在现代水质监测工艺中，水质监测仪器动态化、实时性功能愈发突出，但在线水质检测仪器具体使用中，却存在流路系统清洗效率低、电路故障频发等问题。因此，本文对在线水质监测仪流路、控制电路设计展开研究，旨在优化在线水质监测仪整体性能，健全我国水资源在线监测系统。
一、在线水质监测仪相关概述
在线水质检测仪属于水质分析、监测工具，可自动获取某区域内水质参数，满足自来水供应、食品加工、材料处理、污水处理等行业基本需求，使企业能够在水质实时监测中，掌握其管理区域内水源质量。水质检测仪器使用时，相关人员可采集水样，将其加热处理后输送至检测装置内，利用惰性气体，排出水样中V0Cs组分，并在储水设备脱除气体内水分子后，将该V0Cs组分捕集，启动仪器对其进行“加热解吸”，且利用色谱分析水样品中各物质浓度，评价水样整体质量[1]。
在线水质检测仪应用中，其水质检测指标包括总需氧量、总有机碳等。测定总需氧量时，可在独立燃烧装置内，使用催化剂铂，同时将燃烧装置温度控制在900℃，从而根据装置内有机物氧化时损耗的氧气量，评估水样总需氧量。通过在线水质监测仪测定样品总需氧量时，所用时间为3~5分钟，具有数据分析快、操作便捷、外部干扰小等优势，对整合水样质量参数，指导相关行业水资源利用意义重大。另外，总有机碳作为水质评测的重要指标，在线水质监测仪测定该项指标时，其测定流程与总需氧量相似。相关人员可在有机物氧化后借助仪器内红外线分析设备，检测有机物气体内二氧化碳含量，但由于有机物中重碳酸盐、碳酸盐同样会在气化燃烧后生成二氧化碳，在核算水样品内总有机碳时，还需将该类物质所产生的二氧化碳气体总量扣除，保障水质监测质量。
二、在线水质监测仪结构分析
在线水质监测仪在结构设计中，主要包括流路、电源管理、光学系统、控制电路、样品反应检测、人机交互等功能板块。其中电源管理板块可作为仪器供电系统，维持仪器正常运转。光学系统可对水样展开光谱分析，并根据检测结果分析水样内光谱特征是否产生突变，即水样品内被测污染物是否超标[2]。控制电路可作为各板块指令、数据交互装置，确保在线检测仪器内部结构系统性。人机交互板块是在水质在线测试过程中，显示质量检测过程、水质检测结果、光谱曲线变化等，可实现人机对话。在线水质监测仪结构中，流路板块由阀门、泵等构件组成，多用于样品输送量控制、检测试剂抽取，同时具有自动清洗、气泡搅拌作用。以某水质检测仪为例，该仪器在线测量水样时，可在水质参数获取中，由流路板块抽取待测水样及其所需反应试剂，待样品被输送至反应检测室后，样品可进入反应时间。反应结束后，该仪器内光学系统可利用微型光谱仪器检测、输送反应数据，之后可生成标准工作曲线，计算水质参数，自动清洗样品反应检测室、仪器内流路管道。
三、在线水质监测仪应用现状
当前时期，我国水质检测仪被广泛应用在各领域中，且仪器研发处于快速发展时期。相关学科在借鉴SYSTEA、HACH等国外公司在线水质检测仪器开发经验后，研制出国内首个“多参数”水质检测仪，该仪器可实时、快速检测样品总磷、需氧量等水质参数，且该水质检测仪使用中具有能耗低、多参数、检测速率高等优势。在仪器流路设计中，该水质监测仪是利用微型“制动电机蠕动泵”抽取样品，但在该仪器长期使用后发现其稳定性会在应用周期增加后下降，无法进一步强化注射泵精密性能，以及微电子多位阀实践价值。因此，为满足我国水质监测需求，需集成应用各类先进技术，联合运用微电子多位阀、精密注射泵优化仪器流路及控制电路设计，确保仪器在线监测效果，提高水样质量监测数据准确性、重复性，延长仪器使用年限[3]。
四、在线水质监测仪流路和控制电路设计
（一）流路系统设计
在线水质监测仪器流路设计中，需根据流路系统基本功能，优化仪器内流路设计方案。目前，在线水质监测仪器内，留样、清洗、进样是流路系统主要功能。相关人员可在仪器设计中使用微电子多位阀、蠕动泵替换原有流路器件，比如传统电磁泵、正空泵。流路系统内结构设计中，流路管道可在微电子多位阀门辅助下与样品池连接，并在阀门、蠕动泵共同作用下抽取定量水样至自动化检测室内，检测完后可对水样展开光谱分析。经光谱分析后，若被测样品特征异变，光谱特 征内水质参数不符合相关标准时，在线水质监测系统可自动报警。
之后，微电子多位阀、蠕动泵可再次抽取水样品，再次取证分析样品质量参数，而其他微电子多位阀门可及时切换到关闭状态，样品抽取结束后可在仪器内部抽取适量蒸馏水，将流通检测室内管道、反应区域清洗[4]。在此期间，为避免水质检测时，流通池壁表层粘连颗粒物，可在仪器夹管处增设1～2个电磁阀、真空泵，使其能够利用压缩空气清洁流通池表层，为后续水质检测奠定基础。除此之外，新流路系统设计中，相关人员同样可选用注射泵作为系统核心装置，该类泵具有较高精密性，可在样品抽取中将抽液精度调整至5%，同时可凭借自身可靠性、装置结构紧凑等优势，用于各行业生产中水质自动化监测。再者，注射泵在抽取水样时可避免与反应试剂接触，有利于减少试剂对样品试管污染，保证水质监测仪器稳定性。
（二）流路控制电路设计
流路控制电路设计中，该电路控制系统可由继电器、工控机、单片机等器件组成，其中工控机可作为电路控制平台，处理流路系统内电路信息。具体来说，第一，在设计流路器件时，可根据仪器结构内继电器分布，使流路器件与继电器常闭端口、公共端口、常开端口相对应，并在24V电源模块接入器件两端后，将继电器电源输入端口与单片机连接。
第二，在线水质检测仪器控制电路开启后，工控机、电源模块、单片机、继电器可在与流路器件联合设计中输出电流，使相连继电器处于稳定运行状态，而在控制电路设计中增加断开的闭合电路，可使电路系统启动后，流路系统内各器件可被控制在待机状态[5]。从而根据水质监测流程，实时开启某个、多个器件，而器件控制目标则可通过设计下位机，为各流路器件提供指令信息，以此在通信协议支持下将指令传递，改变器件电流输出状态。比如在下位机改变继电器电平状态后，可将其他继电器调整为闭合状态，在相连器件接通后使其进入运行模式。
第三，在线水质监测仪流路系统控制电路设计中，相关人员可通过灵活运用上位机软件控制器件、控制函数，针对性控制各内部器件开启时间，使仪器内各器件可循环使用，为在线水质检测仪性能完善提供助力。
第四，由于流路控制电路设计需满足仪器对直流电机的控制要求，并且直流电机运行时瞬时电流较大，需要利用继电器使直流电机进入工作状态。但在传统在线水质监测仪控制电路设计中，其继电器多为固态继电器，容易在电机开关时影响系统稳定性，无法满足电隔离要求，同时该类继电器抗干扰能力差、成本高[6]。因此，为利用直流电机完成检测池试剂反应、废液排出时的气泡搅拌要求，相关人员应在控制电路设计中，借助光耦对直流电机进行隔离，避免该设备在驱动时因电流较大而干扰流路处理器。与此同时，相关人员可通过“反相施密触发器”整形电流信号，减少电流叠加时直流电机对周边器件电路脉冲干扰，然后增设大电流、耐高压复合晶体管列阵，满足直流电机驱动大电流驱动要求，维持流路系统稳定、持续运行。
第五，在流路设计中使用注射泵时，该装置驱动电压为24V，可使用S3C2410微处理器控制电路，然而因微处理器所输出的电平、注射泵所需控制器电平差异明显，需选用型号为MAX3232的电平转换芯片，使微处理器能够精确控制注射泵水样抽取作业。
（三）在线水质监测系统流路系统测试
1.流路系统功能测试
为确保在线水质监测系统流路设计可行性，测试系统清洗、留样效果，需在上述设计方案应用中对流路系统进行功能测试。
其一，清洗功能。首先，在验证流通系统洗涤质量时，可使用具有较强污染性的有机试剂改变样品检测池内水质参数[7]。比如将亚甲蓝试剂倒入样品检测池内，样品留存两分钟后采用压缩空气、蒸馏水分别清洗检测池。清洗结束后可提取检测池内水适量，制备为检测样品，经紫光光度计分析后，结果显示该流路系统运行时，亚甲蓝吸收波长从原有650nm下降到0.001，其中0.001数值可视为蒸馏水吸光度，表明流路系统运行后，检测池内亚甲蓝试剂清洗效果良好，清洁率高达95~99%。由此可见，该在线水质监测仪内流路系统可快速、有效将检测池壁表层污染物清除。
其次，为全面分析该流路系统是否符合水质在线监测要求，相关人员可在亚甲蓝测试结束后，配置标准污染溶液，即浓度分别为10、30、50、70mg/L邻苯二甲酸氢钾溶液。污染溶液制备完毕后，通过放置污染溶液、蒸馏水清洗、压缩空气冲洗、提取池内水样等流程，对比不同浓度条件下，流路系统清洗效果。测试结束后，可利用3mL蒸馏水作为清洗效果对比参数，然后根据溶液浓度分析流路系统吸光度。需要注意的是，正式检测时，为保证测试结果准确性，相关人员需在待测溶液清洗结束后及时灌洗流路系统，直到系统内溶液排空可再次抽取溶液，直到将所制备溶液测试完毕[8]。
最后，在掌握不同浓度邻苯二甲酸氢钾溶液吸光度后，绘制浓度条件不同时，流路系统工作质量曲线图。测试结果表明，在线水质监测仪流路系统优化设计后，工作质量曲线内线性系数为Ｒ2= 0.9987，符合当前时期我国在线水质监测仪实际检测基本要求。
2.留样功能测试
在线水质监测仪流路系统优化设计基础上，测试其留样功能，是评估在线监测仪器整体性能的前提条件。具体测试步骤如下：其一，整理原流路系统进样测试数据，设定水样取值为0.2ml、0.8ml、2ml，根据流路系统中注射泵抽取样品体积，与原流路系统进样体积抽取精度展开对比。其二，使用高精度电子天平，获取注射泵所抽取水样的具体数值，对比新流路设计进样精度，经检测，新流路设计其进样标准偏差从原有0.8%、2.4%改变为0.1%、0.8%，表明优化流路设计后，其留样控制效果良好、精度高。
另外，留样功能测试时，相关人员可基于波长、吸光度、留样时间建立三维光谱数据库，通过分析检测过程中某一时段吸光度变化数值，排查水质异常问题。若系统所获污染物参数信息与数据库内光谱信息一致，则可在识别污染物后自动留样，并将其送至专业机构检测。以某地区污水厂留样实验为例，该厂区在完成流路系统设计后，对水体吸光度数据进行持续采集，同时建立由时间、吸光度、波长组成的三维光谱图，直观显示水样吸光度变化，当该数值超过流路系统数据相关监测标准后，系统可自动留样，为相关部门识别、分析该污染物提供依据。
3.进样功能测试
因不同水质检测时期所需反应试剂、污染溶液数量有着明显差异，要求流路优化设计后应测试进样精度，判断流路系统设计整体性[9]。其一，将样品抽取体积设定为0.2ml、0.6ml、0.8ml、1.8ml后，计算样品各体积理论值，在反复实验后修正补偿注射泵、蠕动泵抽取的样品数值，最终选取误差最小的数值。其二，使用高精度电子天平，测量流路系统进样时蒸馏水质量，分析系统所测体积的准确性。测试结果表明，原有流路设计中期望值与实际测量值误差较大，约为0.5~4.7%，而在流路优化设计后，其误差值为0.1~0.3%。由此可见，在线水质监测仪器流路设计中，流路系统更新后其进样精确度较高、重复性良好。
4.控制电路系统测试
在线水质监测仪流路控制电路设计后，需对控制电路系统进行测试，保证各电路模块焊接有序性、准确性。以电路电气检查为例，相关人员可在印制电路板制作结束后，检查电气连接，避免仪器使用中产生短路现象。电气连接检查结束后，可根据流路系统内功能器件，分别焊接芯片，其中电源管理电路为首要焊接对象，各功能器件焊接后，需及时检查电路中是否存在短路、安装故障、虚焊情况，经检查无误后方可通入直流电源。随后使用外用表测试该电路系统，判断控制电路设计是否符合在线监测仪设计标准，待所有测试、焊接作业结束后，需再次测试各功能板块电路焊接效果。在电路板调试过程中，相关人员借助可调控电源装置的限流作用，为电源管理模块提供24V直流电压，然后观察所输入、输出电流工作状态，在显波器显示出电压值数后，其产生的波形图内电压波形稳定，纹波可控制在50mv内，表明该在线水质监测仪控制电路设计内电源装置设计方案可行[10]。
电气电路设计测试结束后，可对在线检测仪电源系统电路展开测试，相关人员可在电路板调试期间根据输出电压、输入电流判断控制电路内电源模块设计效果。经检测，电源电压所输出的波形图内电压波纹均处于50mV内，表示在线监测仪电源设计符合各流路器件运行需求。之后，为保证控制电路系统测试全面性，可逐一对继电器、直流电机、工控机、注射泵中的子电路系统进行测试。比如在测试注射泵控制电路时，可利用泵内驱动芯片截断DMOS电桥流通，查看该控制电路是否能够控制设备、电机的流通与阻断，以评估电路对注射泵电压、输入电流的控制效果。根据测试所获取的波形图，信号电压处于23~24V,代表注射泵内信号频率可在线调整，能够满足注射泵稳定运行要求。
五、结语
综上所述，为在水资源质量监测中，突出在线水质监测仪应用价值，相关人员应进一步完善在线水质监测仪流路、控制电路设计，确保仪器内流路系统清洗、留样和进样效果，实现在线水质监测仪稳定运行目标。另外，为保证仪器流路及控制电路设计的可靠性，需在设计方案拟定后，通过针对性功能测试，评估更新后流路系统使用效果，改进在线水质监测整体设计，为我国水资源保护、水资源污染防控提供助力。
个人简历：滕永青（1980.08 ——）；男；山西省大同市人， 汉族 ；硕士研究生学历；当前就职于中美平朔集团公司，研究方向：测试计量技术及仪器； 职称：工程师 。
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