水质重金属在线监测系统

技术领域

本发明属于环保领域，特别涉及一种水质重金属在线监测系统。

背景技术

现有针对原子荧光光谱法测重金属的仪器绝大部分都是应用于实验室的检测设备，需要人工参与做大量的前期准备工作，包括水样采集、保存、运输、试剂添加以及静置消解等工作，无法将原子荧光光谱法应用于无人值守的全自动连续运行在线监测设备上。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种水质重金属在线监测系统，能够自动进行定量采样、多种试剂预混合消解、氢化物反应。

本发明提供的水质重金属在线监测系统，包括：控制器、定量管、储液罐、氢化器和干燥管，所述定量管与所述氢化器连接，所述干燥管设于所述氢化器的出口；所述控制器用于实现预混合功能和氢化功能。

本发明提供的水质重金属在线监测系统的工作原理如下：控制器用于控制系统中的电气的动作，通过定量管定量量取多种指定试剂，进行预混合消解，并在氢化器中进行氢化反应，产生重金属氢化气体，由氢化器的出口进入原子化器进行检测。本发明提供的水质重金属在线监测系统能够自动完成定量采样、多种试剂预混合消解、氢化物反应，为以原子荧光光谱法为基础的无人值守的全自动连续运行在线监测提供了前提。

应当理解的是，进行预混合消解的容器可以为定量管、氢化器或单独设置容器。

根据本发明提供的一实施方式，还包括储液罐，所述储液罐连接在所述定量管和所述氢化器之间。本发明中，在定量管的下游，单独设置储液罐，定量管量取的试剂进入储液罐完成预混合消解。通过设置储液罐，定量管每次取液后注入储液罐，完成定量管排空后再量取其他试剂，从而避免一次量取多种试剂，试剂直接相互反应、溶解造成的体积误差，进一步提高定量管定量取液的精确性。

根据本发明提供的一实施方式，还包括：第一泵，所述第一泵能够正向运行和反向运行。在本申请中，所述第一泵正向运行时，管路中的液体流入第一泵的入口；所述第一泵反向运行时，管路中的液体逆向流动。

所述定量管设有位于其上端的第一气口和位于其下端的第一液口，所述储液罐设有位于其上端的第二气口和位于其下端的第二液口，所述氢化器设有位于其上端的第三气口、位于其下端的第三液口、以及混合液入口。

所述第一泵的入口通过第一流路与所述第一气口连接，通过第二流路与所述第二气口连接；所述第二气口还通过第二子流路与外界气体连接。

所述第一液口与第三流路连接，所述第三流路设有多个支路，且每次最多只能选择导通多个所述支路中的一个，所述第三流路的多个支路包括：第三流路A、第三流路B、第三流路C和第三流路D，所述第三流路A与所述第二液口连接，所述第三流路B与所述第三液口连接，所述第三流路C用于排出废液，所述第三流路D用于吸取指定试剂，所述第三流路D为多个。

所述第一流路和所述第二流路每次最多只导通其中的一个；所述第二流路与所述第二子流路每次最多只导通其中的一个；所述第二液口通过第四流路与所述混合液入口连接，所述第四流路和所述第三流路A每次最多只导通其中的一个。

根据本发明提供的一实施方式，所述混合液入口通过第五流路与指定的试剂连接，所述第五流路上设有第二泵。

根据本发明提供的一实施方式，所述第二泵的控制精度大于所述第一泵。

根据本发明提供的一实施方式，所述混合液入口通过第六流路与载气连接。

根据本发明提供的一实施方式，还包括：系统清洗功能。通过系统清洗功能清洗系统中的残留液，从而避免残留液对检测参数的影响。系统清洗功能包括局部清洗和/或全系统清洗。

根据本发明提供的一实施方式，实现所述预混合功能的步骤包括：

步骤S11，向所述定量管中量取定量的指定试剂；步骤S12，将所述定量管中的液体注入所述储液罐。

根据本发明提供的一实施方式，实现所述氢化功能的步骤包括：

步骤S21，将所述储液罐中的液体注入所述氢化器；步骤S22，将氢化剂注入所述氢化器。

根据本发明提供的一实施方式，实现所述系统清洗功能的步骤包括：

步骤S31，清洗定量管；步骤S32，清洗储液罐；步骤S33，清洗氢化器。

根据本发明提供的一实施方式，所述步骤S31，包括：向所述定量管中注入清洗液，排出所述定量管中的清洗液。

根据本发明提供的一实施方式，所述步骤S32，包括：向所述储液罐中注入清洗液；步骤S33，包括将所述储液罐中的清洗液注入所述氢化器，排出所述氢化器中的清洗液。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S11的方法如下：与指定试剂连接的所述第三流路D导通，所述第一流路导通，所述第一泵正向运行。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S12的方法如下：所述第一流路导通，所述第二子流路导通，所述第三流路A导通，所述第一泵反向运行。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S21的方法如下：所述第二流路导通，所述第四流路导通，所述第一泵反向运行。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S22的方法如下：所述第二泵吸取定量的指定试剂，并注入所述氢化器。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S31的方法如下：首先，运行步骤S11，指定试剂为清洗液；然后，所述第三流路C导通，所述第一泵反向运行。

根据本发明提供的一实施方式，还包括氢化器排液功能，氢化器排液功能的运行步骤如下：步骤S41，所述第三流路B导通，所述第一流路导通，所述第一泵正向运行；步骤S42，所述第三流路C导通，所述第一泵反向运行。

根据本发明提供的一实施方式，执行步骤S32的方法如下：运行所述预混合功能，指定试剂为清洗液；执行步骤S21；运行氢化器排液功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一实施例提供的水质重金属在线监测系统的结构示意图；

图2为一实验检测图谱；

图3为另一实验检测图谱；

图4为系统清洗功能的示意图；

图5为一实施例中水质重金属在线监测系统的工作流程图；

图6为一实施例中所述阻尼进样装置的结构示意图。

附图标记说明

111定量管

112储液罐

113氢化器

114干燥管

121第一泵

122第二泵

131第一电磁阀

132第二电磁阀

133第三电磁阀

134第四电磁阀

135第五电磁阀

136第六电磁阀

137第七电磁阀

138第八电磁阀

210-混合进样器

221-阻尼管

222-载气管

223-缓冲管

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供的水质重金属在线监测系统，包括：控制器、定量管111、储液罐112和氢化器113，定量管111、储液罐112与氢化器113连接；控制器用于实现预混合功能和氢化功能。氢化器113的出口设有干燥管114，进一步进行气水分离，提高检测精度，干燥管114为Nafion管，接有反吹气体，反吹气体通过第七电磁阀137控制，反吹气体和载气为同一气源。

控制器用于控制系统中的电气的动作，通过定量管111定量分别量取多种指定试剂，依次汇入储液罐112，进行预混合静止消解，最后倒入氢化器113中进行氢化反应，产生重金属氢化气体，由氢化器113的出口进入原子化器进行检测。

本实施例提供的水质重金属在线监测系统能够自动完成定量采样、多种试剂预混合消解、氢化物反应，为以原子荧光光谱法为基础的无人值守的全自动连续运行在线监测提供了前提。

应当理解的是，单独设置储液罐112并非必要条件，进行预混合消解的容器可以为定量管111、氢化器113或单独设置容器。例如：在其他实施方式中，定量管111可直接与氢化器113连接，通过定量管111分多次定量取液，在定量管111中进行混合，然后将混合液倒入氢化器113；或者，定量管111量取的液体直接导入氢化器113，在氢化器113中进行静止混合。

本实施例中，在定量管111的下游，单独设置储液罐112，定量管111量取的试剂进入储液罐112完成预混合消解。通过设置储液罐112，定量管111每量取一种试剂后，即注入储液罐112，然后对定量管111进行排空，之后再量取下一种试剂，从而避免一次量取多种试剂，不同的试剂相互反应、溶解造成的体积误差，从而提高定量管111定量取液的精确性。

本实施例中设有第一泵121，第一泵121为蠕动泵，能够正向运行和反向运行；在本实施例中，第一泵121正向运行时，管路中的液体流入第一泵121的入口；第一泵121反向运行时，管路中的液体逆向流动。

定量管111设有位于其上端的第一气口和位于其下端的第一液口，储液罐112设有位于其上端的第二气口和位于其下端的第二液口，氢化器113设有位于其上端的第三气口、位于其下端的第三液口、以及混合液入口。

第一泵121的入口通过第一流路与第一气口连接，通过第二流路与第二气口连接；第二气口还通过第二子流路与外界气体连接，第二液口通过第四流路与混合液入口连接。

第一液口与第三流路连接，第三流路设有多个支路，且每次最多只能选择导通多个支路中的一个，第三流路的多个支路包括：第三流路A、第三流路B、第三流路C和第三流路D，第三流路A与第二液口连接，第三流路B与第三液口连接，第三流路C用于排出废液，第三流路D用于吸取指定试剂，第三流路D为多个。

具体的，第一流路上设有一个第一电磁阀131，第一电磁阀131为二位三通阀，具有ABC三个接口，A口连接第一泵121的入口，B口连接第一气口，C口空接。通过第一电磁阀131控制第一流路的通断。

第二流路上设有一个第二电磁阀132，第二电磁阀132为二位三通阀，具有ABC三个接口，A口连接第一泵121的入口，B口连接第二气口，C口空接，当C口开启后，与大气连接。每次只选择导通其中两个接口，蠕动泵的入口到第二气口为第二流路，C口到第二气口为第二子流路。

第四流路上设有第三电磁阀133，第三电磁阀133为二位三通阀，具有ABC三个接口，A口连接第二液口，B口连接氢化器113的混合液入口。

定量管111的第一液口设有第四电磁阀134，第四电磁阀134为十孔阀，其第1口与第一液口连接，第一口分别与其他口连接，形成第三流路A、第三流路B、第三流路C和第三流路D。具体地，第2口连接A试剂瓶，第3口连接B试剂瓶，第4口为废液出口，连接废液罐，第5口与第三液口连接，第6口与第三电磁阀133的C口连接，第7口连接现场水样，第8口连接蒸馏水，第9口连接标一试剂瓶，第10口连接标二试剂瓶。在其他实施方式中，还可设置更多的接口，根据需要配置第三流路的各个支路的数量。

更具体的，本实施例中，A试剂为硫脲、铁氰化钾、钴溶液和抗坏血酸的混合液，B试剂为盐酸。

第一流路和第二流路每次最多只导通其中的一个；第二流路与第二子流路每次最多只导通其中的一个；第四流路和第三流路A每次最多只导通其中的一个。

在具体实施时，氢化剂可通过第三流路D与第一液口连接，预混合液完全进入氢化器113后，氢化剂再经定量管111和储液罐112进入氢化器113。

经实验验证，当预混合液完全进入氢化器113后，再汇入氢化剂，原子荧光光谱法的仪器采集的数据图如图2，前段图形数值波动剧烈。经分析，原因为：当混合液先进入氢化器113后，再逐渐汇入氢化剂，由于实验开始时，混合液的量远大于氢化剂，导致反应剧烈，突然释放大量的氢化气体，检测得到的瞬时值远大于实际值，后续反应平稳后读数恢复正常。

因此，优选地，本实施例中单独设置一个第五流路，第五流路上设有第二泵122，第五流路用于直接连接混合液入口与C试剂瓶，C试剂瓶用于放置氢化剂。第二泵122为注射泵。注射泵控制精度比蠕动泵高，可以更精确的控制每次抽取的C试剂，同时，氢化反应时，释放大量气体，提高了管路中的压力，注射泵能够有效降低出口压力变化对注射泵注射速度的影响，从而在发生反应时更准确的控制C试剂的添加速度。

具体地，第五流路中设有第五电磁阀135，第五电磁阀135为二位三通阀，其三个接口分别连接C试剂瓶、氢化器113的混合液入口和第二泵122。通过单独设置的第五流路，工作时，储液罐112中的混合液能够与C试剂瓶中的氢化剂同时汇入氢化器113。

更具体的，氢化剂为硼氢化钾和氢氧化钠的混合液，第二泵122设于第五流路，用于定量吸取氢化剂，并按照设定的速度通过第五流路汇入氢化器113。第二泵122的控制精度大于第一泵121。工作时，第一泵121和第二泵122分别按照设定的转速工作，同时将氢化剂和储液罐112内的混合液按比例逐渐进行混合，汇入氢化器113中进行反应。

当预混合液和氢化剂分别经不同的流路按设定的流速逐渐汇入氢化器113后，实验测量得到的曲线如图3，相对图2，曲线平稳，最终测量值更加准确。

其中，混合液入口通过第六流路与载气连接，通过载气将氢化后的气体送入原子化器。第六流路设有用于控制载气开关的第六电磁阀136，在其他实施方式用可单独设置载体入口和载气通道，或以其他能够进气的方式设置。

优选的，还设有原子化器的屏蔽气，通过第八电磁阀138控制，与载气同一气源。

参照图4，本实施例提供的水质重金属在线监测系统具有系统清洗功能，通过系统清洗功能清洗系统中的残留液，从而避免残留液对后续检测数据造成影响。系统清洗功能包括局部清洗和全系统清洗，可清洗定量管111、储液罐112、氢化器113。

本装置的功能还包括：氢化器排液功能，氢化器排液功能的运行步骤如下：步骤S41，第三流路B导通，第一流路导通，第一泵121正向运行；步骤S42，第三流路C导通，第一泵121反向运行。步骤S41将氢化器113中的液体倒入定量管111，步骤S42将定量管111中的液体经废液出口排出，多次运行氢化器排液功能直到完全排出氢化器113中的液体。

实现系统清洗功能的步骤包括：

步骤S131，清洗定量管；步骤S132，清洗储液罐；步骤S133，清洗氢化器。应当理解，此处步骤的序号并不代表工作顺序，具体可根据需要配置系统，还可单独使用其中一个或多个步骤。

具体地，步骤S131包括：向定量管111中注入清洗液，排出定量管111中的清洗液。此处清洗液为蒸馏水。本实施例执行步骤S131的方法如下：首先，运行步骤S111，指定试剂为清洗液，将清洗液注入定量管111；然后，第三流路C导通，第一泵121反向运行，将清洗液排出定量管111。

步骤S132包括：向储液罐112中注入清洗液；步骤S133包括将储液罐112中的清洗液注入氢化器113，排出氢化器113中的清洗液。本实施例中，执行步骤S132的方法如下：运行预混合功能，指定试剂为清洗液；执行步骤S121；运行氢化器排液功能。

参照图5，本实施例提供的水质重金属在线监测系统具体工作流程如下：

1)系统启动，执行预混合功能，步骤包括：步骤S111，向定量管111中量取定量的指定试剂；步骤S112，将定量管111中的液体注入储液罐112。由于要想储液罐112注入多种试剂，因此，判断是否已完成取液，如果未完成，则执行步骤S131，清洗定量管111，重复执行步骤S111和步骤S112，从而向储液罐112内注入多种定量的试剂。本实施例中，每执行一次预混合功能，将一种指定试剂注入储液罐112后，马上执行步骤S131，对定量管111进行清洗，避免残留液体对后续定量取液的影响，如果已完成取液，执行下一步。

执行步骤S111的方法如下：与指定试剂连接的第三流路D导通，第一流路导通，第一泵121正向运行。

执行步骤S112的方法如下：第一流路导通，第二子流路导通，第三流路A导通，第一泵121反向运行。

2)执行氢化功能，过程如下：步骤S121，将储液罐112中的混合液按设定的流量注入氢化器113；步骤S122，将氢化剂按设定的流量注入氢化器113。步骤S121和步骤S122同时运行，需要注意，并不要求同一时间点开始注入混合液和氢化剂，只要避免先完成其中一种，再进行另一种即可。本实施例中，先通过第二泵122吸取定量的氢化剂；然后执行S121，开始注入混合液，同时，打开载气和反吹气，9s后开始执行S122的将氢化剂注入氢化器113。

具体地，执行步骤S121的方法如下：第二流路导通，第四流路导通，第一泵121反向运行。

执行步骤S122的方法如下：将第二泵122吸取的氢化剂，并注入氢化器113。

3)完成检测后，执行系统清洗功能，对定量管111、储液罐112、氢化器113进行全系统清洗，避免对下次测量的影响。

实施例2

参照图6，本实施例提供的水质重金属在线监测系统还设有阻尼进样装置，阻尼进样装置包括：混合进样器22210、阻尼管2221、载气管222和缓冲管223；混合进样器22210设有试剂口、载气口、混合液出口；试剂口为两个(在其他实施方式中，试剂口的数量可根据需要混合的试样种类进行调整)，每个试剂口均连接有一个阻尼管2221，载气口与载气管222连接，混合液出口通过缓冲管223与氢化器的混合液入口连接。

工作时，储液罐排出的预混合液通过其中一个阻尼管2221进样，氢化剂通过另一个阻尼管2221进样，预混合液和氢化剂在混合进样器中汇合后从混合液出口排出，并经缓冲管223进入氢化器，阻尼管2221增大了试剂的流动阻尼，从而减缓试剂混合后剧烈反应对前级流量的影响，保证多种试剂混合后进样速度均匀。

如果在进入下一级设备前不能反应完全，会将大量水气随气泡带到原子化器，降低原子化效率，影响仪器性能，因此缓冲管223的内径应为阻尼管2221内径的两倍以上。本实施例中，阻尼管2221的内径为0.6mm，缓冲管的内径为223为3mm，由于缓冲管223的内径远大于阻尼管2221内径，混合液在缓冲管223中的流速降低，从而使得混合液在进入下一级氢化器之前充分反应，提高后续气液分离效果，同时避免反应不充分对检测数据的影响；同时从小直径的阻尼管进入大直径的缓冲管内后，液压降低，从而降低混合液剧烈反应对阻尼管进样流量的影响。

本实施例中，缓冲管223为硅胶管，由于硅胶管具有较好的弹性变形性能，当混合液剧烈反应产生大量气体时，缓冲管223能够发生弹性形变，扩大管内空间，从而有效降低反应气体造成的压强上升，从而降低对前一级阻尼管2221中试剂流量的影响。在其他实施方式中，缓冲管223还可设有弹性缓冲部，弹性缓冲部可设于缓冲管223的入口、出口或中间任意位置，当混合液剧烈反应时，弹性缓冲部扩大，从而避免缓冲管223内压强急速上升。

当缓冲管223处于使用状态时，其出口位置要高于入口位置，从而使得缓冲管223内的混合液自下而上流动，与气体的流动方向一致，便于气液分离。

这里，要说明的是，本发明涉及的功能、算法、方法等仅仅是现有技术的常规适应性应用。因此，本发明对于现有技术的改进，实质在于硬件之间的连接关系，而非针对功能、算法、方法本身，也即本发明虽然涉及一点功能、算法、方法，但并不包含对功能、算法、方法本身提出的改进。本发明对于功能、算法、方法的描述，是为了更好的说明本发明，以便更好的理解本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。