一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪论文和设计-徐颢铭

全文摘要

本实用新型公开了一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于包括采样模块、溶液混合模块、检测模块、清洗模块和废液处理模块，水样经过采样模块采集后，与试剂经过溶液混合模块混合，进入检测模块；测定结束后，从清洗模块吸取蒸馏水对所有管路和阀进行清洗，清洗液和混合溶液并入废液处理模块。本实用新型采用模块化的设计，可实现海水中不同参数的分析测定工作；水下原位测定，节省人工，避免污染；溶液混合模块采用改进的SIA设计，体积小，混合程度高，可实现连续不间断分析测定；针对水下测定和小型化的原则设计，体积较小，整个装置安装于密封舱中，可搭载于ROV或船载绞车，适合进行特殊区域采样及水下现场分析。

主设计要求

1.一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于包括采样模块、溶液混合模块、检测模块、清洗模块和废液处理模块，所述采样模块依次包括进样装置、过滤装置、采样多通阀、贮水室，水样通过进样装置采集后经过滤装置过滤再经由采样多通阀进入贮水室；所述溶液混合模块包括试剂袋、混合多通阀、控制阀、单向阀、串联注射泵装置，所述试剂袋通过混合多通阀与贮水室连接，利用串联注射泵装置同时抽取水样和试剂并进行混合；所述检测模块包括LED光源、单色器、螺旋型轴向流通池、光强检测模块、数据分析及储存模块，由LED光源发出光线后经单色器调整至不同波长的可见光，进入螺旋型轴向流通池后分别经空白溶液和样品吸收后由光强检测模块进行检测并记录光强，由数据分析及储存模块计算吸光度值并储存数据；所述清洗模块包括清洗袋，在测定工作结束后，利用串联注射泵装置从清洗池中吸取蒸馏水，流经所有管路及阀进行到清洗，废液排入废液池；所述废液处理模块包括废液袋、氧化剂袋、加热套管，排入废液池的废液与从氧化剂袋吸取的氧化剂混合后加热，彻底氧化后直接排出或者暂时储存于废液池中。

设计方案

2.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述贮水室为螺口双口试剂袋，数量为一个或多个。

3.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述进样装置为蠕动泵。

4.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述试剂袋采用螺口设计，数量为一个或多个。

5.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述串联注射泵装置由两个注射泵通过管路串联组成。

6.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述检测模块中的导管加装有恒温套管。

7.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述螺旋型轴向流通池为一螺旋管，包括进液口、排液口、光入射口、光出射口以及内部反射面，其两端分别设有两个带有螺口的支管，分别作为进液口和排液口，利用倒锥接头与管路连接；螺旋管两端分别作为光入射口和光出射口，LED光源和光强检测模块分别通过光纤与光入射口和光出射口连接。

8.如权利要求1或7所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述螺旋型轴向流通池内部反射面上镀银。

9.如权利要求1所述的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于所述自动营养盐分析仪的外部为透明亚克力密封舱封装。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种营养盐分析仪，特别涉及一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪，属于海洋环境监测技术领域。

背景技术

海洋中的营养盐是海洋中的生物限制性因素之一，对海洋中的浮游植物的生长繁殖具有十分重要的影响。尤其近年来由于人类活动导致营养盐浓度超标，从而引起赤潮和水华等污染现象，这也逐渐引起了人们对海洋营养盐浓度的重视。同时，营养盐浓度也是海洋科学研究的重要参数之一，对探究海洋生物地球化学循环具有重要的意义。因此，对海洋中营养盐浓度的分析测定是十分必要的。

传统的营养盐浓度测定的方式主要还是利用采水器采取水样后，将水样利用一定手段储存后带回陆上实验室进行分析。这种分析方法虽然简便易行，但也势必会在运输过程中造成水样污染，从而影响数据测定的准确性；同时人工测定耗费大量人力和时间，且极易出现操作误差等问题。故目前营养盐分析技术开始向自动化、现场分析的趋势发展。

目前的营养盐自动分析仪大部分采用流动分析技术，以完成测定过程的自动化，极大提高了测定工作的效率和可靠性。而作为第三代流动分析技术的顺序注射分析（SIA）采用了注射泵往复运动的形式完成溶液的混合与推动过程，相对于其前身空气间隔式连续流动分析（SCFA）和流动注射分析（FIA）具有结构简单、重现性高、混合程度高、试剂用量小、测定准确度高等优点。而与分光光度法联用的SIA已经广泛应用于营养盐、重金属等海洋要素的测定。

同时，现有的营养盐分析仪器大部分体积较大，结构复杂，成本较高，无法进行现场的分析测定工作。而随着时代的发展以及海洋环境监测工作的需求，发展一种小型的，结构简单，通用性强的现场自动分析仪器已经成为海洋环境分析仪器发展的大趋势。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪，可根据需要在指定海区进行采样和原位水质连续监测，极大地节省人工的同时防止人工操作以及水样运输过程中的污染，提高分析结果的准确度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于改进SIA技术的水下微型现场自动营养盐分析仪，其特征在于包括采样模块、溶液混合模块、检测模块、清洗模块和废液处理模块，水样经过采样模块采集后，与试剂经过溶液混合模块混合，进入检测模块；分析工作结束后，从清洗模块吸取蒸馏水对所有管路和阀进行清洗，清洗液和混合溶液最终并入废液处理模块。

所述采样模块依次包括进样装置、过滤装置、采样多通阀、贮水室，水样通过进样装置采集后经过滤装置过滤再经由采样多通阀进入贮水室；所述贮水室为螺口双口试剂袋，所述贮水室设置有一个或多个，可实现某一站位多层次水样的同时采集；所述进样装置为蠕动泵。

所述溶液混合模块包括试剂袋、混合多通阀、控制阀、单向阀、串联注射泵装置，所述试剂袋通过混合多通阀与贮水室连接，利用串联注射泵装置同时抽取水样和试剂并进行混合；所述试剂袋采用螺口设计，数量为一个或多个。

所述串联注射器装置由两个注射泵通过管路串联组成，针对现有SIA技术进行改进，通过导轨滑台控制注射器的推拉动作，通过控制拉动距离精确控制抽取的混合溶液的量。工作时利用三个单向阀控制溶液流动方向，拉动注射器a抽取试剂和水样；而后推动注射器a同时拉动注射器b，进行二次混合，之后推动注射器b将混合溶液推出进入检测模块。反复执行此动作即可连续完成多个样品的混合与推动以及管路的清洗工作。

所述检测模块包括LED光源、单色器、螺旋型轴向流通池、光强检测模块、数据分析及储存模块。仪器采用分光光度法原理进行浓度测定。由LED光源发出光线后经单色器调整至不同波长的可见光，进入螺旋型轴向流通池后分别经空白溶液和样品吸收后由光强检测模块进行检测并记录光强，由数据分析及储存模块计算吸光度值并储存数据。仪器回收后可将数据导入计算机进一步处理。另外可根据需要在导管加装恒温套管，以达到控制温度的目的。整个检测装置安装于暗盒中，以消除自然光对数据测定造成的影响。

所述螺旋型轴向流通池为一螺旋管，包括进液口、排液口、光入射口、光出射口以及内部反射面，其两端分别设有两个带有螺口的支管，分别作为进液口和排液口，利用倒锥接头与管路连接。螺旋管两端分别作为光入射口和光出射口，LED光源和光强检测模块分别通过光纤与光入射口和光出射口连接。螺旋管内部设有数个反射面，通过角度调整，保证光从光入射口水平入射后经过数次反射，从光出射口水平射出。所述螺旋型轴向流通池使用时溶液下进上出，光线由光入射口进入，沿管路的轴向传播，经过内部反射面多次反射完成一次螺旋传播，经过数个螺旋后由出射口射出并被光强检测模块接收。该流通池具有长光程、体积小等优点，适合水下痕量浓度营养盐的测定工作。

所述螺旋型轴向流通池内部反射面上镀银，以提高光反射的效率。

所述清洗模块包括清洗袋，在测定工作结束后，利用串联注射泵装置从清洗池中吸取蒸馏水，流经所有管路及阀，反复多次以达到清洗目的，废液排入废液池。

所述废液处理模块包括废液袋、氧化剂袋、加热套管，排入废液池的废液，与从氧化剂袋吸取的氧化剂（H_{2<\/sub>O_{2<\/sub>等）混合后加热，彻底氧化后根据废液性质选择直接排出或者暂时储存于废液池中，待仪器回收后对废液进行进一步处理。}}

其他配套模块：

仪器可加装或者转换模块以满足不同参数的测定需求。

（1）可更换试剂和管径的方式完成不同物质浓度的测定。

（2）在检测模块中，针对于海区待测物质浓度以及实际测定的需求更换不同光程和类型的比色皿（Z型流通池\/螺旋型轴向流通池）。

（3）可额外加装塑料材质Cd-Cu还原柱完成硝酸盐测定。

（4）针对水下可能发生的海水渗漏现象，本实用新型还包括一警报装置，装载于密封舱内侧底部，整体结构为一段断路电路，由电池、开关以及蜂鸣器组成，正常工作状态下电路为断路，警报装置不工作；若海水渗入，则由于海水的接触造成通路，蜂鸣器工作引发警报。

（5）根据实际需求，可以将仪器加装于水下机器人（ROV）或吊装于船载钢缆以完成水下原位分析测定工作。如需要在指定区域和深度精准采样，还可以相应地加装水下观察探头和深度传感器。

本实用新型的控制电路以arduino控制板为核心，对采样模块、溶液混合模块和检测模块进行控制，接收光强检测模块所反馈的信号，传输至PC端进行数据处理并输出和显示。控制程序固化于arduino控制板中，采用与普通自动营养盐分析仪类似设计。

本实用新型所有管路均采用透明聚四氟乙烯（PTFE）管及硅胶软管连接。

所述自动营养盐分析仪的外部为透明亚克力密封舱封装，以适应水下环境并进行分析测定工作。

本实用新型的优点：

1.本实用新型采用全自动化操作，通过arduino控制板对整个仪器的采样模块、溶液混合模块、检测模块等进行控制，极大地节省了人工的同时，避免人工分析造成的误差，提高准确性；

2.水下原位测定，可以有效避免运输过程中造成的各种玷污；

3.溶液混合模块采用改进的SIA设计，具有体积小，混合程度高等优点，可实现连续不间断分析测定，除完成溶液混合推动外，其兼具管路清洗的功能；

4.螺旋型轴向流通池具有长光程、体积小等优点，适合水下痕量浓度营养盐的测定工作；

5.采用模块化的设计，可根据不同需求，通过转换或增加模块，调整运行工作的程序，实现海水中不同参数的分析测定工作，原则上所有利用光度法测定的元素均可以利用此仪器进行相应改装后测定；

6.本实用新型各模块均针对水下测定和小型化的原则设计，因此体积较小，便于携带，整个装置安装于密封舱中，并可搭载于ROV或船载绞车，适合进行特殊指定区域（如沉积物间隙水）采样以及水下现场分析。

附图说明

图1是本实用新型的工作流程图。

图2是串联注射泵装置结构示意图。

图3是螺旋轴向流通池结构示意图。

图4是本实用新型控制电路示意图。

图中：1. 蠕动泵；2. 过滤器；3. 采样四通阀a；4. 贮水室；5. 控制阀；6. 采样四通阀b；7. 清洗袋；8. 混合三通阀；9. 试剂袋；10. 混合四通阀；11. 单向阀a；12. 注射泵a；13. 单向阀b；14. 注射泵b；15. 单向阀c；16. 螺旋型轴向流通池；17. LED光源；18. 光强检测模块；19. 废液袋；20. 注射器；21. 滑台导轨；22. 进液口；23. 排液口；24. 反射面；25. 光入射口；26. 光出射口；27. 电源；28. arduino控制板；29. PC端。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步详细说明本实用新型。

本实用新型的结构与工作流程如图1所示，仪器包括采样模块、溶液混合模块、检测模块、清洗模块和废液处理模块。以下将对每个模块进行具体描述。

（1）采样模块：

采样模块包括蠕动泵1、过滤器2、采样四通阀a3、贮水室4、控制阀5、采样四通阀b6。

其中蠕动泵1的进液管延伸至仪器壳外进行采样，其余部分均置于透明亚克力密封舱内。本实施例中设置了3个贮水室，可一次采取多个水样进行分析，测定时通过控制阀5控制水样的分析的顺序。

（2）溶液混合模块：

溶液混合模块包括混合三通阀8、试剂袋9、混合四通阀10、单向阀a11、注射泵a12、单向阀b13、注射泵b14、单向阀c15组成。

注射泵a12和注射泵b14通过管路串联组成串联注射泵装置，通过单向阀a11、单向阀b13和单向阀c15控制溶液流动的方向，其用于连续完成工作过程中的水样和试剂的混合、推动以及管路的清洗过程。单个注射泵的结构，如图2所示，包括注射器20和滑台导轨21。其中注射器20针筒固定，滑台导轨21与注射器20的活塞连接，控制注射器20的推拉动作，通过控制滑台导轨21的滑动距离精确控制注射器20抽取的混合溶液体积。

水样经采样模块采集后，与试剂一同通过串联注射泵装置抽取，分别经过混合三通阀8和混合四通阀10在注射泵a12内完成第一次混合，之后推动注射泵a12同时拉动注射泵b14，混合溶液进入注射泵b14完成第二次混合，再推动注射泵b14将混合溶液推入检测模块。本实施例中设置了2个试剂袋，可根据实际情况的需要调整试剂种类、试剂袋数量以及多通阀类型。

（3）检测模块：

检测模块包括螺旋型轴向流通池16、LED光源17、光强检测模块18。

螺旋型轴向流通池16的结构，如图3所示，包括光入射口25、光出射口26、进液口22、排液口23、反射面24。串联注射泵装置与螺旋型轴向流通池16的进液口22通过管路连接，排液口23通过管路与废液处理模块连接。LED光源12、光强检测模块13分别于与螺旋型轴向流通池16的光入射口25和光出射口26通过光纤连接。螺旋型轴向流通池使用时混合溶液从下方进液口22进入，从上方进液口23排出，光沿流通池的轴向传播，经过内部反射面24多次反射后，信号被光强检测模块接收。

（4）清洗模块和废液处理模块：

清洗模块和废液处理模块包括清洗袋7、废液袋19。

在分析工作结束后，首先通过串联注射泵装置驱动剩余水样流经所有管路和阀，完成一次清洗，之后再从清洗袋7中抽取蒸馏水流经所有管路和阀，完成二次清洗。分析和清洗废液并入废液袋19中，经过氧化剂加热氧化后根据废液性质选择直接排出或暂存于废液袋19内。

本实用新型的控制电路，如图4所示，以arduino控制板28为核心，通过电池27供电，由PC端29输入各种测定参数后，由arduino控制板分别控制蠕动泵1、滑台导轨21、光源17。光强检测模块18接收到光信号后，将光信号转化为电信号并反馈到arduino控制板28，并传输至PC端29进行进一步数据处理后显示。

整个仪器的工作流程如下：

1.仪器在陆上完成测定程序设置以及试剂装配，为避免管路中出现气泡影响测定，所有的贮水室4、清洗袋7、试剂袋9使用前抽真空。

2.仪器入水，到达指定深度后，控制蠕动泵1抽取水样进入贮水室4。

3.通过控制阀5选择所测水样，首先控制串联注射泵装置仅从贮水室4中抽取水样，对所有管路和阀进行润洗。其后同时抽取水样和试剂，在串联注射泵装置中完成二次混合后，混合溶液注入螺旋型轴向流通池16。同时点亮LED光源17，光强检测模块18接收信号后反馈至arduino控制板28，并在PC端29进行数据处理并输出和显示。

4.测定工作结束后，控制串联注射泵装置从贮水室4吸取剩余样品进行一次清洗，再从清洗袋7中吸取蒸馏水进行二次清洗，清洗液和工作废液并入废液池19进行进一步处理后排放或暂存。

本实用新型采用模块化设计，贮水室数量、试剂类型、管径大小、多通阀通道数、串联注射泵装置泵容积大小、流通池类型和光程以及其他配套模块的使用均可以根据不同参数和不同条件下的测定需求进行快速调整。本实用新型针对水下原位测定需求设计，仪器设计遵循小型化原则，便于携带，主要搭载于ROV和船载钢缆以完成特定区域采样和分析工作。

上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

设计图

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