專利名稱：溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水中溶解無機(jī)碳測(cè)定裝置，尤其是涉及一種可高準(zhǔn)確度、快速、原 位測(cè)定水中溶解無機(jī)碳的設(shè)備。
背景技術(shù)：
溶解無機(jī)碳(DIC，Dissolved inorganic carbon)是指水體中所溶解的各種無機(jī) 碳酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸以及二氧化碳?xì)怏w的濃度總和。海水中溶解無機(jī)碳是海洋(X)2系統(tǒng) 的重要參數(shù)，準(zhǔn)確、快速、方便地測(cè)定出海水中溶解無機(jī)碳含量，對(duì)于了解海洋對(duì)二氧化碳 的吸收、轉(zhuǎn)化和遷移過程，進(jìn)而了解全球氣候變化和碳的全球循環(huán)都具有十分重要的意義 (1、姬泓巍，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)。
原位測(cè)定是指將分析儀器直接放置于被測(cè)介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)定的過程，其優(yōu)點(diǎn)在于無 需采樣操作，測(cè)定可連續(xù)進(jìn)行，且所測(cè)的對(duì)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(cè)定方法及儀器是分析測(cè)試領(lǐng)域中重要的研究方向。
目前，水中溶解無機(jī)碳的主要測(cè)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(wěn)定性好等特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴、裝置復(fù)雜、操 作不方便，只能在實(shí)驗(yàn)室使用，不能實(shí)現(xiàn)水中溶解無機(jī)碳的原位測(cè)定。(1、姬泓巍，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、宋金 明、李學(xué)剛、李寧等.一種海水中溶解無機(jī)碳的準(zhǔn)確簡(jiǎn)易測(cè)定方法.分析化學(xué)，2004(12) 1689-1692)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種準(zhǔn)確度較高、速度較快，用于原位測(cè)定水中溶解無機(jī) 碳的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀。
本發(fā)明設(shè)有水樣進(jìn)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(tǒng)、八通閥、定量環(huán)、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(jìn)口和廢液出口設(shè)在外殼上，水樣進(jìn)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(tǒng)設(shè)有發(fā)光二極 管(光源)、流通池和硅光電池(光電檢測(cè)器)，流通池設(shè)于發(fā)光二極管與硅光電池之間，透 氣管的出口接分光系統(tǒng)的流通池，流通池的出口接廢液出口，定量環(huán)兩端與八通閥連接；第 1試劑袋、第2試劑袋和第3試劑袋置于外殼外，溫度傳感器設(shè)于外殼內(nèi)部并伸至水外殼外； 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(tǒng)連接。
所述外殼可采用水密外殼。
所述二氧化碳交換器可設(shè)有密封腔體和透氣管，所述透氣管的內(nèi)部對(duì)二氧化碳有很高的氣體滲透系數(shù)。
所述第1試劑泵、第2試劑泵和第3試劑泵可采用微型脈沖泵或齒輪泵。所述透 氣管可采用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Teflon AFMOO材料(其對(duì)二氧化碳的滲透系數(shù)為普通聚 四氟乙烯的230倍)制成。
所述控制電路可設(shè)有微處理器、試劑泵控制模塊、溫度測(cè)量模塊、光電檢測(cè)模塊、 八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。微處理器的輸入端口分別與 溫度測(cè)量模塊、光電檢測(cè)模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接，微處理器的輸出端口分別與 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(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接。
外殼將儀器的各個(gè)部件密封在其內(nèi)，三通閥用于實(shí)現(xiàn)空白溶液和指示劑溶液之間 的切換。使用3個(gè)試劑泵，第1試劑泵用于輸送試劑袋中的酸堿指示劑和空白溶液；第2試 劑泵用于輸送水樣；第3試劑泵用于輸送試劑袋中的鹽酸；二氧化碳交換器是水樣和酸的 混合液與酸堿指示劑之間進(jìn)行二氧化碳交換的場(chǎng)所，它由密封腔體及其內(nèi)部對(duì)二氧化碳有 很高的氣體滲透系數(shù)透氣管組成；分光系統(tǒng)由光源、流通池和光電檢測(cè)器組成，用于精確測(cè) 定流通池內(nèi)指示劑溶液的吸光度；3個(gè)試劑袋分別用于裝酸、酸堿指示劑溶液和空白溶液； 定量環(huán)為一段環(huán)形管，用于儲(chǔ)存固定體積的酸；八通閥用于切換流路；控制電路用于控制 試劑泵的啟停和八通閥的切換和分光系統(tǒng)的運(yùn)行以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和與外界通信；溫度 傳感器從水密外殼的內(nèi)部伸出外部，用于測(cè)定水體溫度。
以下給出本發(fā)明的測(cè)定原理和方法。
用酸將水樣酸化至pH值小于2，此時(shí)水中所有的溶解無機(jī)碳都已轉(zhuǎn)化成二氧化 碳，這些二氧化碳可通過透氣管管壁擴(kuò)散至管內(nèi)的酸堿指示劑溶液中，引起溶液的PH發(fā)生 變化并導(dǎo)致指示劑溶液的顏色即吸光度的變化。在達(dá)到平衡的條件下，指示劑溶液的吸光 度和被測(cè)海水的溶解無機(jī)碳之間存在定量關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室確定該定量關(guān)系即標(biāo)準(zhǔn)工作曲線 后，可由測(cè)得的吸光度計(jì)算出水樣的溶解無機(jī)碳。
將本發(fā)明置于被測(cè)水體中，按以下步驟運(yùn)行(1)使三通閥與空白溶液相連通，第1試劑泵運(yùn)行一定的時(shí)間，沖洗流通池，由分光系統(tǒng)分別測(cè)定在指示劑的酸態(tài)和堿態(tài)最大吸收波長(zhǎng)處的空白光強(qiáng)值；(2)使三通閥與酸堿指示劑溶液相通，啟動(dòng)第1試劑泵泵入一定量的酸堿指示劑溶液；C3)令八通閥處于進(jìn)樣位置，第2試劑泵運(yùn)行一定的時(shí)間，將一定量的水樣泵入交換器，進(jìn)樣的同時(shí)可將上次測(cè)定時(shí)殘留在管路中的廢液排出；(4)啟動(dòng)第3試劑泵，將酸溶液泵入定量環(huán)中；( 切換八通閥，使其處于測(cè)量位置，此時(shí)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(huán)連接；(6)啟動(dòng)第2試劑泵，流路中的水樣和定量環(huán)中的酸在管路中循環(huán)混合，混合液的PH值小于2，當(dāng)混合溶液通過交換器時(shí)，水樣和酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳快速滲入透氣管內(nèi)的酸堿指示劑中，引起指示劑溶液PH值的變化，一定時(shí)間后，透氣管內(nèi)的指示劑溶液與混合溶液中的二氧化碳達(dá)到平衡，此時(shí)啟動(dòng)第1試劑泵將透氣管內(nèi)已達(dá)平衡的指示劑溶液推入流通池，再次用分光系統(tǒng)分別測(cè)定指示劑的酸態(tài)和堿態(tài)最大吸收波長(zhǎng)處的光強(qiáng)值，并計(jì)算出指示劑溶液在上述兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光度，結(jié)合已測(cè)得的工作曲線由下面的公式計(jì)算水樣的溶解無機(jī)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(cè)得的指示劑堿態(tài)最大吸收波長(zhǎng)的吸光度與其酸態(tài)最大吸收波長(zhǎng)吸光度的比值；ei、e2、e3為指示劑的酸態(tài)和堿態(tài)在上述兩波長(zhǎng)處的摩爾吸光系數(shù)的比值； K(S，T，P)和Q(S，T，P)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(guān)。(7)八通閥回到進(jìn)樣位置，開始下一次測(cè)定。
與現(xiàn)有的溶解無機(jī)碳測(cè)定設(shè)備相比，本發(fā)明具有以下突出特點(diǎn)
1)采用二氧化碳交換器，使由水中的溶解無機(jī)碳轉(zhuǎn)化而來的二氧化碳通過透氣管 管壁擴(kuò)散至管內(nèi)的酸堿指示劑溶液中，引起溶液的PH發(fā)生變化并導(dǎo)致指示劑溶液的顏色 即吸光度的變化，再由測(cè)定的吸光度計(jì)算出水樣的溶解無機(jī)碳，實(shí)現(xiàn)了溶解無機(jī)碳的原位 測(cè)定。
2)采用八通閥切換的方式，使參與反應(yīng)的水樣和酸的體積完全取決于水樣流路的 體積和定量環(huán)的體積，而這兩個(gè)體積是固定不變的，因此實(shí)現(xiàn)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(fā)明的準(zhǔn)確度高。經(jīng)試驗(yàn)，其測(cè)量誤差小于0.5% ；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間約 6min。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例(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(八通閥處于測(cè)量位置)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的控制電路的結(jié)構(gòu)組成框圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的控制電路的電路組成原理圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1和2，圖1給出本發(fā)明實(shí)施例當(dāng)八通閥處于進(jìn)樣位置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2 給出本發(fā)明實(shí)施例當(dāng)八通閥處于測(cè)量位置的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有水樣進(jìn)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(tǒng)6、八通閥7、定量環(huán)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(jìn)口 1和廢液出口 10設(shè)在水密外殼12上，水樣進(jìn)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(tǒng)6設(shè)有發(fā)光二極管61 (光源)、流通池62和硅光電池63 (光 電檢測(cè)器)，流通池62設(shè)于發(fā)光二極管61與硅光電池63之間，透氣管5的出口接分光系 統(tǒng)6的流通池62，流通池62的出口接廢液出口 10，定量環(huán)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置于水密外殼12外，溫度傳感器13設(shè)于水密外殼 12內(nèi)部并伸至水密外殼12外。
第1試劑袋91、第2試劑袋92和第3試劑袋93置于水密外殼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(nèi)部，溫度傳感器13從水密外殼的內(nèi) 部伸至外部，用于測(cè)定水溫。水樣進(jìn)口 1和廢液出口 10設(shè)于水密外殼12的壁上。三通閥 2可在兩個(gè)進(jìn)口管路間切換，以實(shí)現(xiàn)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用于輸送空白或指示劑，其進(jìn)口接三通閥2，第2試劑泵32用于輸送水樣，其進(jìn)口接八通閥7，第3試劑泵33用于輸送第1試劑袋91中的鹽 酸，其進(jìn)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堿指示劑之間進(jìn) 行二氧化碳交換的場(chǎng)所，它由密封容器及其內(nèi)部的透氣管5組成，其進(jìn)口接第2試劑泵32 的出口。透氣管5對(duì)二氧化碳有很高的氣體滲透系數(shù)，二氧化碳可快速通過，使透氣管內(nèi)指 示劑溶液與透氣管外溶液達(dá)到相同的二氧化碳分壓。分光系統(tǒng)6由3個(gè)波長(zhǎng)分別為740， 432和589nm的發(fā)光二極管61 (光源)、流通池62和硅光電池63 (光電檢測(cè)器)組成，用于 精確測(cè)定流通池內(nèi)溶液的在不同波長(zhǎng)處的吸光度。流通池62的入口接透氣管5的出口。八 通閥7用于切換流路，可處于進(jìn)樣位置和測(cè)量位置。定量環(huán)8為一段環(huán)形管，用于儲(chǔ)存酸。 第2試劑袋92內(nèi)裝入蒸餾水用于測(cè)定空白值，第3試劑袋93內(nèi)裝入指示劑溶液用于測(cè)定 樣品，第1試劑袋91內(nèi)裝入用于酸化水樣的鹽酸。廢液出口 10用于排出水樣、酸或上次測(cè) 量殘留的混合液?？刂齐娐?1用于控制第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(tǒng)6的運(yùn)行以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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可采用微型脈沖泵或齒輪泵。透 氣管5采用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Teflon AF2400材料(其對(duì)二氧化碳的滲透系數(shù)為普通聚 四氟乙烯的230倍)制成。第1試劑袋91中的酸為1.2M的鹽酸溶液，用于酸化海水。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(shè)有微處理器、試劑泵控制模塊、溫度測(cè)量模塊、光電檢測(cè)模塊、 八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)量模塊33，光 電檢測(cè)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fā)出信號(hào)經(jīng)過Q21和 Q22分別控制試劑泵P2和P3的啟動(dòng)和停止。溫度測(cè)量模塊33主要包括溫度傳感器PtlOO 鉬金電阻R1、恒流源UlO和AD轉(zhuǎn)換器U3，R1的阻值變化經(jīng)UlO轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后由U3轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)。光電檢測(cè)模塊34主要包括硅光電二極管Dl、前置放大器U6、低通濾波器U7 和AD轉(zhuǎn)換器U4, Dl的信號(hào)經(jīng)U6放大、U7濾波后由U4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。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(fā)出信號(hào)經(jīng)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(fā)出信號(hào)經(jīng)過Q25控制八 通閥P5的切換。通信模塊37由RS232接口芯片U9和串行通信口 Pl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(chǔ)模塊38由2G SD卡存儲(chǔ)器U8組成，用來存儲(chǔ)檢測(cè) 數(shù)據(jù)。微處理器Ul有內(nèi)置程序存儲(chǔ)器，用來儲(chǔ)存儀器的控制程序，通過多通道信號(hào)選擇器 U10、UlU U12選擇控制U3、U4和U8。各器件和原件的代號(hào)、參考型號(hào)及參數(shù)如下U1_微 處理器 C8051F340 ;U10、U11、U12_ 多通道信號(hào)選擇器 ADG708 ；U3-AD 轉(zhuǎn)換器 AD7940，U4_AD 轉(zhuǎn)換器AD7680 ；U6-前置放大器AM49 ；U7-低通濾波器AD706 ；U8-Kingston 2G SD卡存儲(chǔ) 器；U9-RS232 接 口芯片 MAX232 ；U10-400 μ A 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. 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-脈沖泵110ΤΡ ；Ρ4-兩位八通電磁閥 C22-6188 ；Ρ5-三通閥 100Τ3ΜΡ12-62。
檢測(cè)時(shí)將儀器直接置于水體中，測(cè)定水中的溶解無機(jī)碳，每6min得到一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，其特征在于設(shè)有水樣進(jìn)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(tǒng)、八通閥、定量環(huán)、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(jìn)口和廢液出口設(shè)在外殼上，水樣進(jìn)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(tǒng)設(shè)有發(fā)光二極管、流 通池和硅光電池，流通池設(shè)于發(fā)光二極管與硅光電池之間，透氣管的出口接分光系統(tǒng)的流 通池，流通池的出口接廢液出口，定量環(huán)兩端與八通閥連接；第1試劑袋、第2試劑袋和第3 試劑袋置于外殼外，溫度傳感器設(shè)于外殼內(nèi)部并伸至水外殼外；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(tǒng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，其特征在于所述外殼采用水密外殼。
3.如權(quán)利要求1所述的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，其特征在于所述二氧化碳交換器設(shè)有 密封腔體和透氣管。
4.如權(quán)利要求1所述的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，其特征在于所述第1試劑泵、第2試劑 泵和第3試劑泵采用微型脈沖泵或齒輪泵。
5.如權(quán)利要求1所述的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，其特征在于所述控制電路設(shè)有微處理 器、試劑泵控制模塊、溫度測(cè)量模塊、光電檢測(cè)模塊、八通閥控制模塊、三通閥控制模塊、通 信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；微處理器的輸入端口分別與溫度測(cè)量模塊、光電檢測(cè)模塊、通信模 塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接，微處理器的輸出端口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(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接。
全文摘要
溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀，涉及一種水中溶解無機(jī)碳測(cè)定裝置。提供一種準(zhǔn)確度較高、速度較快，用于原位測(cè)定水中溶解無機(jī)碳的溶解無機(jī)碳原位測(cè)定儀。設(shè)有水樣進(jìn)口、三通閥、試劑泵、二氧化碳交換器、透氣管、分光系統(tǒng)、八通閥、定量環(huán)、試劑袋、廢液出口、控制電路、外殼和溫度傳感器。水樣進(jìn)口和廢液出口設(shè)在外殼上并與八通閥連接，三通閥分別與3個(gè)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(tǒng)設(shè)有發(fā)光二極管、流通池和硅光電池，透氣管出口接流通池，流通池出口接廢液出口，定量環(huán)兩端與八通閥連接；3個(gè)試劑袋置于外殼外，溫度傳感器設(shè)于外殼內(nèi)部并伸至水外殼外。
文檔編號(hào)G01N21/78GK102042981SQ201010536520
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者戴君偉, 戴民漢, 戴燕中, 李權(quán)龍, 袁東星, 陳進(jìn)順 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)