高精度二氧化碳測定儀的製作方法

2023-09-17 10:12:50

專利名稱：高精度二氧化碳測定儀的製作方法
技術領域：
本專利涉及一種水質分析儀器，具體說是一種高精度二氧化碳測定儀。
背景技術：
目前市面上常見的CO2測定儀有兩種一是大氣中CO2氣體含量的測定儀，如江蘇億通電子有限公司生產的紅外式CO2測定儀(型號7001)和手掌式CO2測定儀(型號CEA-700)；二是水體(包括地表水和地下水)中溶解CO2的測定儀，這種儀器在市場上相對較少，如北京市北鬥星工業化學研究所的H-BD5W電化學水質通用分析儀。無論是前者還是後者，其精度只能達到1ppm，不能滿足工程或科學研究的需要。目前，對水體中溶解CO2的測定沒有直接的測定方法，而只有間接的測定，即通過測定水的溫度、pH值和HCO3-或CO32-離子，再經化學平衡理論計算求得。這種間接的測定方法存在三個重要問題一是它忽略了水中其他離子對CO2含量的影響；二是以HCO3-或CO32-離子的實測濃度進行計算，忽略了活度對CO2含量的影響；三是測定結果是按化學平衡理論計算求得，而水體尤其是地下水體實際往往處於非平衡狀態。

發明內容
本實用新型要解決的技術問題就是現有的水體CO2測定儀精度不高的問題。
為解決上述技術問題，本實用新型採用如下技術方案本實用新型除pH探頭、溫度探頭和HCO3-或CO32-探頭外，還包括金屬離子探頭、SO42-及Cl-離子探頭，以及多路選擇器、模/數轉換器、運算控制器及顯示器，各探頭採集的模擬信號通過多路選擇器送入模/數轉換器轉換成數位訊號後送入運算控制器並經計算後送入顯示器顯示。
本實用新型採用化學平衡-非平衡理論，並考慮離子活度，對水中溶解CO2進行計算，因此本實用新型除有pH和溫度探頭外，還有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-或CO32-及Cl-離子探頭，其目的是為了考慮水中其他離子對CO2含量的影響。
依據化學平衡-非平衡理論，其具體的計算方法如下1.水中常量組分的主要離子對有10種CaSO40、MgSO40、NaSO4-、KSO4-、CaHCO3+、MgHCO3+、NaHCO30、CaCO30、MgCO30、NaCO3-。水中溶解組分由游離離子和離子對兩部分組成。若考慮上述10種常規成分的離子對，則水中常規溶解組分存在形式的組成如下mSO42-(T)=mSO42-+mCaSO40+mMgSO40+mNaSO4-+mKSO4----(1)]]>mHCO3-(T)=mHCO3-+mCaHCO3++mMgHCO3++mNaHCO30---(2)]]>mCO32-(T)=mCO32-+mCaCO30+mMgCO30+mNaCO3----(3)]]>mCa2+(T)=mCa2++mCaSO40+mCaHCO3++mCaCO30---(4)]]>mMg2+(T)=mMg2++mMgSO40+mMgHCO3++mMgCO30---(5)]]>mNa+(T)=mNa++mNaSO4-+mNaHCO30+mNaCO3----(6)]]>mK+(T)=mK++mKSO4----(7)]]>在任意狀態(非平衡)下，10種離子對存在如下方程SICaSO40=rCa2+mCa2+rSO42-mSO42-rCaSO40mCaSO40KCaSO40---(8)]]>SIMgSO40=rMg2+mMg2+rSO42-mSO42-rMgSO40mMgSO40KMgSO40---(9)]]>SINaSO4-=rNaa+mNaa+rSO42-mSO42-rNaSO4-mNaSO4-KNaSO4----(10)]]>SIKSO4-=rK+mK+rSO42-mSO42-rKSO4-mKSO4-KKSO4----(11)]]>SICaHCO3+=rCa2+mCa2+rHCO3-mHCO3-rCaHCO3+mCaHCO3+KCaHCO3+---(12)]]>SIMgHCO3+=rMg2+mMg2+rHCO3-mHCO3-rMgHCO3+mMgHCO3+KMgHCO3+KMgHCO3+---(13)]]>SINaHCO30=rNa+mNa+rHCO3-mHCO3-rNaHCO30mNaHCO30KNaHCO30---(14)]]>SICaCO30=rCa2+mCa2+rCO32-mCO32-rCaCO30mCaCO30KCaCO30---(15)]]>SIMgCO30=rMg2+mMg2+rCO32-mCO32-rMgCO30mMgCO30KMgCO30---(16)]]>SINaCO3-=rNa+mNa+rCO32-mCO32-rNaCO3-mNaCO3-KNaCO3----(17)]]>式中「m」為某游離離子或離子對的mol濃度，(T)為某離子的總濃度，即分析濃度；SI為飽和指數，r為活度係數，K為平衡常數，在一定的環境條件和狀態下為常數。對(8)～(17)式作如下簡化令S1=rCa2+mCa2+rSO42-rCaSO40SICaSO40KCaSO40]]>則mCaSO40=S1mSO42----(18)]]>S2=rMg2+mMg2+rSO42-rMgSO40SIMgSO40KMgSO40---mMgSO40=S2mSO42----(19)]]>S3=rNa+mNa+rSO42-rNaSO4-SINaSO40KNaSO4----mNaSO4-=S3mSO42----(20)]]>S4=rK+mK+rSO42-rKSO4-SIKSO4-KKSO4----mKSO4-=S4mSO42----(21)]]>H1=rCa2+mCa2+rHCO3-rCaHCO3+SICaHCO3+KCaHCO3+---mCaHCO3+=H1mHCO3----(22)]]>H2=rMg2+mMg2+rHCO3-rMgHCO3+SIMgHCO3+KMgHCO3+---mMgHCO3+=H2mHCO3----(24)]]>H3=rNa+mNa+rHCO3-rNaHCO30SINaHCO30KNaHCO30---mNaHCO30=H3mHCO3----(24)]]>C1=rCa2+mCa2+rCO32-rCaCO30SICaCO30KCaCO30---mCaCO30=C1mCO32----(25)]]>C2=rMg2+mMg2+rCO32-rMgCO30SIMgCO30KMgCO30---mMgCO30=C2mCO32----(26)]]>C3=rNa+mNa+rCO32-rNaCO3-SINaCO3-KNaCO3----mNaCO3-=C3mCO32----(27)]]>2．非平衡計算步驟(1)根據分析濃度和溫度等求各參數和活度係數，並設各SI＝1，從而求得S1～S4、H1～H3、C1～C3；(2)將(18)～(27)式代入(1)～(3)式，求得 、 、 ；(3)將 、 、 代入(18)～(27)式，求得；mCaSO40~mNaCO3-]]>；(4)將mCaSO40~mNaCO3-]]>代入(4)～(7)式，求得 、 、 、 ；(5)根據步驟(2)～(4)的計算結果重新計算活度係數和各飽和指數SI，再次求得S1-S4、H1-H3、C1-C3；(6)重複步驟(2)～(4)；(7)如此往復計算，直到前後兩次計算結果的絕對差小於某個很小的值為止。
3.計算溶解CO2的含量(mol/L)或分壓(atm)CO2=H+HCO3-K1]]>pCO2=H+HCO3-KCO2K1]]>上述化學平衡-非平衡理論及相應的計算公式是申請人多年研究的成果。
本實用新型精度達到0.1ppm，能滿足工程或科學研究需要，適合進行現場測定。


圖1為本實用新型具體實施方式
的外觀示意圖。
圖2為本實用新型具體實施方式
的原理框圖。
圖3為本實用新型具體實施方式
對有關數據進行計算處理的流程圖。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，本實施例包括pH探頭、溫度探頭、HCO3-探頭，SO42-探頭、Cl-離子探頭及K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金屬離子探頭，還包括多路選擇器、模/數轉換器、運算控制器及顯示器。各探頭均與多路選擇器相應的輸入端相連，模/數轉換器的輸入端與多路選擇器的輸出端相連，其輸出端則與運算控制器相接，運算控制器的輸出端則與顯示器相連。
在本實施例中，系統採用電池供電的5V系統，4節乾電池經過穩壓濾波後輸出直流5V。(電源在圖中未畫出)多路選擇器採用的是MUX，它將各探頭採集的數據送入模/數轉換器。
運算控制器採用的是CPU，它負責採樣量化後的數據進行計算並將需要顯示的結果送交顯未器。
顯示器採用的是LCD顯示模塊。
圖3所示的是本實施例對數據的處理流程。對數據的處理由運算控制器CPU調取存儲在其中的程序完成。該程序由普通軟體人員根據圖3所示流程即可編出，在此不作贅述。
本實用新型的工作原理是運算控制器CPU控制多路選擇器MUX按設定的順序將各探頭採集到的數據量送入模/數轉換器A/D，模/數轉換器A/D對採集到的各通道模擬量進行量化，將模擬量轉換為由0，1信號表示的數字量後送給運算控制器CPU。運算控制器CPU對各通道採集量化後的數據進行計算，之後將需要顯示的數據送往LED進行顯示。
下面簡述一下本實用新型的工作過程選擇多路選擇器MUX中的Ca2+開關，得到Ca2+的模擬量，通過A/D模/數轉換器轉換成數據信號，送入運算控制器CPU。其他各量也通過這樣的程序送入運算控制器CPU後，由運算控制器CPU調取預存的程序進行計算後，將運算結果送往LCD液晶顯示模塊，在液晶顯示屏上顯示計算結果。
本實用新型在實驗室或工程現場均可對水體中CO2含量進行測定。為了避免因水中CO2的逸出而增大pH值及水的溫度改變而影響測試精度，pH值和溫度的測定應在現場測定。
權利要求1.一種高精度二氧化碳測定儀，包括pH探頭、溫度探頭和HCO3-或CO32-探頭，其特徵在於還包括金屬離子探頭、SO42-及Cl-離子探頭，以及多路選擇器、模/數轉換器、運算控制器及顯示器，各探頭採集的模擬信號通過多路選擇器送入模/數轉換器轉換成數位訊號後送入運算控制器並經計算後送入顯示器顯示。
2.如權利要求1所述的高精度二氧化碳測定儀，其特徵在於所述的金屬離子探頭包括K+離子探頭、Na+離子探頭、Ca2+離子探頭、Mg2+離子探頭。
專利摘要本實用新型涉及一種高精度二氧化碳測定儀，包括pH探頭、溫度探頭和HCO
文檔編號G01N27/26GK2638062SQ0327735
公開日2004年9月1日 申請日期2003年8月5日 優先權日2003年8月5日
發明者劉建剛, 王翀, 吳繼敏 申請人:河海大學