环境水质综合检测箱的设计

蔺驰原

（河北科技大学 环境科学与工程学院，石家庄 050018）

水质检测对整个水环境保护、水污染控制、维护水环境健康以及保障民生等方面具有至关重要的作用。“十三五”期间，随着环保执法力度的持续加大和配套环境水质在线检测法律法规的相继出台，环境水质在线检测系统的需求大幅增长，市场潜力巨大。对于废水污染检测系统和地表水检测系统的市场前景预测，预计2025 年将超过160 亿元。

中国水质检测设备行业的竞争相当激烈。2010年后，随着国产设备技术水平逐渐提升，水质检测设备从以进口设备为主逐渐转向更多地考虑使用国产设备。现如今的国内水质检测仪按检测目的可以分为多种：以纳氏试剂分光光度法（GB/T 5750.5—2006）为基础的水体氨氮检测仪；利用电化学溶出伏安法测量水体中重金属的水体重金属检测仪；在光电探测器中通过毒性生物的发光波长进行选择的水体生物毒性检测仪；技术较为成熟的pH 计、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）测定仪；综合性的多功能消解仪和COD 氨氮总磷总氮测定仪[1-4]。因此，随着温度传感器等技术的不断发展和我国水质分析仪器不断突破技术瓶颈，未来高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化将成为水质分析仪器发展的主要趋势。

以往的水质检测仪重心往往放在单个硬件检测元件及配套的数据处理软件的设计开发上，而整体性、一体化的设计提出较少。大部分水质检测仪的设计还存在某些问题，如不具备对取样试管进行清洗的功能和试管在放置时的稳定问题，因而提出了新型的设计方案。

1 方案设计

1.1 检测流程

为了清晰阐述检测流程，设计方案的整体结构、处理箱内部结构、仰视结构以及放置板爆炸结构分别如图1 ～图4 所示。

1.1.1 装置放置与清洗

位于箱体一侧的处理箱（1）可为试管存放与清洗提供空间，容器以试管为例。将放置板拿出后，取出挡板即可根据具体需要将试管或其他器皿放入或取出。工作人员可将试管放进放置槽（23）内，用橡胶垫（24）与试管贴合。若存储样品，应做好试管口的密封工作。通过以上方式可提高试管放置时的稳定性，使该仪器在携带过程中尽量避免出现试管掉落情况。

进水管上表面嵌合连接的堵头在储水室水量不足时，可开启阀门并加入蒸馏水或去离子水。若需要最大化，利用储水室可在加水时将仪器适当倾斜。当试管使用结束后，将试管放置在限位环（13）之间进行固定，使连接杆可延伸进试管的内部，对试管内残留污染物进行清洗。利用微型水泵（16）可对试管清洗所需的水进行抽取，同时可利用水流对试管进行冲刷。以上方式利用储水室添加的蒸馏水及时清洗使用后的试管，从而方便后期使用试管。清洗2 ～3 次为宜[5]。清洗步骤也可以作为试管在采样前的清洁 手段[6]。

1.1.2 水样检测

将采取好的水样利用检测箱内的检测仪器（5）进行检测，同时注意样品液体尽量不发生外溅，防止损坏敏感的电子元件。

1.1.3 携带与保养

处理箱（1）与检测箱（6）的下方均设有可伸缩的背带（19），在运输过程中可对仪器进行背负。箱盖（2）具有一定的防水性且内部有起缓冲作用的海绵，检测完毕后应及时将箱盖扣合并将锁扣扣好。

1.2 工作原理

本设计的初衷是把市场中现有的电子检测仪器与文中新提出的部分设计进行整合，设计出更灵活的新产品，不涉及对新型检测仪器的开发。

整体设计的尺寸为500 mm×380 mm×250 mm， 检测箱的预设尺寸为240 mm×310 mm×200 mm。在检测箱中，既可以将仪器如便携式农药快检仪等仪器固定放置，也可以在对检测箱经简易改装后将手持pH 计、手持多参数水质检测仪等小型仪器放入收纳。以便携式农药快检仪为例，检测箱内部设有总电源，所以既可以把检测箱与和用于预处理、后期处理的处理箱设计成一个整体，也可以对检测仪器按需灵活更换。

检测箱的侧表面通过可活动的合页连接箱盖，箱盖的开合角度拟设为0°～180°。箱盖的内部设置有填充的起缓冲作用的海绵，可对检测仪器起到很好的防护作用。箱盖表面有锁扣，利用锁扣将箱盖扣合。

检测箱的侧面是处理箱。挡板上和处理箱中的弹簧分别命名①号弹簧和②号弹簧。①号弹簧长度约为5 mm，②号弹簧长度在45 ～50 mm。

在处理箱的内部连有一个可滑动的放置板，放置板的规格为230 mm×280 mm×40 mm。放置板上，设计成可以存放小试管4 个区域或长试管2 个区域。在放置板的上表面设有80 mm×120 mm× 30 mm 的放置槽。若是长试管，可扩展为80 mm× 200 mm×30 mm 的放置槽。挡板的四角各安装一根两端固定的①号弹簧，且挡板位于放置槽的上方，挡板的下表面设有绝缘橡胶垫。因为容器一般会用如试管等易碎器皿，所以利用弹簧、橡胶等高弹性系数、可发生形变的物质所产生的缓冲效果，可对内置易碎容器起到一定的保护作用，提高耐冲击能力。在放置板两侧与处理箱箱壁接触的地方设有长240 mm 的固定块，放置板的侧边有用于抽取的皮带把手。

处理箱的内部位于放置板的下方，在其箱内设有一个3.0 ～4.5 V 的电动马达。马达可由内置电源（电池）或总电源供电，马达的输出端与连接杆相连，连接杆的侧表面安装毛刷。在处理箱的内底壁上下各分别固定一根②号弹簧，②号弹簧的设计可以有效缓解由于马达作用而带来的震动。在②号弹簧远离处理箱的一端固定一个限位环，且限位环连接到连接杆的一端。连接杆远离马达的一端设有擦拭布。

处理箱的前表面设有一根固定的进水管，进水管的上表嵌合一个密封性良好的堵头。在处理箱的内部通过隔板分隔出储水室，储水室的最大储水量为 1.8 L。在处理箱中完成的清洗是利用储水室中储存的蒸馏水。处理箱的内部位于②号弹簧的另一侧设置一个抽水装置，抽水装置包括一枚12 V 的微型水泵，微型水泵可由总电源或内置电源供电。微型水泵的两头分别连接水管，一侧的水管延伸进入储水室的内部，另一侧的水管固定在连接杆的上方。储存的蒸馏水流经水泵连接的水管，可清洗放置在限位环上的取样容器，同时利用与马达相连的毛刷对容器内壁进行深度清洗。这项设计可代替一些清洗为目的的设备，充分发挥整合的作用。

在处理箱与检测箱的下方均设有凹槽，凹槽的内部设置背带。背带采用内嵌式设计，方便工作人员的使用，同时可搭配日字扣调节背带长度[7-10]。

2 结构特点

2.1 结构优点

2.1.1 一体化设计

采取一体化的设计思想，将检测仪器、清洗装置和容器样本储存整合在一起，使工作人员无须携带其他清洗装置和试管架等物品。为适应不同的检测需求，可对检测仪器采取不同的组合，灵活调整。

一体化设计要求从设计思考方式的层面上开始关照设计全流程，这在空间设计上体现得尤为明显。在加快建设制造强国的时代背景下，充分发展装备制造业工业设计，引导其向价值链高端延伸，增强其国际竞争力，对促进全产业链发展、推进制造业与服务业融合发展以及全面实现制造业转型升级具有重要意义。

2.1.2 保护性装置

当试管放入放置槽的内部后，利用弹簧弹性可调节挡板高度。由于弹簧能够发生形变，会把物体的能量转化为弹性势能，从而减轻冲击作用。橡胶垫可与试管的表面贴合，增强试管放置时的稳定性，防止该仪器在携带过程中发生试管掉落或碎裂的情况。

2.1.3 清洗装置

与现有技术相比，环境水质综合检测箱通过安装的马达、毛刷等元件，配合水泵引流的蒸馏水，可对试管内壁进行清洗。对于目标水质较为复杂或者含表面悬浮性物质时，清洗步骤可以方便后期对试管进行二次使用。如利用仪器对水样进行重金属或有毒有害生物成分检测，清洗便捷对于仪器防污和人员安全显得格外重要。若在检测前发现试管内沾染尘土时，还可以作为预处理进行清洗。

2.1.4 便携装置

通过设置的背带，工作人员可以背负方式携带该仪器，方便了该仪器在户外的使用，并可延伸至某些复杂地形，从而扩大该仪器的适用范围。

2.2 缺点与对策

从改进设计的结构分析，不排除出现氧化、使用次数等引起的设备部分元件的老化问题。第一，第一水管和第二水管的堵塞问题。由于进入储水室的水质（如硬度）的不同，内部会沉淀水垢，水垢会随着水流进入水管导致堵塞，同时随水进入储水室的某些不容性物质也可导致水管堵塞，严重时会导致水管发黑并滋生细菌。对此可以定期检查水管，若有堵塞及时疏通或更换，也可以使用杂质较少的蒸馏水或去离子水。对于细菌滋生，可考虑定期加入消毒水或酒精进行消毒清洗。消毒清洗可采用空载方式。消毒完成后应再次用蒸馏水或去离子水清洗，目的是去除残留的消毒剂，防止对水质检测结果造成影响。第二，对于马达的拼接金属或塑料外壳不排除进水可能。马达的整体防水系数不如水泵，若进水，其内部电路易发生短路。对于马达等电子元件，可以考虑在其外壳表面涂一层防水漆（胶），提升其防水性。第三，第一弹簧和第二弹簧的反复使用引发金属疲劳导致弹性降低。随着使用次数的增加，弹簧的弹性系数减小导致处理效果下降，故要定期检查弹簧弹性。第四，敏感仪器整体防水性。在箱盖的连接处可能发生渗水现象，对此可在缝隙中增设一层橡胶圈。第五，携带时要注意仪器外壳的棱角防止磕碰，考虑在棱角处设置橡胶或海绵等质地松软的护垫。第六，储水室装满水后会增加仪器重量，可能会对工作人员的体力消耗较大，因此可以根据具体情况酌情注水。

3 预期效益与前景

3.1 应用前景

近几年，随着水污染程度不断加深和公众环境保护意识的增强，人们对水质检测提出了更高要求，在一定程度上推进了水质检测产品的建设发展。从市场需求与购买意向上看，使用方便、功能更加齐全且体积更小的集成化仪器更受人们的青睐。

3.2 经济效益

对于产品卖家，可以将本设计与自家的检测设备配套出售，以满足买家对多功能、集成化产品的期望，提高产品对买家的吸引力，提升销售量并产生额外的经济效益。

对于买家，本设计降低了检测成本。对比传统的水质检测方式，集成的产品可以减少人工成本和设备采购成本，明显降低水质检测的整体成本，性价比高，减少了实地检测人员的配置，对应的检测成本、人力成本和时间成本控制更理想。

3.3 社会效益

环境检测作为展开环境维护工作的前提，它的存在为社会、经济、环境的整合与共同开展提供了强而有力的信息支撑，并且在经济开展上促进了经济的增长质量，在环境维护上节约了不可再生的自然资源，为我国可持续发展战略的施行提供了坚实基础。

4 结语

本文阐述了一种便携式环境水质综合检测箱，方案设计贴合国内水质检测行业加强对产品功能集成化、一体化研究设计的趋势，并具体介绍了其实验方案和原理。它的最大优势在于可与市场中现有的检测仪器相结合，并加入了对容器器皿储存运输和清洗的功能，省去了工作人员对具有类似功能装备的携带。对于买家，它可有效节省成本；对于卖家，它大大提高了产品的吸引力，带来了积极的效益。此外，设计的产品在生产和使用前还需进行如防水、高负荷使用等测试，并对测试中发现的新缺陷和漏洞提出解决和升级方案。