摘 要 以单片机为核心，运用十联体电磁阀、三通阀和微型步进蠕动泵等流控器件设计新型多流路控制系统。对比测试结果表明，该系统能完成 20 多种流路切换，进样速度快，加样误差小于 1%，能快速、高效地清洗进样通道，并避免交叉污染，而且成本低、不易堵塞、稳定性良好。
全自动多参数水质分析仪是基于分子吸收光谱分析理论，以实验室微型光谱仪为核心的器件，用来实时监测氨氮( AN) 、阴离子表面活性剂( AS) 、六价铬离子( Cr6 +) 、化学需氧量( COD) 、铅离子( Pb2 +) 、总酚( TPh) 和总磷( TP) 7 个水质参数[1]。多流路切换和控制系统是全自动多参数水质分析仪的核心部分，流路控制系统对每个测试指标的试剂通道切换、加样速度和加样精度、进样通道的清洗和避免交叉污染等控制非常关键，是全自动多参数水质分析仪实现多个参数测试以及正常工作的保证。
光谱分析在线多参数水质分析仪的流路系统常采用流动注射( 顺序注射) 实验装置[2 ～4]、阀上实验装置[5]及多位阀和注射泵[6]构成多流路系统。流动注射实验装置进样速度慢，能够同时检测的指标较少; 阀上实验装置是流动注射系统的微型化设计，即把试样的注入口、反应通道及多功能流动池以精密加工技术集成在多通道选择阀上，不适用于水质分析仪; 多位阀和注射泵构成的流路系统成本高，而且多位阀为精密器件易堵塞，进样样品和试剂需要过滤处理。这 3 种流路系统的不足之处限制了其应用范围，不具有普遍适用性。①
笔者针对多参数水质分析仪设计了一种新型的多流路切换和控制系统，仿真结果表明，该系统能完成 20 多种流路切换，进样速度快，加样误差小，具有快速、高效清洗和避免交叉污染的功能，能够满足实验室研制的多参数水质分析仪对 7 个指标测试的要求。而且开发成本低、工艺简单、耐强酸强碱、不易堵塞，具有普遍适用性。
1 流路切换和控制系统结构设计
笔者设计的多流路切换和控制系统由 5 大模块[7]构成，其功能分别为:
a. 进样模块。选择性地进样水样品、蒸馏水和空气。
b. 流路切换模块 1( 试剂) 。选择性地切换到测试指标需要的试剂口处进行试剂加样，在检测室里对水样品进行前处理。
c. 流路切换模块 2 ( 标准液) 。是各种指标标准液的切换入口，测试前要进行校标。
d. 出样模块。将整个流路系统中的样品、试剂、标准液汇流入检测室，它是整个流路系统的驱动部分。
e. 控制电路模块。它是整个流路系统的控制单元，负责加样样品、试剂和标准液以及加样速度和精度等的控制。
多流路切换和控制系统的组成结构如图 1 所示。
1. 1 进样模块
进样模块由 3 个三通电磁阀构成，主要控制蒸馏水、水样品和空气的进样，每次选择的时候只允许其中的一个样品进样，进样模块的结构框图如图 2 所示。三通阀 1、2 是二进一出电磁阀，构成 3 个样品的进样口; 三通阀 3 是一进二出电磁阀，它的作用是把进样样品有选择地分成两路，并按要求流入切换模块。选取的三通电磁阀通径仅1. 6mm，功耗低、耐强酸强碱，可测流体和环境的温度范围为 0 ～50℃。
1. 2 流路切换模块
流路切换模块由试剂流路切换和标准液流路切换两部分构成，模块选用了两个十联体电磁阀作为 10 进 1 出电磁阀使用，该电磁阀的内壁光滑、中间公共流路的通径为 1. 6mm、无死体积、功耗低而且耐强酸强碱。流路切换模块 1( 试剂) 和流路切换模块 2( 标准液) 的结构示意图如图 3 所示。
1. 3 出样模块
出样模块由三通电磁阀和微型步进蠕动泵构成，负责把所有的试剂、样品、标准液通过三通电磁阀 4 流入检测室。微型步进蠕动泵给流路系统提供抽样驱动力，控制加样速度和精度，该套微型步进蠕动泵可配置 1、2mm 和其它多种内径的导管，耐强酸强碱。带 1mm 内径导管的蠕动泵1min 可 抽 取 8mL 溶 液，其 最 小 抽 取 精 度 为0. 05mL; 2mm 内径导管的蠕动泵 1min 可抽取15mL 溶液，其最小抽取精度为 0. 1mL。本控制系统选用 1mm 内径的导管作为步进蠕动泵的导管。
出样模块的结构如图 4 所示。
1. 4 控制电路模块
多流路系统主要控制 4 个三通电磁阀和 2 个十联体电磁阀的开关，以及微型步进蠕动泵。控制电路结构如图 5 所示。
选用固态继电器作为电磁阀的开关驱动，继电器通过单片机进行控制。继电器操作线圈连接一个 NPN 三极管 9013，再与单片机的 I/O 口相连，避免灌电流对单片机的影响并提高对继电器的驱动能力。当处理器给一个高电平信号时，三极管饱和导通，继电器开关部闭合，电磁阀导通;处理器给一个低电平信号时，三极管截止，继电器开关部断开，电磁阀闭合。整个控制电路系统需要 24 个这样的控制电路模块。在控制电路板上做一个接口，将步进电机的驱动板直接与单片机相应的 I/O 口连接，部分电路如图 6 所示，其中RST 是复位控制，EN 为使能控制，DIR 为方向控制，STEP 为脉冲个数及频率控制。
2 软件设计
该流路系统要求准确地加进水样、蒸馏水、各种标准液和试剂，系统的软件模块主要由 4 部分组成:
a. 流路清洗程序模块。负责清洗流路系统中的管道和检测样品室。
b. 水样和蒸馏水进样程序模块。控制进样容量设置、进样速度和精度。
c. 7 指标标准液建标程序。负责进样已知指标浓度标准液和相应试剂在检测室检测之后系统里的建标。
d. 7 指标水样测试程序模块。负责将进样水样品及相应试剂送到检测室检测。
笔者设计的多流路切换和控制系统的软件系统结构如图 7 所示。
程序通过串口与上位机通信，上位机发送指令控制流路系统执行相应的命令。程序设置方便灵活、稳定可靠，控制指令可以任意调用，保证了进样的精度和测试效果。该流路的各个入口可以重新组合，实现流路的二次开发，用于测量其它不同的各种指标，再加上良好的通信接口，可以大大扩展流路系统的应用范围。
3 测试实验
3. 1 抽取精度实验
根据多参数水质分析仪对水样、标准液和试剂的进样要求，分别抽取 0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5、5. 0mL 的进样对抽取精度进行测试，测试结果见表 1，数据表明该系统所测抽取加样精度高，进样误差小于 1%; 加样速度快，仅 10mL/min。
3. 2 标准溶液测试实验
用笔者设计的多参数水质分析仪对 COD 标准溶液[8，9]进行吸光度实验，分别测试空白和 5、10、15mg / L 的 COD 标准液的吸光度。本实验采用双波长测试法，设定主波长为 610nm，参考波长为 480nm，那么 COD 标准液的吸光度直线方程可表示为:
ΔA = A610nm- A480nm= kbC
式中 ΔA ———双波长吸光度之差;
k ———吸收系数;
b ———光程，仪器光程为 2cm;
C ———待测物浓度。
微型光谱仪测得的 COD 标准曲线线性方程为:
ΔA =0. 0253C
本系统测得的 COD 标准曲线与岛津紫外可见光分光光度计所测数据的曲线如图 8 所示。
由图 8 可见，本系统的检测光程是岛津检测光程的两倍，所以本系统的吸光度差 ΔA 近似为岛津吸光度差的两倍，吸光度差 ΔA 与浓度呈良好的线性关系。所测标线与理论标线线性相关系数 R2= 0. 996 7，故标线回收率为 0. 996 7，达到了检测要求。说明该流路能够稳定、准确地实现流路之间的切换、精确进样及清洗流路系统。
4 结束语
笔者针对 7 个水质指标，成功设计出在线光谱水质监测多参数水质分析仪的多流路控制系统，它很好地满足了在一台仪器里面需要多种标准溶液和多种试剂的抽样、加样的需求。测试结果表明，该系统能够准确进样，其加样误差小于1% ; 进样速度快，能够彻底地清洗流路系统各部分的管道，避免了各流路间的交叉污染; 而且耐强酸强碱，完全满足仪器对 7 个指标检测的要求。该系统设计工艺简单、成本低，但体积较大，有反复清洗的缺陷。
参 考 文 献
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