一种便携式水环境重金属检测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种便携式水环境重金属检测仪，尤其涉及一种采用三极检测、可以检测多金属浓度的便携式水环境重金属检测仪，包括微处理器模块以及与微处理器模块连接的电源模块、按键处理模块、恒电位仪模块、搅拌器及驱动模块、显示模块和接口模块，恒电位仪模块包括三电极式电化学传感器，三电极式电化学传感器包括工作电极、辅助电极和参比电极，参比电极通过第一跟踪器连接开环放大器的输入端，开环放大器的输出端连接辅助电极，工作电极通过反向比例放大器连接第二跟踪器的输入端，第二跟踪器的输出端通过模数转换模块与微处理器模块输入端相连。本实用新型具有监测多种金属的浓度的功能，本设备操作简单、便于携带、使用方便。
【专利说明】一种便携式水环境重金属检测仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种便携式水环境重金属检测仪，尤其是一种可以检测多金属浓度、采用三极检测的便携式水环境重金属检测仪，属于环保水环境检测领域。
【背景技术】
[0002]重金属指原子密度大于5g/cm3的金属元素，大约有40多种，如铜、铅、锌、镉、锰、铁、钴、镍、银、萊、鹤等。重金属污染是危害最大的水污染问题之一。随着中国城市化的加速进展，以及大规模的工业发展，重金属通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产废水、化石燃料的燃烧、施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源，以及地质侵蚀、风化等天然形式进入水体，加之重金属，特别是汞、铅、镉、铬等，且在水体中不能被微生物降解，而只能发生各种形态的相互转化和分散、富集过程(即迁移)，不但污染水资源，也严重威胁人类和水生物的生存。
[0003]水环境主要包括河流、湖泊、水库、海洋以及工业用水、排放水和生活饮用水等水体环境。近年来，各种水环境中重金属污染问题日趋加剧已成为不争的事实。江河湖库底质的污染率高达80.1%，太湖是我国第三大淡水湖，2005年的采样分析结果表明，与海洋国家沉积物标准(GB18668-2002)、土壤环境质量国家标准(GB15618-1995)和生态危害临界值(TEL)相比，太湖表层底泥中出现了重金属的复合污染，污染物主要为Cu、Cd、N1、Zn。
[0004]目前，监测重金属的方法主要包括原子光谱法、质谱分析法、中子活化分析法、紫外可见分光光度法、化学发光法和电化学分析法。光谱、质谱、中子活化、分光光度等几种分析方法有些存在仪器价格昂贵，运行费用较高或不宜携带等缺点，在连续监测及现场实时测定等方面受到很大的限制；有些前处理复杂，需萃取、浓缩富集或抑制干扰；有些不能进行多组分或多元素分析；有些仪器灵敏度或监测限达不到规定指标要求。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于:针对上述现有技术存在的问题，提出一种可以高灵敏度、高效率监测多种金属浓度，信息存储量大，可以对监测的水质中各金属浓度数据进行系统整理的便携式水环境重金属检测仪。
[0006]为了达到以上目的，本实用新型的一种便携式水环境重金属检测仪，包括微处理器模块以及与微处理器模块连接的电源模块、按键处理模块、恒电位仪模块、搅拌器及驱动模块、显示模块和接口模块，恒电位仪模块包括三电极式电化学传感器，三电极式电化学传感器包括工作电极、辅助电极和参比电极，参比电极通过第一跟踪器连接放大器的输入端，放大器的输出端连接辅助电极，工作电极通过反向比例放大器连接第二跟踪器的输入端，第二跟踪器的输出端通过模数转换模块与微处理器模块输入端相连。
[0007]本实用新型的优选方案是:微处理器模块的输出端通过数模转化模块连接第一放大器的输入端。
[0008]优选的，微处理器模块含有微处理器和数据存储单元，数据存储单元连接微处理器。
[0009]优选的，电源模块包括电源处理单元和可充电备用电池，可充电备用电池与电源处理单元相连。优选的，搅拌器及驱动模块采用微形直流电机驱动搅拌机。
[0010]优选的，显示模块通过接口模块与微处理器模块连接。
[0011]优选的，接口模块含有蓝牙接口，蓝牙接口连接外部设备。
[0012]优选的，工作电极采用金或玻碳，辅助电极采用钼，参比电极采用银或氯化银。
[0013]本实用新型有益效果为:
[0014]1、采用三电极进行监测，提高了监测的效率和灵敏度，同时本设备可以对水质中十三重金属的浓度进行监测。
[0015]2、设备设计了蓝牙模块接口，以及配套的微型打印机，方便野外及时打印重金属监测结果。
[0016]3、本实用新型包括硬件自检测功能，当系统初始化时，通过自检测，如果发现硬件问题，及时报警，或关断设备，以免造成更大损失。
[0017]4、备用电池电量不足报警，以及备用电池馈电时自动断电，防止备用电池馈电使用，以免缩短备用电池寿命。
[0018]5、预留开放平台接口，各参数可自主设定，便于使用者自主设定其它重金属的监测。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0020]图1为本实用新型系统结构框图。
[0021]图2为本实用新型阳极溶出伏安法波形图。
[0022]图3为本实用新型系统软件流程图。
【具体实施方式】
[0023]实施例一
[0024]本实施例的一种便携式水环境重金属检测仪，其结构如图1所示，包括微处理器模块以及与微处理器模块连接的电源模块、按键处理模块、恒电位仪模块、搅拌器及驱动模块、显示模块和接口模块，恒电位仪模块包括三电极式电化学传感器，三电极式电化学传感器包括工作电极WE、辅助电极CE和参比电极RE，参比电极RE通过第一跟踪器U3连接放大器U2的输入端，放大器U2的输出端连接辅助电极CE，工作电极WE通过反向比例放大器U4连接第二跟踪器U5的输入端，第二跟踪器U5的输出端通过模数转换模块与微处理器模块输入端相连。
[0025]本实施例中设备的电源模块为系统提供直流12V电压，电源处理单元，将直流12V电压转换成内部各模块所需要的电压，分别是3.3V，±5V。同时，内部包含可充电备用电池。当外部直流12V断电时，系统能自动切换到内部备用电池供电，便于野外以及无交流220V供电场所工作。在有外部电源时，系统定时监测内部充电电池的电压，当电压低于某一门槛值时，系统自动开始对备用电池供电。
[0026]微处理器模块，包含MCU和EEPROM，MCU是便携式处理器的心脏，系统采用瑞萨公司的RL78/G13系列的16位的MCU，其主频高达32MHZ。EEPROM用于存储测量数据，以及系统版本信息等。系统能保存近1000条左右的历史数据，便于在野外操作的数据保存。
[0027]按键处理模块，指的是系统操作部分，使用者通过按键对系统进行操作，实现系统的各项功能。系统包含的按键有，电源按键、左/右按键、确认键、清洗按键以及搅拌按键
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[0028]恒电位仪模块，恒电位仪是系统设计中的核心，是各种三电极式(工作电极、辅助电极、参比电极)电化学传感器的接口，主要将外部激励信号近乎准确地施加于传感器上，驱动样品溶液发生电化学反应。早期的电流型传感器只有两个电极(工作电极和参比电极)，工作时将电压加于两电极之间。在该电压允许误差范围内，传感器输出为线性，但随着气体浓度的增加，流经两电极之间的电解电流会使工作电极电压偏离其电压允许范围，使传感器输出不稳定。所以，在两电极的基础上，增加参比电极。通过控制使工作电极和参比电极之间的电位保持一定，使工作电极和辅助电极的电位保持一定，构成恒电位仪电路。系统中U2、U3、U4以及搅拌池中的三个电极，一起构成了系统的恒电位仪。其中，U3做第一跟随器，将RE的电压做反馈；U2在系统中做开环放大器，分别将RE电压以及十六位DA转换出来的控制电压做比较，再开环放大，输出电压到辅助电极；U4的作用是在外加电位的条件下，使待测溶液发生电化学反应，从而测定该电极上产生的电流；辅助电极和工作电极组成一个导通回路；而参比作为工作电极和辅助电极的基准电极。流经工作电极上的电流通过U4将电流转换成电压，根据档位的不同，切换Rx (x=l,2, 3,4,5)和Sx (x=l, 2，3,4,5)使电流经过不同的放大倍数变成电压，U4在系统中的作用是反向比例放大器，U5是第二跟随器，增大电压的内阻。十六位AD转换器接收从U5过来的电压信号，到MCU。MCU根据电压值以及对应的Rx值，根据欧默定律，算出流经工作电极的电流值。
[0029]搅拌器及其驱动模块:系统的待测液中，当富集时，用搅拌器对溶液进行搅拌，力口速溶液中重金属的分解。搅拌器采用微型直流电机，系统包含电机驱动模块。当需要搅拌时，系统驱动电机工作，电机速度达5000转每分钟左右。
[0030]显示模块,显示部分包含显示控制单元和3.2英寸的TFT显示屏。MCU通过UART接口与显示控制单元通讯，显示控制单元控制与驱动TFT显示屏。仪器操作人员通过按键操作系统，通过TFT显示屏，获得系统实时信息。系统通过TFT显示屏，获得实时操作提示、最终的溶液浓度显示，以及溶液中重金属检测峰值波形曲线等，直观明了。
[0031 ] 接口模块，主要包含USB接口和蓝牙接口。USB接口主要用于便携式重金属检测仪与上位机相连。仪器操作人员通过运行在电脑上的上位机的软件，能更方便的操作和控制便携式设备。蓝牙模块，则主要用于连接带蓝牙接口的微型打印机，方便携带在野外操作。可以实时将测试数据，通过微型打印机打印出来。
[0032]本实用新型的系统工作原理如下:
[0033]阳极溶出伏安法的操作主要分三步:富集，静止和扫描(溶出)。如图2所示，首先，溶液中的被测物质在一定电位下被电解富集到工作电极上，接着，静止一会，使被富集的物质在工作电极上分部均匀，以提高分析结果的再现性，然后反向扫描电位，使被测物质快速溶出而获得较大的溶出电流峰。溶出电流峰高在一定的溶度范围内于被测物质的溶度成正t匕，出现溶出电流峰的电位与被测物质的性质有关。
[0034]基于阳极溶出伏安分析法的三步骤，设计系统软件，系统软件的工作流程如图3所示。
[0035]主要思路是:首先配置空白样，采用阳极溶出伏安法，测定扫描电压下的出峰电压，其次，同样方法，配置标准样，知道标准样的溶度的情况下，测定其峰值电压，再配置一份待测液，根据标准样出峰电压时的扫描电压，系统找出待测液在此扫描电压下的出峰电压。即可推测出待测液的溶度。
[0036]该设备的优点在于:
[0037]1、采用三电极进行监测，提高了监测的效率和灵敏度，同时本设备可以对水质中十三重金属的浓度进行监测。
[0038]2、设备设计了蓝牙模块接口，以及配套的微型打印机，方便野外及时打印重金属监测结果。
[0039]3、本实用新型包括硬件自检测功能，当系统初始化时，通过自检测，如果发现硬件问题，及时报警，或关断设备，以免造成更大损失。
[0040]4、备用电池电量不足报警，以及备用电池馈电时自动断电，防止备用电池馈电使用，以免缩短备用电池寿命。
[0041]5、预留开放平台接口，各参数可自主设定，便于使用者自主设定其它重金属的监测。
[0042]除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种便携式水环境重金属检测仪，包括微处理器模块以及与微处理器模块连接的电源模块、按键处理模块、恒电位仪模块、搅拌器及驱动模块、显示模块和接口模块，其特征在于:所述恒电位仪模块包括三电极式电化学传感器，所述三电极式电化学传感器包括工作电极(WE)、辅助电极(CE)和参比电极(RE)，所述参比电极(RE)通过第一跟踪器(U3)连接开环放大器(U2)的输入端，所述开环放大器(U2)的输出端连接所述辅助电极(CE);所述工作电极(WE)通过反向比例放大器(U4)连接第二跟踪器(U5)的输入端，所述第二跟踪器(U5)的输出端通过模数转换模块与微处理器模块输入端相连。
2.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述微处理器模块的输出端通过数模转化模块连接所述第一放大器的输入端。
3.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述微处理器模块含有微处理器和数据存储单元，所述数据存储单元连接所述微处理器。
4.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述电源模块包括电源处理单元和可充电备用电池，所述电源处理单元连接所述备用电池。
5.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述搅拌器及驱动模块采用微形直流电机驱动搅拌机。
6.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述显示模块通过所述接口模块与所述微处理器模块连接。
7.根据权利要求6所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述接口模块含有蓝牙接口，所述蓝牙接口连接外部设备。
8.根据权利要求1所述的便携式水环境重金属检测仪，其特征在于:所述工作电极采用金或玻碳，所述辅助电极采用钼，所述参比电极采用银/氯化银。
【文档编号】G01N27/26GK203535000SQ201320676285
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】周立夫, 史克涛, 李振华 申请人:南京珀奥环保科技有限公司