饮用水中微量有害离子自动检测系统

习海旭

（江苏理工学院计算机工程学院，江苏 常州 213001）

饮用水中微量有害离子自动检测系统

习海旭

（江苏理工学院计算机工程学院，江苏 常州 213001）

对饮用水中微量砷、氟离子自动检测系统设计进行了研究，主要介绍了系统的整体技术路线、液体自动进样、采集电路、控制软件以及信号处理。对于采集到的数据，系统提供了基于小波分析的信号去噪算法和峰面积计算方法，使得金属离子浓度的计算快速准确。整个测试系统操作简单、人机交互界面友好，支持检测参数设置，能够实现无人值守和远程无线控制，使饮用水中微量砷、氟离子的现场实时快速监测成为可能。

信号处理 无线通信 电化学 数据采集 仪器仪表 小波变换

0 引言

近年来，我国在环境保护方面虽然取得了一定进展，但环境污染形势严峻的状况尚未得到根本扭转［1］。长期严重的水污染影响着水资源利用、水生态系统的完整性以及人们的身心健康。水污染问题已经对我国经济社会可持续发展产生重大的负面影响。因此，实时在线监测饮用水中重金属元素的浓度，对人类生产生活具有极其重要的意义［2］。

原子光谱、质谱分析和电化学分析等是目前常见的用于检测重金属的方法［3－4］。离线测试方式的缺点是样品在采集、运输、检测等过程中受到的污染较为严重，影响了测试结果的准确性［5］。本文设计的基于LabVIEW的微量砷、氟离子自动检测系统，数据整体操作比较简单、人机交互界面友好，避免了很多人为干扰因素，实现了完全自动化测量。

1 自动检测系统设计

1.1 系统技术路线

整个系统技术路线以研发、检测和识别重金属元素的在线监测设备为目标，采用基于高性能电极的阳极溶出伏安法多元素检测原理。上位机系统的控制程序模块实现了单元之间的互联和数据传输控制［6］。饮用水安全保障的多元素重金属在线监测智能系统的技术路线如图1所示。

图1 在线监测预警系统的技术路线图Fig.1 The technical roadmap of onlinemonitoring and early warning system

整个测试系统位于测试现场并处于等待状态。Web服务器端通过发送启动指令至现场测试系统的上位机，上位机发送远程启动指令，检测系统的上位机收到指令后启动整个测试流程。由于整个测试流程的周期可能比较长，检测仪器会定时发送当前的工作状态给服务器。整个测试结束后，测试的源数据以及计算得出的重金属离子浓度数据会一并发送至服务器端。其中重金属离子浓度数据会在指定的网页上显示，测试的源数据也可以在指定的位置下载，以供研究人员做进一步的分析。

1.2 自动进样系统设计

重金属检测过程中需要加入待测试液体和各种反应液，而多数液体的加入采用手动方式或者采用普通蠕动泵计时方式。随着加入液体体积的减少，其误差会越来越大，在进样精度和重复性上存在诸多缺陷。单个蠕动泵控制一路液体的方法效率低，控制繁琐。合理的管路分离装置可以提升仪器的测试效率和分析结果的准确性。

为解决上述技术问题，本自动检测系统提供了一种高效、交叉污染少、重复性好的自动进样系统，包括用于精确加入微量标准液的注射泵以及抽取大量液体的蠕动泵、用于控制管路通断的多通基板和电磁阀。由蠕动泵、多通基板和电磁阀构成的液体进样控制系统准确地实现了大量液体的抽取，有效减少了蠕动泵的个数，同时避免了交叉污染。根据自动检测系统的功能设定和所需自动进样试剂的种类，进样系统管路包括水样采集系统、氟离子检测自动进样系统和砷离子检测自动进样系统，其管路连接示意图如图2所示。

图2 自动进样系统管路连接示意图Fig.2 Schematic diagram of the pipeline connections of the automatic sampling system

1.3 检测系统的电路设计

饮用水微量离子自动检测系统的电路连接框图如图3所示。

图3 自动检测系统的电路连接框图Fig.3 Circuitry connections of the automatic detection system

检测系统电路以美国国家仪器（National Instrument，NI）公司生产的USB-6212数据采集卡作为核心，设计了基于三电极系统的恒电位仪、微弱信号检测的电流-电压转换电路和自动进样控制电路。

三电极电化学传感器包含工作电极（WE）、参比电极（RE）和辅助电极（AE）。WE的作用是在电极表面产生化学反应。RE在没有电流通过的前提下，用来维持工作电极与参比电极间电压的恒定。AE用来输出反应产生的电流信号，由测量电路实现信号的转换和放大［7］。如果直接在工作电极和参比电极间加电压，在电压的作用下，工作电极表面将产生化学反应。由于此时工作电极和参比电极间形成回路，反应所产生的电流将通过参比电极输出。随着反应电流的变化，工作电极和参比电极间的电压也会发生改变，无法保持恒定。加入辅助电极，就是要通过反馈作用，使工作电极和参比电极间的电压保持恒定，保证参比电极没有电流流过，强迫反应电流全部通过辅助电极输出。恒电位电路用于维持工作电极和参比电极间电位差恒定，其精简电路如图4所示。

图4中，电极通过运算放大器A3的反向输入端接虚地，保持在地电势，可以稳定研究电极和减少干扰。极化电流为阴极还原电流，运放A1和4个电阻构成反相加法电路。因此有：

式中：ERE为参比电极相对于地的电势。

因为研究电极接地，ERE可以表示参比电极相对于研究电极的电势差。

研究电极的电极电势维持在各输入电势（E1+E2+E3）之和，不受极化过程中电解池的阻抗的变化影响。运放A3和反馈电阻R2构成电流跟随器，测量的极化电流被转化成电压信号，由电压测量装置测量A3的输出电压－iR2，实现对极化电流的测量。

图4 三电极反馈控制电路Fig.4 The three-electrode feedback control circuit

2 软件设计及数据处理

2.1 软件设计

自动控制系统配合软件部分才能构成一个完整的控制系统。饮用水微量离子自动检测系统的软件设计包括：自动进样控制系统的软件设计；无线通信和数据传输模块；氟离子的检测软件设计；基于差分脉冲溶出伏安法的砷离子检测软件设计；应用于差分脉冲溶出伏安法数据处理中的小波分析及其软件实现；砷离子溶出峰面积以及砷离子浓度的计算方法。

本研究的程序设计基于LabVIEW虚拟仪器开发平台。LabVIEW是一种图形化的编程语言软件，自带的国际标准接口驱动程序适合用户创建小型的测试系统和简单的虚拟仪器。

2.2 信号处理

系统采用的差分脉冲伏安法可以有效提高灵敏度和精确度，但在测量离子浓度时，溶出峰的形状不规则，很难准确给出峰电流。利用小波去噪分析，可将有效信号从噪声中分离出，提高检测下限。本文采用高斯差分（difference of Gaussian，DOG）小波函数提取差分脉冲伏安曲线的砷离子溶出峰。

如果函数ψ（x）满足容许性条件：

则称ψ（x）为一容许小波，化学信号f（x）以ψ（x）为基的连续小波变换为：

式中：f∈L2（R）；（a，b）∈R，a≠0。引入符号ψa，b（x），定义为：

式中：ψa，b（x）为由母函数ψ生成的依赖于参数a、b的连续小波变换基；a为尺度因子；b为平移因子。

由此可见，连续小波变换Wψf（a，b）是函数f（x）在函数ψa，b（x）上的投影。为了使小波变换在时间域与频率域有较好的局部性，ψa，b（x）与ψ∧a，b（ω）的窗口宽度越小越好。小波变换的窗宽是可变的，它在高频时使用窄窗口，低频时使用宽窗口，这充分体现了带宽频率分析和自适应分辨分析的思想。在实际应用中，为了将小波变换应用于信号分析的实践，必须对变换参数进行离散化。利用离散小波变换的性质，同时考虑到差分脉冲伏安标准数据为高斯信号，选取DOG小波函数，其时域公式即为两个尺度差一倍的高斯函数之差。

选取一定的时间间隔T，则DOG连续小波函数可以离散为：

DOG连续小波函数的时域与频域波形如图5所示。

图5 DOG连续小波的时域与频域波形Fig.5 The time domain and frequency domain waveforms of difference of Gaussians（DOG）continuouswavelet

3 结束语

实时监测饮用水中微量有害离子的含量，在生态环境、临床、食品方面具有极其重要的意义。基于LabVIEW程序开发环境的饮用水中微量有害离子自动检测系统，整体操作比较简单、人机交互界面友好，避免了很多的人为干扰因素，实现了完全自动化测量。对于采集到的数据，系统采用了基于小波分析的信号去噪分析和用于电化学数据分析的峰面积计算方法，能够快速、准确地计算饮用水有害离子浓度。

［1］ Gordon G E.Receptor models［J］.Environmental Science＆Technology，1988，22（10）：1132－1142.

［2］Lee JH，Gigjiotti C L，Offenberg J H，et al.Sources of polycyclic aromatic hydrocarbons to the hudson river airshed［J］.Atmospheric Environment，2004，38（35）：5971－598.

［3］Sofowote U M，Meearry B E，Marvin C H.Source apportionment of PAH in Hamilton Harbour suspended sediments：comparison of two factor analysismethods［J］.Environmental Science＆Technology，2008，42（16）：6007－6014.

［4］艾晓晓，张善权.一种仪器远程监控中心的实现与构建［J］.自动化仪表，2012，33（9）：25－27.

［5］姚毓升，解永平，文涛.三电极电化学传感器的恒电位仪设计［J］.仪表技术与传感器，2009（9）：23－25.

［6］袁慎芳，陶宝祺，石立华.测控技术在智能材料结构研究中的应用［J］.测控技术，1998（6）：12－14.

［7］黄泽建，林君.电化学伏安分析中放大器的低噪声设计［J］.仪器仪表学报，2005，26（5）：518－521.

Automatic Detection System for Microscale Harmful Ions in Drinking Water

The design of automatic detection system formicroscale arsenic and fluoride ions in drinking water has been studied.The overall technical route of the system，automatic liquid sampling，acquisition circuit，control software and signal processing aremainly introduced.For the data collected，the signal de-noising algorithm and peak area calculation method based on wavelet analysis are provided in the system，to make the calculation ofmetal ion concentration fast and accurate.The whole test system features simple operation，user-friendlymanmachine interface，and supporting detection parameter setup；in addition，the system can be unattended operated or implemented via remote wireless control，thus the real time rapid on-sitemonitoring for themicroscale harmful arsenic and fluoride ions in drinking water becomes feasible.

Signal processing Wireless communications Electrochemistry Data acquisition Instrumentation Wavelet transform

江苏现代教育技术2011年度课题基金资助项目（编号：2011-R-18859）；
常州云计算与智能信息处理重点实验室基金资助项目（编号：CM20123004）。
修改稿收到日期：2013－12－23。
作者习海旭（1981－），男，2006年毕业于南京师范大学教育技术学专业，获硕士学位，讲师；主要从事信息系统和智能信息处理的研究。

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