專利名稱：利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水化學(xué)耗氧量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水化學(xué)耗氧量的方法，屬于海洋化學(xué)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
近年來，隨著電子技術(shù)、新材料、新工藝、新的光學(xué)器件的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，采用錳法滴定自動(dòng)分析儀以及以流動(dòng)注射方式為基礎(chǔ)的光度分析儀來測量海水化學(xué)耗氧量的方法相應(yīng)出現(xiàn)，但由于某些實(shí)現(xiàn)方面的技術(shù)難度太大，雖然該儀器擺脫了實(shí)驗(yàn)室分析的一些缺點(diǎn)，但離現(xiàn)場實(shí)時(shí)工作的模式還有一段距離，如試劑消耗量大、現(xiàn)場、實(shí)時(shí)運(yùn)行周期短、穩(wěn)定性差、靈敏度和分辨率低、離子干擾等難以克服的缺陷，并沒有真正意義上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)連續(xù)工作的模式。
具體利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水化學(xué)耗氧量的方法，包括以下幾個(gè)步驟1.利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，并保證臭氧的濃度為18～25mg/l和流量為0.5～21/min，將其送入反應(yīng)室；2.利用自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)將被測的海水送入反應(yīng)室；3.臭氧與海水在反應(yīng)室進(jìn)行混合反應(yīng)，保證臭氧與水樣之間能夠充分混合，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行光學(xué)密封，并設(shè)有探測窗口探測信號(hào)。
我們利用多孔材料-氣泡石使臭氧氣體從多孔材料表面的小孔中冒出，混合到周圍的被測水樣中，增加接觸面積，混合充分，反應(yīng)效率得以加強(qiáng)。
光學(xué)密封的措施反應(yīng)室設(shè)計(jì)時(shí)，采用不透光材料，進(jìn)出水口采取彎曲設(shè)計(jì)防止光線折反射進(jìn)入反應(yīng)室，需透氣的地方采取多層隔光結(jié)構(gòu)，從而使反應(yīng)在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，達(dá)到反應(yīng)室的光學(xué)密封。
本發(fā)明中不透光材料是不銹鋼金屬板，所述的多層隔光結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)開的不銹鋼金屬板。
4.利用光電倍增管對(duì)反應(yīng)所發(fā)出的光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行采集放大，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行量化、計(jì)算、修正、顯示、打印輸出。
反應(yīng)室產(chǎn)生的微弱光信號(hào)經(jīng)光學(xué)鏡頭聚能，導(dǎo)入光電倍增管，光信號(hào)經(jīng)光電倍增管處理轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出電信號(hào)經(jīng)微弱信號(hào)放大電路進(jìn)行差動(dòng)轉(zhuǎn)換，放大到一定電壓幅度送數(shù)據(jù)處理部分的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行量化處理。
本發(fā)明的光電倍增管采用日本濱松Photosensor Modules H5784 Series。利用微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和信號(hào)處理。
在該系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)承擔(dān)兩項(xiàng)主要任務(wù)，一是協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)各執(zhí)行部分的動(dòng)作順序，使系統(tǒng)在程序控制下自動(dòng)完成測試工作，二是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行量化、計(jì)算、修正、顯示、打印輸出。
考慮到該系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)作節(jié)奏較慢，對(duì)計(jì)算機(jī)的速度要求不高，我們采用強(qiáng)抗電磁干擾、可系統(tǒng)自復(fù)位、具有系統(tǒng)自檢功能的工業(yè)級(jí)PLC作為系統(tǒng)的控制單元。各執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)部分，我們采用已定型生產(chǎn)的可程控功率模塊。
在數(shù)據(jù)處理方面，我們采用標(biāo)準(zhǔn)光源、標(biāo)準(zhǔn)水樣對(duì)光學(xué)系統(tǒng)增益、試樣濁度等能引起系統(tǒng)誤差的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)修正處理。經(jīng)現(xiàn)場測試、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定等措施，來獲取不同海域、不同季節(jié)的信號(hào)修正系數(shù)，建立修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱通過所建的數(shù)據(jù)庫即信號(hào)強(qiáng)度與COD的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可測出被測水樣的化學(xué)耗氧量并進(jìn)行輸出顯示。
所述的臭氧發(fā)生裝置，是將空氣經(jīng)過濾干燥后被高壓擊發(fā)，產(chǎn)生高濃度臭氧。
所述的自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)是將來自監(jiān)測管道、取樣管道的海水和標(biāo)準(zhǔn)液通過換向閥、流量泵送入反應(yīng)室。
本發(fā)明利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水的化學(xué)耗氧量的方法，不需添加試劑，不產(chǎn)生二次污染，避免了水體高濃度離子氯離子對(duì)準(zhǔn)確度的影響，能夠準(zhǔn)確、連續(xù)、快速的測試海水的化學(xué)耗氧量，可在惡劣的海洋環(huán)境中長期可靠工作，適合于船載及海洋臺(tái)站、海洋石油平臺(tái)和海洋浮標(biāo)站等場合使用，能夠?qū)ρ睾?、河口及近岸海洋?jīng)濟(jì)帶進(jìn)行現(xiàn)場、實(shí)時(shí)、連續(xù)的測量，整個(gè)系統(tǒng)在程序控制下可長期無人值守、連續(xù)運(yùn)行。該方法改變了我國海洋環(huán)境污染對(duì)化學(xué)耗氧量指標(biāo)監(jiān)測手段，即長期采用現(xiàn)場提取水樣、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析的傳統(tǒng)測試方法。提高了我國海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測能力。
圖2是自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)控制框圖。
圖3是臭氧發(fā)生裝置控制框圖。
圖4是反應(yīng)室及光學(xué)系統(tǒng)控制框圖。
圖5是反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖。
在測量過程中，系統(tǒng)控制換向閥切換到海水水樣通道，同時(shí)控制流量泵按預(yù)定的流量進(jìn)行樣品輸送，水樣通過換向閥、過濾裝置由泵輸送到反應(yīng)室。過濾裝置的目的是保證水樣無浮游物和低濃度懸浮物。當(dāng)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，系統(tǒng)控制換向閥使其切換到標(biāo)準(zhǔn)液通道，進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定校正。
為使水樣的流量穩(wěn)定、連續(xù)、并保持恒定的壓力，通過對(duì)進(jìn)樣管路的流量(或壓力)的監(jiān)測反饋，我們采用可受系統(tǒng)程控的微型數(shù)字調(diào)速模塊來驅(qū)動(dòng)流量泵的運(yùn)行狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)這一目的。
如圖3所示，臭氧發(fā)生裝置由空氣過濾器、空氣干燥器、空氣泵及其控制驅(qū)動(dòng)部分、空氣溫度壓力監(jiān)測反饋部分、可控高壓發(fā)生器、臭氧發(fā)生電離室等組成?？諝饨?jīng)過濾干燥后由空氣泵送入臭氧發(fā)生電離室，在這里被高電壓激發(fā)產(chǎn)生高濃度臭氧，送入反應(yīng)室。在這里，我們采用模糊控制原理，對(duì)空氣的壓力、溫度進(jìn)行監(jiān)測反饋，控制可調(diào)高壓發(fā)生器的電壓輸出，并配合對(duì)空氣泵的控制，來保證產(chǎn)生臭氧的濃度和流量滿足本方法的要求。
反應(yīng)室是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它由反應(yīng)室、反應(yīng)室加熱器、水樣預(yù)加熱裝置及反應(yīng)室溫度監(jiān)測控制部分組成。
自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)將海水水樣送入反應(yīng)室，臭氧與海水水樣迅速反應(yīng)，產(chǎn)生的光信號(hào)由反應(yīng)室側(cè)壁的光學(xué)檢拾裝置-光電倍增管(日本濱松PhotosensorModules H5784 Series)進(jìn)行采集放大，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；利用微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱判斷出被測水樣的化學(xué)耗氧量并進(jìn)行輸出顯示。用標(biāo)準(zhǔn)水樣進(jìn)行標(biāo)定，找出系統(tǒng)誤差并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正處理。
為保證反應(yīng)室的反應(yīng)溫度條件滿足200℃，通過對(duì)反應(yīng)室溫度監(jiān)測反饋，控制加熱器保持反應(yīng)室溫度恒定，同時(shí)，為保證反應(yīng)室的溫度均勻、無溫度梯度，我們采用多點(diǎn)監(jiān)測、多點(diǎn)加熱的辦法來實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例從海水浴場、碼頭、遠(yuǎn)海等幾處海區(qū)取樣，分成兩份。一份在山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，一份用本發(fā)明的方法進(jìn)行監(jiān)測。
實(shí)驗(yàn)表明，兩者方法有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果COD偏差小于等于10％。
本方法與國家海洋監(jiān)測規(guī)范(HY003.4-91)所測量COD值的比較如下

權(quán)利要求
1.利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水化學(xué)耗氧量的方法，包括以下步驟(1)利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，并保證臭氧的濃度為18～25mg/l和流量為0.5～21/min，將其送入反應(yīng)室；(2)利用自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)將被測的海水送入反應(yīng)室；(3)臭氧與海水在反應(yīng)室進(jìn)行混合反應(yīng)，保證臭氧與水樣之間能夠充分混合，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行光學(xué)密封，并設(shè)有探測窗口探測信號(hào)；(4)利用光電倍增管對(duì)反應(yīng)所發(fā)出的光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行采集放大，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行量化、計(jì)算、修正、顯示、打印輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測量海水化學(xué)耗氧量的方法，其特征在于，步驟(3)中保證臭氧與水樣之間能夠充分混合的方法是采用多孔材料-氣泡石使臭氧氣體從多孔材料表面的小孔中冒出，混合到周圍的被測水樣中，增加接觸面積，混合充分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的測量海水化學(xué)耗氧量的方法，其特征在于，步驟(3)中對(duì)反應(yīng)室光學(xué)密封的措施反應(yīng)室設(shè)計(jì)時(shí)，采用不透光材料，進(jìn)出水口采取彎曲設(shè)計(jì)防止光線折反射進(jìn)入反應(yīng)室，需透氣的地方采取多層隔光結(jié)構(gòu)，從而使反應(yīng)在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，達(dá)到反應(yīng)室的光學(xué)密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的測量海水化學(xué)耗氧量的方法，其特征在于，所述的不透光材料是不銹鋼金屬板，所述的多層隔光結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)開的不銹鋼金屬板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的測量海水化學(xué)耗氧量的方法，其特征在于，步驟(4)中的光電倍增管采用日本濱松Photosensor Modules H5784 Series。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的測量海水化學(xué)耗氧量的方法，其特征在于，步驟(4)中的微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和信號(hào)處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了利用臭氧氧化發(fā)光強(qiáng)度原理測量海水化學(xué)耗氧量的方法，將臭氧與海水在反應(yīng)室進(jìn)行混合反應(yīng)，通過光電倍增管對(duì)反應(yīng)所發(fā)出的光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行采集放大，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在程序控制下對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行量化、計(jì)算、修正、顯示、打印輸出。
文檔編號(hào)G01N21/76GK1431485SQ0311185
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月30日
發(fā)明者張濤, 劉巖, 侯廣利, 周忠海, 蔣慧略, 孫繼昌, 高楊, 尤小華 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所