全自动石墨消解仪中自动定容的分析与研究

    罗炜程

    摘 要：全自动石墨消解仪该类自动化设备在整个消解过程不需要任何人工介入，用户只需称样放入仪器后，仪器自动完成加酸、混匀样品、加盖取盖、程序升温消解、赶酸、颜色识别、定容，全程实现无人操作。本文主要对定容步骤的自动化实现展开分析和研究。

    关键词：石墨消解仪;自动化;定容

    0 引言

    全自动石墨消解仪是继电炉子，电热板，普通电热消解仪之后的引领湿法消解发展方向的新型仪器，是专门针对目前实验室样品量大、实验人员少、要求自动化程度高等特点而设计的一款高效全自动消解系统，主要用于食品、饮料、土壤（沉积物）、水样、药品、玩具五金、化妆品、地矿、农产品，滤筒滤膜等样品中的重金属检测前处理部。可用于环保、疾控、商检、质检、第三方检测、高校实验室、工厂、科研机构等分析领域，自动实现加酸、摇匀、消解、赶酸、冷却、定容等人工操作步骤，是原子吸收分光光度计和电感耦合等离子质谱（ICP-MS）的样品前处理系统。

    1 实现定容的方案选择

    1.1 应用背景与检测需求介绍

    （1）应用背景。无机领域的实验室一般都处于强酸、强碱、高温、有毒的环境，在执行检测样品消解实验过程中，会大量使用到高浓度的浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸、氢氟酸、高氯酸等，它们经过高温气化后会腐蚀各类金属和二氧化硅（陶瓷或玻璃）等材质，需要用到高分子类的材质进行防腐处理，如特氟龙[1]。

    （2）检测需求。全自动石墨消解仪完成定容后，它的下一道工序是在原子吸收分光光度计或电感耦合等离子质谱（ICP-MS）仪等检测分析设备。定容后在消解管中的体积准确度会影响各类被检测化学元素的浓度，从而影响上机检测的结果，所以要求定容50ml时候精度需满足1%范围。

    1.2 技术路线与器件厂商的选择

    （1）技术路线选择。对于液体体积的测量可分为直接测量和间接测量两大类。直接测量用于手动领域，如带刻度的量筒、移液管等，测量结果容易被不同的操作人员影响。间接测量一般用于半自动或者全自动领域，测量结果一致性好，它通过传感器将信息转化换算处理后得出最终的测量结果，如压力传感器、液位传感器、超声波传感器等。由于全自动石墨消解仪的应用是在无机实验室环境，不能采用直接接触式类型的传感器，所以最终决定选择采用非接触式的超声波传感器[2]实现对消解管内的体积进行定量测量。

    （2）检测器件厂商的选择。通过对比了解国内外不同厂家[3]的产品资料，结合本仪器对定容功能需求和配套结构的综合评估，最终在banner产品中选择了一款适合的超声波传感器，该传感器的电气参数特性摘录如下[4]：

    2 定容功能的技术实现

    2.1 硬件设计与实现

    （1）原理设计。本方案采用的是ST公司M3内核的单片机STM32F103RCT6，它集成有12位的ADC（模数转换器），在该功能的原理图（图1）的设计过程中考虑如下问题：

    1）系统电压匹配转换：由于单片机是3.3伏供电，而超声波传感器是0～10伏的模拟信号输出，所以通过R19和R20进行电压转换，以满足单片机ADC输入引脚的电气要求。

    2）输入信号阻抗匹配：由于超声波传感器有负载阻抗要求，所以采用LM358对输入信号进行匹配调节和缓冲。

    3）输入信号滤波干扰：由R21和C23组成RC滤波电路，在模擬信号输入到单片机之前滤除高频杂波干扰。

    在PCB（图2）的LAYOUT过程中，主要注意不同电压的分布布局，以及信号回路的设计，尽量减少信号被干扰的可能性，并采用一些未雨绸缪的措施，如采用大面积的覆铜措施等。

    （2）信号测试结果。将制作好的PCB安装在测试平台，用天平秤出不同的纯净水体积放入特氟龙消解管中，采用数字万用表在R21和C23之间测试传感器的信号输出电压，将测试数据记录并生成关系图（图3），结果判定能满足定容精度和线性度要求。

    2.2 软件编程与功能实现

    STM32 的 ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有 18个通道，可测量 16个外部和 2个内部信号源[5]。各通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫 描或间断模式执行。软件编程中首先依据STM32单片机资料对ADC进行初始化配置，接着依据超声传感器的上电延时要求延长300ms，执行启动第一次ADC转换。通过对ADC1->SR中ADC_FLAG_EOC判断，确定本次模数转换是否成功，如果成功则将ADC1->DR的值存到BUF中，接着启动下一次的ADC转换。在空闲的时候对BUF中的数据进行滤波算法平衡处理，使得获取的ADC值具有较强的抗干扰性和较强的实时响应性，最终将ADC值通过校准计算，间接测量出特氟龙消解管中的液体体积。简要的功能实现执行流程图（图4）如下：

    2.3 定容测量的结果验证

    最终通过在全自动石墨消解仪实机测试，定容后测试36个特氟龙消解管中的液体体积，数据如下：50.02、50.02、50.05、50.22、49.63、50.42、50.06、49.82、49.84、49.91、50.06、49.98、50.07、49.89、49.83、50.03，50.43、49.91、50.13、49.74、49.95、49.85、49.87、49.9、50.41、50.15、49.9、50.14、49.88、49.8、50.09、50.24、50.39、49.55、50.38、49.78。计算得出精度相对误差范围在-0.52%到0.85%之间，结果判定本方案能满足[email protected]%的定容要求。

    3 结束语

    在全自动石墨消解仪的定容功能开发设计、工程实现、转厂上市过程中，以及结合配套的结构和使用环境中，还面临许多棘手的问题，通过数据分析和影响因素排查，最终解决了如超声波传感器本身温度效应、目标角度、液体蒸发气流等因素对定容体积的影响，具有一定的市场价值。

    参考文献：

    [1]https：//baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E5%9B%9B%E6%B0%9F%E4%B9%99%E7%83%AF/627923？fr=aladdin.[DB/OL].

    [2]https：//baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/243327？fr=aladdin.[DB/OL].

    [3]http：//www.51spec.com/category.asp？categoryid=770.[DB/OL].

    [4]banner产品手册[K].

    [5]STM32开发指南V1.0[K].