CN109030842B - 一种海水营养盐原位分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水营养盐原位分析装置，包括测量控制及光电转换模块、取选样模块、供电模块、水下原位过滤模块、试剂及标样存储模块以及比色分析测量模块；水下原位过滤模块和柱塞泵安装于第一舱体内，比色分析测量模块、全自动选择阀头以及试剂及标样存储模块安装在第二舱体内，供电模块、测量控制及光电转换模块安装在第三舱体内，相邻的两舱体之间相互隔绝密封且所有的液体流路及接头均外置在舱体之外。本装置对光机电及液路系统做了明确的划分，光、电及机械转动部分全部密封装配，液路部分全部外置于水环境中，即使发生意外时出现的管道破裂、接口松动导致液体泄漏，仪器主体光机电部分依然非常安全。

Description

一种海水营养盐原位分析装置

技术领域

本发明涉及海水分析装置，具体涉及一种海水营养盐原位分析装置。

背景技术

海水中N、P、Si等营养盐是海洋食物链的基础，研究海水中营养盐含量或分布特征是研究海洋生物地球化学循环过程的基础。

目前有关海水营养盐的检测主要采用现场采样，带回船上或岸站实验室进行预处理及测量，这种方法工作效率低，样品容易污染，而且很难实现海水中营养盐的长时间序列监测，尤其对于深远海生态环境监测及时间序列的预警预告，上述检测方法更是力不从心。近年来，随着海洋监测技术的不断发展和进步，对于海水中营养盐的检测技术正在逐步从实验室走向现场在线直至原位测量，在我国，有关营养盐的原位检测技术的研究还处于起步阶段，成熟技术至今仍为空白。随着海洋认识的不断深入，国内已经开始对海水营养盐原位测量技术重视起来，但技术尚不成熟。

专利文献CN206863042U公开了“一种便携式海水营养盐全自动分析装置”，该装置基于国标的湿化学比色测量方法，然而该装置液化通路和电子学系统均水密密封在系统内部，极易因海水或试剂泄漏造成仪器的毁灭性破坏。另，目前比色测量样品池多采用传统比色皿，试剂和样品消耗量大，光衰减强，检测灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种使用安全性高的海水营养盐原位分析装置

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种海水营养盐原位分析装置，包括测量控制及光电转换模块、取选样模块、供电模块、水下原位过滤模块、试剂及标样存储模块以及比色分析测量模块；其中，

供电模块分别与测量控制及光电转换模块和取选样模块相电连接，以为测量控制及光电转换模块和取选样模块的工作提供电量；

所述测量控制及光电转换模块包括测量控制单元和光电转换单元；

所述水下原位过滤模块用于对所采集到的海水进行过滤；

所述取选样模块和水下原位过滤模块相连通，以用于对过滤后的海水进行选样；取选样模块还和测量控制单元相信号连接，由测量控制单元来控制取选样模块的工作；

所述试剂及标样储存模块由多个试剂盒及标样盒组成，取选样模块和试剂盒及标样盒相液路连通，以将试剂及样本传输至取选样模块中；

所述比色分析测量模块和取选样模块相液路连通，以用于对取选样模块所采的样进行测量分析；光电转换单元和比色分析测量模块相连接，以为比色分析测量模块的工作提供光量；

所述取选样模块包括柱塞泵和全自动选择阀头，所述柱塞泵用于将过滤后的海水以及试剂盒中的试剂、标样等泵至全自动选择阀头，全自动选择阀头外置有若干个液路接头。

所述水下原位过滤模块和柱塞泵安装于第一舱体内，比色分析测量模块、全自动选择阀头以及试剂及标样存储模块安装在第二舱体内，供电模块、测量控制及光电转换模块安装在第三舱体内；第一舱体、第二舱体、第三舱体由低到高依次垂直设置，相邻的两舱体之间相互隔绝密封且所有的液体流路及接头均外置在舱体之外。

在所述第三舱体的上端盖上安装有用于供电和与上位机通讯用的水密电缆接头；在第三舱体的下端盖中安装有用于传递光电信号的光纤或信号电缆密封接头组，在三舱体的下端盖中还同时安装有取选样模块的供电电缆水密接头组。

所述试剂盒和标样盒的出液口通过公母穿板套扣接头和全自动择阀头外置的液路接头相连接；公母穿板套扣接头的公/母一端与试剂盒和标样盒的出液口相连，公母穿板套扣接头的母/公一端通过耐腐蚀软管和全自动选择阀头外置的液路接头相连通，断开公母穿板套扣，液路截止，试剂盒和标样盒处于封闭状态，连通公母穿板套扣，液路连通，试剂盒中的试剂与全自动选择阀头贯通；所述试剂盒和标样盒均由遮光材料制作而成且表面颜色不一样。

在所述试剂盒及标样盒的下端均设置有接头安装过板，接头安装过板上设置有公母穿板套扣接头安装螺孔、安装固定杆、自动取选样模块固定孔及电缆过孔。

所述比色分析测量模块包括比色测量样品池；所述比色测量样品池由液芯波导管以及装配在液芯波导管两端的“Z”型光液耦合接头构成，液芯波导管的长度可根据需要任意调节，液芯波导管的直径在1500um范围内可调；所述光液耦合接头其光液耦合口均为水密结构设计。

所述光电转换单元由光纤、光源供电控制子单元和光纤输入型光谱监测子单元组成，在所述光液耦合接头光输出端口接插光纤，将比色光度信号通过光连通接入光纤输入型光谱监测子单元中；在光液耦合接头中光输入端口接插光纤，以将光纤输出型光能量通过光纤导入比色测量样品池。

所述光电转换单元由光源供电控制子单元及模拟电信号处理子单元组成；在所述光液耦合接头的光输出端口安装光电探测器，对比色光度信号进行光电探测，将光电探测信号通过电连接接入模拟电信号处理子单元；在所述光液耦合接头的光输入端口安装光源，光源与光源供电控制子单元之间电连接供电控制。

所述供电控制模块为一磁控开关，以通过外部磁铁非接触式控制供电过程。

所述水下原位过滤模块由外过滤网与内过滤芯两部分组成，所述外过滤网由钛粉或316不锈钢粉末烧结构成，所述内过滤芯由具有孔径的烧结棒构成，外过滤网的孔径大于烧结棒的孔径；所述烧结棒为钛粉或16不锈钢粉或铜粉烧结棒。

所述比色测量样品池入水口中的Z型光液耦合接头的液路输入接头与全自动选择阀头外置若干个接头中的一个通道通过耐腐蚀管路水密连接，所述比色测量样品池出水口的Z型光液耦合接头的液路输出接头与废液收集袋通过耐腐蚀排废管路水密连接，废液收集袋高于比色分析测量模块，以实现排气排废畅通。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明的海水营养盐原位测量装置对光机电及液路系统做了明确的划分，光、电及机械转动部分全部密封装配，液路部分全部外置于水环境中，即使发生意外时出现的管道破裂、接口松动导致液体泄漏，仪器主题光机电部分依然非常安全，对于湿化学分析是一个加大的优势和突破。

2、本发明结构设计紧凑、灵活，拆卸、装配容易，测量过程可结合样品物化环境原位全自动完成，且只需更换光源；即可用于各种重金属、营养盐及其他环境参数的原位测量，具有广阔的应用市场以及很好的应用前景。

3、本发明所采用样品池灵敏度高、适用范围广、样品及试剂用量小，非常适合用于水下长时间序列原位监控及预警，通过调整样品池的长度可实现极低浓度及宽动态范围营养盐等化学要素的高灵敏度检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海水营养盐原位分析装置的结构示意图；

图2为比色测量样品池的结构示意图；

图3为接头安装过板的结构示意图图；

图4为第三舱体上端盖的结构示意图；

图5为第三舱体下端盖的结构示意图；

图中：1、测量控制及光电转换模块；2、取选样模块；3、水下原位过滤模块；4、试剂及标样存储模块；5、比色分析测量模块；6、接头安装过板；7、第一舱体；8、第二舱体；9、第三舱体；51、比色测量样品池；61、安装螺孔；62、试剂及标样储存盒安装固定孔；91、通讯及供电水密电缆接头；91、电缆密封接头组；93、供电电缆水密接头组；511、液芯波导管；512、光液耦合接头；5120、光输出端口；5121、光输入端口；5122、液路输入接头；5123、液路输出接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

参阅图1-5所示，本实施例提供的一种海水营养盐原位分析装置包括测量控制及光电转换模块1、取选样模块2、供电模块(未图示)、水下原位过滤模块3、试剂及标样存储模块4以及比色分析测量模块5。

其中，该供电模块分别与测量控制及光电转换模块1和取选样模块2相电连接，以为测量控制及光电转换模块1和取选样模块2的工作提供电量，具体地，该供电模块主要为一磁控开关，可通过外部磁铁非接触式控制供电过程，以便于供电过程的调节控制，而该测量控制及光电转换模块1则主要由测量控制单元和光电转换单元两部分组成。

该水下原位过滤模块3则用于对所采集到的海水进行过滤，本申请所提供的水下原位过滤模块为微型多级过滤装置，为缩小仪器的体积，该过滤装置是在专利文献CN102553325B所公开的“一种水下原位过滤装置”的基础上进行优化的，主要由外过滤网与内过滤芯两部分组成，为确保原位过滤的可靠性，该外过滤网由钛粉或316不锈钢粉末烧结构成，具有很好的刚性，耐压不变形，而该内过滤芯则由一定孔径烧结棒构成、该烧结棒可选钛粉、316不锈钢粉或铜粉烧结棒，此外，为增加过滤装置的耐腐性能，烧结棒选铜质烧结棒，外过滤网的孔径大于内过滤棒。

该取选样模块2主要由用于样品抽推及混合的高精度柱塞泵及其机电驱动装置和用于样品、试剂选取的全自动选择阀头及其机电驱动装置构成，该全自动选择阀头外置M个(M＞1)液路接头，水下原位过滤模块3与全自动选择阀头外置M个接头中的一个进样接头之间通过耐腐蚀管件连通，以实现对过滤后的海水进行采样；另外，为适应不同海区、不同样品过滤需求，过滤模块3可以配套安装N(N≥1)个以上，而该取选样模块2的工作主要是由控制单元进行控制的。

而该试剂及标样储存模块4由多个试剂盒及标样盒组成，为确保试剂长期可靠性，该试剂及标样盒由遮光材料制成，试剂盒的出液口与阀头外置液路接头之间液连通，为增加仪器的安全性，避免试剂盒中标样和试剂外漏，优选的，在试剂盒和标样盒的出液口连接具有截止功能的接头，截止功能接头为公母穿板套扣结构，接头的公/母一端与试剂盒的出液口相连，接头的另一端母/公接头穿板与全自动选择阀头通过耐腐蚀软管相连，断开套扣，液路截止，试剂盒和标样盒处于封闭状态，连通套扣，液路连通，试剂盒和标样盒中的试剂和标样与全自动选择阀贯通。进一步地，为提高仪器使用的安全性，避免误接误连，试剂和标样盒分别做不同的颜色设计。同时，为了为增加试剂盒、标样盒使用的安全性和灵活性，如图3所示，在试剂及标样盒的下端设计有截止功能接头安装过板6，过板上设计有截止功能过板接头安装螺孔61、试剂及标样储存盒安装固定孔62、自动选样模块固定孔及电缆过孔。过板截止功能接头中与自动选样模块连接的一端通过安装螺孔61固定在过板上。

而该比色分析测量模块5则主要由比色测量样品池51所组成，如图2所示，比色测量样品池51由全反射AF-2400液芯波导管511以及装配在液芯波导管两端的“Z”型光液耦合接头512构成，液芯波导管511的长度可根据需要任意调节，液芯波导管511的直径在1500um范围内可调；为便于安全适用于原位测量，该“Z”型光液耦合接头其光液耦合口512均为水密结构设计。此外，为了扩大比色测量样品池的使用范围，增加其使用的灵活性；该光电转换单元设计有两种：第一种，光电转换单元由光纤输出光源、光源供电控制子单元和光纤输入型光谱监测子单元组成；第二种，光电转换单元由光源供电控制子单元及模拟电信号处理子单元组成；而该光液耦合接头512中光输出端口5120设计有两种：第一种是，直接在光输出端口5120安装光电探测器，对比色光度信号进行光电探测，将光电探测信号通过电连接接入模拟电信号处理子单元。第二种是，在光输出端口5120接插光纤，将比色光度信号通过光连通接入测量及光电转换单元中光纤输入型光谱监测子单元。相应地，光液耦合接头512中光输入端口5121设计有两种：第一种是，直接在光输入端口5121安装光源，光源与测量控制及光电转换模块中对应的光源供电控制子单元之间电连接供电控制。第二种是，在光液耦合接头中光输入端口5121接插光纤，将测量控制及光电转换模块中提供的光纤输出型光能量通过光纤导入比色测量样品池，而该比色测量样品池入水口的“Z”型光液耦合接头的液路输入接头5122与全自动选择阀头外置M个接头中的一个通道通过耐腐蚀管路水密连接，比色测量样品池出水口的“Z”型光液耦合接头的液路输出接头5123与废液收集袋通过耐腐蚀排废管路水密连接，废液收集袋通过废液袋挂钩悬挂在略高于测量上部以确保进样系统排气排废畅通。

上述的水下原位过滤模块3和柱塞泵安装于第一舱体内7，比色分析测量模块5、全自动选择阀头以及试剂及标样存储模块4安装在第二舱体8内，供电模块、测量控制及光电转换模块1安装在第三舱体9内；第一舱体7、第二舱体8、第三舱体9由低到高依次垂直设置，相邻的两舱体之间相互隔绝密封且所有的液体流路及接头均外置在舱体之外。也就是说，本装置的所有的电子学系统、光学系统及机械运动部件均密封在密封舱体内，所有的液体流路及接头均外置在水体中，确保液体流路与光、机、电部件完全隔离，避免仪器液体管路泄漏或接头破损故障给光机电等关键部件带来致命性的损坏，同时通过将本装置设计成三层结构，可便于安装、拆卸及现场原位安全有效工作。

此外，为了进一步地提高本装置的安全使用性，在上述第三舱体的上端盖上安装有用于供电和与上位机通讯用的通讯及供电水密电缆接头91；在第三舱体的下端盖中安装有用于传递光电信号的光纤或信号电缆密封接头组92，在三舱体的下端盖中还同时安装有取选样模块的供电电缆水密接头组93。

本海水营养盐原位测量装置的使用方法具体如下：

S1.将试剂盒、标样盒的出液口的截止功能接头与穿板接头卡接，确保试剂纯水及标准液与全自动选择阀贯通；同时试剂盒、标样盒通过试剂及标样储存盒安装固定杆固定。

S2.将废液袋瓶与比色测量样品池出水口的“Z”型光液耦合接头的液路接头通过耐腐蚀排废管路水密连接，悬挂在仪器上端；

S3.通过磁控开关控制仪器上电，分析仪进入等待用户指令状态，此时可接收上位机的操作指令，用户可以根据需要通过上位机用户界面控制自动进样及比色分析以及对装置进行清洗等工作；若在固定时间段内未接收到特定指令或接收到数据自动采集指令，则进入营养盐自动进样分析及信息原位存储。

S4.工作结束后，磁控开关控制仪器断电，若长期不用，将试剂袋盒及标样盒从仪器上取出，将废液袋取下，对管路进行清洗后通风存放

由此可知，本发明提供的海水营养盐原位分析装置具有如下的技术优势：

1、本发明的海水营养盐原位测量装置对光机电及液路系统做了明确的划分，光、电及机械转动部分全部密封装配，液路部分全部外置于水环境中，即使发生意外时出现的管道破裂、接口松动导致液体泄漏，仪器主题光机电部分依然非常安全，对于湿化学分析是一个极大的优势和突破。

2、本发明结构设计紧凑、灵活，拆卸、装配容易，测量过程可结合样品物化环境原位全自动完成，且只需更换光源；即可用于各种重金属、营养盐及其他环境参数的原位测量，具有广阔的应用市场以及很好的应用前景。

3、本发明所采用样品池灵敏度高、适用范围广、样品及试剂用量小，非常适合用于水下长时间序列原位监控及预警，通过调整样品池的长度可实现极低浓度及宽动态范围营养盐等化学要素的高灵敏度检测。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海水营养盐原位分析装置，其特征在于，包括测量控制及光电转换模块、取选样模块、供电模块、水下原位过滤模块、试剂及标样存储模块以及比色分析测量模块；其中，

所述供电模块分别与测量控制及光电转换模块和取选样模块相电连接，以为测量控制及光电转换模块和取选样模块的工作提供电量；

所述测量控制及光电转换模块包括测量控制单元和光电转换单元；

所述水下原位过滤模块用于对所采集到的海水进行过滤；

所述取选样模块和水下原位过滤模块相液路连通，以用于对过滤后的海水进行选样；取选样模块还和测量控制单元相信号连接，由测量控制单元来控制取选样模块的工作；

所述试剂及标样储存模块由多个试剂盒及标样盒组成，取选样模块和试剂盒及标样盒相液路连通，以将试剂及标样样本传输至取选样模块中；

所述比色分析测量模块和取选样模块相液路连通，以用于对取选样模块所采的样进行测量分析；光电转换单元和比色分析测量模块相连接，以为比色分析测量模块的工作提供光量；

所述取选样模块包括柱塞泵和全自动选择阀头，所述柱塞泵用于将过滤后的海水以及试剂盒和标样盒中的试剂、标样泵至全自动选择阀头，全自动选择阀头外置有若干个液路接头；

所述水下原位过滤模块和柱塞泵安装于第一舱体内，比色分析测量模块、全自动选择阀头以及试剂及标样存储模块安装在第二舱体内，供电模块、测量控制及光电转换模块安装在第三舱体内；第一舱体、第二舱体、第三舱体由低到高依次垂直设置，相邻的两舱体之间相互隔绝密封且所有的液体流路及接头均外置在舱体之外。

2.如权利要求1所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，在所述第三舱体的上端盖上安装有用于供电和与上位机通讯用的水密电缆接头；在第三舱体的下端盖中安装有用于传递光电信号的光纤或信号电缆密封接头组，在三舱体的下端盖中还同时安装有取选样模块的供电电缆水密接头组。

3.如权利要求2所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述试剂盒和标样盒的出液口通过公母穿板套扣接头和全自动择阀头外置的液路接头相连接；公母穿板套扣接头的公/母一端与试剂盒和标样盒的出液口相连，公母穿板套扣接头的母/公一端通过耐腐蚀软管和全自动选择阀头外置的液路接头相连通，断开公母穿板套扣，液路截止，试剂盒和标样盒处于封闭状态，连通公母穿板套扣，液路连通，试剂盒中的试剂与全自动选择阀头贯通；所述试剂盒和标样盒均由遮光材料制作而成且表面颜色不一样。

4.如权利要求3所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，在所述试剂盒及标样盒的下端均设置有接头安装过板，接头安装过板上设置有公母穿板套扣接头安装螺孔、安装固定杆、自动取选样模块固定孔及电缆过孔。

5.如权利要求1所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述比色分析测量模块包括比色测量样品池；所述比色测量样品池由液芯波导管以及装配在液芯波导管两端的“Z”型光液耦合接头构成，液芯波导管的长度可根据需要任意调节，液芯波导管的直径在1500um范围内可调；所述光液耦合接头其光液耦合口均为水密结构设计。

6.如权利要求5所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述光电转换单元由光纤、光源供电控制子单元和光纤输入型光谱监测子单元组成，在所述光液耦合接头光输出端口接插光纤，将比色光度信号通过光连通接入光纤输入型光谱监测子单元中；在光液耦合接头中光输入端口接插光纤，以将光纤输出型光能量通过光纤导入比色测量样品池。

7.如权利要求5所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述光电转换单元由光源供电控制子单元及模拟电信号处理子单元组成；在所述光液耦合接头的光输出端口安装光电探测器，对比色光度信号进行光电探测，将光电探测信号通过电连接接入模拟电信号处理子单元；在所述光液耦合接头的光输入端口安装光源，光源与光源供电控制子单元之间电连接供电控制。

8.如权利要求1所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述供电控制模块为一磁控开关，以通过外部磁铁非接触式控制供电过程。

9.如权利要求1所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述水下原位过滤模块由外过滤网与内过滤芯两部分组成，所述外过滤网由钛粉或316不锈钢粉末烧结构成，所述内过滤芯由具有孔径的烧结棒构成，外过滤网的孔径大于烧结棒的孔径；所述烧结棒为钛粉或16不锈钢粉或铜粉烧结棒。

10.如权利要求5所述的海水营养盐原位分析装置，其特征在于，所述比色测量样品池入水口中的Z型光液耦合接头的液路输入接头与全自动选择阀头外置若干个接头中的一个通道通过耐腐蚀管路水密连接，所述比色测量样品池出水口的Z型光液耦合接头的液路输出接头与废液收集袋通过耐腐蚀排废管路水密连接，废液收集袋高于比色分析测量模块，以实现排气排废畅通。