水中氟离子快速检测系统及其方法技术方案

本发明专利技术属于离子检测设备技术领域，提出的水中氟离子快速检测系统，包括均与微处理器单元连接的人机交互单元、温度采集单元、负载电源管理单元、加热搅拌单元和电压调整单元，还包括氟离子电极单元，氟离子电极单元所测电压值经信号调理单元调理后传送至微处理器单元，微处理器单元包括运算模块，运算模块包括温度补偿模块、线性计算模块、计算校正模块和温度补偿校正模块。还提出一种采用水中氟离子快速检测系统对水中氟离子进行快速检测的方法。本发明专利技术构思巧妙，操作简便，解决了现有技术中氟离子含量的测量主要依靠实验室完成，操作流程比较繁琐且精度差，取回测量易造成二次污染影响准确度的技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于离子检测设备
，涉及一种水中氟离子快速检测系统及其方法。
技术介绍
氟离子是水文地质调查和环境监测的重要参数，对于分析地层特性、地下水径流和含氟地方病的情况具有重要的作用。目前，氟离子含量的测量主要依靠实验室完成，操作流程比较繁琐，线性曲线需要人工计算完成，无法实现在野外现场的快速检测。被测水样获取过程存在二次污染的风险，很大程度上弱化被测信息的真实性，同时从取样到完成实验室的测量一般需要较长的时间且精度差，氟离子含量已发生变化，测量结果已不能代表水样的实际值。当前急需一种能够在野外现场实现快速检测的水中氟离子快速检测仪器。
技术实现思路
本专利技术提出一种水中氟离子快速检测系统及其方法，解决了现有技术中氟离子含量的测量主要依靠实验室完成，操作流程比较繁琐且精度差，取回测量易造成二次污染影响准确度的技术问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：水中氟离子快速检测系统，包括均与微处理器单元连接的人机交互单元、温度采集单元、负载电源管理单元、加热搅拌单元和电压调整单元，还包括氟离子电极单元，所述氟离子电极单元所测电压值经信号调理单元调理后传送至所述微处理器单元，所述信号调理单元包括依次连接的阻抗匹配电路、电压抬升电路和第一低通滤波电路，所述阻抗匹配电路包括第一放大器，所述第一放大器的第1脚和第8脚通过第四电阻连接，所述电压抬升电路包括阻值相同且均与跟随电路连接的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端分别与所述第一放大器和所述电压调整单元连接，所述微处理器单元包括运算模块，所述运算模块包括通过对所述氟离子电极单元所测电压值进行温度补偿从而对所测水中氟离子浓度进行矫正的温度补偿模块，由所述氟离子电极单元所测电压值计算出氟离子浓度的线性计算模块，所述线性计算模块由多组标准液的浓度值、所述氟离子电极单元测量多组所述标准液得到的多组电压值通过最小二乘法得出，基于最小二乘法对所述线性计算模块进行校正的计算校正模块，基于最小二乘法对所述温度补偿模块进行校正的温度补偿校正模块。作为进一步的技术方案，所述温度补偿模块所依据方程为V1＝V+(0.5+a)(T-20)，V1为所述氟离子电极单元所测电压值通过温度补偿后的值，V为所述氟离子电极单元所测电压值，a为校正值，由所述温度补偿校正模块通过最小二乘法算出，T为所述温度采集单元所测温度。作为进一步的技术方案，所述信号调理单元所依据方程为：V4＝R28/(2R28+R25)(V3+2V)，其中，V4为所述信号调理单元传送至所述微处理器单元的电压值，R28为所述电压抬升电路中第三电阻阻值，R25为所述第一电阻阻值，V3为所述电压调整单元传送至所述微处理器单元的电压值，所述第三电阻一端与所述第一电阻和所述第二电阻的连接点连接，另一端与地连接。作为进一步的技术方案，所述氟离子电极单元包括依次连接的氟离子电极和电极接口，所述氟离子电极内置参比电极，所述参比电极为银-氯化银电极，所述电极接口与所述第一放大器连接。作为进一步的技术方案，所述温度采集单元包括依次连接的热敏电阻传感器、恒流源电路和第二低通滤波电路，所述第二低通滤波电路与所述微处理器单元的模/数转换器连接，所述微处理器单元的型号为MSP430。作为进一步的技术方案，所述人机交互单元包括相互连接并均与所述微处理器单元连接的键盘和液晶显示模块，所述键盘包括自动校正按钮和测试按钮。作为进一步的技术方案，所述负载电源管理单元包括依次连接的可携带电源、低压差线性稳压器、第一负载开关、第二负载开关和第三负载开关；所述低压差线性稳压器与所述微处理器单元连接，所述第一负载开关与所述温度采集单元连接，所述第二负载开关与所述信号调理单元连接，所述第三负载开关与所述人机交互单元连接。本专利技术还提出一种采用所述水中氟离子快速检测系统对水中氟离子进行快速检测的方法，包括以下步骤：氟离子电极校正：依次对0.2mg/l、0.6mg/l、1mg/l、2mg/l和4mg/l五种不同浓度标准液进行测量，所述计算校正模块通过最小二乘法绘制出所述氟离子电极单元所测电压值与氟离子浓度的线性曲线；温度补偿方程校正：依次对至少3种不同温度下的0.2mg/l、0.6mg/l、1mg/l、2mg/l和4mg/l五种不同浓度标准液进行测量，所述温度补偿校正模块绘制出五条同种浓度标准液所述氟离子电极单元所测电压值与所述温度采集单元所测温度T的线性曲线，得出对应的五个校正值并求出其平均值，将平均值带入温度补偿方程；现场取样：取50ml样品待测；调PH值：向待测液中滴加离子缓冲溶液剂，并通过加热搅拌装置搅拌均匀，直至溶液pH值调节到5～8左右；测量分析：所述氟离子电极单元进入待测液，所述氟离子电极单元和所述电压调整单元同时工作，将所检测到的信号传送至所述微处理器单元，同时所述温度采集单元对待测液温度进行测量；计算出所述氟离子电极单元所测电压值V，将V带入氟离子电极校正步骤中绘制的氟离子电极输出电压与氟离子浓度的线性曲线中，并根据所述温度采集单元所测温度T对曲线进行温度补偿后得到待测液在当前温度下的氟离子浓度值；显示：将计算得到的氟离子浓度和温度值输出在所述人机交互单元显示。作为进一步的技术方案，调PH值步骤中，离子缓冲溶液为0.2mol/l柠檬酸钠或1mol/l硝酸钠；氟离子电极校正、温度补偿方程校正步骤及测量分析步骤中，每次测试前需用去离子水反复冲洗氟离子电极，冲洗时间为30～40秒。作为进一步的技术方案，测量分析步骤中，所述氟离子电极单元所测电压值V的解析方程为V＝(2V4-V3)/2。本专利技术使用原理及有益效果为：1、本专利技术氟离子电极单元采用差分双路(氟离子电极信号和基准电压信号)同步采集模式，大大加强了本专利技术所检测结果的精度；设置了加热搅拌单元，可大大加快离子缓冲溶液滴入后水溶液的平衡时间，加快反应时间，提高测试速率，节省工作时间。本专利技术通过八大部分的巧妙配合和合理安排，加上微处理器单元内置的高精度带温度智能补偿的定量计算算法，可实现氟离子电极和温度补偿方程的精确校正，并自动实现氟离子浓度的自动计算与温度补偿功能，方便快捷的实现水中氟离子的野外快速高精度检测。另外，人工交互单元中键盘中设置了自动校正按钮和测试按钮，便于用户根据需要准确快捷的选取测试模式，更好的满足客户的使用需求。2、本专利技术中同一氟离子电极的重复性表现良好，多次测量的平均误差不超过4％。不同氟离子电极在测量不同浓度标准液时，所测结果通过最小二乘法绘制出的氟离子电极输出电压与氟离子浓度的线性曲线形状一致，但与坐标轴的交点不同，因此不同氟离子电极所对应的线性曲线所需校正值不同。通过氟离子校正步骤后，完全可以实现水中氟离子浓度的精确测量。3、通过实验验证，本专利技术方法比滴定法测量精度更高，相对误差≤5％。采用本专利技术方法所测数据与室内滴定法测试数据较为接近，均在合理范围之内。另外采用本专利技术方法测试时间仅为滴定法测试所需时间的30％左右，大大提高了测试的工作效率。这是由于测试过程中，本专利技术检测系统自带加热搅拌装置能够加速PH值调节步骤中水溶液平衡过程，缩短测量时间，且不会对浓度产生本质的影响，野外测量中可通过手的晃动加速平衡时间，且浓度越高平衡越快，一般仅需2分钟便本文档来自技高网...

【技术保护点】
水中氟离子快速检测系统，其特征在于，包括均与微处理器单元(1)连接的人机交互单元(2)、温度采集单元(4)、负载电源管理单元(6)、加热搅拌单元(7)和电压调整单元(8)，还包括氟离子电极单元(5)，所述氟离子电极单元(5)所测电压值经信号调理单元(3)调理后传送至所述微处理器单元(1)，所述信号调理单元(3)包括依次连接的阻抗匹配电路(31)、电压抬升电路(32)和第一低通滤波电路(33)，所述阻抗匹配电路(31)包括第一放大器(311)，所述第一放大器(311)的第1脚和第8脚通过第四电阻(312)连接，所述电压抬升电路(32)包括阻值相同且均与跟随电路(323)连接的第一电阻(321)和第二电阻(322)，所述第一电阻(321)和所述第二电阻(322)的另一端分别与所述第一放大器(311)和所述电压调整单元(8)连接，所述微处理器单元(1)包括运算模块(11)，所述运算模块(11)包括通过对所述氟离子电极单元(5)所测电压值进行温度补偿从而对所测水中氟离子浓度进行矫正的温度补偿模块(111)，由所述氟离子电极单元(5)所测电压值计算出氟离子浓度的线性计算模块(112)，所述线性计算模块(112)由多组标准液的浓度值、所述氟离子电极单元(5)测量多组所述标准液得到的多组电压值通过最小二乘法得出，基于最小二乘法对所述线性计算模块(112)进行校正的计算校正模块(113)，基于最小二乘法对所述温度补偿模块(111)进行校正的温度补偿校正模块(114)。...

【技术特征摘要】
1.水中氟离子快速检测系统，其特征在于，包括均与微处理器单元(1)连接的人机交互单元(2)、温度采集单元(4)、负载电源管理单元(6)、加热搅拌单元(7)和电压调整单元(8)，还包括氟离子电极单元(5)，所述氟离子电极单元(5)所测电压值经信号调理单元(3)调理后传送至所述微处理器单元(1)，所述信号调理单元(3)包括依次连接的阻抗匹配电路(31)、电压抬升电路(32)和第一低通滤波电路(33)，所述阻抗匹配电路(31)包括第一放大器(311)，所述第一放大器(311)的第1脚和第8脚通过第四电阻(312)连接，所述电压抬升电路(32)包括阻值相同且均与跟随电路(323)连接的第一电阻(321)和第二电阻(322)，所述第一电阻(321)和所述第二电阻(322)的另一端分别与所述第一放大器(311)和所述电压调整单元(8)连接，所述微处理器单元(1)包括运算模块(11)，所述运算模块(11)包括通过对所述氟离子电极单元(5)所测电压值进行温度补偿从而对所测水中氟离子浓度进行矫正的温度补偿模块(111)，由所述氟离子电极单元(5)所测电压值计算出氟离子浓度的线性计算模块(112)，所述线性计算模块(112)由多组标准液的浓度值、所述氟离子电极单元(5)测量多组所述标准液得到的多组电压值通过最小二乘法得出，基于最小二乘法对所述线性计算模块(112)进行校正的计算校正模块(113)，基于最小二乘法对所述温度补偿模块(111)进行校正的温度补偿校正模块(114)。2.根据权利要求1所述的水中氟离子快速检测系统，其特征在于，所述温度补偿模块(111)所依据方程为V1＝V+(0.5+a)(T-20)，V1为所述氟离子电极单元(5)所测电压值通过温度补偿后的值，V为所述氟离子电极单元(5)所测电压值，a为校正值，由所述温度补偿校正模块(114)通过最小二乘法算出，T为所述温度采集单元(4)所测温度。3.根据权利要求1所述的水中氟离子快速检测系统，其特征在于，所述信号调理单元(3)所依据方程为：V4＝R28/(2R28+R25)(V3+2V)，其中，V4为所述信号调理单元(3)传送至所述微处理器单元(1)的电压值，R28为所述电压抬升电路(32)中第三电阻(324)阻值，R25为所述第一电阻(321)阻值，V3为所述电压调整单元(8)传送至所述微处理器单元(1)的电压值，所述第三电阻(324)一端与所述第一电阻(321)和所述第二电阻(322)的连接点连接，另一端与地连接。4.根据权利要求1所述的水中氟离子快速检测系统，其特征在于，所述氟离子电极单元(5)包括依次连接的氟离子电极(51)和电极接口(52)，所述氟离子电极(51)内置参比电极，所述参比电极为银-氯化银电极，所述电极接口(52)与所述第一放大器(311)连接。5.根据权利要求1所述的水中氟离子快速检测系统，其特征在于，所述温度采集单元(4)包括依次连接的热敏电阻传感器(41)、恒流源电路(42)和第二低通滤波电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学亮，史云，李康，魏光华，袁爱军，
申请(专利权)人：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，
类型：发明
国别省市：河北;13