摘 要 针对基于光谱分析的在线水质监测仪对流路系统的功能要求，深入开展了具体的流路系统设计及其控制电路原理研究。以微型蠕动泵、微型三通换向电磁阀、微型电磁阀、微型真空泵、流通检测池为流路器件，设计出具有进样、清洗及留样等功能的流路系统及其控制电路与方法。仪器联调实验结果表明：所设计的流路系统满足仪器的功能要求，能够为仪器的稳定运行提供有力的技术保障。
关键词 水质监测 流路 光谱分析 控制电路
在线水质监测仪可以为水资源环境保护与治理提供有力的科学依据和技术支持，尤其是基于光谱分析的水质监测更是该技术领域的重要发展方向之一。但是就仪器设计的角度而言，流路系统的设计与控制是仪器稳定可靠运行的关键技术之一，应该具有自动进样、清洗期留样取证等功能，为此，依托实际工程项目，针对基于光谱分析的在线水质监测仪对流路系统的功能要求，深入展开了具体的流路系统设计及其控制电路原理研究[1]。将流路控制原理与方法运用到仪器测试中，并进行了仪器整机联调实验。
1 流路系统设计
针对在线光谱水质监测仪流路系统应具有的进样、清洗和留样功能[2]，以微型蠕动泵、微型三通换向电磁阀、微型电磁阀、微型真空泵、流通检测池为流路器件，设计了仪器流路系统，流路系统结构如图1所示。
水质监测仪流路系统各器件间的连接如图2所示。管网水经电磁阀控制进入样品池 ，蠕动泵1与三通换向电磁阀1、2匹配工作(两个阀保持常开状态)，抽取一定体积的被测水样进入石英流通检测池，在检测池内完成水样的光谱分析。若光谱分析检测到被测水样光谱特征发生突变或被测成分(如水质参数COD等)超标报警，则三通电磁阀2流路切换，与蠕动泵1匹配工作，抽取水样进入留样池作进一步取证分析。测量完毕后，则三通电磁阀1流路切换到常闭口(以备抽取蒸馏水)，三通电磁阀2常开，与蠕动泵1、2匹配工作，抽取蒸馏水清洗流通检测池，清洗完后，为避免颗粒物粘附在流通池的通光面上，打开夹管电磁阀1、2，采用微型真空泵1、2压缩空气吹扫流通池的通光面[2]，为下一次水样的测量做好准备。
图1 水质监测仪流路系统结构
图2 各器件间的连接示意图
2 流路控制系统电路设计
流路控制系统由单片机(下位机)、工控机(上位机)、电源模块、继电器和各个流路器件组成。以工控机为控制和信息处理平台，使用LabVIEW软件作为上位机开发环境[3]。
流路控制系统电路示意图如图3所示，流路器件皆与对应继电器的常闭端、公共端(图中继电器O为常开端、C为常闭端、COM为公共端)接入+24V电源两端，继电器的输入端再接单片机的IO口。
图3 流路控制系统电路示意图
控制电路启动后，电源和工控机开启，单片机上电，IO口首先默认输出高电平，与之相连的继电器会转换工作状态，由闭合变为断开，这样控制电路启动后被控流路器件都处于待机状态。当需要某个器件或多个器件工作时，使用者可通过上位机中的LabVIEW软件发送对应器件的控制命令，再由串行通信协议将控制命令传给下位机以改变对应IO口的电平状态(由高电平变为低电平)，与之相连的继电器工作状态便由断开切换为闭合，从而接通相关流路器件所在电路，使得对应流路器件工作。
另外，系统使用的上位机软件LabVIEW具有丰富的函数与控件，可以通过上述控制原理方便地设置每个器件的开启时间、次序和不同器件间的联合控制方式，再加上各种循环结构、判断结构及事件结构等多功能控件的混合使用，使得整个流路系统具有灵活多变的控制方式，方便了在线水质监测仪的多功能开发[4]。
3 流路系统测试与应用
3.1 清洗功能测试
为验证流路系统的清洗效果，以污染性较强的有机试剂亚甲蓝来污染样品检测池，经2min 的蒸馏水灌洗与压缩空气冲洗后,取出检测池中的水样送岛津紫外分光光度计UV-2450分析。测量结果显示，亚甲蓝特征吸收波长652nm处的吸光度降为0.001，可以认为是蒸馏水的吸光度，说明流通检测池已经被清洗干净，进一步表明系统具有快速、高效的清洗功能[5]。
图4、5分别是清洗控制流程与清洗前后吸光度对比图。
图4 清洗控制流程
a. 污染试剂亚甲蓝的吸收光谱
b. 经过清洗后检测池内蒸馏水的吸收光谱
图5 岛津UV-2450紫外可见分光光度计对清洗效果的验证
3.2 样品检测测试
为测试优化设计的流路系统是否满足仪器检测需求，采用实验室标准溶液配制方法[6]配制浓度为10、20、30、40、50、60、70mg/L的标准邻苯二甲酸氢钾溶液备用。使用所设计系统进行样品检测，先用蒸馏水灌洗和压缩空气冲洗的方式彻底清洗整个流路系统并进3mL蒸馏水到流通检测池做参比，再采用浓度由低到高的方式依次测量各溶液的吸光度[7]。测量时先用9mL的待测溶液连续灌洗整个流路系统，再进3mL待测溶液到流通检测池中测得吸光度曲线，测量完成后排空残液，继续抽取9mL下一浓度待测液灌洗整个流路系统并进样3mL测得其吸光度曲线，依此过程直至7个浓度的标准邻苯二甲酸氢钾溶液测量完成，最终的吸光度曲线如图6所示，图中曲线由下到上依次对应的浓度为10、20、30、40、50、60、70mg/L的标准邻苯二甲酸氢钾溶液。
图6 不同浓度标准邻苯二甲酸氢钾溶液吸光度图谱
采用不同浓度的标准邻苯二甲酸氢钾溶液在280nm处的吸光度，建立邻苯二甲酸氢钾标准工作曲线[8]。如图7所示，标准工作曲线的线性相关系数R2 =0.9987，达到了检测要求，说明优化设计的流路系统不仅实现了进样、留样、清洗功能，而且满足了在线水质监测仪的水质检测需要。
图7 邻苯二甲酸氢钾标准工作曲线
3.3 留样功能测试
针对在线水质监测仪留样功能的需要，建立吸光度-波长-时间三维光谱数据库。在实际检测过程中，只要某一时间点或某一时间段，某个波长处的吸光度突变(急剧上升或突破判定阈值等)，则认为水质异常事件发生，若污染物质的特征吸收光谱在数据库内，便可识别污染物，但不管识别与否，均立即自动留样，送权威部门分析，从而实现对水质安全的监测。
具体以沙河污水厂实际环境水样做留样功能实验，连续采集监测水体的吸光度数据，建立吸光度-波长-时间三维光谱图(图8)。通过三维图谱可直观看出吸光度数据变化，一旦出现异常，系统便立即自动留样，以分析污染物。实验结果表明所设计的流路系统能够实现对水体的持续性监测，并能及时自动留样，满足在线水质监测仪的流样功能要求。
图8 沙河污水厂吸光度-波长-时间三维图谱
4 结束语
对在线水质监测仪的流路系统及其控制电路进行了优化设计，测试结果表明设计的流路系统进样、留样功能正常，流通检测池清洗效果良好、数据测量准确，能够保证在线水质监测仪的长期稳定运行。另外，整机功耗低、线路布局规范、上位机开发环境LabVIEW的可扩展性良好，方便了本系统的多功能二次开发和持续优化。同时，通过控制电路与软件的优化设计，可实现系统各项功能间的快速切换，提升了使用过程中在线水质监测仪的灵活性。
