一种水质检测分析仪及检测方法

技术领域

本发明属于水质分析检测技术领域，具体涉及一种水质检测分析仪及检测方法。

背景技术

现有市场用于水质分析的设备较多，但所采用的分析方法主要包括电极法和比色法；其中，电极法主要用于测定水中的TDS，即溶解性总固体含量；比色法多用于测定水质中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量，如总氯，余氯，总碱度，总硬度等。

常用的比色法有两种：目视比色法和光电比色法。目视比色法主要用眼睛观察，且比色法的对象既可以是完全反应的液体试剂，也可以是完成反应后的试纸条，而使用试纸条测试水质的方法便携，直观，受外界环境温度的影响较小，所以是目前最常用的检测方法。但采用肉眼观测的方法对试纸条反应后颜色或完全反应的液体试剂进行判定时，容易产生较大的误差，而且也不易确定试纸是否达到了最佳反应时间，同时室外作业会加大操作难度。光电比色法主要用光电比色计测量，光电比色法消除了目视比色法的主观误差，提高了测量准确度，但光电比色计采用钨灯光源和滤光片，只适用于可见光谱区和只能得到一定波长范围的复合光，具有一定的局限性。因此，开发一种既能够解决目视比色法误差大，同时还能解决光电比色法检测范围受限的水质检测分析仪十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水质检测分析仪，该分析仪通过检测试纸上的药剂与待测水样反应后的颜色，通过反应后待测水样颜色的RGB值计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量，其结构简单，使用方便，解决了目视比色法肉眼观察水质检测结果误差大，易受到外界干扰，操作繁琐的技术问题，同时也克服了光电比色法局限性这一问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水质检测分析仪，包括仪器主体以及安装在仪器主体内部的光源、颜色采集模块、电源模块及控制单元；其中，所述仪器主体上加工有用于容纳测量瓶的测量室，在所述仪器主体靠近测量室的一端还安装有遮光盖，所述遮光盖用于将测量室盖上，使测量室完全避光；所述仪器主体上还设置有显示屏安装部、操作按键安装部，显示屏安装部上安装有显示屏，操作按键安装部上安装有操作按键；所述光源设置在测量室的一侧，用于对测量室内测量瓶内的待测水样进行照射；所述颜色采集模块设置在测量室的另一侧，用于对测量瓶内的待测水样的颜色进行采集，并将采集的数据发送给控制单元；所述电源模块用于供电；所述控制单元用于根据反应后待测水样颜色的RGB值计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量。

作为本发明的优选，所述仪器主体上还设置有USB数据接口、程序下载接口。

作为本发明的优选，所述光源采用超高亮度白光LED光源，所述测量瓶为表面整洁，无划痕，透光的玻璃瓶，测量瓶上设置有瓶盖；所述显示屏采用LCD显示屏；所述操作按键包括软开关机按键、校零按键、检测项目选择按键、检测按键。

作为本发明的优选，所述仪器主体靠近测量室的一端设置有铰接座，所述遮光盖与铰接座铰接。

作为本发明的优选，所述控制单元包括控制器、存储器；其中，所述控制器为ARM微控制器GD32F103CBT6，ARM微控制器的PB12引脚、PB13引脚、PB15引脚分别与DA输出模块的1、2、3引脚连接，所述DA输出模块的6引脚与自动追光模块连接，所述自动追光模块与光源连接，用于在检测开始时前将光源调整到设定好的亮度，即进行校零处理；ARM微控制器的PB6引脚、PB7引脚与颜色采集接口连接，通过颜色采集接口与颜色采集模块连接；所述ARM微控制器的PA0-WAKEUP引脚与电源模块连接，所述ARM微控制器的PA2引脚、PA3引脚与USB数据接口连接；所述ARM微控制器的PA13引脚、PA14引脚与程序下载接口连接；所述ARM微控制器的PB8引脚、PB9引脚与软开关机模块连接，软开关机模块与软开关机按键连接；所述ARM微控制器的PA5引脚、PA7引脚、PB0引脚、PB1引脚、PB10引脚与LCD显示屏连接。

作为本发明的优选，所述存储器内存储有针对每一检测项目的不同浓度的标准溶液与RGB值的标准曲线，控制器根据颜色采集模块计算出反应后待测水样颜色的RGB值，之后根据存储器内的不同浓度的标准溶液与RGB值的标准曲线计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述水质检测分析仪对水质进行检测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、针对每个检测项目分别配置至少3个浓度不同的3ml标准溶液，至少3个浓度不同的标准溶液与检测试纸上的药剂反应后颜色成为逐渐递变的标准色阶；且标准溶液中包含所检测物质的最低浓度和最高浓度；

步骤S2、在设定好光源亮度的避光环境中，采用颜色采集模块分别对不同浓度的标准溶液反应后的颜色进行检测，确定不同浓度的标准溶液的RGB值；之后在RGB值中选择最能表明颜色变化的单一通道R值或G值或B值，然后分别将相邻两个浓度的标准溶液的单一通道值与浓度带入线性方式Y＝a+bX中，从而获得至少二段线性方程；

步骤S3、将步骤S2获取的多段线性方程以及每段线性方程所对应的最大单一通道值和最小单一通道值按照检测项目类别存储在分析仪的存储器内；

步骤S4、当需要对待测水样进行检测时，先按软开关机按键开机；

步骤S5、使用注射器将3ml待测水样加入到测量瓶中内，旋紧瓶盖；

步骤S6、打开遮光盖，将装有待测水样的测量瓶放入测量室内，关闭遮光盖；

步骤S7、按校零按键，自动追光模块将光源调整到设定好的亮度，校零结束后执行步骤S8；

步骤S8、按检测项目选择按键，将测试类型调整为需要检测的项目；

步骤S9、打开遮光盖，取出测量瓶，打开瓶盖，取出对应检测项目的试纸，将试纸一端插入到测量瓶中，用瓶盖夹住试纸另一端并旋紧瓶盖；

步骤S10、上下颠倒使检测试纸上的药剂与待测水样完全反应，打开瓶盖，取出试纸，再次旋紧瓶盖；

步骤S11、将测量瓶再次放入测量室内，关闭遮光盖，按检测按键后，颜色采集模块对待测水样反应后的颜色进行采集并发送给控制单元，控制单元根据颜色确定RGB值，同时选择最能表明颜色变化的单一通道值，之后根据该值选择线性方程，从而计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量，并在显示屏上显示数值。

作为本发明的优选，步骤S10上下颠倒20次即可；步骤S11将测量瓶再次放入测量室内时需确保测量瓶表面整洁，无划痕、指纹和水珠。

本发明的优点及有益效果：

(1)本发明提供的水质检测分析仪结构小巧简单，使用方便，成本低，该分析仪通过使用注射器吸取待测水样放入测量瓶中，然后将配套的检测试纸插入测量瓶中，试纸上的药剂与水样中的待测物质发生反应，从而使水样显示不同的颜色，之后利用超高亮度白光LED光源照射水样，用颜色采集模块对水样的颜色进行检测，再通过反应后待测水样颜色的RGB值计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量，检测结果准确可靠，解决了肉眼观察水质检测结果误差大，易受到外界干扰，操作繁琐等技术问题；同时也克服了光电比色法局限性这一问题。

(2)本发明将试纸上的药剂与水样中的待测物质发生反应，能够在短时间内使药剂与水样充分反应，且通过控制上下颠倒次数能够控制反应的完成情况，进一步简化检测过程。

(3)本发明检测时使用的测量瓶设置在避光的测量室内，实际检测时需要提前将光源调整到设定好的亮度，此种方式能够避免环境光对颜色产生影响，保证颜色采集模块采集颜色的准确性，可进一步提高测量结果的稳定性、精确性。

附图说明

图1是本发明水质检测分析仪仪器主体的轴测图之一；

图2是本发明水质检测分析仪仪器主体的轴测图之二；

图3是本发明水质检测分析仪仪器主体的轴测图之三；

图4是本发明水质检测分析仪各部件电连接的示意框图；

图5是本发明控制器的电路图；

图6是本发明自动追光模块的电路图；

图7是本发明USB数据接口处的电路图；

图8是本发明电源模块的电路图；

图9是本发明程序下载接口处的电路图；

图10是本发明LCD显示屏的电路图；

图11是本发明颜色采集模块的电路图；

图12是本发明DA输出模块的电路图；

图13是本发明软开关机模块的电路图；

图14是本发明PH检测结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

参阅图1至图3，本发明提供的一种水质检测分析仪，包括仪器主体1以及安装在仪器主体内部的光源2、颜色采集模块3、电源模块4及控制单元；其中，所述仪器主体1上加工有用于容纳测量瓶的测量室101，在所述仪器主体1靠近测量室101的一端还设置有铰接座104，所述铰接座上安装有遮光盖(未示出)，所述遮光盖与铰接座104铰接，用于将测量室盖101上，使测量室完全避光；所述仪器主体1上还设置有显示屏安装部102、操作按键安装部103，显示屏安装部102上安装有显示屏，操作按键安装部103上安装有操作按键；所述光源2设置在测量室101的一侧，用于对测量室101内测量瓶内的待测水样进行照射；所述颜色采集模块3设置在测量室的另一侧，用于对测量瓶内的待测水样的颜色进行采集，并将采集的数据发送给控制单元；所述电源模块4用于供电；所述控制单元用于根据反应后待测水样颜色的RGB值计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量。

进一步，所述仪器主体上还设置有USB数据接口、程序下载接口；所述光源2采用超高亮度白光LED光源，所述测量瓶为表面整洁，无划痕，透光的玻璃瓶，测量瓶上设置有瓶盖；所述显示屏采用LCD显示屏；所述操作按键包括软开关机按键、校零按键、检测项目选择按键、检测按键；其中，所述软开关机按键和校零按键集成在一个操作按键上，长按代表开关机，短按代表校零。

参阅图4至图13，所述控制单元包括控制器5、存储器6；其中，所述控制器为ARM微控制器GD32F103CBT6，ARM微控制器的PB12引脚、PB13引脚、PB15引脚分别与DA输出模块7的1、2、3引脚连接，所述DA输出模块7的6引脚与自动追光模块8连接，所述自动追光模块8与光源2连接，用于在检测开始时前将光源调整到设定好的亮度，即进行校零处理；ARM微控制器的PB6引脚、PB7引脚与颜色采集接口连接，通过颜色采集接口与颜色采集模块3连接；所述ARM微控制器的PA0-WAKEUP引脚与电源模块4连接，所述ARM微控制器的PA2引脚、PA3引脚与USB数据接口连接；所述ARM微控制器的PA13引脚、PA14引脚与程序下载接口连接；所述ARM微控制器的PB8引脚、PB9引脚与软开关机模块9连接，软开关机模块与操作按键11连接；所述ARM微控制器的PA5引脚、PA7引脚、PB0引脚、PB1引脚、PB10引脚与LCD显示屏10连接；

所述存储器内存储有针对每一检测项目的不同浓度的标准溶液与RGB值的标准曲线，控制器根据颜色采集模块计算出反应后待测水样颜色的RGB值，之后根据存储器内的不同浓度的标准溶液与RGB值的线性方程计算水样中某一种或某一类具体化学成分或矿物质离子成分的含量。

实施例2

采用上述水质检测分析仪对水质进行检测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、针对每个检测项目分别配置4个浓度不同的3ml标准溶液，4个浓度不同的标准溶液与检测试纸上的药剂反应后颜色成为逐渐递变的标准色阶；且标准溶液中包含所检测物质的最低浓度和最高浓度；

步骤S2、在设定好光源亮度的避光环境中，采用颜色采集模块分别对不同浓度的标准溶液反应后的颜色进行检测，确定不同浓度的标准溶液的RGB值；之后在RGB值中选择最能表明颜色变化的单一通道R值或G值或B值，然后分别将相邻两个浓度的标准溶液的单一通道值与浓度带入线性方式Y＝a+bX中，从而获得至少二段线性方程；

例如：PH检测时，根据不同浓度的标准溶液读取的R值做线性函数。标液溶液浓度值为C1、C2、C3、C4，读取的R通道值为：R1、R2、R3、R4；将(R1,C1)和(R2,C2)带入到线性方式Y＝a+bX，得到a1,b1的参数值，即第一段线性方程为Y＝a1+b1X；同理，将(R2,C2)和(R3,C3)带入到线性方式Y＝a+bX，得到第二段函数参数a2,b2，即第二段线性方程为Y＝a2+b2X；将(R3,C3)和(R4,C4)带入到线性方式Y＝a+bX，得到第三段函数参数a3，b3；即第三段线性方程为Y＝a3+b3X。

需要说明：标准溶液测试的条件与实际水样检测的条件一致。

步骤S3、将步骤S2获取的多段线性方程以及每段线性方程所对应的最大单一通道值和最小单一通道值按照检测项目类别存储在分析仪的存储器内；

步骤S4、当需要对待测水样进行检测时，将分析仪放在水平面上，不要手持或晃动，先按软开关机按键开机；

步骤S5、使用注射器将3ml待测水样加入到测量瓶中内，旋紧瓶盖；

步骤S6、打开遮光盖，将装有待测水样(泳池水、鱼缸水、SPA水、饮用水等)的测量瓶放入测量室内，关闭遮光盖；

步骤S7、按校零按键，自动追光模块将光源调整到设定好的亮度，校零结束后执行步骤S8；

步骤S8、按检测项目选择按键，将测试类型调整为需要检测的项目；本次检测PH值，因此将测试类型调整为“PH”；

步骤S9、打开遮光盖，取出测量瓶，打开瓶盖，从铝箔袋中取一条PH试纸，将试纸一端插入到测量瓶中，用瓶盖夹住试纸另一端并旋紧瓶盖；

步骤S10、上下颠倒20次，使PH试纸上的药剂与待测水样完全反应，打开瓶盖，取出试纸，再次旋紧瓶盖；如有液体溢出或迸溅，需立即擦拭，确保测量瓶表面整洁，无划痕、指纹和水珠等；

步骤S11、将测量瓶再次放入测量室内，关闭遮光盖，按检测按键后，颜色采集模块对待测水样反应后的颜色进行采集并发送给控制单元，控制单元根据颜色确定RGB值，同时选择最能表明颜色变化的单一通道R值，之后根据该值选择线性方程，如果测量值R值在R1和R2之间，就使用第一段线性方程Y＝a1+b1X公式，计算出浓度值并显示在显示屏上，如果测量值R值在R2和R3之间，就使用第二段线性方程Y＝a2+b2X公式，计算出浓度值并显示在显示屏上，如果测量值R值在R3和R4之间，就使用第三段线性方程Y＝a3+b3X公式，计算出浓度值并显示在显示屏上(图14为测试饮用水的PH的结果)。

实施例3

当需要测试水样中游离余氯时，具体步骤参照实施例2，区别在于：步骤S8、按检测项目选择按键，将测试类型调整为“FCL”；步骤S9、从铝箔袋中取的是一条余氯试纸。