流路系统

2024-05-27

流路系统（共3篇）

流路系统篇1

水质监测是水资源环境保护的前提与基础, 多参数水质监测是现代水质监测科学技术的重要发展方向之一［1］。而对在线多参数水质监测仪器而言,流路系统的设计是关键技术之一,其决定了流路切换与进样的顺序和精度,从而最终决定了仪器检测的精度。

目前,国内外多参数水质监测仪器正处于快速发展阶段,如美国HACH、意大利SYSTEA及国内的聚光科技等公司皆有着丰富的水质监测仪器开发经验。重庆大学微系统研究中心研制出的第一代多参数水质监测仪可以实现包括总磷、氨氮在内的7个水质参数的实时快速检测,该仪器具有微小型、低功耗、多参数及实时快速等优点［1 ～ 3］。该仪器流路系统主要采用微型步进电机蠕动泵进样,实验过程中发现其在长时间工作后稳定性大幅下降,同时控制模块采用单片机控制再与上位机通信的方式［3］,降低了仪器的可靠性与稳定性,维护周期短,同时未能充分发挥微电子多位阀多进多出的功能。基于此,笔者提出了基于ARM微处理器,采用精密注射泵与微电子多位阀相结合的顺序注射流路系统,优化了原流路系统与流路控制电路,提高了进样精度与电路稳定性,使系统流路与检测池的清洗更高效,从而提高了仪器的重复性与准确度,保证了仪器长时间稳定工作。

1流路系统优化设计

1. 1新流路的总体介绍

多参数水质监测仪的流路系统借鉴顺序注射技术,在监测区域通过泵、阀及导管等流控器件把经过沉淀和过滤的水样送入流通池( 检测室)［4，5］,最终实现主要污染源水质参数———总磷、总氮、氨氮、化学需氧量( COD) 和突发事件水质参数六价铬( Cr6 +) 的在线检测。

新流路系统( 图1) 主要基于精密工业注射泵、微电子多位阀及直流电机等部件,流路管道采用0. 6mm通径的进口匹克管,无死体积,交叉污染小,进样精度高。Valco公司生产的20位微电子多位阀实现流路的切换功能,其各个通道( 定子) 分别与空气、储液环、流通检测池、废液池和各参数对应的样品及试剂相连接,实现进样功能的注射泵采用保定兰格公司的MSP1-C2型工业注射泵,其入口连接蒸馏水,出口连接储液环后与多位阀的公共通道( 转子) 相连,通过多位阀切换控制阀位与注射泵抽推实现液体精确定量地进入储液环,并从储液环进入流通检测池,检测完后, 通过直流电机排空检测池。

流路系统的控制电路摒弃了第一代仪器中使用的51单片机,而以三星公司的S3C2410 ARM芯片为核心控制器［6］,直接控制多位阀、注射泵、直流电机及电磁阀等,增强了控制电路部分的稳定性,同时也缩小了控制电路板的体积,降低了成本。

1. 2注射泵的选择与控制

第一代仪器流路使用的微型步进电机蠕动泵虽具有成本低及体积小等优点,但在实验过程中发现,仪器长时间工作时,蠕动泵的稳定性会大幅下降,导致进样精度受到严重影响,必须在更换蠕动泵泵管后重新测试进样精度,更换过程复杂; 此外,使用蠕动泵进行试剂管道灌满时需要经过公共管道和流通检测池,增加了灌满时间与清洗难度。

因此,在新流路中采用精密注射泵代替原来的蠕动泵,此注射泵具有高精度( 抽液精度达到5‰) 、高准确性、结构紧凑、高可靠性及适合工业自动化应用等优点,使用过程中注射泵针管不需要与试剂直接接触,避免了化学试剂对针管的污染,同时稳定性高,而且注射泵速度可调,既可以实现慢速稳定进样,又可以达到快速冲洗管道的目的。

注射泵的控制电路如图2所示,驱动电压为24V,直接通过S3C2410微处理器来控制,但由于微处理器串口输出电平与注射泵控制器的电平不一致,因此需要通过串口电平转换芯片MAX3232转换电平,最终实现微处理器对注射泵的精确控制。

1. 3多位阀的切换控制

流路系统中使用Valco公司的20位微电子多位阀,其具有多通道选择切换功能,工作原理如图3所示。以八位阀为例,转子可相对定子准确地以任意15倍数的角度正、反向旋转,阀的公共通道与转子连通,转子在步进电机的带动下正、反转动,即可与阀上各定子连通,从而蠕动泵就可以通过公共通道抽取不同的试样,实现流路切换功能［7］。

图3多位阀的工作原理

多位阀切换模块的优化主要体现在电路的控制和对各通道的利用两个方面。

第一代仪器流路中使用单片机的20个I/O口与多位阀控制器相连接,通过8位BCD码来实现切换控制,此方式主要存在以下缺点: 接口连接不稳定,误码率高; 软件程序的编写复杂,需要判断位置及比较大小等。优化后直接通过三线串口来控制( 图4) ,接口连接稳定,误码率低,软件控制简单,只需要一个指令即可控制多位阀转向指定通道,同时还可以通过串口返回信息判断多位阀是否工作正常。这里串口间也需要进行电平转换,与注射泵共用转换芯片MAX3232。

在多位阀各管道的利用方面,新流路充分利用各管道,增加了阀上排废通道,真正实现多位阀 “多通道进多通道出”的特点,这样管道清洗就无需经过流通检测池,避免了对检测池的污染,减少了清洗时间。

1. 4微型直流电机的控制与驱动

微型直流电机主要用于检测池的废液排放和试剂反应过程中的气泡搅拌。但由于本系统控制电路中需对多个直流电机进行控制,且直流电机在上电瞬间工作电流很大,第一代仪器电路中直接通过固态继电器来驱动直流电机,如图5a所示,在电机开闭瞬间容易对电路系统造成干扰,没有实现理想的电隔离,同时固态继电器也具有成本高及负载能力受温度影响较大等缺点。

针对以上缺点,对电路进行了改进,如图5b所示。采用光耦进行隔离,有效地避免了直流电机开闭瞬间的大电流对ARM处理器的干扰,并通过反相施密特触发器对信号进行整形,消除叠加在脉冲上的干扰［8］。再通过高耐压、大电流的达林顿管阵列ULN2003来驱动直流电机,满足其瞬时大电流的需求。通过系统长时间的运行,可以发现此驱动电路在工作过程中满足了以上要求, 同时降低了成本。

2优化对比实验

2. 1流路进样精度对比实验

根据各参数测量需要的标准溶液和反应试剂进样体积的要求,对优化后流路系统进行抽取精度实验,并与原流路系统测试结果进行比较,需要抽取的体积有0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1. 2、1. 4、1. 6、 1. 8、2. 0m L,这里主要以0. 2、0. 8、2. 0m L为例来验证。首先计算出注射泵抽取各体积的理论值, 再通过反复实验对理论值进行修正补偿,然后确定出误差最小的实际值,最后进行精度对比。

本实验通过高精度的电子天平来读取蒸馏水的质量从而得到其体积,读取精度高、误差小。表1为原流路与新流路的精度抽取的实验数据。

m L

通过对实验结果进行理论分析,计算可得到原流路各次测量值与理论值( 期望值) 的相对误差绝对值在0. 6% ~ 4. 9% 之间,而新流路则在0. 1% ~ 0. 5% 之间,由此看出优化后流路的进样准确度要远高于优化前［6］。同时原流路各体积多次测量的标准偏差分别为0. 8% 、1. 9% 和2. 4% , 而新流路则为0. 1% 、0. 2% 和0. 8% ,标准偏差是对测量重复性的反映,由分析结果可知优化后流路的进样重复性远优于优化前［9］。

2. 2流路管道清洗实验

仪器在实验前需要对标准溶液与反应试剂进行管道灌满,而灌满完成后为避免交叉污染对实验产生影响,必须进行管道清洗。因此,高效清洗是多参数水质监测仪快速检测的关键技术之一, 在第一代仪器的流路系统中,试剂管道灌满需要经过公共管道与流通检测池,因此清洗过程涉及到检测池的清洗,增加了清洗难度与清洗时间; 优化后的流路系统中,多位阀增加了阀上排废口,整个灌满过程无需经过检测池,直接通过储液环,然后阀上排空,最后通过注射泵高速冲洗储液环,冲洗速度可达1m L/s。

实验通过污染性较强的有机试剂亚甲蓝污染流路管道( 主要是储液环) ,再通过紫外分光光度计测量第一次经过受到污染的储液环的蒸馏水的吸光度值,然后在经过管道清洗后,再次测量经过储液环的蒸馏水的吸光度值,通过比较这两次测得值来判断清洗效果。图6为清洗前、后的吸光度曲线,可以看出,用亚甲蓝污染储液环,经过20m L蒸馏水的快速冲洗,通过岛津紫外分光光度计( Shimadzu UV-2450) 检测,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,说明储液环已经清洗干净。

图6清洗前(左)与清洗后(右)的吸光度值

2. 3标准溶液快速建标实验

为验证优化后的流路系统是否能满足仪器的检测要求,以六价铬( Cr6 +) 为例,用优化流路后的多参数水质监测仪对其进行快速建标实验。分别测试六价铬浓度为0. 00、0. 01、0. 02、0. 04、 0. 06mg / L的标准液与显色剂反应后的吸光度。为消除背景干扰与浊度干扰,实验采用双波长测试法,主波长为540nm,参考波长为625nm,通过推导可得吸光度与浓度的关系为［10］:

式中A540、A625———待测物在540、625nm处的吸光度值;

b———光程;

c———待测物浓度;

k———灵敏度;

ΔA———反应体系吸光度差值;

ε———摩尔吸光系数。

由式( 1) 可知,两个特定波长处的吸光度差值与浓度呈线性关系,只需要检测出双波长的吸光度值就能通过计算得到标准液中所测参数的浓度值。多参数水质监测仪自动测量绘制出的标准曲线如图7所示。

图7六价铬的标准曲线

由图7可知,灵敏度k达到了1.073 2,直线由图7可知,灵敏度k达到了1. 073 2,直线拟合相关系数R2为0. 996 3,均达到了检测要求, 说明优化后的流路在稳定准确地实现流路切换、精确进样及系统清洗等功能的同时,也满足了仪器对各水质参数精确测试的要求。

3结束语

针对重庆大学微系统研究中心研制的第一代多参数水质监测仪在流路系统方面存在的不足, 设计了基于ARM控制的新型顺序注射流路系统, 采用高精度注射泵与多位阀相结合,优化了流路系统及其控制模块。实验测试结果表明,新流路系统的进样精度与进样速度得到了显著提高,并且能够快速彻底地清洗流路系统各部分管道,避免了试剂间的交叉污染。同时对控制电路进行了优化,增强了仪器控制的可靠性与稳定性,特别适用于检测参数多、稳定性与自动化要求高的分析过程。

流路系统篇2

东营港疏港铁路 (以下简称疏港铁路) 接轨于在建黄 (黄骅) 大 (大家洼) 线的利津站和德大铁路的利津南站, 沿途经过利津县、河口区和东营港经济开发区, 终点至大唐电厂的电厂站, 是一条为东营港港区集疏运和大唐电厂运煤服务的地方铁路, 设计年运量近期1630 万吨, 远期3070 万吨。疏港铁路在CK64+214.35~CK80+491.42 之间跨越黄河备用流路 (刁口河流路) , 由于该地区胜利油田采油区, 油井和化工厂分布密集, 控制方案因素较多, 因此, 对地区控制方案的因素进行详细分析, 并进行多方案经济技术比较, 最终确定选线方案。

2 方案研究

2.1 控制方案因素分析

通过调查分析, 控制选线方案的主要因素有以下几方面:一是黄河备用流路规划大坝的位置和主河槽的位置;二是区域内化工厂的分布;三是区域内油井和油气管线的分布;四是河口区规划和区域内城镇分布。各项因素具体的分布情况及方案情况如图1 所示。

2.2 跨越黄河备用流路的方案研究

综合以上各项因素, 可以看出控制投资的主要因素是桥梁长度、油井和油气管线排迁数量, 影响运营成本的主要因素是线路的长度, 影响地方发展的主要因素是设站位置。

从节省投资、节省运营成本、满足地方发展需要的角度分别对方案进行研究。从图1 中可以看出, 刁口河规划备用流路的大坝是越向北大坝之间的距离越长, 即备用流路越宽, 桥梁长度将越长。南部区域有孤岛水库、孤岛采油区、孤岛镇和仙河镇, 属于城镇密集区, 油井和油气管线分布密集, 错综复杂, 线路从此穿越投资非常巨大, 且拆迁量大大增加, 社会影响和施工难度都非常大, 因此, 线路走向选择在孤岛水库以北进行多方案比选。

结合河口区规划, 河口站的位置宜设在规划区的南部或北部, 设在北部更有利于河口区的发展。线路跨越黄河备用流路时应优先考虑跨越主河槽的角度, 再考虑跨大坝的角度。从以上两方面出发, 结合拆迁情况, 在该区域内研究了5 个方案, 分别是:Ⅰ方案:54 度跨黄河备用流路方案;Ⅱ方案:50 度跨黄河备用流路方案;Ⅲ方案55 度跨刁黄河备用流路方案;Ⅳ方案:71 度跨黄河备用流路方案;Ⅴ方案:90 度跨黄河备用流路方案。各方案投资比较见表1。针对各方案优缺点分析见表2。

2.3 推荐意见

经过经济技术比较, 虽然Ⅲ方案拆迁量较大, 但多数为油井, 可以进一步与油田管理单位沟通, 采取防护措施以减少拆迁;距离专用线接引地区较远, 可以增加专用线长度, 增加的专用线运营费用较全线增加运营费用低, 因此推荐Ⅲ方案。

3 结束语

通过东营港疏港铁路跨越黄河备用流路的选线设计, 可以看出跨越黄河备用流路选线的主要出发点是优先考虑跨越主河槽的角度, 再考虑跨越大坝的角度, 尽量缩短桥梁长度, 选择在主河槽与大坝平行的位置在上游跨越为最佳;在绕避重要建筑或重大拆迁时, 可在河滩内进行小角度调整, 但应确保河滩桥跨垂直于河道方向的投影最小跨度满足黄河管理部门的要求;在油田地区选线应结合油井的分布情况进行多方案详细比较, 以确保方案的最优化;在满足地方规划的同时, 尽量缩短线路长度以节省运营成本和工程投资。

摘要：针对东营市利津县和河口区工厂、油田、管线等生产生活设施的现状, 结合黄河备用流路 (刁口河流路) 的规划情况, 对东营港疏港铁路跨越黄河备用流路的选线方案进行经济技术分析和比较, 确定最优方案, 并总结选线经验, 为油田地区跨越备用流路的选线设计提供参考。

关键词：黄河备用流路,油田,选线

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.GB50090-2006.铁路线路设计规范[S].2006.

流路系统篇3

1 实验部分1.1 工作原理

在待机状态下,样品经分流/不分流进样口进样后,在预柱(柱1)按沸点进行预分离。利用电子流量控制系统(EPC)调节辅助压力,调节过程瞬间完成。辅助压力施于点a,使点a的压力比中点压力b高,轻烃快速通过预柱和监控柱(柱3)放空,分析流程如图1所示。在含氧化合物从预柱流出之前,利用EPC调节辅助压力,调节过程瞬间完成。辅助压力施于点c,使点c的压力高于中点b的压力,预柱的流出物直接流向分析柱(柱2),含氧化合物与剩余的烃类一起流到分析柱进行分离,并由火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector,FID)进行检测,分析流程如图2所示。

1.2 仪器与原材料

仪器 (1)气相色谱仪。配备自动进样器及分流/不分流进样口,采用FID检测器。(2)色谱柱。PDMS-1柱(柱1,预柱),30m×0.53mm×0.88μm;分析柱,Lowox柱(柱2),10m×0.53mm×10μm;(3)监控柱,柱3。

试剂及标样异辛烷,优级纯。含氧化合物标样,含14种含氧化合物,各含氧化合物质量分数均为1%。

材料载气,He体积分数大于99.999%,经硅胶及5 A分子筛干燥、净化。燃气,H2体积分数大于99.999%,经硅胶及5 A分子筛干燥、净化。助燃气使用空气,经硅胶及5 A分子筛干燥、净化。

1.3 色谱最佳操作条件

进样量为2μL;分流比为1/2;He气流量为3.960mL/min;H2气流量为35mL/min;空气流量为350mL/min;进样器温度为200℃;柱初温为100℃,保持5min后先以5℃/min速率升温至130℃,后以10℃/min速率升温至225℃,保持9.5min;检测器温度为250℃。

2 结果与讨论

2.1 定性分析

采用自动进样器进行色谱分析,标样和实际石脑油样品的定性测定结果分别如图3及图4所示。

2.2 线性范围

采用自动进样器进行色谱分析,定制标油的定量测定结果如表1所列。

2.3 最小检出限