水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究

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第 10卷 第 6期2012 .I2 n实验科学与技术Experiment Science and TechnologyV0I.10 No.6Dec.20l2水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究陈松柏，温志渝，魏康林，郭 建(重庆大学 新型微纳器件 系统技术国防重点学科实验窒，重庆 400044)摘要：多参数水质监测仪流路取样由蠕动泵完成，其取样的稳定性直接关系到测试结果的准确度。论文针对蠕动泵输送精度、输送稳定性和使用寿命 ，模拟水质监测仪取样流路，测量了蠕动泵对特定体积的输送精度和多次更换蠕动泵管后重复输送的体积以及连续运转蠕动泵输送精度随时间的变化情况。实验结果表明蠕动泵取样误差小于2 ，三次更换泵管后取样结果来自同-样本(可信度98 )，泵管连续使用寿命可达 l5天。

关 键 词：蠕动泵 ；电子天平；精确度；假设检验；重复性；使用寿命中图分类号：TH3 文献标志码 ：A doi：10.3969/j.issn.1672-4550.2012.06.006Study on the Stability of M icro-peristaltic Pump Used forWater Quality MonitoringCHEN Song-hai，WEN Zhi-yu，WEI Kang-lin，GUO Jian(National Defence Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and Syslem Technology，Chongqing University，Chongqing 4OOO44，China)Abstract：Sampling mechanism of multi parameter water quality monitoring instrument is mainly composed of a peristaltic pump，itssampling stability is direct]Y related to the accuracy of test results.To study the delivery precision，repeatability and operation life of aperistaltic pump.a water quality monitor sampling f]OW path was simulated.The experimental results show that the peristaltic pumpsampling error is less than 2 ，the replacement of the pump tube has no effect on the precision of sample(98 credibility)，contin-UOIS operation l ife of pump tuhe is 1 5 days。

Key words：micro-peristaltiC pump；elertrotlic balance；accuracy；hypothesis testing；repeatability；operation life多参数水质监测仪是水环境监测技术的主要设备，为水资源的保护、监督管理提供有力的支持手段 。流路进样系统是水质监测仪关键技术之-， 日前用于获褥测样品与试剂的设备主要是注射泵和蠕动泵。注射泵取样精度很高，但其价格昂贵H体积相对较大、功耗高，因而没有得到普及。

蠕动泵是用于精确输送液体体积的装置，其突出的特点是计量的准确性和超强的自吸能力。其流量范围-般 为 0.000 2-8 000 L/h，压力 不超 过0.35 MPa 。蠕动泵相对前者而言体积与功耗要懈倍甚至十儿倍， 且价格低廉，是仪器微型化的发展趋势。作为分析仪器的核心器件之-，蠕动泵广泛应用于生化分析、医疗救护、水质监测等领域，其取样精确度直接关系到仪器的监测结果，影响操作者的决策，本文就多参数水质监测仪微型蠕动泵的取样精确度、重复性和使用寿命进行 J，实验研究，为多参数水质监测仪的设计提供流路进样试收稿日期：2011-O1～13：修改日期：2012-04-11基金项目：三峡库区环境监测微系统项目资助(2) DF000C∞)。

作者简介：陈松柏(1984-)，男，硕士研究生，研究方向：嵌入式应用程序设计。

l 蠕动泵输送精度验证模拟水质监测试验中蠕动泵取样流路系统，搭建如图 1所示试验平台。测试原理是微型步进电机蠕动泵(KAMOER KPP5DC12BL型)通过流路抽取- 定体积的蒸馏水，然后用电子天平称测试在-定步数下微型步进电机蠕动泵进样量。蠕动泵由单片机进行控制，其控制程序中的转动步数与蠕动泵进样量呈线性关系。多位阀用来模拟实际操作中的多种试剂之间流路切换系统。由于蒸馏水的密度非常接近 1 m mL，因此可以通过称量所抽取蒸馏水的质量来验证流路进样的精确度。表 1是 1 rnL蒸馏水的进样精确度测试结果。

蠕动泵直流电源单片机图1 蠕动泵输送精度测试平台电子天平多位阀蒸馏水· 16· 实验科学与技术 2012年 12月r- - - 3- - 组间差平方和S ∑ni(yi-，) 5∑( - 3 泵管使用寿命的研究 1 ：10.990) 0.000 021，自由度 r-12；组内差平方和S ∑∑( -yi) ∑∑(yIj- ) 0.001 47，自由度 n-r15-3：12。

假设 ： 2 H1 ： 2 ≠0-2(i1，2，3)，在 未知条件下有(n -1)s2 ～ (n -1)，当风 成立时，其拒绝域为：Ks / >(1/(5-1))99(5-1)或s / <(1/(5-1) .。(5-1)，取 0.02。对第-个假设，拒绝域K S/o- >(1/(5-1)) .9(5-1)3.32或S/o- <(1/(5-1)) 。(5-1)0.075，计算得到：5 (1/(n-1))∑(置 - ) (1/(5-1))∑ (置-0.99) 0.000 10 5， Js /(n-r)0.O0 147/120.000 123，S/o- 0.817 1，可见统计量落在接受域内，则无理由拒绝 成立，即 (可信度为98 )。由于每组测量数据都是5个数据，假设二和假设三的拒绝域分别为：K2：S/o- >3.32或S/o- 3.32或 S/o- <0.075对假设二，s，2/ 0.997，统计量在拒绝域外；对假设 三 .s2 / 0.804 9，统计量落在拒绝域外，故有 ； ， 据此认为表 2中的三组数据方差无显著差异(可信度98 ) ]。

鉴于以上分析结果，假设 ：IX tx：IX，， ： 。， ， 不全相等，有 的拒绝域为K ；F要 -1 要 >F -c r- ，n-r 5/( -)s。 。。 。

( 0.01)，查表计算得F /s ：0.085 71<0，(3-1，15-3)6.93，则无理由怀疑 ，即有 。 ： ， ，据此可得表 2中的三组数据均值无显著差异。因次推断表 2数据不存在系统误差，三组数据没有明显差异，是来自同-满足正态分布的样本数据(可信度为98 )。

从表2试验数据的统计分析可以看出，如果把在同-根泵管的前、中、后三段截取的泵管先后安装在同-微型步进电机蠕动泵上，对流路的进样精确度没有任何影响，即蠕动泵在使用中更换泵管不影响流路的精确进样功能。

蠕动泵管常用材料为硅胶，硅胶管具有稳定的化学性质，较高的机械强度，而且热稳定性好，在高温200℃ ～300℃以下仍可以使用，在 -60℃ ～- 70C不发脆。长期在空气中不发粘，不龟裂，表面活性好、不降解，因此硅橡胶被认为是蠕动泵管的最佳材料 J。蠕动泵输送液体的原理是靠转子连接的滚轮不断挤压泵管，利用滚轮和泵头之间的压力来连续输送液体的。

用于水质监测设备的蠕动泵需要在腐蚀环境下长期运转，尤其是多参数水质监测设备，蠕动泵管接触腐蚀性试剂更多，连续运转时间更长，硅胶管在腐蚀环境中长期受高强度挤压，势必影响其挤压后的自弹恢复性(回复挤压前的内腔饱满状态)，影响管道内径均匀性，进而影响蠕动泵的输送精度。因此，需要研究泵管的使用寿命，来定期进行更换，以免影响水质监测结果，造成环境管理决策的失误 。

由于泵管受损后主要影响其自弹恢复性，使得内径变小，影响其取样速度(或流量L/h)，因此可以用蠕动泵使用过程中的流量变化情况来监测泵管是否受损。图 3是蠕动泵在 l/2细分，泵管规格2 mm×4 mm硅胶管，30 r/m恒定转速的条件下，流量随时问的变化曲线。

泵管流量随使用天数的变化曲线0 I， ～0 l0 l0 1- 0 10 1Ⅲ0 10 10 10 10 l0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 ll12 I3l4l516 1 7l8l9 20 2l 22 23 24252627时 ，d l6天 流量0.1 52L/h，十兀 l9人 流量 0.149L/h，棚对误差 5.0X 刈误差6. 88X图3 泵管流量与连续使用时间关系曲线由图3可以看出，蠕动泵流量变化趋势是随着运转时间的增加而不断下降的。当蠕动泵连续运转时间16天后，其流量误差达到5.0 ，19天后流量下降到0149 L/h，误差达到6.88%。由于环境水质监测试验要求取样的高精确度，以保证测量结果的准确性，蠕动泵取样精确度误差须控制在5 以内 。因此蠕动泵的连续运转时间要控制在 16天内，也即当蠕动泵的累加使用时间达到半个月就要更换-次新的泵管，才能保证其取样的相对偏差不大于5 。

第 10卷 第6期 陈松柏，等：水质监测微型蠕动泵稳定性实验研究 .17。

4 结束语为了满足多参数水质监测仪对取样高稳定性的要求，模拟了其取样流路系统，对蠕动泵输送精度、精度重复性和使用寿命(主要是泵管寿命的限制)三方面进行了验证♂果证明其具有较高的输送精度和取样精度的重复性(更换泵管不影响蠕动泵输送液体的高精确度)，并验证硅胶管用于环境水质监测中的蠕动泵时，连续使用周期(或累加运转时间)不超过 l5天。