实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统

摘要

本发明涉及实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统。包括实验用水储罐、溶液配制模块、硝酸储罐、硒标准储备液配制模块、硒标准中间液配制模块、硒标准使用液配制模块、控制箱，包括电源模块和控制模块，电源模块和控制模块分别与各搅拌装置、电磁开关阀、液位计、恒温水浴装置以及温度检测传感器电路连接，根据各液位计及温度检测传感器反馈信息经过计算后控制各搅拌装置、电磁开关阀和恒温水浴装置执行相应动作。本发明通过将传统各类溶液的配置时比较复杂流程通过自动化设备实现，按照设定的程序控制各个执行模块按照设定程序执行，大大提高自动化程度，节省了大量的时间和人力，省时省力、错误率低、质量稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统。

背景技术

硒是人体必需的微量元素之一，可以用作光敏材料、电解锰行业催化剂、动物体必需的营养元素和植物有益的营养元素。它在食物中的含量取决于不同地域土壤中的硒含量，只要土壤中富含硒，那么从中生长的食物必然会含有硒元素。科学普查结果表明，土壤中硒含量高的地区，所在人群的癌症发病率明显比含硒量低的地区更低。研究表明防治癌症的有效措施为补硒，因为硒参与集体抗氧化和能力代谢，通过补硒可在调节免疫、抵制细胞突变、防止癌症的发生等方面起到十分重要的作用。农家肥是指在农村中收集、积制和栽种的各种有机肥料。如人粪尿、厩肥、堆肥、绿肥、泥肥、草木灰等。一般能供给作物多种养分和改良土壤性质，农家肥的种类繁多而且来源广、数量大，便于就地取材，就地使用，成本也比较低。有机肥料的特点是所含营养物质比较全面，它不仅含有氮、磷、钾，而且还含有钙、镁、硫、铁以及硒等微量元素。一些地区中，农家肥的使用不可或缺，由于农家肥的来源广的特点，其中硒的含量是各不相同的，因此，对于农家肥中硒元素的含量的测量具有重要意义。

农家肥中含硒量的检验方法一般采用微波消解/原子荧光法，主要步骤是取样、消解/溶解、做曲线、仪器做样，其核心原理是样品经微波消解后试液进入原子荧光光度计，在硼氢化钾溶液还原作用下，生成硒化氢气体。在氩氢火焰中形成基态原子，在元素灯发射光的激发下产生原子荧光，原子荧光强度与试液中元素含量成正比。

现有技术中，对于实验中使用的各类溶液的配置全部采用人工操作，称量、精确添加、搅拌、转移、控温等过程需要进行反复操作，稍有不慎导致配置不合适时又要重复进行手工操作，而且有些溶液需要用时现配，具有时效性，操作太缓慢导致溶液失效后也需要重复配置，繁琐费事、自动化程度低且质量不易把控。

发明内容

本发明的目的是提供一种实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统，以解决现有技术在进行各类所需溶液的配置时费时费力、繁琐费事、自动化程度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明的实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统采用如下技术方案：实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统包括：

实验用水储罐，包括高度远大于直径的储水罐体，储水罐体为等径的圆柱体，储水罐体上部设有用于检测储水罐体内液位的第一液位计，储水罐体上部设有进水口，下部设有出水口；

溶液配制模块，有两个，分别用于配制硼氢化钾溶液和硫脲-抗坏血酸混合溶液，包括第一配制桶，第一配制桶上设有第一搅拌装置，第一配制桶的上部具有第一加料口和第一注水口，所述出水口与第一注水口之间连接有第一注水管，第一注水管上设有第一电磁开关阀；

硝酸储罐，包括高度远大于直径的硝酸罐体，硝酸罐体为等径的圆柱体，硝酸罐体上部设有用于检测硝酸罐体内液位的硝酸液位计，硝酸罐体上部设有硝酸进口、下部设有硝酸出口；

硒标准储备液配制模块，包括第二配制桶，第二配制桶上设有第二搅拌装置，第二配制桶的上部具有第二加料口、第二注水口和硝酸加注口，所述出水口与第二注水口之间连接有第二注水管，硝酸出口与硝酸加注口之间连接有硝酸加注管，第二注水管上和硝酸加注管上分别设有第二电磁开关阀，第二配制桶上设有用于检测其内液位的第二液位计，第二配制桶的下部内腔中设有温度检测传感器，硒标准储备液配制模块还包括恒温水浴装置，第二配制桶放置在恒温水浴装置上，第二配制桶下部设有储备液出口；

硒标准中间液配制模块，包括第三配制桶，第三配制桶上设有第三搅拌装置，第三配制桶的上部具有第三注水口和储备液加注口，出水口与第三注水口之间连接有第三注水管，储备液加注口与储备液出口之间连接有储备液加注管，储备液加注管穿过所述恒温水浴装置，第三注水管和储备液加注管上分别设有第三电磁开关阀，第三配制桶上设有用于检测其内液位的第三液位计，第三配制桶下部设有中间液出口；

硒标准使用液配制模块，包括第四配制桶，第四配制桶上设有第四搅拌装置，第四配制桶的上部具有第四注水口和中间液加注口，出水口与第四注水口之间连接有第四注水管，中间液加注口与中间液出口之间连接有中间液加注管，第四注水管和中间液加注管上分别设有第四电磁开关阀，第四配制桶上设有用于检测其内液位的第四液位计，第四配制桶下部设有使用液出口；

控制箱，包括电源模块和控制模块，电源模块和控制模块分别与各搅拌装置、电磁开关阀、液位计、恒温水浴装置以及温度检测传感器电路连接，根据各液位计及温度检测传感器反馈信息经过计算后控制各搅拌装置、电磁开关阀和恒温水浴装置执行相应动作。

进一步地，第一液位计和硝酸液位计选用超声波液位传感器。该液位传感器能够确保液位的检测更精准、相应速度较高。

进一步地，第二、第三、第四液位计选用超声波液位传感器。该液位传感器能够确保液位的检测更精准、相应速度较高。

进一步地，储水罐体和硝酸罐体的高度与直径的比值不低于10:1。细长的容器与液位计配合检测变化体积时，由于液位变化的误差与截面积的乘积更小，因此可以尽可能的减小误差，使得配制的溶液精度更高。

进一步地，第二、第三、第四配制桶的高度与直径的比值不低于10:1。细长的容器与液位计配合检测变化体积时，由于液位变化的误差与截面积的乘积更小，因此可以尽可能的减小误差，使得配制的溶液精度更高。

进一步地，各搅拌装置均包括搅拌桨和搅拌电机，各搅拌桨以从上而下的方式插入对应的配制桶内。可方便拆卸。

进一步地，各配制桶具有桶盖，各搅拌装置固定安装在对应的桶盖上。

进一步地，各加料口设置在对应的桶盖上，各加料口处设置有封盖。

进一步地，控制模块控制各电磁开关阀时，同一时间下，位于各根注水管上的电磁开关阀仅能有一个处于开启状态。确保对于加注量的检测结果更精准。

进一步地，实验开始前，各加注管和注水管先进行排气操作以使管路中充满对应的液体。避免管路中空气存在而导致实验误差变大。

本发明的有益效果：本发明通过将传统各类溶液的配置时比较复杂和耗费时间的流程全部通过自动化设备实现，由控制模块控制根据各检测模块反馈的信息，按照设定的程序控制各个执行模块按照设定程序执行，通过各高精的液位计监测液位变化差值，并根据截面积等计算出流出的液体的体积或者容器内现有的液体的体积，从而自动控制对应的各执行模块动作，以完成原本由人工操作的步骤，整个系统仅固体物料的称量和加注需要手工操作，其余包括液体的加注、加注量的监控、搅拌、温控、移取等步骤全部由系统自动完成，大大提高自动化程度，节省了大量的时间和人力，省时省力、错误率低、质量稳定。

附图说明

图1是发明的一种实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统的系统原理示意图；

图2是溶液配制模块的原理示意图；

图3是硒标准储备液配制模块的原理示意图；

图4是硒标准中间液配制模块的原理示意图；

图中：1-控制箱；2-储水罐体，21-第一液位计；301-第一配制桶A，302-第一配制桶B，31-第一搅拌装置，32-第一加料口，33-第一注水口，34-第一注水管，35-第一电磁开关阀；4-硝酸罐体，41-硝酸液位计；5-第二配制桶，51-第二搅拌装置，52-第二加料口，53-第二注水口，54-硝酸加注口，55-第二注水管，56-硝酸加注管，57-第二电磁开关阀，58-第二液位计，59-温度检测传感器，510-恒温水浴装置；6-第三配制桶，61-第三搅拌装置，62-第三注水管，63-储备液加注管，64-第三电磁开关阀，65-第三液位计；7-第四配制桶，71-第四搅拌装置，72-第四注水管，73-中间液加注管，74-第四电磁开关阀，75-第四液位计。

具体实施方式

本发明的一种实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统的具体实施例，如图1-图4所示，实验室条件下农家肥料中硒元素测定系统包括：

实验用水储罐，包括高度远大于直径的储水罐体2，储水罐体2为等径的圆柱体，储水罐体2上部设有用于检测储水罐体2内液位的第一液位计21，储水罐体2上部设有进水口，下部设有出水口；

溶液配制模块，有两个，分别用于配制硼氢化钾溶液和硫脲-抗坏血酸混合溶液，包括第一配制桶，第一配制桶上设有第一搅拌装置31，第一配制桶的上部具有第一加料口32和第一注水口33，所述出水口与第一注水口33之间连接有第一注水管34，第一注水管34上设有第一电磁开关阀35；

硝酸储罐，包括高度远大于直径的硝酸罐体4，硝酸罐体4为等径的圆柱体，硝酸罐体4上部设有用于检测硝酸罐体4内液位的硝酸液位计41，硝酸罐体4上部设有硝酸进口、下部设有硝酸出口；

硒标准储备液配制模块，包括第二配制桶5，第二配制桶5上设有第二搅拌装置51，第二配制桶5的上部具有第二加料口52、第二注水口53和硝酸加注口54，所述出水口与第二注水口53之间连接有第二注水管55，硝酸出口与硝酸加注口54之间连接有硝酸加注管56，第二注水管55上和硝酸加注管56上分别设有第二电磁开关阀57，第二配制桶5上设有用于检测其内液位的第二液位计58，第二配制桶5的下部内腔中设有温度检测传感器59，硒标准储备液配制模块还包括恒温水浴装置510，第二配制桶5放置在恒温水浴装置510上，第二配制桶5下部设有储备液出口；

硒标准中间液配制模块，包括第三配制桶6，第三配制桶6上设有第三搅拌装置61，第三配制桶6的上部具有第三注水口和储备液加注口，出水口与第三注水口之间连接有第三注水管62，储备液加注口与储备液出口之间连接有储备液加注管63，储备液加注管63穿过所述恒温水浴装置510，第三注水管62和储备液加注管63上分别设有第三电磁开关阀64，第三配制桶6上设有用于检测其内液位的第三液位计65，第三配制桶6下部设有中间液出口；

硒标准使用液配制模块，包括第四配制桶7，第四配制桶7上设有第四搅拌装置71，第四配制桶7的上部具有第四注水口和中间液加注口，出水口与第四注水口之间连接有第四注水管72，中间液加注口与中间液出口之间连接有中间液加注管73，第四注水管72和中间液加注管73上分别设有第四电磁开关阀74，第四配制桶7上设有用于检测其内液位的第四液位计75，第四配制桶7下部设有使用液出口；

控制箱1，包括电源模块和控制模块，电源模块和控制模块分别与各搅拌装置、电磁开关阀、液位计、恒温水浴装置510以及温度检测传感器59电路连接，根据各液位计及温度检测传感器59反馈信息经过计算后控制各搅拌装置、电磁开关阀和恒温水浴装置510执行相应动作。

本实施例中，第一液位计21和硝酸液位计41选用超声波液位传感器。该液位传感器能够确保液位的检测更精准、相应速度较高。第二、第三、第四液位计75选用超声波液位传感器。该液位传感器能够确保液位的检测更精准、相应速度较高。关于超声液位传感器的安装要注意以下几点：

1、盲区：最高液位到超声波液位计探头表面的距离应该大于探头的盲区。

2、垂直：换能器安装的时候，要保证换能器的发射面和要被探测的平面平行，这样声波就可以垂直发射到被测物体表面。这样可以保证最大的能量返回。

3、有搅拌和波动：在有搅拌或者波动的场合，可用加长导管安装。导管直接伸入液位底面。超声波液位计导管的直径只要大于探头的辐射面即可，但是要保证导管的内壁光滑，管内液位和管外一致。如果大量程不适合用导管安装的，可以减小量程使用，具体减小多少要看波浪的大小。

4、罐壁和障碍物：如果罐壁是光滑的，并且液位降低的时候，不会出现挂料的情况，那么大部分距离罐壁30cm的距离安装就可以。如果罐壁是粗糙的，那么探头安装的位置要远离罐壁。罐底不是平面的，那么在零液位的时候可能出现误测。如果是圆锥型底面，可以考虑把探头安装在圆锥顶点正上方。对于圆型的横杆，只要距离超过1m，直径不超过5cm，影响不大，否则要尽量避开。但对平面的横杆，罐壁有直角的情况，要尽量的避开。

本实施例中，储水罐体2和硝酸罐体4的高度与直径的比值不低于10:1。细长的容器与液位计配合检测变化体积时，由于液位变化的误差与截面积的乘积更小，因此可以尽可能的减小误差，使得配制的溶液精度更高。第二、第三、第四配制桶7的高度与直径的比值不低于10:1。细长的容器与液位计配合检测变化体积时，由于液位变化的误差与截面积的乘积更小，因此可以尽可能的减小误差，使得配制的溶液精度更高。

本实施例中，各搅拌装置均包括搅拌桨和搅拌电机，各搅拌桨以从上而下的方式插入对应的配制桶内。可方便拆卸。各配制桶具有桶盖，各搅拌装置固定安装在对应的桶盖上。各加料口设置在对应的桶盖上，各加料口处设置有封盖。

本实施例中，控制模块控制各电磁开关阀时，同一时间下，位于各根注水管上的电磁开关阀仅能有一个处于开启状态。确保对于加注量的检测结果更精准。实验开始前，各加注管和注水管先进行排气操作以使管路中充满对应的液体。避免管路中空气存在而导致实验误差变大。

本发明通过将传统各类溶液的配置时比较复杂和耗费时间的流程全部通过自动化设备实现，由控制模块控制根据各检测模块反馈的信息，按照设定的程序控制各个执行模块按照设定程序执行，通过各高精的液位计监测液位变化差值，并根据截面积等计算出流出的液体的体积或者容器内现有的液体的体积，从而自动控制对应的各执行模块动作，以完成原本由人工操作的步骤，整个系统仅固体物料的称量和加注需要手工操作，其余包括液体的加注、加注量的监控、搅拌、温控、移取等步骤全部由系统自动完成，大大提高自动化程度，节省了大量的时间和人力，省时省力、错误率低、质量稳定。

操作过程如下：

一、试剂和材料准备

试验用水为新制备的蒸馏水；盐酸（ρ=1.19g/mL）；硝酸（ρ=1.42g/mL）；氢氧化钾；硼氢化钾；硫脲（分析纯）；抗坏血酸（分析纯）；

1.盐酸溶液（5+95）：移取25mL上述盐酸，用实验用水稀释至500mL；

2.盐酸溶液（1+1）：移取500mL上述盐酸，用实验用水稀释至1000mL；

3.还原剂：

3.1 制备硼氢化钾溶液：ρ=10g/L

使用分析天平分别称取0.5g氢氧化钾和2.0g硼氢化钾备用，启动设备，控制模块控制第一配制桶A对应的第一电磁开关阀开启，储水罐体中的实验用水经过第一注水管进入第一配制桶中，第一液位计监控液面变化，并实时反馈信号给控制模块，控制模块根据储水罐体直径及液位变化自动计算出向第一配制桶A中的注水量，并在达到100mL时控制第一电磁开关阀关闭并控制第一搅拌装置在短暂延时后启动，缓慢搅拌，放入秤好的0.5g氢氧化钾，第一搅拌装置根据设定搅拌一定时长后暂时停止，此时加入2.0g硼氢化钾，第一搅拌装置随后自动启动搅拌设定时间，此时完全溶解。

3.2 制备硫脲和抗坏血酸混合溶液

使用分析天平称取硫脲、抗坏血酸各10g备用，同3.1，启动设备，设备控制第一配制桶B对应的第一电磁阀开启，同上原理，向第一配制桶B注水量达到100mL时控制第一电磁开关阀关闭并控制第一搅拌装置在短暂延时后启动，缓慢搅拌，加入硫脲、抗坏血酸各10g第一搅拌装置随后自动启动搅拌设定时间，此时完全溶解。

3.3 制备硒标准溶液

3.31 制备硒标准储备液：ρ=100.0mg/L

使用分析天平称取0.1000g高纯硒粉从第二加料口加入到第二配制桶，启动设备，控制模块控制硝酸加注管上的第二电磁开关阀开启，硝酸液位计监测硝酸罐体内液位变化，相同原理，加入量达到20mL时，控制模块控制第二电磁开关阀关闭，控制模块控制恒温水浴装置启动低温加热，待加热一定时间后停止加热并等待溶液冷却，当温度检测传感器检测出液体温度达到室温时，控制模块控制第二注水管上的第二电磁开关阀开启向第二配制桶中注水，第二液位计监测第二配制桶中液位，控制模块计算液位变化对应的第二配制桶中的液体体积（要减去搅拌桨的体积占用），当计算得到第二配制桶内的液体达到1000mL时，控制模块控制第二注水管上的第二电磁开关阀实时关闭，控制模块控制第二搅拌装置启动并运行设定时间，此时自动完成了硒标准储备液的制备。

3.32 制备硒标准中间液：ρ=1.00mg/L

在上步之后，控制模块自动控制储备液加注管上的第三电磁开关阀开启，上步制备的硒标准储备液进入第三配制桶，第二液位计监测液位变化，当液位变化对应体积变化达到5mL时，即向第三配制桶中加入的硒标准储备液达到5mL时控制储备液加注管上的第三电磁开关阀关闭，此时控制模块控制第三注水管上的第三电磁开关阀开启，向第三配制桶中注水，第三液位计监测液位变化，相同原理，当第三配制桶中液体体积达到500mL时控制第三注水管上的第三电磁开关阀关闭，控制第三搅拌装置启动一段时间停止，此时完成了硒标准中间液的配制。

3.33 制备硒标准使用液：ρ=100.0μg/L

在上步之后，控制模块自动控制中间液加注管上的第四电磁开关阀开启，上步制备的硒标准中间液进入第四配制桶，第三液位计监测液位变化，当液位变化对应体积变化达到10mL时，即向第四配制桶中加入的硒标准中间液达到10mL时控制中间液加注管上的第四电磁开关阀关闭，此时控制模块控制第四注水管上的第四电磁开关阀开启，向第四配制桶中注水，第四液位计监测液位变化，相同原理，当第四配制桶中液体体积达到000mL时控制第四注水管上的第四电磁开关阀关闭，控制第四搅拌装置启动一段时间停止，此时完成了硒标准使用液的配制。

4.载气和屏蔽气：氩气（纯度≥99.99%）；

5.慢速定量滤纸；

二、仪器和设备

具有温度控制和程序升温功能的微波消解仪，温度精度可达±2.5℃；原子荧光光度计，具有硒的元素灯；恒温水浴装置；分析天平；

三、样品

1.采样

按照国家标准采集农家肥样品；

2.样品制备

按照国家标准，将采集后的样品在实验室中风干、破碎、过筛、保存。样品采集、运输、制备和保存过程应避免沾污和待测元素损失。

3.试样制备

称取风干、过筛的样品0.1-0.5g（样品中元素含量低时，可将样品称取量提高至1.0g）置于溶样杯中，用少量试验用水润湿。在通风橱中，先加入6mL盐酸（1.19），再慢慢加入2mL硝酸（1.42），混匀使样品和消解液充分接触。若有剧烈化学反应，待反应结束后再将溶样杯置于消解罐中密封。将消解罐装入消解罐支架后放入微波消解仪的炉腔中，确认主控消解罐上的温度传感器及压力传感器均已与系统连接好，按照设定升温程序（5分钟升温至100℃，保持2分钟；再5分钟升温至150℃，保持3分钟；再5分钟升温至180℃，保持25分钟）进行微波消解，程序结束后冷却。待罐内温度降至室温后在通风橱中取出，缓慢泄压放气，打开消解罐盖。

把玻璃小漏斗插于50mL容量瓶的瓶口，用慢速定量滤纸将消解后溶液过滤、转移入容量瓶中，实验用水洗涤溶样杯，将所有洗涤液并入容量瓶中，最后用实验用水定容至标线，混匀。

4.试料的准备

分取上步中的试液10.0mL置于50mL容量瓶中，加入10.0mL盐酸（1.19），混匀，室温放置30分钟（室温低于15℃时，置于30℃水浴中20分钟），用实验用水定容至标线，混匀。

四、分析

1.调试和校准原子荧光光度计

分别移取0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL上述硒标准使用液于50mL容量瓶中，分别加入10.0mL盐酸（1.19），室温放置30分钟，用实验用水定容至标线，混匀。

2.绘制校准曲线

以上述制备的硼氢化钾溶液为还原剂、5+95盐酸溶液为载流，由低浓度到高浓度顺次测定校准系列标准溶液的原子荧光强度。用扣除零浓度空白的校准系列原子荧光强度为纵坐标，溶液中相应的元素浓度（μg/L）为横坐标，绘制校准曲线。

3.空白试验

除了不添加样品，其余与上述相同试验情况进行空白试验

4.测定

将制备好的试料导入原子荧光光度计中，按照与绘制校准曲线相同仪器工作条件进行测定。若被测元素浓度超校准曲线浓度范围，则稀释后重新测定。

同时将制备好的空白试料导入原子荧光光度计中，按照与绘制校准曲线相同仪器工作条件进行测定。

然后进行结果计算、精密度与准确度把控、废物委托有资质单位处理、试验后整理、清理工作即可。