一种精确取液计量装置及方法 【技术领域】
本发明涉及环境保护领域水质监测仪器中的液体取样计量系统，尤其涉及一种精确取液计量装置及方法。
背景技术
液体取样计量装置是水质监测仪器的核心组件之一，计量装置的精度与可靠性直接决定了检测结果的准确性和仪器的可靠性，装置的灵巧性决定了仪器的可重用性、研发周期和成本。目前，应用于水质在线监测仪器的液体取样计量技术主要有三类：
(1)利用传感器对导管内液体流过瞬间的感应，通过控制泵的流速和开关时间来实现对液体体积的计量，原理如图1所示。该技术主要涉及试剂注入泵1，传感器2，双体阀3等装置。该技术结构简单，成本较低，操作、维修方便。但是，它对试剂注入泵的转速要求苛刻，若泵运转不稳定则严重影响测量准确度；而且没有补偿措施，不能消除液体中的气泡对测量结果的影响，可靠性较差；同时，传感器易受到腐蚀性强的污水损害，整个设备的精确度受到传感器精度的限制。
(2)使用具有固定容积的计量管进行计量，如图2所示。该技术主要涉及信号线4，吹气管5，溢流管6，蒸馏水管7，计量杯管帽8，探针9，计量杯内液体10，紧固螺帽11，O型密封圈12，电磁阀13等。液体由装置下部进入计量杯，探针探测到液体后会通知控制系统停止进样，计量杯里的固定体积即为所取液体的体积。该装置成本较低，操作方便，但所能测量的液体体积固定，灵活性较差，而且探针易受到腐蚀。
(3)利用步进电机控制注射泵的拉动行程，液体流过时，在装置底部固定的两个光电传感器会接收到信号从而控制流入液体的体积，如图3所示。该技术主要涉及注射泵14，光电传感器15等。该装置具有较高的取样精度，污水中的各种杂质会影响光信号的强弱，但装置的可靠性过分依赖于光传感器的敏感程度，拉动过程必须缓慢进行，单次抽取液体的体积受注射泵容积限制，而且所能测量的液体体积缺乏灵活性，每种体积测量需求都需要一对光电传感器，因此结构复杂，成本较大。
可见，现有技术的计量装置都存在着明显的缺点：装置结构简单可能对液体的计量不准确；要保证精度则需要设计专用液体存储容器并附加一定数量的传感器，系统相对复杂，重用性差。
【发明内容】
针对现有计量装置及方法的不足，本发明提供了一种设计成本低，简单可靠，且可灵活改变取样液体体积，实现精确取液计量的装置及方法。
一种精确取液计量装置，其特征在于：包括泵、阀单元、电磁截止阀、储液单元、测试模块、液体检测器A和液体检测器B，所述阀单元上具有进液通道、测试通道、排液通道和连接所述储液单元的公共通道，所述阀单元的进液通道与液体相连接，所述测试通道与所述测试模块相连接，所述排液通道与空气相连接，所述公共通道经所述电磁截止阀与所述液体检测器A的一端相连接，所述液体检测器A的另一端与所述储液单元的一端相连接，所述储液单元的另一端与所述液体检测器B的一端相连接，所述液体检测器B的另一端与所述泵相连接。
本发明还提供了使用如上所述精确取液计量装置计量液体的方法，包括以下步骤：
a.程序控制阀单元选择进液通道，打开电磁截止阀，然后运转泵，通过阀单元的公共通道将液体从进液通道抽取到储液单元内；
b.当液体检测器A检测到所抽取的液体体积达到目标值时，关闭电磁截止阀，泵停止运转；
c.程序控制阀单元选择测试通道，打开电磁截止阀，然后运转泵，向管道内吹空气，将管道内的液体从储液单元经过测试通道推入指定的测试模块中，取液计量完成，即精确取得液体。
本发明所述精确取液计量装置计量取液的方法还可以实现液体在各个测试模块之间的转移：液体经过指定的测试模块测试后，阀单元选择测试通道，泵将指定测试模块中的液体全部抽回到储液单元，然后再将储液单元中的液体转移到其他测试模块中，进行其他功能的测试。测试完成后，程序控制阀单元选择排液通道，将测量完成后的液体排入废液收集装置中。
【附图说明】
图1是现有技术中利用传感器的计量装置；
图2是现有技术中使用具有固定容积的计量管的计量装置；
图3是现有技术中利用步进电机控制注射泵的拉动行程、并且其底部具有两个光电传感器的计量装置；
图4是本发明计量系统的结构示意图
图5是本发明一个实施例的计量系统结构图
图6是本发明计量系统的取液计量流程图
【具体实施方式】
图4所示为本发明计量系统结构示意图，主要由阀单元16，电磁截止阀17，液体检测器A 18，储液单元19，液体检测器B 20，泵21六部分组成，其中阀单元16的进液通道P1与液体(或者试剂)相连接，测试通道P2与测试模块相连接，排液通道P3与空气相连接，阀单元16的公共通道经电磁截止阀17与液体检测器A 18地一端相连接，液体检测器A 18的另一端与储液单元19的一端相连接，储液单元19的另一端与液体检测器B 20的一端相连接，液体检测器B 20另一端与泵21相连接。其中阀单元16用于管路通道的切换选择；电磁截止阀17在管路通道切换选择时，用于防止储液单元19内液体由于压力变化引起倒抽回流，从而造成计量不准确或者不同试剂之间的交叉污染。储液单元19用于液体或试剂的存储；泵21用于空气的抽取，以及液体的输送；液体检测器A18用于液体的感知和检测；液体检测器B 20用于计量过程中微体积参数的标定。本发明在蠕动泵匀速进样的条件下，利用程序快速扫描液体检测器A的有效采样点数，同时对电磁截止阀进行快速开关控制，从而灵敏、精确地取到液体。
图5是本发明一个实施例的计量系统结构图，其中阀单元16选用多通道选向阀；电磁截止阀17选用电磁隔离阀，且为常开型；储液单元19采用本发明独特设计的形状，即将管路绕成具有一定匝数的螺旋线圈状，形成储液环；泵21选用蠕动泵；两个液体检测器A、B选用非接触式管内液体检测器。其中阀单元16的进液通道与水样、蒸馏水、以及各种试剂等液体相连接，排液通道与大气相连接，测试通道与测试模块相连接，阀单元16的公共通道依次与电磁隔离阀17、液体检测器A 18、储液单元19、液体检测器B 20、蠕动泵21相连接。
本发明在水质监测仪器中的工作过程可以分为以下三个阶段：
第一阶段：电路接通后，整个计量系统处于工作状态，程序控制多通道选向阀16选择进液通道，此时管路与液体接通，打开电磁隔离阀17，蠕动泵21开始从管路中抽取空气，在气压的作用下，液体流入管道，并流入储液环19中，同时在程序的控制下，使液体保存于储液环19内，当液体检测器A 18检测到取样体积达到所设定的目标值时，关闭电磁隔离阀17，蠕动泵21停止工作。
第二阶段：多通道选向阀16选择测试通道，打开电磁隔离阀17，蠕动泵21反向运转，向管道内吹气，将储液环19内的液体全部推入测试模块1中。取液计量完成，即精确取得液体。
在上述工作过程中，当取液计量达到目标值时，先关闭电磁隔离阀17，然后再控制蠕动泵21停止工作，目的是防止蠕动泵在缓停的瞬间，引起液体过抽现象。多通道选向阀在管路通道切换选择时， 由于其阀体与取液液面存在高度差，进液通道中的液体在重力作用下会发生回落，导致阀体内部压力降低，同时由于储液环19尾部空气柱的存在，此时储液环19与阀体之间管路产生压力差，从而引起储液环19内的液体回流进入阀体内部，造成计量不准确或者不同试剂间的交叉污染，采用上述操作顺序，可以避免储液环19内的液体回流倒抽。
第三阶段：液体经测试模块1测试后，多通道选向阀16选择测试通道，蠕动泵21将测试模块1中的液体全部抽回到储液环19中，然后再将储液环19中的液体转移到测试模块2中，进行其他功能的测试。测试完毕，程序控制多通道选向阀19选择排液通道，将测量完成后的液体排入废液收集装置中。
图6所示为本发明取液计量流程图，具体取液计量方法及流程如下：
假设提取计量体积为V的液体。电路接通启动后，设定两个液体检测器检测周期为5ms，，多通道选向阀16选择进液通道，打开电磁隔离阀17，蠕动泵21开始运转，将液体抽入管道中，液体流入管道，并流入储液环19中，在程序的控制下，使液体保存于储液环19内，当液体检测器A检测到取样体积达到所设定目标值时，关闭电磁隔离阀17，蠕动泵21停止运转，设定此时液体检测器A18到储液环19之间管道(包括储液环19)的液体体积为Vc，同时程序扫描到液体检测器A18所对应的有效采样点数值为N。
假设1个计数点对应的微体积为ΔV，则液体检测器A18到储液环19之间管道(包括储液环19)液体的体积Vc为
Vc＝ΔV×N(1)
设定多通道选向阀16与液体检测器A18之间管路中的液体体积为零体积V0，取液计量时，当液体检测器A 18检测到液体时，关闭电磁隔离阀17，停止抽取液体，多通道选向阀16选择排液通道，将这部分液体排出，通过标准计量仪器，测量出这部分液体体积，重复多次即可获得精确的V0。
根据方程式(1)和零体积V0，即可计算得出计量液体体积V的值：
V＝V0+Vc (2)
即：V＝V0+ΔV×N(3)
为了精确取得液体V，只须通过液体检测器A18，准确控制采样点数N即可，即：N=V-V0ΔV---(4)]]>
在本发明取液计量方法中涉及到一个计量单位ΔV，ΔV为1个计数点对应的微体积，微体积ΔV具体的标定方法如下：
标定方法是：用两个液体检测器之间液体的体积V′除以液体检测器A18所对应的有效采样点数N′，即得出微体积：
ΔV＝V′/N′
具体的标定流程如下：
程序控制多通道选向阀16选择进液通道，此时管路与液体接通，打开电磁截止阀17，蠕动泵21开始从管路中抽取空气，在气压的作用下，液体流入管道，经过储液环19，当液体检测器B20检测到液体时，关闭电磁隔离阀17，蠕动泵21停止运转，此时程序扫描到液体检测器A18所对应的有效采样点数值为N′。
多通道选向阀16选择排液通道，打开电磁隔离阀17，蠕动泵反转，向管路内吹气，将管路中液体全部推入高精度天平或其他标准液体计量装置中进行测量，测得管路中液体总体积为VM。
由于测得多通道选向阀16与液体检测器A18之间的液体体积为V0，则两个液体检测器AB之间管路的体积V′为
V′＝VM-V0 (5)
则微体积ΔV为：
ΔV＝V′/N′ (6)
微体积标定，主要用于首次确定1个计数点对应的液体体积。在计量和标定的过程中，泵液流速必须保持一致且稳定。根据实际测试情况，如果取液精度出现偏差，或泵液流速变化，需要进行修正标定。
相对现有的取液计量装置及方法，本发明具有如下优势：
1.该方法仍然基于泵液匀速的前提，但取液体积的计量方法为记录液体检测器有效的周期采样点数(即检测到液体的点数)，即以数字离散的方式计算有效取液时间序列段之和，亦即液体有效流经液体检测器的时间，能够有效甄别气泡，可以有效避免现有连续计时方法(图1)因管道中气泡带来的误差，程序控制简单；
2.通过更改采样周期可以得到不同的取样精度，周期越小，精度越高，采用一对液体检测器进行自标定，可在程序中控制定期进行标定，可保证系统工作稳定可靠；
3.作为优选，可采用储液环替代专用液体存储装置，以降低系统的复杂性，有利于减小系统的体积；
4.采用该计量方法，泵只流空气，始终没有机会与液体或试剂接触，不会受到腐蚀。这样可保证泵较长的使用寿命。
5.改变储液环的长度，可以使取样体积在较大的可扩展范围内连续设定，装置重用性高，计量效率高，有利于缩短仪器开发周期，降低成本。
6.在阀单元管路通道切换选择时，电磁截止阀可以用于防止储液单元内的液体由于压力变化引起回流，从而造成计量不准确或者不同试剂之间的交叉污染。
7.液体检测器B20用于计量过程中微体积参数的标定，也限定了取液的最大上限，起到报警保护的功能。
本发明这里公开的实施例是示例性的，其仅是为了对本发明进行解释说明，而并不是对本发明的限制，例如：泵不限于蠕动泵，也可以是注射泵、柱塞泵；阀单元不限于多通道选向阀，也可以是联排的电磁阀；电磁截止阀不限于电磁隔离阀，也可以是夹管阀；储液单元不限于储液环，也可以是储液管等其它形式的储液装置；液体检测器不限于非接触式管内液体检测器，也可以是其它形式的液体检测器。本领域技术人员能够理解，这些可以预见的改良和扩展都包含在本发明的保护范围之内。