專利名稱：總堿度測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水體總堿度測定設(shè)備，尤其是涉及一種適用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)水處理領(lǐng) 域，可高準(zhǔn)確度、快速、原位或在線測定水體總堿度的設(shè)備。
技術(shù)背景總堿度是指水中所含能與強(qiáng)酸起定量作用的物質(zhì)總量，常用來評價(jià)水體的緩沖能力及金 屬在其中的溶解性和毒性，是環(huán)境監(jiān)測中重要的檢測指標(biāo)之一 (國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢 水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)，北京中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.120-126);在工業(yè)水處理領(lǐng)域，堿度是衡量循環(huán)冷卻水和鍋爐用水的質(zhì)量指標(biāo)之一，直 接關(guān)系到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和鍋爐的正常運(yùn)行(1、曾建平.循環(huán)冷卻水的總堿度及其計(jì)算.化工 時(shí)刊，2006， 20 (11): 8-10; 2、趙書尚，朱堅(jiān)民，韓建海.鍋爐水總堿度監(jiān)控系統(tǒng).儀表技術(shù) 與傳感器，2005， 5， 13-15)。原位測定是指將分析儀器直接放置于被測介質(zhì)中進(jìn)行測定的過程，其優(yōu)點(diǎn)在于無需采樣 操作，測定可連續(xù)進(jìn)行，且所測的對象處于原位狀態(tài)，因此可獲得更多、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。原 位測定方法及儀器是分析測試領(lǐng)域中重要的研究方向。在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)水處理領(lǐng)域，總堿度的測定通常采用酸堿指示劑滴定法和電位滴定法， 這些方法需要手工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，相對測定誤差分別為0.75%和0.93%，且無法進(jìn)行在線或 原位測定。pH值法又稱單步(single-step)測定法，具有簡單、快速的特點(diǎn)；其測定過程為 在水樣中加入已知濃度的鹽酸，酸化至pH值為3.5 4.0,用精密pH計(jì)測定溶液的pH值，然 后由所用水樣的體積、加入鹽酸的濃度和體積以及測定的pH值求出水樣的總堿度(1、姬漲 巍，徐環(huán)，辛惠蓁等.海水中溶解無機(jī)碳DIC的分析方法.海洋湖沼通報(bào)，2002 (4) : 16-24; 2、 國家海洋局908專項(xiàng)辦公室.海洋化學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程.北京海洋出版社，2006.11~13; 3、 Br eland J B, Byrne R H, Spectrophotometric procedures for determination of sea water alkalinity using bromocresol green, Deep-sea Research, 40(1993) 629-641; 4、 Roche M P, Millero F R, Measurement of total alkalinity of surface waters using a continuous flowing spectrophotometric technique, Marine Chemistry, 60(1998)85-94; 5、 Yao W， Byrne RH, Simplified seawater alkalinity analysis: use of linear array spectrometers. Deep-Sea Res. 45(1998) 1383—1392)。水的堿度主要來源于其中的碳酸鹽和重碳酸鹽，水樣和酸反應(yīng)會產(chǎn)生二氧化碳，在使用pH值法時(shí)二氧化碳 會影響pH值的測定，導(dǎo)致測定結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。在準(zhǔn)確度要求較高的場合，需要使用不 含二氧化碳的氣體吹脫反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化碳。由于吹脫過程需要使用氣體，現(xiàn)有的基于pH 值法的總堿度測定方法和裝置可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測定，但儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法進(jìn)行原位測定。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種適用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)水處理的水體總堿度測量儀。本發(fā)明設(shè)有水樣進(jìn)口、試劑泵、混合器、溫度傳感器、分光系統(tǒng)、二氧化碳去除裝置、 八通閥、試劑袋、定量環(huán)、廢液出口、液體流通管路、控制電路和密封外殼。外殼將儀器的 各個(gè)部件密封在其內(nèi)，水樣進(jìn)口和廢液出口設(shè)于外殼上； 一個(gè)試劑泵用于輸送水樣，其進(jìn)口 接用于切換流路的八通閥，另一個(gè)試劑泵用于輸送試劑袋中的試劑，其進(jìn)口接試劑袋；混合 器用于促進(jìn)水樣和酸的均勻混合，混合器的進(jìn)口接試劑泵的出口，溫度傳感器設(shè)于混合器內(nèi)， 溫度傳感器用于精確測定混合器內(nèi)部溶液的溫度；分光系統(tǒng)由光源、流通池、分光元件和光 電檢測器組成，分光系統(tǒng)用于精確測定流通池內(nèi)溶液的pH值；流通池的入口接混合器的出 口； 二氧化碳去除裝置用于去除水樣和酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳，以消除其對后續(xù)pH值測定 的影響，二氧化碳去除裝置的進(jìn)口接流通池的出口；試劑袋內(nèi)裝入用于酸化水樣的且加有酸 堿指示劑的酸，試劑袋與試劑泵的進(jìn)口連接；定量環(huán)為一段環(huán)形管，定量環(huán)用于儲存酸；控 制電路用于控制試劑泵的啟停和八通閥的切換、讀取溫度傳感器和分光系統(tǒng)的測量值以及進(jìn) 行數(shù)據(jù)的存儲和與外界通信，控制電路與試劑泵、八通閥、溫度傳感器和分光系統(tǒng)連接。二氧化碳去除裝置可由置于密封容器內(nèi)的透氣管和堿液組成，堿液用于吸收二氧化碳， 堿液可采用氫氧化鈉、氫氧化鉀或碳酸鈉溶液。透氣管對二氧化碳有很高的氣體滲透系數(shù)， 允許透氣管內(nèi)液體中的二氧化碳快速透過管壁被管外的堿液所吸收。二氧化碳去除裝置也可由置于密封容器內(nèi)的透氣管和微型真空泵組成，透氣管內(nèi)液體中 的二氧化碳快速透過透氣管壁被真空泵抽出。以下給出本發(fā)明的測定原理和方法。將本發(fā)明置于被測水體中或通過管道將本發(fā)明與被測水體相連，使八通閥處于進(jìn)樣位置， 啟動兩個(gè)試劑泵，分別以一定的流速將水樣泵入接有混合器、流通池、二氧化碳去除裝置的 流路和將試劑袋中的酸泵入定量環(huán)，進(jìn)樣的同時(shí)可將上次測定時(shí)殘留在管路中的廢液排出。 切換八通閥，使其處于測量位置，此時(shí)接有試劑泵、混合器、流通池和二氧化碳去除裝置的 流路通過八通閥與定量環(huán)連接，試劑泵將該流路中的水樣和定量環(huán)中的酸混合并使其在管路 中循環(huán)流動，當(dāng)混合液流過二氧化碳去除裝置時(shí)，水樣和酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳快速從透氣管滲出，循環(huán)一定時(shí)間后，混合液中的二氧化碳將被去除，此時(shí)可從分光系統(tǒng)測得的吸光值 計(jì)算出去除二氧化碳后的水樣和酸的混合液的pH值，再由下面的公式計(jì)算水樣的總堿度 TAWVW= NacidVacid— [H+]mixVmix + Q(S, T,C)其中TAw為水樣的總堿度；Vw為水樣的體積，實(shí)際為系統(tǒng)中試劑泵、混合器、流通池、二氧 化碳去除裝置、管路和八通閥的死體積之和；Naeid為酸的濃度；Vadd為酸的體積，實(shí)際為定 量環(huán)、管路和八通閥的死體積之和；Vmix為混合液的體積，是Vw與Vaeid之和；[H+]mix為去 除二氧化碳后的水樣和酸的混合液中氫離子濃度，由測得的pH值計(jì)算得到；Q(S，T， C)為綜 合校正項(xiàng)，與水樣的溫度、鹽度以及酸中的酸堿指示劑濃度有關(guān)。 八通閥回到進(jìn)樣位置，開始下一次測定。與現(xiàn)有的總堿度測定設(shè)備相比，本發(fā)明具有以下突出特點(diǎn)1. 本發(fā)明基于pH值法的原理測定總堿度，由于使用了二氧化碳去除裝置，無需再使用 不含二氧化碳的氣體進(jìn)行吹脫，從而簡化了儀器的結(jié)構(gòu)和操作步驟，實(shí)現(xiàn)了總堿度的原位或 在線測定。2. 采用八通閥后，測定水樣的體積為混合器、流通池、二氧化碳去除裝置、管路以及八通闊的死體積之和，酸的體積為定量環(huán)、管路以及八通閥的死體積之和。通過八通閥的切換 可以實(shí)現(xiàn)水樣和酸以精確的比例混合，大大提高了儀器的精度。3. 儀器可直接置于水體中實(shí)現(xiàn)原位測量，也可通過管道將儀器和水體相連進(jìn)行在線測量。4. 本發(fā)明適用于地表水(海水和淡水)和工業(yè)用水的總堿度測定。5. 本發(fā)明的準(zhǔn)確度高，經(jīng)試驗(yàn)，其測量誤差小于0.5%;測定速度快，響應(yīng)時(shí)間小于5min。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例l(八通閥處于進(jìn)樣位置)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1(八通閥處于測量位置)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的控制電路的結(jié)構(gòu)組成框圖。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的控制電路的電路組成原理圖。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2(八通閥處于進(jìn)樣位置)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明實(shí)施例2(八通閥處于測量位置)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2的控制電路的結(jié)構(gòu)組成框圖。 圖8為本發(fā)明實(shí)施例2的控制電路的電路組成原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見圖1和2。本發(fā)明設(shè)有水樣進(jìn)口 1、試劑泵21與22、溫度傳感器3、混合器4、分 光系統(tǒng)5、 二氧化碳去除裝置6、八通閥7、定量環(huán)8、試劑袋9、廢液出口 10、控制電路ll、 和密封外殼12。密封外殼12將儀器的各個(gè)部件密封在其內(nèi)，水樣進(jìn)口 1和廢液出口 IO設(shè)于密封外殼12 的壁上。試劑泵21用于輸送水樣，其進(jìn)口接八通闊7?；旌掀?用于促進(jìn)水樣和酸的均勻混 合，其進(jìn)口接試劑泵21的出口?；旌掀?內(nèi)裝有一個(gè)溫度傳感器3，用于精確測定內(nèi)部混溶 液的溫度。分光系統(tǒng)5由鎢燈51 (光源)、流通池52、光柵53 (分光元件)和硅光電池54 (光電檢測器)組成，用于精確測定流通池內(nèi)溶液的pH值。流通池52的入口接混合器4的 出口。 二氧化碳去除裝置6用于去除水樣和酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳，以消除其對后續(xù)pH值 測定的影響。二氧化碳去除裝置6的進(jìn)口接流通池52的出口。 二氧化碳去除裝置6由置于密 封容器內(nèi)的透氣管61和堿液62組成，堿液62用于吸收二氧化碳，堿液62采用氫氧化鈉、 氫氧化鉀或碳酸鈉溶液。透氣管61對二氧化碳有很高的氣體滲透系數(shù)，允許透氣管61內(nèi)液 體中的二氧化碳快速透過管壁被管外的堿液62所吸收。八通閥7用于切換流路，可處于進(jìn)樣 位置和測量位置。定量環(huán)8為一段環(huán)形管，用于儲存酸。試劑袋9內(nèi)裝入用于酸化水樣的且 加有酸堿指示劑的酸，試劑袋9與試劑泵22的進(jìn)口連接。廢液出口 IO用于排出水樣、酸或 上次測量殘留的混合液?？刂齐娐?1用于控制試劑泵21和22的啟停、讀取溫度傳感器3和 分光系統(tǒng)5的測量值以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和與外界通信。試劑泵21和22可采用精度低的脈沖泵。透氣管61采用美國杜邦公司生產(chǎn)的 Teflon AF2400材料(其對二氧化碳的滲透系數(shù)為普通聚四氟乙烯的230倍)制成。堿液62 采用1M的氫氧化鈉，用于吸收二氧化碳。酸中的酸堿指示劑為溴甲酚綠。參見圖3和4。控制電路由微處理器l，試劑泵控制模塊2，溫度測量模塊3，光電檢測 模塊4，八通閥控制模塊5，通信模塊6和數(shù)據(jù)存儲模塊7組成。試劑泵控制模塊2由功率 模塊Q21和Q22組成，從微處理器Ul發(fā)出信號經(jīng)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3主要包括溫度傳感器PtlOO鉑金電阻Rl、恒流源U10和AD 轉(zhuǎn)換器U3， Rl的阻值變化經(jīng)U10轉(zhuǎn)換成電壓信號后由U3轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。光電檢測模塊4 主要包括硅光電二極管D1、前置放大器U6、低通濾波器U7和AD轉(zhuǎn)換器U4， Dl的信號經(jīng) U6放大、U7濾波后由U4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。八通閥控制模塊5由功率模塊Q23和Q24組成， 從微處理器Ul發(fā)出信號經(jīng)過Q23和Q24控制八通閥P4的切換。通信模塊6由RS232接口 芯片U9和串行通信口P1組成，經(jīng)過此RS232接口實(shí)現(xiàn)儀器與外界的通信。數(shù)據(jù)存儲模塊7 由串行數(shù)據(jù)存儲器U8組成，來自AD轉(zhuǎn)換器U3和U4的數(shù)字信號經(jīng)多通道信號選擇器U2選擇后經(jīng)過微處理器U1被存儲在U8中。微處理器U1有內(nèi)置存儲器，用來儲存儀器的控制 程序。各器件和原件的代號、參考型號及參數(shù)如下U1-微處理器PIC16F77; U2-多通道信號 選擇器CD4051; U3， U4-AD轉(zhuǎn)換器AD7788; U5-反向器CD4069; U6-前置放大器AD549; U7-低通濾波器AD706; U8-串行數(shù)據(jù)存儲器M25P64; U9-RS232接口芯片MAX232; U10-400nA恒流源；Dl-硅光電二極管S1226-44; Rl-溫度傳感器PtlOO鉬金電阻；R2-6.25KQ; R21， R22， R23， R24-20KQ; Q21， Q22， Q23， Q24-功率模塊IRF630; Pl-串行通信口 DB9 RS232; P2， P3-脈沖泵110TP; P4-兩位八通電磁閥C22-6188。檢測時(shí)將儀器直接置于海洋中，測定海水的總堿度，每5min得到一個(gè)檢測數(shù)據(jù)。實(shí)施例2參見圖5和6，與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于二氧化碳去除裝置6由置于密封容器內(nèi)的 透氣管61和微型真空泵62組成，透氣管61內(nèi)液體中的二氧化碳快速透過透氣管壁被微型真 空泵62抽出。其它標(biāo)號與圖l和2完全相同。試劑泵21和22可采用精度低的脈沖泵。透氣管61采用美國杜邦公司生產(chǎn)的 Teflon AF1600材料制成。酸中的酸堿指示劑為溴甲酚紫。參見圖7和8，與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于增加了一個(gè)微型真空泵控制模塊8，它由功 率模塊Q25組成，從微處理器Ul發(fā)出信號經(jīng)過Q25控制微型真空泵P5的啟動和停止。Q25-功率模塊IRF630， P5-微型真空泵PCF5015N。檢測時(shí)將儀器和鍋爐循環(huán)水管道相連，在線測定鍋爐循環(huán)水的總堿度，每5min得到一個(gè) 檢測數(shù)據(jù)。實(shí)施例3與實(shí)施例2類似，其區(qū)別在于堿液采用氫氧化鉀。將儀器直接置于河流中，測定河水的 總堿度，每5min得到一個(gè)檢測數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.總堿度測量儀，其特征在于設(shè)有水樣進(jìn)口、試劑泵、混合器、溫度傳感器、分光系統(tǒng)、二氧化碳去除裝置、八通閥、試劑袋、定量環(huán)、廢液出口、液體流通管路、控制電路和密封外殼；外殼將儀器的各個(gè)部件密封在其內(nèi)，水樣進(jìn)口和廢液出口設(shè)于外殼上；一個(gè)試劑泵的進(jìn)口接用于切換流路的八通閥，另一個(gè)試劑泵的進(jìn)口接試劑袋；混合器的進(jìn)口接試劑泵的出口，溫度傳感器設(shè)于混合器內(nèi)；分光系統(tǒng)由光源、流通池、分光元件和光電檢測器組成，流通池的入口接混合器的出口；二氧化碳去除裝置的進(jìn)口接流通池的出口；試劑袋內(nèi)裝入用于酸化水樣的且加有酸堿指示劑的酸，試劑袋與試劑泵的進(jìn)口連接；用于儲存酸的定量環(huán)為一段環(huán)形管；控制電路與試劑泵、八通閥、溫度傳感器和分光系統(tǒng)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的總堿度測量儀，其特征在于二氧化碳去除裝置由置于密封容器內(nèi) 的透氣管和堿液組成。
3. 如權(quán)利要求1所述的總堿度測量儀，其特征在于堿液采用氫氧化鈉、氫氧化鉀或碳酸 鈉溶液。
4. 如權(quán)利要求1所述的總堿度測量儀，其特征在于二氧化碳去除裝置由置于密封容器內(nèi) 的透氣管和微型真空泵組成。
全文摘要
總堿度測量儀，涉及一種水體總堿度測定設(shè)備。提供一種適用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)水處理的水體總堿度測量儀。設(shè)有水樣進(jìn)口、試劑泵、混合器、溫度傳感器、分光系統(tǒng)、二氧化碳去除裝置、八通閥、試劑袋、定量環(huán)、廢液出口、液體流通管路、控制電路和密封外殼。水樣進(jìn)口和廢液出口設(shè)于外殼上；兩個(gè)試劑泵進(jìn)口分別接八通閥和試劑袋；混合器進(jìn)口接試劑泵出口，溫度傳感器設(shè)于混合器內(nèi)；分光系統(tǒng)由光源、流通池、分光元件和光電檢測器組成，流通池入口接混合器出口；二氧化碳去除裝置進(jìn)口接流通池出口；試劑袋與試劑泵進(jìn)口連接；定量環(huán)為一段環(huán)形管，定量環(huán)用于儲存酸；控制電路與試劑泵、八通閥、溫度傳感器和分光系統(tǒng)連接。
文檔編號G01N21/77GK101221131SQ20081007057
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者戴君偉, 戴民漢, 李權(quán)龍, 波 楊, 袁東星, 陳進(jìn)順 申請人:廈門大學(xué)