一种钙、镁、硫酸根智能分析仪的研制

　　1　概述

　　现行的原盐中钙、镁、硫酸根离子的测定方法存在操作繁琐、费时较长、人为误差大等问题,为此我们经过较全面的技术调研和试验,研制成功一种钙、镁、硫酸根智能分析仪,在微机控制下实现自动分析,并由数字显示装置输出结果。它具有如下特点:

　　(1)通过添加不同的沉淀剂可同时测定Ca2+、Mg2+、SO2-4等不同离子的含量,使用方便灵活。

　　(2)自动进行量程切换,测定速度快、精度高、重复性好。

　　(3)体积小、重量轻、结构简单,便于批量生产和推广应用。

　　2　传感器结构与测量原理

　　传感器结构及光路图由图1所示,其中装待测试样的测量杯6,由光学玻璃制成。它的基本测量原理是光电比浊分析,在测试之前,根据不同的分析项目分别制备各自稳定的悬浊液。例如,测硫酸根时制备硫酸钡悬浮液,测钙时制备草酸钙悬浮液,测镁时制备磷酸铵镁悬浮液。光束通过悬浮液时,在入射光的光强与液层厚度保持不变的情况下,透射光的光强与试样中被测成分的浓度有关,试样浓度越高,透射光的光强越弱。用通过纯净蒸馏水(浓度为0)的透射光的光强与通过有一定浓度试样的透射光的光强相比较,其关系式符合朗伯-比耳定律:

　　采用光电元件进行光电转换,在光电传感元件的线性范围内上式变为:

　　式中　J0:试样为蒸馏水时透射光光强

　　J:试样为被测溶液时透射光光强

　　I0:试样为蒸馏水时光电流值

　　I:试样为被测溶液时光电流值

　　K’、K:消光系数

　　L:溶液层厚度

　　3　微机系统最小化硬件设计

　　仪器中采用MCS-51系列的8031单片机,配以A/D、EPROM、8155实现微机最小化硬件设计,以减少元件,降低成本。原理图如图2所示,单片机在仪器测量中的功能有自动进行采样、数学模型查询、曲线拟合、量程转换、显示电信号与被测成分的浓度等。

　　4　提高测量精度的方法

　　为了提高仪器的测量精度,我们除对分析方法和传感器结构进行详细研究和设计外,还试验了仪器数学模型与测量精度之间的关系。

　　4·1对高、低浓度区段分别建立数学模型可提高测量精度

　　试验发现,被测成分的高浓度点和低浓度点往往偏离数学模型。例如,传感器测定钙标准溶液的数据见表1,求得数学模型为C=5·8318-1·2704lnI,相关系数γ=0·98636,实测点与标准曲线如图3。产生偏离的原因是多方面的,有分析方法本身的局限性、测试仪器的不足以及试剂人为因素的影响等。此类问题已引起了国内不少分析工作者的重视,设计了一系列的线性和非线性拟合方法。我们研究了对高、低浓度区段分别建立数学模型,然后用单片机进行拟合的方法。例如,上述钙离子低浓度段(表1的前7组数据)的数学模型C=4·5926-0·092351nI,相关系数γ=0·99632;高浓度段(表1的后8组数据)的数学模型C=6·6642-1·74081nI,相关系数γ=0·9635。实测点标准曲线见图4,可看出,此法效果很好,提高了仪器的测量精度。