光 程液芯樣品池連接，通接頭43的c端連接至樣品混合池31。
第一蠕動(dòng)泵由第一步進(jìn)電機(jī)及單通道蠕動(dòng)泵頭構(gòu)成，其中，第一步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)軸與單通道蠕動(dòng)泵頭的轉(zhuǎn)軸固定在一起；
第二蠕動(dòng)泵由第二步進(jìn)電機(jī)及雙通道蠕動(dòng)泵頭構(gòu)成，其中，第二步進(jìn)電機(jī)
的轉(zhuǎn)軸與雙通道蠕動(dòng)泵頭的轉(zhuǎn)軸固定在一起。
本發(fā)明抽取裝置所使用的蠕動(dòng)泵、電磁閥具有以下特點(diǎn)輸送的介質(zhì)不與 泵體或閥體接觸，這樣有利于輸送一些對(duì)金屬腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，例如各種
酸、堿溶液，或者一些含氯離子的鹽溶液；同時(shí)，清洗、拆卸簡(jiǎn)單快捷。由于 介質(zhì)只在軟管內(nèi)流動(dòng)，清洗僅針對(duì)軟管即可，而且蠕動(dòng)泵軟管的安裝和拆卸都 比較簡(jiǎn)單，只要點(diǎn)動(dòng)電機(jī)，就可完成安裝、拆卸操作；另外，可控制轉(zhuǎn)速和流 量。用于蠕動(dòng)泵的步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速以后，轉(zhuǎn)速都不高， 一般最大轉(zhuǎn)速不超過 165轉(zhuǎn)/分鐘，而且在電機(jī)的選型上可采用手動(dòng)調(diào)速和變頻調(diào)速，從而更好地控 制流量。
注射泵包括插裝于樣品混合池31中的活塞、與活塞末端連接的活塞手柄32、 注射泵頭28及插裝于注射泵頭28內(nèi)并能做往復(fù)移動(dòng)的絲桿29及與絲桿29末 端連接的第三步進(jìn)電機(jī)25，絲桿29與活塞手柄32連接并能帶動(dòng)活塞手柄32做 往復(fù)移動(dòng)?；钊直?2其外部設(shè)有一手柄夾具33，手柄夾具33通過安裝于絲 桿29上的螺絲與絲桿連接，從而將絲桿29與活塞手柄32裝配一起。該長(zhǎng)光程液芯樣品池3采用光程為500cm、內(nèi)徑為550 P m、兩端安裝有"T" 型光液耦合器的液芯波導(dǎo)。
該水體抽取裝置包括進(jìn)水體低壓泵10、設(shè)于進(jìn)水體低壓泵10進(jìn)水口的粗過 濾網(wǎng)12、設(shè)于進(jìn)水體低壓泵10出水口的細(xì)過濾網(wǎng)7及設(shè)于粗過濾網(wǎng)12外側(cè)的 防生物附著的清潔裝置11。清潔裝置11通過支架緊貼粗過濾網(wǎng)12安裝在其正 上方，在進(jìn)水體低壓泵10的作用下，該出水口通過管件13為自動(dòng)進(jìn)樣裝置6 供給經(jīng)過濾的樣品溶液。本發(fā)明中，細(xì)過濾網(wǎng)7為孔徑小于20;/m的過濾網(wǎng)，粗 過濾網(wǎng)12為孔徑小于l腿、大于20/zm的過濾網(wǎng)。
如圖4所示，該自動(dòng)進(jìn)樣控制單元5包括用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U2，用于驅(qū)動(dòng)第一、第二三通電磁閥37、 39及第一、第二二通 電磁閥38、 40動(dòng)作的第一驅(qū)動(dòng)器U3，用于驅(qū)動(dòng)水體低壓泵10、清潔裝置ll、 第三二通電磁閥15及出廢水低壓泵18動(dòng)作的第二驅(qū)動(dòng)器U4，連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)模塊U2、第一驅(qū)動(dòng)器U3及第二驅(qū)動(dòng)器U4的處理器Ul。
處理器U1為單片機(jī)"C8051F020"，該單片機(jī)自有兩個(gè)UART串口，步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U2為三軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊"TMCM303"，第一、第二驅(qū)動(dòng)器U3、 U4均為工業(yè)四線驅(qū)動(dòng)器"L6374"，自動(dòng)進(jìn)樣控制單元5還包括兩串行通訊接口 芯片U5、U6， Ul的UART0串口之TX0和RX0分別與串行通訊接口芯片U5的Tin 和Rout相連，串行通訊接口芯片U5的Tout、 Rin和GND通過電纜與監(jiān)測(cè)主控 單元1的COM 口相連，實(shí)現(xiàn)處理器U1與監(jiān)測(cè)主控單元1之間的串行通訊；處理 器Ul的UART1串口之TX1和RX1分別與串行通訊接口芯片U6的Tin和Rout相 連，串行通信接口芯片U6的Tout、 Rin和GND分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U2的 串行通訊端的Rin和Tout端以及GND端相連，實(shí)現(xiàn)處理器Ul與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊U2之間的串行通訊；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U2的A00、 A10、 B00、 B10連接電 機(jī)23的A0、 Al、 B0、 Bl， U2的A01、 All、 B01、 Bll連接電機(jī)24的A0、 Al、 B0、 Bl， U2的A02、 A12、 B02、 B12連接電機(jī)25的A0、 Al、 B0、 Bl; Ul的 P1.0 P1.3 口對(duì)應(yīng)U3的IN1 IN4輸入端，第一驅(qū)動(dòng)器U3的0UT1 0UT4端連
12接電磁閥37、 38、 39、 40的供電控制端，處理器U1的PI. 4 P1. 7 口對(duì)應(yīng)U4 的IN1 IN4輸入端，第二驅(qū)動(dòng)器U4的0UT1 0UT4端連接電磁閥15、低壓泵 10、 18及清潔裝置11的供電控制端。
結(jié)合附圖1-4，采用光程為500cm、內(nèi)徑為550/zm的液芯波導(dǎo)(WPI Inc.)， 光譜儀采用PC2000-PC104光纖光譜儀(Ocean Optics Inc.)采用混合樣品池 (注射器)共需進(jìn)混合樣品2ml，樣品與試劑的配比為20:1，進(jìn)海水和純水的 蠕動(dòng)泵管其內(nèi)徑為1.6mm，進(jìn)試劑的蠕動(dòng)泵管其內(nèi)徑為0.7mm，混合樣品反應(yīng)時(shí) 間180s，該發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)工作過程具體實(shí)施如下
(1) 、測(cè)量?jī)x上電，Ul初始化，Pl端開始自動(dòng)進(jìn)樣控制；光源4上電， PC104 l啟動(dòng)工作，等待進(jìn)樣成功后進(jìn)行光信息采集；
(2) 、 P1.7置1，安裝在平滑"粗"過濾網(wǎng)12正上方的清潔裝置11啟動(dòng) 工作，對(duì)"粗"過濾網(wǎng)12進(jìn)行3次均勻的清掃；
(3) 、 P1.7清零，清潔裝置ll停止工作；P1.4置l，低壓泵10啟動(dòng)工作， 將現(xiàn)場(chǎng)海水經(jīng)"粗"過濾網(wǎng)12和"細(xì)"過濾網(wǎng)7過濾后泵入海水樣品池21， 控制水泵抽水時(shí)間，確保注入海水樣品池21的海水樣滿足測(cè)量所需；
(4) 、 P1.4清零，低壓泵10停止工作；P1.0置l， P1.2置l，電磁閥37、 39的a、 c兩端連通、a、 b兩端斷開；P1.5置l，電磁閥15的a、 b端接通；
(5) 、 Ul向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U2發(fā)送控制電機(jī)23、 24、 25分別以設(shè)定的 速度同時(shí)向右轉(zhuǎn)的指令，U2根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)帶動(dòng)與之連接的泵頭以指定 的方向和速度將海水和試劑按20: 1的比例均勻送入樣品混合池(注射器)31， 同時(shí)，將純水同步送入液芯波導(dǎo)3，對(duì)液芯波導(dǎo)進(jìn)行測(cè)量前的清洗；
(6) 混合進(jìn)樣結(jié)束后Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)23、 24、 25同時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的 指令，U2根據(jù)接收指令停止相應(yīng)電機(jī)及與之連接的泵頭工作；
(7) 、自動(dòng)混合進(jìn)樣完成時(shí)進(jìn)樣裝置所處狀態(tài)如圖2所示，此時(shí)U1向PC104 發(fā)送混合進(jìn)樣結(jié)束提示信息；同時(shí)啟動(dòng)180s的混合樣品反應(yīng)時(shí)間中斷；
(8) 、 PC104在接收到U1的狀態(tài)提示信息后，啟動(dòng)一次光譜測(cè)量過程，完成基線測(cè)量(此時(shí)，液芯波導(dǎo)中充滿純水)；
(9) 、混合反應(yīng)時(shí)間到，時(shí)間屮斷結(jié)束，P1.2清零，電磁閥39的a、 b端 接通，a、 c端斷開；
(10) 、 Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)25以設(shè)定的速度向左轉(zhuǎn)的指令，U2根據(jù)指 令驅(qū)動(dòng)電機(jī)25帶動(dòng)與之連接的注射泵頭以指定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，將混合樣品池(注 射器)31中已反應(yīng)混合樣品經(jīng)W一i端送入長(zhǎng)光程液芯波導(dǎo)3;
(11) 、將己反應(yīng)樣品全部送入液芯波導(dǎo)3后自動(dòng)進(jìn)樣裝置所處狀態(tài)如圖3 所示，此時(shí)液芯波導(dǎo)3中完全充滿已反應(yīng)混合樣品；
(12) 、 P1.3清零，電磁閥39的a、 b端接通，a、 c端斷開，P1.5清零， 電磁閥15的a、 b端端開；
(13) 、 Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)25停止轉(zhuǎn)動(dòng)的指令，U2根據(jù)接收指令停止 電機(jī)25轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，U1向PC104發(fā)送液芯波導(dǎo)3進(jìn)樣結(jié)束提示信息；
(14) 、 PC104在接收到U1的狀態(tài)提示信息后，啟動(dòng)一次光譜測(cè)量過程，完 成樣品光譜測(cè)量；
(16) 、 P1.0清零，Pl. 1、 Pl. 2、 P1.4置l，電磁閥15、 37、 38的a、 b端 連通，37的a、 c端斷開，39的a、 c端連通，a、 b端斷開；
(17) 、Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)24、25分別以設(shè)定的速度同時(shí)向右轉(zhuǎn)的指令， U2根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)帶動(dòng)與之連接的泵頭以指定的方向和速度將純水分別 送入樣品混合池(注射器)31和液芯樣品池3，利用純水對(duì)樣品混合池31和液 芯樣品池3同步進(jìn)行測(cè)量后清洗，此時(shí)進(jìn)樣裝置所處狀態(tài)如圖2所示；
(18) 、 Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)24、 25同時(shí)停止工作的指令，U2根據(jù)接收 指令停止相應(yīng)電機(jī)及與之連接的泵頭轉(zhuǎn)動(dòng)；
(19) 、 P1.4清零，P1.3置l，電磁閥15的a、 b端斷開，電磁閥40的a、 b端接通；
(20) 、 Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)25以指定速度向左轉(zhuǎn)的指令，U2根據(jù)指令 驅(qū)動(dòng)電機(jī)25帶動(dòng)與之連接的注射泵頭以指定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，將清洗后的廢水排至 廢液池中；(22) 、 Ul向U2發(fā)送控制電機(jī)25停止轉(zhuǎn)動(dòng)的指令，U2根據(jù)接收指令停止 電機(jī)25轉(zhuǎn)動(dòng)；
(23) 、 P1.5、 P1.6置位，啟動(dòng)低壓泵18將殘留在液芯波導(dǎo)和廢液池中的 廢液完全排出后P1.5、 P1.6清零，低壓泵18停止工作；
(24) 、如需重復(fù)測(cè)量，返回至步驟(3)。
權(quán)利要求
1、一種水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括水體抽取裝置，用于抽取來自水體的樣品溶液；自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)，用于自動(dòng)抽取來自水體抽取裝置的樣品溶液并進(jìn)行混合反應(yīng)形成待測(cè)溶液；長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)，接收來自自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)的待測(cè)溶液；光源(4)，將輸出光通過設(shè)于長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)上的入光口入射至樣品池(3)中；光纖光譜儀(2)，接收由長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)出光口出射的光信號(hào)并進(jìn)行采集與處理；自動(dòng)進(jìn)樣控制單元(5)，用于控制自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)抽取與混合樣品溶液的動(dòng)作；監(jiān)測(cè)主控單元(1)，用于協(xié)調(diào)自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)與光纖光譜儀(2)之間的工作過程，并對(duì)光纖光譜儀(2)的采集結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)及處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于自動(dòng)進(jìn)樣裝置 包括存放待反應(yīng)試劑的試劑池(20)、連接水體抽取裝置的存放樣品溶液的樣品 池21、用于緩存按一比例配比的待反應(yīng)試劑及樣品溶液的樣品混合池(31)、分 別將待反應(yīng)試劑及樣品溶液抽取至樣品混合池(31)的抽取裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于該抽取裝置包 括用于抽取試劑池(20)待反應(yīng)試劑的第一蠕動(dòng)泵、用于抽取樣品池(21)樣 品溶液的第二蠕動(dòng)泵及與樣品混合池(31)連接的注射泵。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于該自動(dòng)進(jìn)樣裝 置(6)還包括一純水池(22)，該第二蠕動(dòng)泵為雙通道蠕動(dòng)泵，該純水池(22) 與第二蠕動(dòng)泵的輸入端連接，第二蠕動(dòng)泵的輸出端分別與樣品混合池(31)及 長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)相連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于試劑池(20)與安裝在第一蠕動(dòng)泵上的第一蠕動(dòng)泵管(34)的一端與相通，第一蠕動(dòng)泵管(34) 的另一端接第二四通接頭(42)的a端，樣品池(21)與第一四通接頭(41) 的b端，第一四通接頭(41)的d端與安裝在第二蠕動(dòng)泵上一通道的第二蠕動(dòng) 泵管(35)的一端相通，第二蠕動(dòng)泵管(35)的另一端與第一三通電磁閥(37) 的a端相連，第一四通接頭(41)的a端與第一三通電磁閥(37)的b端相連， 第一三通電磁閥(37)的c端與第二四通接頭(42)的b端相連，第二四通接 頭(42)的d端連接至第二三通電磁閥(39)的c端，純水池(22)與安裝在 第二蠕動(dòng)泵上另一通道的第三蠕動(dòng)泵管(36)的一端相通，第三蠕動(dòng)泵管(36) 的另一端通過第一二通電磁閥(38)連接至第二四通接頭(42)的c端，第三 蠕動(dòng)泵管(36)的另一端還分別連接至第二三通電磁閥(39)的b端及長(zhǎng)光程 液芯樣品池(6)，第二三通電磁閥(39)的a端連接至樣品混合池(31)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于第一蠕動(dòng)泵由 第一步進(jìn)電機(jī)(23)及單通道蠕動(dòng)泵頭(26)構(gòu)成，其中，第一步進(jìn)電機(jī)(23) 的轉(zhuǎn)軸與單通道蠕動(dòng)泵頭(26)的轉(zhuǎn)軸固定在一起；第二蠕動(dòng)泵由第二步進(jìn)電機(jī)(24)及雙通道蠕動(dòng)泵頭(27)構(gòu)成，其中， 第二步進(jìn)電機(jī)(24)的轉(zhuǎn)軸與雙通道蠕動(dòng)泵頭(27)的轉(zhuǎn)軸固定在一起；注射泵包括插裝于樣品混合池(31)中的活塞、與活塞末端連接的活塞手 柄(32)、注射泵頭(28)及插裝于注射泵頭(28)內(nèi)并能做往復(fù)移動(dòng)的絲桿(29) 及與絲桿(29)末端連接的第三步進(jìn)電機(jī)(25)，絲桿(29)與活塞手柄(32) 連接并能帶動(dòng)活塞手柄(32)做往復(fù)移動(dòng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于第二三通 電磁閥(39)的a端還通過第二二通電磁閥(40)與廢水抽取裝置連接，廢水 抽取裝置包括與第二二通電磁閥(40)連接的廢水池(17)及與廢水池(17) 連接的出廢水低壓泵(18)，該廢水池(17)還通過第三二通電磁閥(15)與長(zhǎng) 光程液芯樣品池(3)連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于該長(zhǎng)光程液芯 樣品池采用兩端安裝有光液耦合器的液芯波導(dǎo)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于該水體抽取裝 置包括進(jìn)水體低壓泵(10)、設(shè)于進(jìn)水體低壓泵(10)進(jìn)水口的粗過濾網(wǎng)(12)、設(shè)于進(jìn)水體低壓泵(10)出水口的細(xì)過濾網(wǎng)(7)及設(shè)于粗過濾網(wǎng)(12)外側(cè)的防生物附著的清潔裝置(11)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其特征在于該自動(dòng)進(jìn)樣控制單元包括用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(U2)，用于驅(qū)動(dòng) 第一、第二三通電磁閥(37、 39)及第一、第二二通電磁閥(38、 40)動(dòng)作的 第一驅(qū)動(dòng)器(U3)，用于驅(qū)動(dòng)水體低壓泵(10)、清潔裝置(11)、第三二通電磁 閥(15)及出廢水低壓泵(18)動(dòng)作的第二驅(qū)動(dòng)器(U4)，連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊(U2)、第一驅(qū)動(dòng)器(U3)及第二驅(qū)動(dòng)器(U4)的處理器(Ul)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水體痕量元素的在線高光譜監(jiān)測(cè)儀，其包括水體抽取裝置，用于抽取來自水體的樣品溶液；自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)，用于自動(dòng)抽取來自水體抽取裝置的樣品溶液并進(jìn)行混合反應(yīng)形成待測(cè)溶液；長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)，接收來自自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)的待測(cè)溶液；光源(4)，將輸出光通過設(shè)于長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)上的入光口入射至樣品池中；光纖光譜儀(2)，接收由長(zhǎng)光程液芯樣品池(3)出光口出射的光信號(hào)并進(jìn)行采集與處理；自動(dòng)進(jìn)樣控制單元(5)，用于控制自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)抽取與混合樣品溶液的動(dòng)作；監(jiān)測(cè)主控單元(1)，用于協(xié)調(diào)自動(dòng)進(jìn)樣裝置(6)與光纖光譜儀(2)之間的工作過程，并對(duì)光纖光譜儀(2)的采集結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)及處理。本發(fā)明能有效減少物耗和人工，提高了分析的可靠性和準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101477034SQ200910036608
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者盧桂新, 孫兆華, 曹文熙, 彩 李, 楊躍忠, 柯天存, 郭超英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所