游泳池水中尿素在线自动监测仪的研究与开发

张丽君　孙吉勇　季建刚

(1.苏州高新区卫生监督所, 苏州215000；2、江苏苏净集团有限公司, 苏州 215000)



仪器研制与改进

游泳池水中尿素在线自动监测仪的研究与开发

张丽君1孙吉勇2季建刚1

(1.苏州高新区卫生监督所, 苏州215000；2、江苏苏净集团有限公司, 苏州 215000)

研制了一种用于测量游泳池水中尿素含量的在线尿素自动监测仪，并通过信号传导实现远程监控。该仪器设计包括液路控制模块、化学反应控制模块、光电检测模块、信号处理与自动控制模块。实验表明该仪器达到较高的检测灵敏度和准确度,自动化程度高,可以用于游泳池水中尿素含量的自动在线测量。

游泳池水质尿素在线自动监测

1　引言

尿素是游泳池水质监测的关键参数之一[1]，不洁的游泳池水质有可能会引起皮肤病、结膜炎、肠胃炎等传染性疾病的爆发或流行。为了保持水中尿素的含量合格，需要在日常运行中补充一定量的新水。但是，游泳池管理者为了节省成本，往往会减少新水的补充量，导致尿素含量偏高。传统的尿素含量都是基于手动的检测方法，在进行尿素检测的时候，首先需要执法人员到现场采集水样，然后将水样带回实验室进行测量[2-4]。这种检测方法费时费力，效率低下，容易存在执法漏洞。

本研究开发出了一种基于GB-T 18204.29-2000的在线尿素自动监测仪，该仪器可以实现对游泳池水中尿素的在线自动测量，然后将数据通过GPRS模块自动发送到监控中心，提高了游泳池水质的监测效率和检测水平。

2　原理与系统设计

2.1仪器原理

该仪器尿素检测的原理是根据GB-T 18204.29-2000的规定，利用尿素与二乙酰一肟及安替比林反应呈黄色，在波长460nm处的吸光度测量尿素的含量。

2.2系统设计

整个系统的功能框图如图1所示。整个检测系统包括：液路控制模块、化学反应控制模块、光电检测模块、信号处理与自动控制模块。液路控制模块的功能主要包括：待测水样的自动采集，化学试剂的添加，废液的排除，检测装置的清洗等。化学反应控制模块主要是根据国标的规定，确保化学反应在合适的温度下进行。它主要包括加热丝和冷却风扇。加热丝对混合溶液进行加热并在规定的温度下保持一定的时间，在完成反应之后，冷却风扇将反应液快速冷却到室温。光电检测模块主要对反应溶液的吸光度进行测量。信号处理控制模块主要负责仪器的运转、信号检测和数据传输功能。

2.2.1光电检测模块设计

光电检测模块是仪器的核心部件，用于检测水中的尿素在化学反应之后的吸光度。根据比尔朗伯特定理：A=Klc；其中A是吸光度，K是吸收系数；l是吸收介质的厚度；c是吸光物质的浓度，通过吸光度可以求出物质的浓度。检测模块包括：反应比色池、光源、光电探测器、检测光路和检测电路等部分。由于尿素、二乙酰一肟和安替比林的混合液也是在比色池里进行化学反应。因此光电检测模块同时集成了反应控制模块包含的加热和冷却功能。光源选用中心波长为460nm的发光二极管、光电探测器选用普通的PIN光电二极管。由于在进行化学反应的时候比色皿的温度会达到100℃，且保持一个比较长的时间，防止高温对光电器件的影响，在检测光路中选用石英光纤来隔离光电器件和比色池。发光二极管发出的光通过石英光纤传输到比色池的一侧。透射光又通过石英光纤传输到光电探测器上，增加了光电检测模块的稳定性，图2为光电检测模块的结构。

2.2.2液路单元模块

液路单元模块主要负责水样的抽取、化学试剂的添加、反应溶液的控制等功能。其结构如图3所示。它包括多通道旋转阀、蠕动泵、光电计量管、电磁阀、试剂瓶和管路。

试剂瓶依次盛放二乙酰乙肟溶液、安替比林溶液、尿素标准液、纯水和废液。多通道旋转阀含有1个公共端口和7个普通端口。在步进电机的控制下，7个普通端口可以分别和公共端口相通。蠕动泵和光电计量管的一端相连，光电计量管的另一端和多通道旋转阀的公共端口相连。通过控制蠕动泵的转动方向，在旋转阀的帮助下，可以将水样或试剂吸取到光电计量管中，然后再反转蠕动泵，将光电计量管中的溶液送到反应比色池中。因此，在PLC的控制下，通过蠕动泵和多通道旋转阀可以将水样和化学试剂依次抽送到比色反应池中；检测完之后，再将废液排到存放废液的试剂瓶中。光电计量管主要用于控制蠕动泵抽取的液体的体积，其结构如图4所示。它由玻璃管和两对光电传感器组成。每对光电传感器包含一个近红外发光二极管和光电探测器。当液体到达光电传感器所在的位置

的时候，由于玻璃管中的折射率发生变化，因此光电探测器接受到的光信号将发生变化，PLC通过光电探测器输出信号的变化可以知道液位已经处于光电传感器所设定的位置。停止蠕动泵，可以使得光电计量管中抽取的液体体积为设定的体积。通过该装置可以控制尿素监测仪所抽取的水样和试剂的体积。本设计中，两个光电传感器位置所对应的玻璃管中的液体的体积为1mL和2mL。通过该液路单元可以实现对液体的自动取样和控制。

2.2.3信号处理与控制电路模块

该模块主要分为3个子功能：信号放大与处理、系统控制和数据传输与显示。信号处理主要包括比色反应池光电检测信号的处理，光电计量管光电传感器信号检测，其检测电路如图5所示。系统控制主要包括蠕动泵的控制、多通道旋转阀的控制和电磁阀的控制，以及仪器的整个测试流程控制与判断。数据传输与显示负责将测试结果通过无线传输方式发送到远程服务器终端，或者显示在仪器的显示面板上。整个控制系统通过PLC来实现。

3　仪器检测

检测流程分为标定和测试两个类型。标定主要是用仪器测试含有已知尿素含量的样品的吸光度，求出不同浓度的样品的吸光度与尿素含量的关系，得到标定曲线。测试时，通过待测溶液的吸光度，根据标定曲线可以求出待测容易尿素的含量。表1、表2分别给出了该仪器的标定试验结果和在苏州高新区克拉克游泳馆现场测试的尿素含量与新区卫生监督所用实验室仪器测试的结果比对的结果，两结果均无统计学差异(P<0.05)。通过实际测试数据可以看出，该仪器可以对游泳池水中的尿素含量进行比较准确的在线自动测量。

表1　尿素自动监测仪标定试验结果　mg/L

表2　与传统检测仪器测试结果对比 　mg/L

4　讨论

(1)该仪器能够自动监测游泳池水中尿素含量，满足了游泳池水质远程监管的要求。与传统实验室检测方法和现场快速检测方法相比，有节约人力资源、实现动态监管的优点。但由于仪器设定的自动监测频率为1小时/次，对试剂的消耗量较大，而现实中游泳池使用的时间为白天到晚上9点左右。因此为节约仪器维护成本，在试用过程中，要求现场工作人员每天下班时关闭仪器，在早上上班时重新开启。因此该仪器的使用过程并没有完全做到自动化。另外由于本次研究制作的只是样机，试剂的更换、废液的清理等也都需要人工完成，这些都是以后需要改进的方面。

(2) 从标定实验结果看，该仪器在浓度为0～5mg/L之间的水样检测具有较好的精确度。同时在苏州高新区试用阶段，卫生监督人员会不定期携带现场快速检测仪器与该仪器进行对比测试，结果显示该仪器与快速检测仪器测试结果也较为吻合(表2)，能够达到卫生监督的目的工作要求。但是由于该仪器仅试用了一段时间，仪器的稳定性还未得到验证。仪器是否能够长期连续的保持一定精度的监测，仪器携带的试剂的更换频率等问题都是有待继续研究和探讨的。

5　结论

研制了一种在线尿素监测仪，用于对游泳池水中尿素含量的在线自动测量，分析了仪器的系统结构和具体实现方式，该方法已经申请专利、开发的仪器被苏州高新区卫生监督所推荐安装到克拉克游泳馆对游泳池的尿素进行在线测量，测试结果表明该仪器可以用于游泳池水中尿素含量的自动在线测量，对我国游泳池水质的监测和控制具有积极的意义。

[1]GB/T 18204.29-2000.公共场所卫生标准检验方法[s].

[2]唐明江,刘宗林,王剑. 游泳池水中尿素测定方法的研究[J].中国卫生检验杂志,2008,18(4):641-642.

[3]陈武明,陈波,徐明敏. 游泳池水尿素检测方法改进探讨[J].浙江预防医学,2008,20(11):95.

[4]徐向阳．测定游泳池水中尿素方法的改进[J]．中国卫生检验杂志,2006，16(2)：236-237.

Research on and development of on-line automatic monitor for urea in swimming pool water.

Zhang Lijun1, Sun Jiyong2, Ji Jiangang1

(1.HealthInspectionInstituteofSuzhouNationalNewandHi-techIndustrialDevelopmentZone,Suzhou215000,China；2.JiangsuSujingGroupco.,LTD.,Suzhou215000,China)

The instrument design includes a fluid control module, a chemical reaction control module, a photoelectric detection module, a signal processing and a automatic control module. The results reveal that the instrument has high detection sensitivity and accuracy with high automation level, and it can be used for on-line automatic monitoring of urea in swimming pool water.

quality of swimming pool water; urea; on-line automatic monitoring

2013年苏州市加快信息化建设专项资金扶持项目：游泳场所远程监控系统应用。

张丽君，女，助理研究员，2011年毕业于苏州大学，硕士，公共卫生专业，2013年至苏州高新区卫生监督所工作，E-mail：lijunzhang527@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.002