一种船舶锅炉水总硬度快速检测装置及方法与流程

本发明涉及化工检测领域，具体的说是涉及一种船舶锅炉水总硬度快速检测装置及方法。

背景技术：

船舶锅炉水总硬度即水中含有钙离子和镁离子的浓度，是船舶锅炉水的一个重要监测指标，其准确快速测量对于船上人员的日常生活、人体健康和工业生产等具有十分重要的意义。具体的，由于钙离子和镁离子形成的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等易在锅炉受热面上形成水垢，而水垢的导热系数很小，会导致锅炉的效率降低，燃料消耗增加，严重时管子堵塞，还会将受热面管子烧坏；另外，结垢后往往会促使电化学作用加强，从而引起所谓的“垢下腐蚀”，加速受热面管子的腐蚀。因此，船舶锅炉水硬度快速检测装置和方法一直被人们广为关注。

目前，船舶锅炉水硬度检测的方法主要有以下几种形式：

1)EDTA络合滴定法：该方法是在一定条件下，以铬黑T为指示剂，NH₃·H2O－NH₄Cl为缓冲溶液，EDTA与钙、镁离子形成稳定的配合物，从而测定水中钙、镁总量；但是该方法易产生指示剂加入量、指示终点与计量点、人工操作者对终点颜色的判断等误差；

2)分光光度法：该方法是基于朗伯－比耳定律对元素进行定性定量分析,通过吸光强度值定量地确定元素离子的浓度值；该方法应用于水硬度的测定，具有灵敏度较高、操作简便快速的优点，但是选择合适的显色剂成为方法成功的关键，此外，它需要分光光度计进行检测，不能实现现场便携检测；

3)离子色谱法：该方法是将改进后的电导检测器安装在离子交换树脂柱的后面，以连续检测色谱分离的离子的方法；离子色谱法测定水中钙、镁的浓度，通过计算得到水中硬度。该方法可以避免复杂的前处理，准确度高，但它需要昂贵的检测设备——离子色谱仪；

4)原子吸收法：该方法是待测元素灯发出的特征谱线通过供试品经原子化产生的原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，通过测定辐射光强度减弱的程度，求出供试品中待测元素的含量。该方法准确可靠、简便快速，但它需要昂贵的检测设备——原子吸收仪；

5)自动电位滴定法：该方法是依据待测离子的活度与其电极电位之间的关系遵守能斯特方程，通过测量滴定过程中电池电动势的变化确定终点的滴定分析方法；该方法具有快速简单，结果准确可靠，重现性好的特点，但是它需要专业的检测设备——自动电位滴定仪，不能实现现场检测。

综上所述，目前应用的锅炉水总硬度检测装置和方法都具有一定的局限性，不能很好的适用于高灵敏度、快速简便和现场便携检测的船舶锅炉水总硬度检测需求。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种新型的船舶锅炉水总硬度快速检测装置，该装置能够实现船舶锅炉水总硬度的快速、准确检测和现场检测，有效提高了船舶锅炉水总硬度测量的准确度、灵敏度和便携度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种船舶锅炉水总硬度快速检测装置，其特征在于，所述装置具有：

注射泵，该注射泵用于给微流控芯片输送待检水样；

连接所述注射泵的微流控芯片，该微流控芯片用于捕获待检水样中的钙镁离子，并采集捕获过程中所产生的电压信号；

通过参考电阻连接所述微流控芯片的差分放大电路，该差分放大电路用于将所述电压信号放大后发送至数据采集卡；

连接所述差分放大电路的数据采集卡，该数据采集卡用于采集放大后的电压信号并发送给显示器；

以及连接数据采集卡的显示器，该显示器用于将所述放大后的电压信号转化为水样的总硬度数据并显示。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述微流控芯片具有：

底片、被设置于所述底片上的微流控基片以及被设置于所述底片与微流控基片之间的检测电极；

所述微流控基片包括凹刻有样品通道的PDMS芯片层、被设置于检测电极上方的PDMS涂层以及被设置于所述检测电极与样品通道重叠区域所对应的PDMS涂层上的捕获层。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述检测电极采用铜电极。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述捕获层采用EDTA吸附层。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述差分放大电路采用AD620差分放大电路。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述船舶锅炉水总硬度快速检测装置的检测方法，以有效提高船舶锅炉水总硬度测量的准确度、灵敏度和便携度。

一种船舶锅炉水总硬度快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过注射泵给微流控芯片输送待检水样；

步骤2、通过微流控芯片捕获待检水样中的钙镁离子，并采集捕获过程中所产生的电压信号；

步骤3、通过差分放大电路将电压信号放大后发送至数据采集卡；

步骤4、通过数据采集卡采集放大后的电压信号并发送给显示器；

步骤5、通过显示器将所述放大后的电压信号转化为水样的总硬度数据并显示。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述微流控芯片具有：

底片、被设置于所述底片上的微流控基片以及被设置于所述底片与微流控基片之间的检测电极；

所述微流控基片包括凹刻有样品通道的PDMS芯片层、被设置于检测电极上方的PDMS涂层以及被设置于所述检测电极与样品通道重叠区域所对应的PDMS涂层上的捕获层。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述检测电极采用铜电极。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述捕获层采用EDTA吸附层。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述差分放大电路采用AD620差分放大电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过具有EDTA吸附层的微流控芯片捕获并检测水样中的钙、镁离子的浓度信号所对应的电压信号，来实现船舶锅炉水总硬度的快速、准确检测和现场检测，有效提高了船舶锅炉水总硬度测量的准确度、灵敏度和便携度。

附图说明

图1为本发明所述船舶锅炉水总硬度快速检测装置的组成原理图；

图2为本发明所述船舶锅炉水总硬度快速检测装置的微流控芯片的结构示意图；

图3为本发明所述船舶锅炉水总硬度快速检测装置的微流控芯片的纵向剖视结构示意图；

图4为本发明所述船舶锅炉水总硬度快速检测装置的微流控芯片的横向剖视结构示意图。

图5为本发明所述船舶锅炉水总硬度快速检测方法步骤流程图。

图中：1、注射泵，2、微流控芯片，21、PDMS基片，22、PDMS涂层，23、底片，24、EDTA吸附层，25、检测铜电极，3、差分放大电路，4、数据采集卡，5、显示器，R、参考电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种船舶锅炉水总硬度快速检测装置，其具有注射泵1、微流控芯片2、差分放大电路3、数据采集卡4以及显示器5；

注射泵1用于用给微流控芯片2输送船舶锅炉水待测水样；所述注射泵1的排出口连接在微流控芯片2的样品通道入口处；

微流控芯片2连接所述注射泵1，用于捕获所述注射泵1输送水样中的钙镁离子，采集其浓度转化所对应的电压信号后发送至差分放大电路3；

差分放大电路3通过一个参考电阻R连接所述微流控芯片2，用于将所述压力信号放大后发送给数据采集卡4；

数据采集卡4连接所述差分放大电路3，用于采集放大后的电压信号并发送给显示器5；

显示器5连接数据采集卡4，用于将所述放大后的电压信号转化为水样的总硬度并显示。

进一步的，如图2、图3和图4所示，所述微流控芯片为集成有样品通道和检测铜电极25的微流控芯片，具体的其包括：

底片23、被设置于所述底片23上的微流控基片-PDMS基片21以及被设置于所述底片与微流控基片之间的检测电极-铜电极；所述微流控基片包括凹刻有样品通道的PDMS芯片层、被设置于检测电极上方的PDMS涂层以及被设置于所述检测电极与样品通道重叠区域所对应的PDMS涂层上的捕获层；

其中，所述检测铜电极25粘贴在底片23上；

所述PDMS涂层22其厚度可以为几百微米厚，优选的其可通过在所述检测铜电极25所在区域上方旋涂有一层几百微米厚的PDMS涂层获得；

所述捕获层优选采用在对应的PDMS涂层上吸附有钙镁离子螯合剂EDTA以构成用来捕获船舶锅炉水样中的钙、镁离子的EDTA吸附层24。PDMS涂层22表面吸附有EDTA，则此时PDMS涂层22表面的电势计为V₀；当含有钙镁离子的船舶锅炉水水样流经PDMS涂层22表面时，EDTA会与钙镁离子相结合，生成螯合物，从而会改变PDMS涂层22表面的电势(此时的电势计为V₁)。在该过程中的这种电势变化，由PDMS涂层22下方的检测铜电极25检测，同时由于检测铜电极25探查到的电势变化与水样中钙镁离子浓度成正比，则可以方便快捷地实现船舶锅炉水水样中钙镁离子浓度的检测，其中水样中钙镁离子浓度与电势变化量关系曲线可通过实验获得，本例不再赘述。上述检测过程的工作原理为电容充放电的原理，EDTA吸附层与检测铜电极相当于电容器的两个电极，中间隔着的PDMS涂层相当于电解质。

如图5所示对应的本发明具体检测过程如下：

步骤1、通过注射泵给微流控芯片输送待检水样；

步骤2、通过微流控芯片捕获待检水样中的钙镁离子，并采集捕获过程中所产生的电压信号；

步骤3、通过差分放大电路将电压信号放大后发送至数据采集卡；所述差分放大电路采用AD620差分放大电路；

步骤4、通过数据采集卡采集放大后的电压信号并发送给显示器；

步骤5、通过显示器将所述放大后的电压信号转化为水样的总硬度数据并显示。

进一步的，作为本发明的优选方案

所述微流控芯片具有：

底片、被设置于所述底片上的微流控基片以及被设置于所述底片与微流控基片之间的检测电极；所述检测电极采用铜电极；

所述微流控基片包括凹刻有样品通道的PDMS芯片层、被设置于检测电极上方的PDMS涂层以及被设置于所述检测电极与样品通道重叠区域所对应的PDMS涂层上的捕获层。所述捕获层采用EDTA吸附层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。