本發(fā)明涉及化工檢測領(lǐng)域，具體的說是涉及一種船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

船舶鍋爐水總硬度即水中含有鈣離子和鎂離子的濃度，是船舶鍋爐水的一個重要監(jiān)測指標(biāo)，其準(zhǔn)確快速測量對于船上人員的日常生活、人體健康和工業(yè)生產(chǎn)等具有十分重要的意義。具體的，由于鈣離子和鎂離子形成的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽等易在鍋爐受熱面上形成水垢，而水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小，會導(dǎo)致鍋爐的效率降低，燃料消耗增加，嚴(yán)重時管子堵塞，還會將受熱面管子燒壞；另外，結(jié)垢后往往會促使電化學(xué)作用加強，從而引起所謂的“垢下腐蝕”，加速受熱面管子的腐蝕。因此，船舶鍋爐水硬度快速檢測裝置和方法一直被人們廣為關(guān)注。

目前，船舶鍋爐水硬度檢測的方法主要有以下幾種形式：

1)EDTA絡(luò)合滴定法：該方法是在一定條件下，以鉻黑T為指示劑，NH₃·H2O－NH₄Cl為緩沖溶液，EDTA與鈣、鎂離子形成穩(wěn)定的配合物，從而測定水中鈣、鎂總量；但是該方法易產(chǎn)生指示劑加入量、指示終點與計量點、人工操作者對終點顏色的判斷等誤差；

2)分光光度法：該方法是基于朗伯－比耳定律對元素進(jìn)行定性定量分析,通過吸光強度值定量地確定元素離子的濃度值；該方法應(yīng)用于水硬度的測定，具有靈敏度較高、操作簡便快速的優(yōu)點，但是選擇合適的顯色劑成為方法成功的關(guān)鍵，此外，它需要分光光度計進(jìn)行檢測，不能實現(xiàn)現(xiàn)場便攜檢測；

3)離子色譜法：該方法是將改進(jìn)后的電導(dǎo)檢測器安裝在離子交換樹脂柱的后面，以連續(xù)檢測色譜分離的離子的方法；離子色譜法測定水中鈣、鎂的濃度，通過計算得到水中硬度。該方法可以避免復(fù)雜的前處理，準(zhǔn)確度高，但它需要昂貴的檢測設(shè)備——離子色譜儀；

4)原子吸收法：該方法是待測元素?zé)舭l(fā)出的特征譜線通過供試品經(jīng)原子化產(chǎn)生的原子蒸氣時，被蒸氣中待測元素的基態(tài)原子所吸收，通過測定輻射光強度減弱的程度，求出供試品中待測元素的含量。該方法準(zhǔn)確可靠、簡便快速，但它需要昂貴的檢測設(shè)備——原子吸收儀；

5)自動電位滴定法：該方法是依據(jù)待測離子的活度與其電極電位之間的關(guān)系遵守能斯特方程，通過測量滴定過程中電池電動勢的變化確定終點的滴定分析方法；該方法具有快速簡單，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，重現(xiàn)性好的特點，但是它需要專業(yè)的檢測設(shè)備——自動電位滴定儀，不能實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。

綜上所述，目前應(yīng)用的鍋爐水總硬度檢測裝置和方法都具有一定的局限性，不能很好的適用于高靈敏度、快速簡便和現(xiàn)場便攜檢測的船舶鍋爐水總硬度檢測需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種新型的船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)船舶鍋爐水總硬度的快速、準(zhǔn)確檢測和現(xiàn)場檢測，有效提高了船舶鍋爐水總硬度測量的準(zhǔn)確度、靈敏度和便攜度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置，其特征在于，所述裝置具有：

注射泵，該注射泵用于給微流控芯片輸送待檢水樣；

連接所述注射泵的微流控芯片，該微流控芯片用于捕獲待檢水樣中的鈣鎂離子，并采集捕獲過程中所產(chǎn)生的電壓信號；

通過參考電阻連接所述微流控芯片的差分放大電路，該差分放大電路用于將所述電壓信號放大后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡；

連接所述差分放大電路的數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡用于采集放大后的電壓信號并發(fā)送給顯示器；

以及連接數(shù)據(jù)采集卡的顯示器，該顯示器用于將所述放大后的電壓信號轉(zhuǎn)化為水樣的總硬度數(shù)據(jù)并顯示。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述微流控芯片具有：

底片、被設(shè)置于所述底片上的微流控基片以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極；

所述微流控基片包括凹刻有樣品通道的PDMS芯片層、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上的捕獲層。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述檢測電極采用銅電極。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述捕獲層采用EDTA吸附層。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述差分放大電路采用AD620差分放大電路。

本發(fā)明的另一目的是要提供一種基于上述船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置的檢測方法，以有效提高船舶鍋爐水總硬度測量的準(zhǔn)確度、靈敏度和便攜度。

一種船舶鍋爐水總硬度快速檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、通過注射泵給微流控芯片輸送待檢水樣；

步驟2、通過微流控芯片捕獲待檢水樣中的鈣鎂離子，并采集捕獲過程中所產(chǎn)生的電壓信號；

步驟3、通過差分放大電路將電壓信號放大后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡；

步驟4、通過數(shù)據(jù)采集卡采集放大后的電壓信號并發(fā)送給顯示器；

步驟5、通過顯示器將所述放大后的電壓信號轉(zhuǎn)化為水樣的總硬度數(shù)據(jù)并顯示。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述微流控芯片具有：

底片、被設(shè)置于所述底片上的微流控基片以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極；

所述微流控基片包括凹刻有樣品通道的PDMS芯片層、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上的捕獲層。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述檢測電極采用銅電極。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述捕獲層采用EDTA吸附層。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述差分放大電路采用AD620差分放大電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過具有EDTA吸附層的微流控芯片捕獲并檢測水樣中的鈣、鎂離子的濃度信號所對應(yīng)的電壓信號，來實現(xiàn)船舶鍋爐水總硬度的快速、準(zhǔn)確檢測和現(xiàn)場檢測，有效提高了船舶鍋爐水總硬度測量的準(zhǔn)確度、靈敏度和便攜度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置的組成原理圖；

圖2為本發(fā)明所述船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置的微流控芯片的縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置的微流控芯片的橫向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明所述船舶鍋爐水總硬度快速檢測方法步驟流程圖。

圖中：1、注射泵，2、微流控芯片，21、PDMS基片，22、PDMS涂層，23、底片，24、EDTA吸附層，25、檢測銅電極，3、差分放大電路，4、數(shù)據(jù)采集卡，5、顯示器，R、參考電阻。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，一種船舶鍋爐水總硬度快速檢測裝置，其具有注射泵1、微流控芯片2、差分放大電路3、數(shù)據(jù)采集卡4以及顯示器5；

注射泵1用于用給微流控芯片2輸送船舶鍋爐水待測水樣；所述注射泵1的排出口連接在微流控芯片2的樣品通道入口處；

微流控芯片2連接所述注射泵1，用于捕獲所述注射泵1輸送水樣中的鈣鎂離子，采集其濃度轉(zhuǎn)化所對應(yīng)的電壓信號后發(fā)送至差分放大電路3；

差分放大電路3通過一個參考電阻R連接所述微流控芯片2，用于將所述壓力信號放大后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡4；

數(shù)據(jù)采集卡4連接所述差分放大電路3，用于采集放大后的電壓信號并發(fā)送給顯示器5；

顯示器5連接數(shù)據(jù)采集卡4，用于將所述放大后的電壓信號轉(zhuǎn)化為水樣的總硬度并顯示。

進(jìn)一步的，如圖2、圖3和圖4所示，所述微流控芯片為集成有樣品通道和檢測銅電極25的微流控芯片，具體的其包括：

底片23、被設(shè)置于所述底片23上的微流控基片-PDMS基片21以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極-銅電極；所述微流控基片包括凹刻有樣品通道的PDMS芯片層、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上的捕獲層；

其中，所述檢測銅電極25粘貼在底片23上；

所述PDMS涂層22其厚度可以為幾百微米厚，優(yōu)選的其可通過在所述檢測銅電極25所在區(qū)域上方旋涂有一層幾百微米厚的PDMS涂層獲得；

所述捕獲層優(yōu)選采用在對應(yīng)的PDMS涂層上吸附有鈣鎂離子螯合劑EDTA以構(gòu)成用來捕獲船舶鍋爐水樣中的鈣、鎂離子的EDTA吸附層24。PDMS涂層22表面吸附有EDTA，則此時PDMS涂層22表面的電勢計為V₀；當(dāng)含有鈣鎂離子的船舶鍋爐水水樣流經(jīng)PDMS涂層22表面時，EDTA會與鈣鎂離子相結(jié)合，生成螯合物，從而會改變PDMS涂層22表面的電勢(此時的電勢計為V₁)。在該過程中的這種電勢變化，由PDMS涂層22下方的檢測銅電極25檢測，同時由于檢測銅電極25探查到的電勢變化與水樣中鈣鎂離子濃度成正比，則可以方便快捷地實現(xiàn)船舶鍋爐水水樣中鈣鎂離子濃度的檢測，其中水樣中鈣鎂離子濃度與電勢變化量關(guān)系曲線可通過實驗獲得，本例不再贅述。上述檢測過程的工作原理為電容充放電的原理，EDTA吸附層與檢測銅電極相當(dāng)于電容器的兩個電極，中間隔著的PDMS涂層相當(dāng)于電解質(zhì)。

如圖5所示對應(yīng)的本發(fā)明具體檢測過程如下：

步驟1、通過注射泵給微流控芯片輸送待檢水樣；

步驟2、通過微流控芯片捕獲待檢水樣中的鈣鎂離子，并采集捕獲過程中所產(chǎn)生的電壓信號；

步驟3、通過差分放大電路將電壓信號放大后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡；所述差分放大電路采用AD620差分放大電路；

步驟4、通過數(shù)據(jù)采集卡采集放大后的電壓信號并發(fā)送給顯示器；

步驟5、通過顯示器將所述放大后的電壓信號轉(zhuǎn)化為水樣的總硬度數(shù)據(jù)并顯示。

進(jìn)一步的，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述微流控芯片具有：

底片、被設(shè)置于所述底片上的微流控基片以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極；所述檢測電極采用銅電極；

所述微流控基片包括凹刻有樣品通道的PDMS芯片層、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上的捕獲層。所述捕獲層采用EDTA吸附層。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。