專利名稱：高精度二氧化碳測(cè)定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種水質(zhì)分析儀器，具體說是一種高精度二氧化碳測(cè)定儀。
背景技術(shù)：
目前市面上常見的CO2測(cè)定儀有兩種一是大氣中CO2氣體含量的測(cè)定儀，如江蘇億通電子有限公司生產(chǎn)的紅外式CO2測(cè)定儀(型號(hào)7001)和手掌式CO2測(cè)定儀(型號(hào)CEA-700)；二是水體(包括地表水和地下水)中溶解CO2的測(cè)定儀，這種儀器在市場(chǎng)上相對(duì)較少，如北京市北斗星工業(yè)化學(xué)研究所的H-BD5W電化學(xué)水質(zhì)通用分析儀。無論是前者還是后者，其精度只能達(dá)到1ppm，不能滿足工程或科學(xué)研究的需要。目前，對(duì)水體中溶解CO2的測(cè)定沒有直接的測(cè)定方法，而只有間接的測(cè)定，即通過測(cè)定水的溫度、pH值和HCO3-或CO32-離子，再經(jīng)化學(xué)平衡理論計(jì)算求得。這種間接的測(cè)定方法存在三個(gè)重要問題一是它忽略了水中其他離子對(duì)CO2含量的影響；二是以HCO3-或CO32-離子的實(shí)測(cè)濃度進(jìn)行計(jì)算，忽略了活度對(duì)CO2含量的影響；三是測(cè)定結(jié)果是按化學(xué)平衡理論計(jì)算求得，而水體尤其是地下水體實(shí)際往往處于非平衡狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題就是現(xiàn)有的水體CO2測(cè)定儀精度不高的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案本實(shí)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(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算控制器及顯示器，各探頭采集的模擬信號(hào)通過多路選擇器送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入運(yùn)算控制器并經(jīng)計(jì)算后送入顯示器顯示。
本實(shí)用新型采用化學(xué)平衡-非平衡理論，并考慮離子活度，對(duì)水中溶解CO2進(jìn)行計(jì)算，因此本實(shí)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(duì)CO2含量的影響。
依據(jù)化學(xué)平衡-非平衡理論，其具體的計(jì)算方法如下1.水中常量組分的主要離子對(duì)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(duì)兩部分組成。若考慮上述10種常規(guī)成分的離子對(duì)，則水中常規(guī)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(tài)(非平衡)下，10種離子對(duì)存在如下方程SICaSO40=rCa2+×mCa2+×rSO42-×mSO42-rCaSO40×mCaSO40×KCaSO40---(8)]]>SIMgSO40=rMg2+×mMg2+×rSO42-×mSO42-rMgSO40×mMgSO40×KMgSO40---(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-rNaHCO30×mNaHCO30×KNaHCO30---(14)]]>SICaCO30=rCa2+×mCa2+×rCO32-×mCO32-rCaCO30×mCaCO30×KCaCO30---(15)]]>SIMgCO30=rMg2+×mMg2+×rCO32-×mCO32-rMgCO30×mMgCO30×KMgCO30---(16)]]>SINaCO3-=rNa+×mNa+×rCO32-×mCO32-rNaCO3-×mNaCO3-×KNaCO3----(17)]]>式中“m”為某游離離子或離子對(duì)的mol濃度，(T)為某離子的總濃度，即分析濃度；SI為飽和指數(shù)，r為活度系數(shù)，K為平衡常數(shù)，在一定的環(huán)境條件和狀態(tài)下為常數(shù)。對(duì)(8)～(17)式作如下簡(jiǎn)化令S1=rCa2+×mCa2+×rSO42-rCaSO40×SICaSO40×KCaSO40]]>則mCaSO40=S1×mSO42----(18)]]>S2=rMg2+×mMg2+×rSO42-rMgSO40×SIMgSO40×KMgSO40---mMgSO40=S2×mSO42----(19)]]>S3=rNa+×mNa+×rSO42-rNaSO4-×SINaSO40×KNaSO4----mNaSO4-=S3×mSO42----(20)]]>S4=rK+×mK+×rSO42-rKSO4-×SIKSO4-×KKSO4----mKSO4-=S4×mSO42----(21)]]>H1=rCa2+×mCa2+×rHCO3-rCaHCO3+×SICaHCO3+×KCaHCO3+---mCaHCO3+=H1×mHCO3----(22)]]>H2=rMg2+×mMg2+×rHCO3-rMgHCO3+×SIMgHCO3+×KMgHCO3+---mMgHCO3+=H2×mHCO3----(24)]]>H3=rNa+×mNa+×rHCO3-rNaHCO30×SINaHCO30×KNaHCO30---mNaHCO30=H3×mHCO3----(24)]]>C1=rCa2+×mCa2+×rCO32-rCaCO30×SICaCO30×KCaCO30---mCaCO30=C1×mCO32----(25)]]>C2=rMg2+×mMg2+×rCO32-rMgCO30×SIMgCO30×KMgCO30---mMgCO30=C2×mCO32----(26)]]>C3=rNa+×mNa+×rCO32-rNaCO3-×SINaCO3-×KNaCO3----mNaCO3-=C3×mCO32----(27)]]>2．非平衡計(jì)算步驟(1)根據(jù)分析濃度和溫度等求各參數(shù)和活度系數(shù)，并設(shè)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(jù)步驟(2)～(4)的計(jì)算結(jié)果重新計(jì)算活度系數(shù)和各飽和指數(shù)SI，再次求得S1-S4、H1-H3、C1-C3；(6)重復(fù)步驟(2)～(4)；(7)如此往復(fù)計(jì)算，直到前后兩次計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)差小于某個(gè)很小的值為止。
3.計(jì)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(xué)平衡-非平衡理論及相應(yīng)的計(jì)算公式是申請(qǐng)人多年研究的成果。
本實(shí)用新型精度達(dá)到0.1ppm，能滿足工程或科學(xué)研究需要，適合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。


圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的外觀示意圖。
圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的原理框圖。
圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理的流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)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(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算控制器及顯示器。各探頭均與多路選擇器相應(yīng)的輸入端相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)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(yùn)算控制器相接，運(yùn)算控制器的輸出端則與顯示器相連。
在本實(shí)施例中，系統(tǒng)采用電池供電的5V系統(tǒng)，4節(jié)干電池經(jīng)過穩(wěn)壓濾波后輸出直流5V。(電源在圖中未畫出)多路選擇器采用的是MUX，它將各探頭采集的數(shù)據(jù)送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
運(yùn)算控制器采用的是CPU，它負(fù)責(zé)采樣量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將需要顯示的結(jié)果送交顯未器。
顯示器采用的是LCD顯示模塊。
圖3所示的是本實(shí)施例對(duì)數(shù)據(jù)的處理流程。對(duì)數(shù)據(jù)的處理由運(yùn)算控制器CPU調(diào)取存儲(chǔ)在其中的程序完成。該程序由普通軟件人員根據(jù)圖3所示流程即可編出，在此不作贅述。
本實(shí)用新型的工作原理是運(yùn)算控制器CPU控制多路選擇器MUX按設(shè)定的順序?qū)⒏魈筋^采集到的數(shù)據(jù)量送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D對(duì)采集到的各通道模擬量進(jìn)行量化，將模擬量轉(zhuǎn)換為由0，1信號(hào)表示的數(shù)字量后送給運(yùn)算控制器CPU。運(yùn)算控制器CPU對(duì)各通道采集量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，之后將需要顯示的數(shù)據(jù)送往LED進(jìn)行顯示。
下面簡(jiǎn)述一下本實(shí)用新型的工作過程選擇多路選擇器MUX中的Ca2+開關(guān)，得到Ca2+的模擬量，通過A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，送入運(yùn)算控制器CPU。其他各量也通過這樣的程序送入運(yùn)算控制器CPU后，由運(yùn)算控制器CPU調(diào)取預(yù)存的程序進(jìn)行計(jì)算后，將運(yùn)算結(jié)果送往LCD液晶顯示模塊，在液晶顯示屏上顯示計(jì)算結(jié)果。
本實(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)室或工程現(xiàn)場(chǎng)均可對(duì)水體中CO2含量進(jìn)行測(cè)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(cè)試精度，pH值和溫度的測(cè)定應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。
權(quán)利要求1.一種高精度二氧化碳測(cè)定儀，包括pH探頭、溫度探頭和HCO3-或CO32-探頭，其特征在于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(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算控制器及顯示器，各探頭采集的模擬信號(hào)通過多路選擇器送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入運(yùn)算控制器并經(jīng)計(jì)算后送入顯示器顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度二氧化碳測(cè)定儀，其特征在于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(shí)用新型涉及一種高精度二氧化碳測(cè)定儀，包括pH探頭、溫度探頭和HCO
文檔編號(hào)G01N27/26GK2638062SQ0327735
公開日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2003年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月5日
發(fā)明者劉建剛, 王翀, 吳繼敏 申請(qǐng)人:河海大學(xué)