溶解無機碳原位測定儀的製作方法
2024-03-22 15:39:05 1
專利名稱：溶解無機碳原位測定儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水中溶解無機碳測定裝置，尤其是涉及一種可高準確度、快速、原 位測定水中溶解無機碳的設備。
背景技術：
溶解無機碳(DIC，Dissolved inorganic carbon)是指水體中所溶解的各種無機 碳酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸以及二氧化碳氣體的濃度總和。海水中溶解無機碳是海洋(X)2系統 的重要參數，準確、快速、方便地測定出海水中溶解無機碳含量，對於了解海洋對二氧化碳 的吸收、轉化和遷移過程，進而了解全球氣候變化和碳的全球循環都具有十分重要的意義 (1、姬泓巍，徐環，辛惠蓁等.海水中溶解無機碳DIC的分析方法.海洋湖沼通報，2002 (4) 16-24)。
原位測定是指將分析儀器直接放置於被測介質中進行測定的過程，其優點在於無 需採樣操作，測定可連續進行，且所測的對象處於原位狀態，因此可獲得更多、更準確的數 據。原位測定方法及儀器是分析測試領域中重要的研究方向。
目前，水中溶解無機碳的主要測定方法是庫侖滴定法和紅外(X)2分析法(又稱 紅外分光光度法)。這些方法具有精確度高、穩定性好等特點，但價格昂貴、裝置複雜、操 作不方便，只能在實驗室使用，不能實現水中溶解無機碳的原位測定。(1、姬泓巍，徐環， 辛惠蓁等.海水中溶解無機碳Dic的分析方法.海洋湖沼通報，2002 (4) :16-24 ;2、宋金 明、李學剛、李寧等.一種海水中溶解無機碳的準確簡易測定方法.分析化學，2004(12) 1689-1692)。發明內容
本發明的目的在於提供一種準確度較高、速度較快，用於原位測定水中溶解無機 碳的溶解無機碳原位測定儀。
本發明設有水樣進口、三通閥、第1試劑泵、第2試劑泵、第3試劑泵、二氧化碳交 換器、透氣管、分光系統、八通閥、定量環、第1試劑袋、第2試劑袋、第3試劑袋、廢液出口、 控制電路、外殼和溫度傳感器。
水樣進口和廢液出口設在外殼上，水樣進口和廢液出口分別與八通閥連接，三通 閥分別與第1試劑泵、第2試劑袋和第3試劑袋連接，第2試劑泵的入口接八通閥，第2試 劑泵的出口接二氧化碳交換器，透氣管的入口接第1試劑泵出口，分光系統設有發光二極 管(光源)、流通池和矽光電池(光電檢測器)，流通池設於發光二極體與矽光電池之間，透 氣管的出口接分光系統的流通池，流通池的出口接廢液出口，定量環兩端與八通閥連接；第 1試劑袋、第2試劑袋和第3試劑袋置於外殼外，溫度傳感器設於外殼內部並伸至水外殼外； 控制電路分別與第1試劑泵、第2試劑泵、第3試劑泵、八通閥和分光系統連接。
所述外殼可採用水密外殼。
所述二氧化碳交換器可設有密封腔體和透氣管，所述透氣管的內部對二氧化碳有很高的氣體滲透係數。
所述第1試劑泵、第2試劑泵和第3試劑泵可採用微型脈衝泵或齒輪泵。所述透 氣管可採用美國杜邦公司生產的Teflon AFMOO材料(其對二氧化碳的滲透係數為普通聚 四氟乙烯的230倍)製成。
所述控制電路可設有微處理器、試劑泵控制模塊、溫度測量模塊、光電檢測模塊、 八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊。微處理器的輸入埠分別與 溫度測量模塊、光電檢測模塊、通信模塊和數據存儲模塊連接，微處理器的輸出埠分別與 試劑泵控制模塊、八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊連接。
外殼將儀器的各個部件密封在其內，三通閥用於實現空白溶液和指示劑溶液之間 的切換。使用3個試劑泵，第1試劑泵用於輸送試劑袋中的酸鹼指示劑和空白溶液；第2試 劑泵用於輸送水樣；第3試劑泵用於輸送試劑袋中的鹽酸；二氧化碳交換器是水樣和酸的 混合液與酸鹼指示劑之間進行二氧化碳交換的場所，它由密封腔體及其內部對二氧化碳有 很高的氣體滲透係數透氣管組成；分光系統由光源、流通池和光電檢測器組成，用於精確測 定流通池內指示劑溶液的吸光度；3個試劑袋分別用於裝酸、酸鹼指示劑溶液和空白溶液； 定量環為一段環形管，用於儲存固定體積的酸；八通閥用於切換流路；控制電路用於控制 試劑泵的啟停和八通閥的切換和分光系統的運行以及進行數據的存儲和與外界通信；溫度 傳感器從水密外殼的內部伸出外部，用於測定水體溫度。
以下給出本發明的測定原理和方法。
用酸將水樣酸化至pH值小於2，此時水中所有的溶解無機碳都已轉化成二氧化 碳，這些二氧化碳可通過透氣管管壁擴散至管內的酸鹼指示劑溶液中，引起溶液的PH發生 變化並導致指示劑溶液的顏色即吸光度的變化。在達到平衡的條件下，指示劑溶液的吸光 度和被測海水的溶解無機碳之間存在定量關係，在實驗室確定該定量關係即標準工作曲線 後，可由測得的吸光度計算出水樣的溶解無機碳。
將本發明置於被測水體中，按以下步驟運行(1)使三通閥與空白溶液相連通，第1試劑泵運行一定的時間，衝洗流通池，由分光系統分別測定在指示劑的酸態和鹼態最大吸收波長處的空白光強值；(2)使三通閥與酸鹼指示劑溶液相通，啟動第1試劑泵泵入一定量的酸鹼指示劑溶液；C3)令八通閥處於進樣位置，第2試劑泵運行一定的時間，將一定量的水樣泵入交換器，進樣的同時可將上次測定時殘留在管路中的廢液排出；(4)啟動第3試劑泵，將酸溶液泵入定量環中；( 切換八通閥，使其處於測量位置，此時接有第2試劑泵和二氧化碳交換器的流路通過八通閥與定量環連接；(6)啟動第2試劑泵，流路中的水樣和定量環中的酸在管路中循環混合，混合液的PH值小於2，當混合溶液通過交換器時，水樣和酸反應產生的二氧化碳快速滲入透氣管內的酸鹼指示劑中，引起指示劑溶液PH值的變化，一定時間後，透氣管內的指示劑溶液與混合溶液中的二氧化碳達到平衡，此時啟動第1試劑泵將透氣管內已達平衡的指示劑溶液推入流通池，再次用分光系統分別測定指示劑的酸態和鹼態最大吸收波長處的光強值，並計算出指示劑溶液在上述兩個波長處的吸光度，結合已測得的工作曲線由下面的公式計算水樣的溶解無機碳(DIC) R-e
— log(-M = K(S,T,P)x Xog(DIC) + Q(S,T,P)e2 -e3 XK
其中R為所測得的指示劑鹼態最大吸收波長的吸光度與其酸態最大吸收波長吸光度的比值；ei、e2、e3為指示劑的酸態和鹼態在上述兩波長處的摩爾吸光係數的比值； K(S，T，P)和Q(S，T，P)為實驗室測得的工作曲線的斜率和截距，與溫度T，鹽度S和壓力P 有關。(7)八通閥回到進樣位置，開始下一次測定。
與現有的溶解無機碳測定設備相比，本發明具有以下突出特點
1)採用二氧化碳交換器，使由水中的溶解無機碳轉化而來的二氧化碳通過透氣管 管壁擴散至管內的酸鹼指示劑溶液中，引起溶液的PH發生變化並導致指示劑溶液的顏色 即吸光度的變化，再由測定的吸光度計算出水樣的溶解無機碳，實現了溶解無機碳的原位 測定。
2)採用八通閥切換的方式，使參與反應的水樣和酸的體積完全取決於水樣流路的 體積和定量環的體積，而這兩個體積是固定不變的，因此實現水樣和酸以固定不變的比例 混合，大大提高了儀器的精度。
3)本發明的準確度高。經試驗，其測量誤差小於0.5% ；響應速度快，響應時間約 6min。
圖1為本發明實施例(八通閥處於進樣位置)的結構示意圖。
圖2為本發明實施例(八通閥處於測量位置)的結構示意圖。
圖3為本發明實施例的控制電路的結構組成框圖。
圖4為本發明實施例的控制電路的電路組成原理圖。
具體實施方式
參見圖1和2，圖1給出本發明實施例當八通閥處於進樣位置的結構示意圖，圖2 給出本發明實施例當八通閥處於測量位置的結構示意圖。本發明實施例設有水樣進口 1、三 通閥2、第1試劑泵31、第2試劑泵32、第3試劑泵33、二氧化碳交換器4、透氣管5、分光系 統6、八通閥7、定量環8、試劑袋9 (包括第1試劑袋91，第2試劑袋92和第3試劑袋93)、 廢液出口 10、控制電路11、水密外殼12和溫度傳感器13。
水樣進口 1和廢液出口 10設在水密外殼12上，水樣進口 1和廢液出口 10分別與 八通閥7連接，三通閥2分別與第1試劑泵31、第2試劑袋92和第3試劑袋93連接，第2 試劑泵32的入口接八通閥7，第2試劑泵32的出口接二氧化碳交換器4，透氣管5的入口接 第1試劑泵31出口，分光系統6設有發光二極體61 (光源)、流通池62和矽光電池63 (光 電檢測器)，流通池62設於發光二極體61與矽光電池63之間，透氣管5的出口接分光系 統6的流通池62，流通池62的出口接廢液出口 10，定量環8兩端與八通閥7連接；第1試 劑袋91、第2試劑袋92和第3試劑袋93置於水密外殼12外，溫度傳感器13設於水密外殼 12內部並伸至水密外殼12外。
第1試劑袋91、第2試劑袋92和第3試劑袋93置於水密外殼12的外面，通過管 路和儀器相連，儀器的其他部件安裝在水密外殼12的內部，溫度傳感器13從水密外殼的內 部伸至外部，用於測定水溫。水樣進口 1和廢液出口 10設於水密外殼12的壁上。三通閥 2可在兩個進口管路間切換，以實現輸送不同試劑袋(第2試劑袋92和第3試劑袋93)中 的試劑(空白和指示劑)。第1試劑泵31用於輸送空白或指示劑，其進口接三通閥2，第2試劑泵32用於輸送水樣，其進口接八通閥7，第3試劑泵33用於輸送第1試劑袋91中的鹽 酸，其進口接第1試劑袋91。二氧化碳交換器4是水樣和酸的混合液與酸鹼指示劑之間進 行二氧化碳交換的場所，它由密封容器及其內部的透氣管5組成，其進口接第2試劑泵32 的出口。透氣管5對二氧化碳有很高的氣體滲透係數，二氧化碳可快速通過，使透氣管內指 示劑溶液與透氣管外溶液達到相同的二氧化碳分壓。分光系統6由3個波長分別為740， 432和589nm的發光二極體61 (光源)、流通池62和矽光電池63 (光電檢測器)組成，用於 精確測定流通池內溶液的在不同波長處的吸光度。流通池62的入口接透氣管5的出口。八 通閥7用於切換流路，可處於進樣位置和測量位置。定量環8為一段環形管，用於儲存酸。 第2試劑袋92內裝入蒸餾水用於測定空白值，第3試劑袋93內裝入指示劑溶液用於測定 樣品，第1試劑袋91內裝入用於酸化水樣的鹽酸。廢液出口 10用於排出水樣、酸或上次測 量殘留的混合液。控制電路11用於控制第1試劑泵31、第2試劑泵32和第3試劑泵33的 啟停，八通閥7的切換和分光系統6的運行以及進行數據的存儲和與外界通信。
第1試劑泵31、第2試劑泵32和第3試劑泵33可採用微型脈衝泵或齒輪泵。透 氣管5採用美國杜邦公司生產的Teflon AF2400材料(其對二氧化碳的滲透係數為普通聚 四氟乙烯的230倍)製成。第1試劑袋91中的酸為1.2M的鹽酸溶液，用於酸化海水。第 2試劑袋92中的空白為蒸餾水，第3試劑袋93中的指示劑為溴甲酚紫溶液。
所述控制電路可設有微處理器、試劑泵控制模塊、溫度測量模塊、光電檢測模塊、 八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊。
參見圖3和4，控制電路由微處理器31，試劑泵控制模塊32，溫度測量模塊33，光 電檢測模塊34，八通閥控制模塊35，三通閥控制模塊36，通信模塊37和數據存儲模塊38組 成。試劑泵控制模塊32由功率模塊Q21和Q22組成，從微處理器Ul發出信號經過Q21和 Q22分別控制試劑泵P2和P3的啟動和停止。溫度測量模塊33主要包括溫度傳感器PtlOO 鉬金電阻R1、恆流源UlO和AD轉換器U3，R1的阻值變化經UlO轉換成電壓信號後由U3轉 換為數位訊號。光電檢測模塊34主要包括矽光電二極體Dl、前置放大器U6、低通濾波器U7 和AD轉換器U4, Dl的信號經U6放大、U7濾波後由U4轉換為數位訊號。八通閥控制模塊 35由功率模塊Q23和QM組成，從微處理器Ul發出信號經過Q23和QM控制八通閥P4的 切換。三通閥控制模塊36由功率模塊Q25組成，從微處理器Ul發出信號經過Q25控制八 通閥P5的切換。通信模塊37由RS232接口晶片U9和串行通信口 Pl組成，經過此RS232 接口實現儀器與外界的通信。數據存儲模塊38由2G SD卡存儲器U8組成，用來存儲檢測 數據。微處理器Ul有內置程序存儲器，用來儲存儀器的控制程序，通過多通道信號選擇器 U10、UlU U12選擇控制U3、U4和U8。各器件和原件的代號、參考型號及參數如下U1_微 處理器 C8051F340 ;U10、U11、U12_ 多通道信號選擇器 ADG708 ；U3-AD 轉換器 AD7940，U4_AD 轉換器AD7680 ；U6-前置放大器AM49 ；U7-低通濾波器AD706 ；U8-Kingston 2G SD卡存儲 器；U9-RS232 接 口晶片 MAX232 ；U10-400 μ A 恆流源；Dl-矽光電二極體 S1226-44 ；Rl-溫度 傳感器 PtlOO 鉬金電阻；R2-6. 25ΚΩ ；R21, R22, R23, R24-20K Ω ；Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 功 率模塊IRFM210A ；Pl-串行通信口 DB9 RS232 ；Ρ2, Ρ3-脈衝泵110ΤΡ ；Ρ4-兩位八通電磁閥 C22-6188 ；Ρ5-三通閥 100Τ3ΜΡ12-62。
檢測時將儀器直接置於水體中，測定水中的溶解無機碳，每6min得到一個檢測數據。
權利要求
1.溶解無機碳原位測定儀，其特徵在於設有水樣進口、三通閥、第1試劑泵、第2試劑 泵、第3試劑泵、二氧化碳交換器、透氣管、分光系統、八通閥、定量環、第1試劑袋、第2試劑 袋、第3試劑袋、廢液出口、控制電路、外殼和溫度傳感器；水樣進口和廢液出口設在外殼上，水樣進口和廢液出口分別與八通閥連接，三通閥分 別與第1試劑泵、第2試劑袋和第3試劑袋連接，第2試劑泵的入口接八通閥，第2試劑泵 的出口接二氧化碳交換器，透氣管的入口接第1試劑泵出口，分光系統設有發光二極體、流 通池和矽光電池，流通池設於發光二極體與矽光電池之間，透氣管的出口接分光系統的流 通池，流通池的出口接廢液出口，定量環兩端與八通閥連接；第1試劑袋、第2試劑袋和第3 試劑袋置於外殼外，溫度傳感器設於外殼內部並伸至水外殼外；控制電路分別與第1試劑 泵、第2試劑泵、第3試劑泵、八通閥和分光系統連接。
2.如權利要求1所述的溶解無機碳原位測定儀，其特徵在於所述外殼採用水密外殼。
3.如權利要求1所述的溶解無機碳原位測定儀，其特徵在於所述二氧化碳交換器設有 密封腔體和透氣管。
4.如權利要求1所述的溶解無機碳原位測定儀，其特徵在於所述第1試劑泵、第2試劑 泵和第3試劑泵採用微型脈衝泵或齒輪泵。
5.如權利要求1所述的溶解無機碳原位測定儀，其特徵在於所述控制電路設有微處理 器、試劑泵控制模塊、溫度測量模塊、光電檢測模塊、八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通 信模塊和數據存儲模塊；微處理器的輸入埠分別與溫度測量模塊、光電檢測模塊、通信模 塊和數據存儲模塊連接，微處理器的輸出埠分別與試劑泵控制模塊、八通閥控制模塊、三 通閥控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊連接。
全文摘要
溶解無機碳原位測定儀，涉及一種水中溶解無機碳測定裝置。提供一種準確度較高、速度較快，用於原位測定水中溶解無機碳的溶解無機碳原位測定儀。設有水樣進口、三通閥、試劑泵、二氧化碳交換器、透氣管、分光系統、八通閥、定量環、試劑袋、廢液出口、控制電路、外殼和溫度傳感器。水樣進口和廢液出口設在外殼上並與八通閥連接，三通閥分別與3個試劑袋連接；第2試劑泵入口接八通閥，出口接二氧化碳交換器；透氣管入口接第1試劑泵出口，分光系統設有發光二極體、流通池和矽光電池，透氣管出口接流通池，流通池出口接廢液出口，定量環兩端與八通閥連接；3個試劑袋置於外殼外，溫度傳感器設於外殼內部並伸至水外殼外。
文檔編號G01N21/78GK102042981SQ201010536520
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者戴君偉, 戴民漢, 戴燕中, 李權龍, 袁東星, 陳進順 申請人:廈門大學