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一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，尤其涉及一種采用三極檢測(cè)、可以檢測(cè)多金屬濃度的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)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、恒電位儀模塊、攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和接口模塊，恒電位儀模塊包括三電極式電化學(xué)傳感器，三電極式電化學(xué)傳感器包括工作電極、輔助電極和參比電極，參比電極通過(guò)第一跟蹤器連接開環(huán)放大器的輸入端，開環(huán)放大器的輸出端連接輔助電極，工作電極通過(guò)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微處理器模塊輸入端相連。本實(shí)用新型具有監(jiān)測(cè)多種金屬的濃度的功能，本設(shè)備操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、使用方便。
【專利說(shuō)明】一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，尤其是一種可以檢測(cè)多金屬濃度、采用三極檢測(cè)的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，屬于環(huán)保水環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]重金屬指原子密度大于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。重金屬污染是危害最大的水污染問(wèn)題之一。隨著中國(guó)城市化的加速進(jìn)展，以及大規(guī)模的工業(yè)發(fā)展，重金屬通過(guò)礦山開采、金屬冶煉、金屬加工及化工生產(chǎn)廢水、化石燃料的燃燒、施用農(nóng)藥化肥和生活垃圾等人為污染源，以及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化等天然形式進(jìn)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(fā)生各種形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過(guò)程(即遷移)，不但污染水資源，也嚴(yán)重威脅人類和水生物的生存。
[0003]水環(huán)境主要包括河流、湖泊、水庫(kù)、海洋以及工業(yè)用水、排放水和生活飲用水等水體環(huán)境。近年來(lái)，各種水環(huán)境中重金屬污染問(wèn)題日趨加劇已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。江河湖庫(kù)底質(zhì)的污染率高達(dá)80.1%，太湖是我國(guó)第三大淡水湖，2005年的采樣分析結(jié)果表明，與海洋國(guó)家沉積物標(biāo)準(zhǔn)(GB18668-2002)、土壤環(huán)境質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)和生態(tài)危害臨界值(TEL)相比，太湖表層底泥中出現(xiàn)了重金屬的復(fù)合污染，污染物主要為Cu、Cd、N1、Zn。
[0004]目前，監(jiān)測(cè)重金屬的方法主要包括原子光譜法、質(zhì)譜分析法、中子活化分析法、紫外可見分光光度法、化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)分析法。光譜、質(zhì)譜、中子活化、分光光度等幾種分析方法有些存在儀器價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用較高或不宜攜帶等缺點(diǎn)，在連續(xù)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定等方面受到很大的限制；有些前處理復(fù)雜，需萃取、濃縮富集或抑制干擾；有些不能進(jìn)行多組分或多元素分析；有些儀器靈敏度或監(jiān)測(cè)限達(dá)不到規(guī)定指標(biāo)要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出一種可以高靈敏度、高效率監(jiān)測(cè)多種金屬濃度，信息存儲(chǔ)量大，可以對(duì)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)中各金屬濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀。
[0006]為了達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型的一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)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、恒電位儀模塊、攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和接口模塊，恒電位儀模塊包括三電極式電化學(xué)傳感器，三電極式電化學(xué)傳感器包括工作電極、輔助電極和參比電極，參比電極通過(guò)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(guò)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
[0007]本實(shí)用新型的優(yōu)選方案是:微處理器模塊的輸出端通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊連接第一放大器的輸入端。
[0008]優(yōu)選的，微處理器模塊含有微處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元連接微處理器。
[0009]優(yōu)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(yōu)選的，攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊采用微形直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌機(jī)。
[0010]優(yōu)選的，顯示模塊通過(guò)接口模塊與微處理器模塊連接。
[0011]優(yōu)選的，接口模塊含有藍(lán)牙接口，藍(lán)牙接口連接外部設(shè)備。
[0012]優(yōu)選的，工作電極采用金或玻碳，輔助電極采用鉬，參比電極采用銀或氯化銀。
[0013]本實(shí)用新型有益效果為:
[0014]1、采用三電極進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)的效率和靈敏度，同時(shí)本設(shè)備可以對(duì)水質(zhì)中十三重金屬的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0015]2、設(shè)備設(shè)計(jì)了藍(lán)牙模塊接口，以及配套的微型打印機(jī)，方便野外及時(shí)打印重金屬監(jiān)測(cè)結(jié)果。
[0016]3、本實(shí)用新型包括硬件自檢測(cè)功能，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，通過(guò)自檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)硬件問(wèn)題，及時(shí)報(bào)警，或關(guān)斷設(shè)備，以免造成更大損失。
[0017]4、備用電池電量不足報(bào)警，以及備用電池饋電時(shí)自動(dòng)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(yù)留開放平臺(tái)接口，各參數(shù)可自主設(shè)定，便于使用者自主設(shè)定其它重金屬的監(jiān)測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020]圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖2為本實(shí)用新型陽(yáng)極溶出伏安法波形圖。
[0022]圖3為本實(shí)用新型系統(tǒng)軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例一
[0024]本實(shí)施例的一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其結(jié)構(gòu)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、恒電位儀模塊、攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和接口模塊，恒電位儀模塊包括三電極式電化學(xué)傳感器，三電極式電化學(xué)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(guò)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(guò)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
[0025]本實(shí)施例中設(shè)備的電源模塊為系統(tǒng)提供直流12V電壓，電源處理單元，將直流12V電壓轉(zhuǎn)換成內(nèi)部各模塊所需要的電壓，分別是3.3V，±5V。同時(shí)，內(nèi)部包含可充電備用電池。當(dāng)外部直流12V斷電時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換到內(nèi)部備用電池供電，便于野外以及無(wú)交流220V供電場(chǎng)所工作。在有外部電源時(shí)，系統(tǒng)定時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部充電電池的電壓，當(dāng)電壓低于某一門檻值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開始對(duì)備用電池供電。
[0026]微處理器模塊，包含MCU和EEPROM，MCU是便攜式處理器的心臟，系統(tǒng)采用瑞薩公司的RL78/G13系列的16位的MCU，其主頻高達(dá)32MHZ。EEPROM用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)版本信息等。系統(tǒng)能保存近1000條左右的歷史數(shù)據(jù)，便于在野外操作的數(shù)據(jù)保存。
[0027]按鍵處理模塊，指的是系統(tǒng)操作部分，使用者通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)包含的按鍵有，電源按鍵、左/右按鍵、確認(rèn)鍵、清洗按鍵以及攪拌按鍵
坐寸ο
[0028]恒電位儀模塊，恒電位儀是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)傳感器的接口，主要將外部激勵(lì)信號(hào)近乎準(zhǔn)確地施加于傳感器上，驅(qū)動(dòng)樣品溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。早期的電流型傳感器只有兩個(gè)電極(工作電極和參比電極)，工作時(shí)將電壓加于兩電極之間。在該電壓允許誤差范圍內(nèi)，傳感器輸出為線性，但隨著氣體濃度的增加，流經(jīng)兩電極之間的電解電流會(huì)使工作電極電壓偏離其電壓允許范圍，使傳感器輸出不穩(wěn)定。所以，在兩電極的基礎(chǔ)上，增加參比電極。通過(guò)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(gòu)成恒電位儀電路。系統(tǒng)中U2、U3、U4以及攪拌池中的三個(gè)電極，一起構(gòu)成了系統(tǒng)的恒電位儀。其中，U3做第一跟隨器，將RE的電壓做反饋；U2在系統(tǒng)中做開環(huán)放大器，分別將RE電壓以及十六位DA轉(zhuǎn)換出來(lái)的控制電壓做比較，再開環(huán)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(cè)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而測(cè)定該電極上產(chǎn)生的電流；輔助電極和工作電極組成一個(gè)導(dǎo)通回路；而參比作為工作電極和輔助電極的基準(zhǔn)電極。流經(jīng)工作電極上的電流通過(guò)U4將電流轉(zhuǎn)換成電壓，根據(jù)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(jīng)過(guò)不同的放大倍數(shù)變成電壓，U4在系統(tǒng)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(nèi)阻。十六位AD轉(zhuǎn)換器接收從U5過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)，到MCU。MCU根據(jù)電壓值以及對(duì)應(yīng)的Rx值，根據(jù)歐默定律，算出流經(jīng)工作電極的電流值。
[0029]攪拌器及其驅(qū)動(dòng)模塊:系統(tǒng)的待測(cè)液中，當(dāng)富集時(shí)，用攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，力口速溶液中重金屬的分解。攪拌器采用微型直流電機(jī)，系統(tǒng)包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)需要攪拌時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，電機(jī)速度達(dá)5000轉(zhuǎn)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(guò)UART接口與顯示控制單元通訊，顯示控制單元控制與驅(qū)動(dòng)TFT顯示屏。儀器操作人員通過(guò)按鍵操作系統(tǒng)，通過(guò)TFT顯示屏，獲得系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息。系統(tǒng)通過(guò)TFT顯示屏，獲得實(shí)時(shí)操作提示、最終的溶液濃度顯示，以及溶液中重金屬檢測(cè)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(lán)牙接口。USB接口主要用于便攜式重金屬檢測(cè)儀與上位機(jī)相連。儀器操作人員通過(guò)運(yùn)行在電腦上的上位機(jī)的軟件，能更方便的操作和控制便攜式設(shè)備。藍(lán)牙模塊，則主要用于連接帶藍(lán)牙接口的微型打印機(jī)，方便攜帶在野外操作。可以實(shí)時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)微型打印機(jī)打印出來(lái)。
[0032]本實(shí)用新型的系統(tǒng)工作原理如下:
[0033]陽(yáng)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(cè)物質(zhì)在一定電位下被電解富集到工作電極上，接著，靜止一會(huì)，使被富集的物質(zhì)在工作電極上分部均勻，以提高分析結(jié)果的再現(xiàn)性，然后反向掃描電位，使被測(cè)物質(zhì)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范圍內(nèi)于被測(cè)物質(zhì)的溶度成正t匕，出現(xiàn)溶出電流峰的電位與被測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。
[0034]基于陽(yáng)極溶出伏安分析法的三步驟，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件的工作流程如圖3所示。
[0035]主要思路是:首先配置空白樣，采用陽(yáng)極溶出伏安法，測(cè)定掃描電壓下的出峰電壓，其次，同樣方法，配置標(biāo)準(zhǔn)樣，知道標(biāo)準(zhǔn)樣的溶度的情況下，測(cè)定其峰值電壓，再配置一份待測(cè)液，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣出峰電壓時(shí)的掃描電壓，系統(tǒng)找出待測(cè)液在此掃描電壓下的出峰電壓。即可推測(cè)出待測(cè)液的溶度。
[0036]該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0037]1、采用三電極進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)的效率和靈敏度，同時(shí)本設(shè)備可以對(duì)水質(zhì)中十三重金屬的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0038]2、設(shè)備設(shè)計(jì)了藍(lán)牙模塊接口，以及配套的微型打印機(jī)，方便野外及時(shí)打印重金屬監(jiān)測(cè)結(jié)果。
[0039]3、本實(shí)用新型包括硬件自檢測(cè)功能，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，通過(guò)自檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)硬件問(wèn)題，及時(shí)報(bào)警，或關(guān)斷設(shè)備，以免造成更大損失。
[0040]4、備用電池電量不足報(bào)警，以及備用電池饋電時(shí)自動(dòng)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(yù)留開放平臺(tái)接口，各參數(shù)可自主設(shè)定，便于使用者自主設(shè)定其它重金屬的監(jiān)測(cè)。
[0042]除上述實(shí)施例外，本實(shí)用新型還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)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、恒電位儀模塊、攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和接口模塊，其特征在于:所述恒電位儀模塊包括三電極式電化學(xué)傳感器，所述三電極式電化學(xué)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(guò)第一跟蹤器(U3)連接開環(huán)放大器(U2)的輸入端，所述開環(huán)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(guò)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微處理器模塊輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述微處理器模塊的輸出端通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊連接所述第一放大器的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述微處理器模塊含有微處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元連接所述微處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述攪拌器及驅(qū)動(dòng)模塊采用微形直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述顯示模塊通過(guò)所述接口模塊與所述微處理器模塊連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述接口模塊含有藍(lán)牙接口，所述藍(lán)牙接口連接外部設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式水環(huán)境重金屬檢測(cè)儀，其特征在于:所述工作電極采用金或玻碳，所述輔助電極采用鉬，所述參比電極采用銀/氯化銀。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK203535000SQ201320676285
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】周立夫, 史克濤, 李振華 申請(qǐng)人:南京珀奧環(huán)保科技有限公司