新型自动定容装置的研制

刘日威 张冠文 倪树标 刘科勇 陈 云

（广东省科学院、广东省测试分析研究所（中国广州分析测试中心）、广东省食品营养与安全快速检测仪器工程技术研究中心，广东 广州 510070）

0 引言

目前实验室大部分无机分析样品都使用湿法消解。湿法消解[1]的基本过程包括选择合适的消解液、通常需要加热、有时需要加压-高压湿法消解、有时需要使用催化剂，当样品充分消解后，大多数需要定容。化学分析中的定容是指用容量瓶溶解物质或稀释物质至一定浓度的溶液，由于容量瓶的体积是固定的，必须用滴管准确地将溶剂加至容量瓶的刻度线，视线与凹液面最低处相水平，使其达到与刻度线相切的过程。定容操作的准确程度直接关系着分析结果的准确性。

在石墨消解或微波消解中，通常选择聚四氟乙烯消解管进行消解，该消解管耐温达200 ℃左右，耐酸性强，但它不透明，无法标刻度，需要定容时需要人工转移到有刻度的比色管或离心管中。为了提高准确性，有时会选择小口径的容量瓶，但是口径小转移并不方便，容易洒出来。转移过程中有时会产生微量的样品残留在消解管中，造成最终结果数值偏低，手工操作误差大、速度慢，且比色管须事先计量检定、在一定程度上影响了检测任务的高效完成[2]。该文研究的自动定容装置通过监控消解管的重量的方式实现定容，这样可免去人工转移样品，无残留，减小检测结果的误差。

1 自动定容装置的原理

实现自动定容的方法是将溶液的体积换算为重量，通过监控重量的变化从而获得需要体积（这里简称称量定容法[2]）。它的原理是由于定容后的体积V0=稀释液的体积V1+消解产物的体积V2，V0=V1+V2，这里的前提条件是消解产物和稀释液是没有挥发性，整个定容过程中里面的物质没有损失。假设知道密度就可以换算为重量。通常稀释液是纯净水，水的密度是已知，消解产物的密度也是可以预先测定，但由于消解产物的量通常比较少，把消解产物密度近似与水进行计算，定容的体积V0=稀释液的重量M1/密度ρ1+消解产物的重量M2/密度ρ2，V0=M1/ρ1+M2/ρ2。把体积转为重量进行测量，使用压变式传感器（称重传感器），测量精度可以达到0.1 %甚至0.01 %。利用蠕动泵控制加液的量精度可以达到0.1 %（加液25 mL），可以令最终容量误差少于1 %。

2 自动定容装置硬件设计

2.1 功能设计

该装置主要实现自动定容功能，操作人员在人机界面上设定需要定容的体积，把赶酸完成后的消解管，放在装置上，按下启动按键，即可自动加液，到达设定体积自动关闭，完成整个定容操作，定容的数据自动保存到本机或上传至PC，如图1 所示。

2.2 硬件设计

该装置的硬件分成6 个模块，如图2 所示，包括主控模块、供电模块，称重模块、加液模块、人机界面和存储模块。工作原理是通过控制蠕动泵进行加液，采用应变式传感器检测消解管重量，反馈给主控模块，实现闭环控制，这样就能精确控制加样量。下面对各模块的功能进行说明。

2.2.1 供电模块

图1 称重法定容装置结构原理图

图2 自动定容装置硬件框图

供电部分需要从交流220 V 转换到直流24 V，这里采用了开关电源模块。控制电路中的微控制器MCU 采用3.3 V 供电，部分接口电路采用5 V 供电。从直流24 V 稳压到5 V 采用了LM2575 系列稳压集成芯片。它内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。从直流5V 稳压到3.3 V 采用了LDO 线性稳压电源SPX1117M-3.3，它输出电流高达800 mA，完全满足系统的需要。

2.2.2 主控模块

主控部分采用NXP 公司的LPC175X 系列ARM 微处理器，该处理器是基于ARM Cortex-M3 内核，为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32 位微处理器。它的操作频率可高达120 MHz，而且功能强大，集成度非常高，内置有定时器、AD 转换器、SPI，PWM，UART，USB 等。多达有50多个IO 口，直接连接各个部件，非常简洁，省去各种逻辑芯片，大大减少PCB 的空间。它具有多个UART 接口，扩展外设非常方便。

2.2.3 称重模块

采用电阻应变式传感器（即称重传感器）[3]测量物体重量，它的原理是传感器受到重量作用发生形变，从而产生电阻的变化，经过电桥放大电路转换为电压信号，再进行AD转换，将模拟信号转为数字信号传给主控芯片，如图3 所示，从而计算出重量数值。

在图3 中，R1～R4 是传感器中的4 个应变片，它们接成一个电桥。应变片固定在弹性体上，当弹性体受压，应变片随着形变。4 个电阻同时发生变化，这时电桥不平衡，用仪表放大器AD623 将两者的差值进行放大，AD623 使用非常简单，只需通过电阻RG 即可设置放大倍数。信号经过放大后进入AD 转换器，这里选用的是ADI 公司推出的AD7705。它是一款16 位的AD 转换器，具有高分辨率、宽动态范围及优良的抗噪声性能等特点。最后AD 转换的结果通过SPI 接口传给主控芯片。

通常实验室常用的50 mL 聚四氟乙烯消解管，它的重量在30 g～40 g 。实验室大多数要求定容到25 mL 或50 mL，这里大约要增加25 g～50 g，最后消解总重量在100 g 左右。因此传感器量程可以选200 g～300g 的。当称重系统采用16 位的AD 转换器，理论上测量精度可以达到0.005 g。

2.2.4 加液模块

加液部分选用蠕动泵[4]，它由3 个部分组成：驱动器、泵头和软管。流体被隔离在泵管中、可快速更换泵管、流体可逆行、可以干运转。蠕动泵就像用手指夹挤一根充满流体的软管，随着手指向前滑动管内流体向前移动。蠕动泵也是这个原理只是由滚轮取代了手指。通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。就像用2 根手指夹挤软管一样，随着手指的移动，管内形成负压，液体随之流动。泵头是由步进电机带动，主控芯片通过PWM 控制电机从而控制泵的转速。泵的加液精度是和泵管的内径相关，选用内径大的管，流速大，加样时间短效率高，但是精度低。因此只能在保证精度的前提下，尽量选择内径大的管。

图3 应变式传感器信号处理电路

2.2.5 人机界面

该装置的显示及触控操作处理是通过串口屏完成，串口屏[5]是把液晶屏LCD、触摸屏及其驱动器集成在一起形成独立的系统，它自带CPU 处理器和大容量数据存储器，通过UART 或RS232 接口与外部进行通信。使用的时候我们先把操作界面UI 设计好，包括背景、菜单、按钮等。生成各种图片文件后，下载到串口屏中。主控芯片通过UART 接口向串口屏发出指令调出相应的图片进行显示，同时串口屏把用户的触摸操作解析为相应指令回传给主控芯片。使用串口屏，主控芯片无须进行复杂的底层显示操作，可以专注于传感器检测和泵的控制。不但降低了开发难度，而且提高了系统的可靠性。

2.2.6 存储模块

该装置设计有保存定容过程数据的功能，这里包括定容时间、编号、空管重量、消解后空管加产物的重量以及定容完成时消解管的总重量。每一条记录共有20 字节，为以后扩展需要，每一条记录预留32 字节的存储空间。该装置设计保存记录数量为10 万条，一共需要占用3.2 MB 字节空间。因此存储器采用华邦公司（winbond）生产的W25Q64 系列的大容量FLASH，它的容量是64Mbit（8 MB 字节），而且支持SPI 接口，方便与主控芯片连接。

图4 主界面

图5 设置界面

图6 查询界面

2.3 定容的实施过程

定容的实施过程分5 步。1）测量空消解管的重量M0并做好标记。2）在消解管内加入待分析样品，然后加入消解液，放到消解仪中进行加热，进行样品消解。消解后进行赶酸处理，消解管内剩余消解产物。3）将消解管放到应变式传感器上称重，测量记录消解产物与空消解管的重量的总和M1，并计算消解产物的重量M2，M2=M1-M0。4）计算需要加入稀释液（通常是纯净水或稀硝酸）的重量M3，已知其密度ρ1，稀释液体体积V0=定容体积V1-消解产物体积V2，这里消解产物的体积不确定，当消解产物量比较少时，可以将其密度近似为稀释液密度ρ1进行计算，当消解产物量比较多，且需要精度较高时，则需要预先测量一次得到ρ2。V2=M2/ρ2加入稀释液的重量M3=（V1-M2/ρ2）ρ1，通过计算得知，加入稀释液后，消解管的总重量为M总=M1+M3，即消解产物与空消解管的重量的总和再加上稀释液的重量。5） 控制电路启动蠕动泵进行加液，液体从硅胶导管进入蠕动泵内，然后经支架进入消解管，当控制电路实时读取称重传感器的数据，其重量数据达目标总重量m总后，蠕动泵停止工作，定容工作完成。

2.4 软件界面设计

软件功能设计上，主要分为3 个模块：系统运行、参数设置、数据查询。用户在使用本装置时，首先要对消解管进行编号，把消解管放到称重传感器上，软件自动显示重量，手工输入编号，点“录入”按键，录入完成（如图5 所示）并保存。定容前（如图4 所示），需要输入消解管的编号，获取到空管的重量，然后把管放到称重传感器上，就可以开始定容。定容过程的各数据都将记录下来，供用户查询（如图6 所示），包括时间、编号、空管重量、消解后空管加产物的重量、定容后的最终重量，特别是消解产物的重量参数，对整个消解方法的分析有一定参考作用。以前手工定容时只能看产物的形状颜色，现在可以多一个参考量。

3 结语

该自动定容装置利用蠕动泵进行加样，通过监控加样量，经过密度和体积的换算，实现自动定容的效果，最大优点是无须转移，没有样品损失，最大程度地保证检测结果准确，定容过程一键完成，大大提高了实验人员工作效率。该自动定容装置不足的地方是需要操作人员去放管和取管，不能实现自动批量处理，需要人员值守，蠕动泵管有使用寿命，一般需要半年更换一次。将来如果能将该装置与机械手技术结合，实现真正的自动化，把操作人员解放出来，市场前景将非常广阔。