水中氟離子快速檢測系統及其方法技術方案

本發明專利技術屬于離子檢測設備技術領域，提出的水中氟離子快速檢測系統，包括均與微處理器單元連接的人機交互單元、溫度采集單元、負載電源管理單元、加熱攪拌單元和電壓調整單元，還包括氟離子電極單元，氟離子電極單元所測電壓值經信號調理單元調理后傳送至微處理器單元，微處理器單元包括運算模塊，運算模塊包括溫度補償模塊、線性計算模塊、計算校正模塊和溫度補償校正模塊。還提出一種采用水中氟離子快速檢測系統對水中氟離子進行快速檢測的方法。本發明專利技術構思巧妙，操作簡便，解決了現有技術中氟離子含量的測量主要依靠實驗室完成，操作流程比較繁瑣且精度差，取回測量易造成二次污染影響準確度的技術問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于離子檢測設備
，涉及一種水中氟離子快速檢測系統及其方法。
技術介紹
氟離子是水文地質調查和環境監測的重要參數，對于分析地層特性、地下水徑流和含氟地方病的情況具有重要的作用。目前，氟離子含量的測量主要依靠實驗室完成，操作流程比較繁瑣，線性曲線需要人工計算完成，無法實現在野外現場的快速檢測。被測水樣獲取過程存在二次污染的風險，很大程度上弱化被測信息的真實性，同時從取樣到完成實驗室的測量一般需要較長的時間且精度差，氟離子含量已發生變化，測量結果已不能代表水樣的實際值。當前急需一種能夠在野外現場實現快速檢測的水中氟離子快速檢測儀器。
技術實現思路
本專利技術提出一種水中氟離子快速檢測系統及其方法，解決了現有技術中氟離子含量的測量主要依靠實驗室完成，操作流程比較繁瑣且精度差，取回測量易造成二次污染影響準確度的技術問題。本專利技術的技術方案是這樣實現的：水中氟離子快速檢測系統，包括均與微處理器單元連接的人機交互單元、溫度采集單元、負載電源管理單元、加熱攪拌單元和電壓調整單元，還包括氟離子電極單元，所述氟離子電極單元所測電壓值經信號調理單元調理后傳送至所述微處理器單元，所述信號調理單元包括依次連接的阻抗匹配電路、電壓抬升電路和第一低通濾波電路，所述阻抗匹配電路包括第一放大器，所述第一放大器的第1腳和第8腳通過第四電阻連接，所述電壓抬升電路包括阻值相同且均與跟隨電路連接的第一電阻和第二電阻，所述第一電阻和所述第二電阻的另一端分別與所述第一放大器和所述電壓調整單元連接，所述微處理器單元包括運算模塊，所述運算模塊包括通過對所述氟離子電極單元所測電壓值進行溫度補償從而對所測水中氟離子濃度進行矯正的溫度補償模塊，由所述氟離子電極單元所測電壓值計算出氟離子濃度的線性計算模塊，所述線性計算模塊由多組標準液的濃度值、所述氟離子電極單元測量多組所述標準液得到的多組電壓值通過最小二乘法得出，基于最小二乘法對所述線性計算模塊進行校正的計算校正模塊，基于最小二乘法對所述溫度補償模塊進行校正的溫度補償校正模塊。作為進一步的技術方案，所述溫度補償模塊所依據方程為V1＝V+(0.5+a)(T-20)，V1為所述氟離子電極單元所測電壓值通過溫度補償后的值，V為所述氟離子電極單元所測電壓值，a為校正值，由所述溫度補償校正模塊通過最小二乘法算出，T為所述溫度采集單元所測溫度。作為進一步的技術方案，所述信號調理單元所依據方程為：V4＝R28/(2R28+R25)(V3+2V)，其中，V4為所述信號調理單元傳送至所述微處理器單元的電壓值，R28為所述電壓抬升電路中第三電阻阻值，R25為所述第一電阻阻值，V3為所述電壓調整單元傳送至所述微處理器單元的電壓值，所述第三電阻一端與所述第一電阻和所述第二電阻的連接點連接，另一端與地連接。作為進一步的技術方案，所述氟離子電極單元包括依次連接的氟離子電極和電極接口，所述氟離子電極內置參比電極，所述參比電極為銀-氯化銀電極，所述電極接口與所述第一放大器連接。作為進一步的技術方案，所述溫度采集單元包括依次連接的熱敏電阻傳感器、恒流源電路和第二低通濾波電路，所述第二低通濾波電路與所述微處理器單元的模/數轉換器連接，所述微處理器單元的型號為MSP430。作為進一步的技術方案，所述人機交互單元包括相互連接并均與所述微處理器單元連接的鍵盤和液晶顯示模塊，所述鍵盤包括自動校正按鈕和測試按鈕。作為進一步的技術方案，所述負載電源管理單元包括依次連接的可攜帶電源、低壓差線性穩壓器、第一負載開關、第二負載開關和第三負載開關；所述低壓差線性穩壓器與所述微處理器單元連接，所述第一負載開關與所述溫度采集單元連接，所述第二負載開關與所述信號調理單元連接，所述第三負載開關與所述人機交互單元連接。本專利技術還提出一種采用所述水中氟離子快速檢測系統對水中氟離子進行快速檢測的方法，包括以下步驟：氟離子電極校正：依次對0.2mg/l、0.6mg/l、1mg/l、2mg/l和4mg/l五種不同濃度標準液進行測量，所述計算校正模塊通過最小二乘法繪制出所述氟離子電極單元所測電壓值與氟離子濃度的線性曲線；溫度補償方程校正：依次對至少3種不同溫度下的0.2mg/l、0.6mg/l、1mg/l、2mg/l和4mg/l五種不同濃度標準液進行測量，所述溫度補償校正模塊繪制出五條同種濃度標準液所述氟離子電極單元所測電壓值與所述溫度采集單元所測溫度T的線性曲線，得出對應的五個校正值并求出其平均值，將平均值帶入溫度補償方程；現場取樣：取50ml樣品待測；調PH值：向待測液中滴加離子緩沖溶液劑，并通過加熱攪拌裝置攪拌均勻，直至溶液pH值調節到5～8左右；測量分析：所述氟離子電極單元進入待測液，所述氟離子電極單元和所述電壓調整單元同時工作，將所檢測到的信號傳送至所述微處理器單元，同時所述溫度采集單元對待測液溫度進行測量；計算出所述氟離子電極單元所測電壓值V，將V帶入氟離子電極校正步驟中繪制的氟離子電極輸出電壓與氟離子濃度的線性曲線中，并根據所述溫度采集單元所測溫度T對曲線進行溫度補償后得到待測液在當前溫度下的氟離子濃度值；顯示：將計算得到的氟離子濃度和溫度值輸出在所述人機交互單元顯示。作為進一步的技術方案，調PH值步驟中，離子緩沖溶液為0.2mol/l檸檬酸鈉或1mol/l硝酸鈉；氟離子電極校正、溫度補償方程校正步驟及測量分析步驟中，每次測試前需用去離子水反復沖洗氟離子電極，沖洗時間為30～40秒。作為進一步的技術方案，測量分析步驟中，所述氟離子電極單元所測電壓值V的解析方程為V＝(2V4-V3)/2。本專利技術使用原理及有益效果為：1、本專利技術氟離子電極單元采用差分雙路(氟離子電極信號和基準電壓信號)同步采集模式，大大加強了本專利技術所檢測結果的精度；設置了加熱攪拌單元，可大大加快離子緩沖溶液滴入后水溶液的平衡時間，加快反應時間，提高測試速率，節省工作時間。本專利技術通過八大部分的巧妙配合和合理安排，加上微處理器單元內置的高精度帶溫度智能補償的定量計算算法，可實現氟離子電極和溫度補償方程的精確校正，并自動實現氟離子濃度的自動計算與溫度補償功能，方便快捷的實現水中氟離子的野外快速高精度檢測。另外，人工交互單元中鍵盤中設置了自動校正按鈕和測試按鈕，便于用戶根據需要準確快捷的選取測試模式，更好的滿足客戶的使用需求。2、本專利技術中同一氟離子電極的重復性表現良好，多次測量的平均誤差不超過4％。不同氟離子電極在測量不同濃度標準液時，所測結果通過最小二乘法繪制出的氟離子電極輸出電壓與氟離子濃度的線性曲線形狀一致，但與坐標軸的交點不同，因此不同氟離子電極所對應的線性曲線所需校正值不同。通過氟離子校正步驟后，完全可以實現水中氟離子濃度的精確測量。3、通過實驗驗證，本專利技術方法比滴定法測量精度更高，相對誤差≤5％。采用本專利技術方法所測數據與室內滴定法測試數據較為接近，均在合理范圍之內。另外采用本專利技術方法測試時間僅為滴定法測試所需時間的30％左右，大大提高了測試的工作效率。這是由于測試過程中，本專利技術檢測系統自帶加熱攪拌裝置能夠加速PH值調節步驟中水溶液平衡過程，縮短測量時間，且不會對濃度產生本質的影響，野外測量中可通過手的晃動加速平衡時間，且濃度越高平衡越快，一般僅需2分鐘便本文檔來自技高網...

【技術保護點】
水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，包括均與微處理器單元(1)連接的人機交互單元(2)、溫度采集單元(4)、負載電源管理單元(6)、加熱攪拌單元(7)和電壓調整單元(8)，還包括氟離子電極單元(5)，所述氟離子電極單元(5)所測電壓值經信號調理單元(3)調理后傳送至所述微處理器單元(1)，所述信號調理單元(3)包括依次連接的阻抗匹配電路(31)、電壓抬升電路(32)和第一低通濾波電路(33)，所述阻抗匹配電路(31)包括第一放大器(311)，所述第一放大器(311)的第1腳和第8腳通過第四電阻(312)連接，所述電壓抬升電路(32)包括阻值相同且均與跟隨電路(323)連接的第一電阻(321)和第二電阻(322)，所述第一電阻(321)和所述第二電阻(322)的另一端分別與所述第一放大器(311)和所述電壓調整單元(8)連接，所述微處理器單元(1)包括運算模塊(11)，所述運算模塊(11)包括通過對所述氟離子電極單元(5)所測電壓值進行溫度補償從而對所測水中氟離子濃度進行矯正的溫度補償模塊(111)，由所述氟離子電極單元(5)所測電壓值計算出氟離子濃度的線性計算模塊(112)，所述線性計算模塊(112)由多組標準液的濃度值、所述氟離子電極單元(5)測量多組所述標準液得到的多組電壓值通過最小二乘法得出，基于最小二乘法對所述線性計算模塊(112)進行校正的計算校正模塊(113)，基于最小二乘法對所述溫度補償模塊(111)進行校正的溫度補償校正模塊(114)。...

【技術特征摘要】
1.水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，包括均與微處理器單元(1)連接的人機交互單元(2)、溫度采集單元(4)、負載電源管理單元(6)、加熱攪拌單元(7)和電壓調整單元(8)，還包括氟離子電極單元(5)，所述氟離子電極單元(5)所測電壓值經信號調理單元(3)調理后傳送至所述微處理器單元(1)，所述信號調理單元(3)包括依次連接的阻抗匹配電路(31)、電壓抬升電路(32)和第一低通濾波電路(33)，所述阻抗匹配電路(31)包括第一放大器(311)，所述第一放大器(311)的第1腳和第8腳通過第四電阻(312)連接，所述電壓抬升電路(32)包括阻值相同且均與跟隨電路(323)連接的第一電阻(321)和第二電阻(322)，所述第一電阻(321)和所述第二電阻(322)的另一端分別與所述第一放大器(311)和所述電壓調整單元(8)連接，所述微處理器單元(1)包括運算模塊(11)，所述運算模塊(11)包括通過對所述氟離子電極單元(5)所測電壓值進行溫度補償從而對所測水中氟離子濃度進行矯正的溫度補償模塊(111)，由所述氟離子電極單元(5)所測電壓值計算出氟離子濃度的線性計算模塊(112)，所述線性計算模塊(112)由多組標準液的濃度值、所述氟離子電極單元(5)測量多組所述標準液得到的多組電壓值通過最小二乘法得出，基于最小二乘法對所述線性計算模塊(112)進行校正的計算校正模塊(113)，基于最小二乘法對所述溫度補償模塊(111)進行校正的溫度補償校正模塊(114)。2.根據權利要求1所述的水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，所述溫度補償模塊(111)所依據方程為V1＝V+(0.5+a)(T-20)，V1為所述氟離子電極單元(5)所測電壓值通過溫度補償后的值，V為所述氟離子電極單元(5)所測電壓值，a為校正值，由所述溫度補償校正模塊(114)通過最小二乘法算出，T為所述溫度采集單元(4)所測溫度。3.根據權利要求1所述的水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，所述信號調理單元(3)所依據方程為：V4＝R28/(2R28+R25)(V3+2V)，其中，V4為所述信號調理單元(3)傳送至所述微處理器單元(1)的電壓值，R28為所述電壓抬升電路(32)中第三電阻(324)阻值，R25為所述第一電阻(321)阻值，V3為所述電壓調整單元(8)傳送至所述微處理器單元(1)的電壓值，所述第三電阻(324)一端與所述第一電阻(321)和所述第二電阻(322)的連接點連接，另一端與地連接。4.根據權利要求1所述的水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，所述氟離子電極單元(5)包括依次連接的氟離子電極(51)和電極接口(52)，所述氟離子電極(51)內置參比電極，所述參比電極為銀-氯化銀電極，所述電極接口(52)與所述第一放大器(311)連接。5.根據權利要求1所述的水中氟離子快速檢測系統，其特征在于，所述溫度采集單元(4)包括依次連接的熱敏電阻傳感器(41)、恒流源電路(42)和第二低通濾波電路...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙學亮，史云，李康，魏光華，袁愛軍，
申請(專利權)人：中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，
類型：發明
國別省市：河北;13