专利名称：一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量水中总有机碳的设备，具体地说是一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪。
背景技术：
总有机碳(TOC)是以碳的含量表示有机物总量的综合指标，是反映水体受有机物污染程度的一项重要指标。TOC测定方法的基本原理是首先把有机物中的碳素氧化成CO2，再对氧化生成的CO2进行测定，以CO2的量表示TOC。总有机碳测定仪于二十世纪六十年代末投入市场，分燃烧氧化法(又称干法)和湿法两种。目前，国内外市场上，燃烧法总有机碳水质连续测定仪的品种很多，例如美国HACH的Astro TOCHT；美国STAR的1000型TOC；德国Maihak的TOCOR2、TOCOR20等；湿法总有机碳水质连续测定仪也很多，例如美国HACH的Astro TOCTMUV、Astro TOC1950Plus；美国STAR的2000型TOC、3000型TOC、4000型TOC；德国Elementar(Heraeus)的Ligui TOC；德国Jena的SenTOC等，它们的性能优越，但结构复杂、价格昂贵，还不能完全满足中国水质状况的特殊要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、运行成本低、测量性能好、符合国家环境保护总局HJ/T104-2003技术要求和中国水质状况的一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪。
本实用新型的技术方案是一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，它具有通过管道依次连通的混合器、氧化反应器、气/液分离器、NDIR(红外线吸收法)检测器，NDIR检测器上连接有数据处理器，其特点是，它设有起报警功能的断流传感器、流量传感器、沉淀传感器，断流传感器和流量传感器设在试剂、试样入口与混合器连通的管路上，沉淀传感器设在混合器与氧化反应器连通的管路上，它还设有电磁阀，电磁阀与氧化反应器连通，电磁阀上连接有排液管，电磁阀由数据处理器控制。
工作原理试样、试剂分别通过断流传感器不断地送入混合器，载气通过流量传感器进入混合器，试样中的无机碳与试剂中的硫酸发生酸化反应，除去无机碳的试样通过沉淀传感器被注入氧化反应器，有机碳氧化成CO2，然后经气/液分离器分离后，不断地进入NDIR检测，由软件的标准校正因子计算出待测试样的TOC浓度。当系统意外断电且再度上电时，启动电磁阀，排出断电前正在测定的试样和试剂，清洗各通道和反应系统，然后关断电磁阀，软件启动重新开始新的测定程序。
与已有技术相比，本实用新型具有如下积极效果一、(HJ/T104-2003)7.4要求，当试样或试剂不能导入反应器时，系统能通过蜂鸣器报警并显示故障内容。同时，停止运行直至系统被重新启动。
进口总有机碳水质连续测定仪不装断流报警装置，当试样或试剂发生断流时，仪器照常工作，但测量的结果是错误的；不装载气报警装置，当载气变化时，仪器照常运转，但测量的结果是错误的；不装沉淀报警装置，当酸化反应产生沉淀时，堵塞液流管道，造成重大故障。
本实用新型提供了一种功能报警装置，在液流回路中安装了断流传感器，在气路中安装流量传感器，在反应回路中安装沉淀传感器，以单片机接收传感器送来的信号并进行处理。该报警装置能方便地区分试样、试剂、载气是否正常流动，酸化反应是否产生沉淀。当传感器的输出发生变化时，控制器能够报警、显示故障内容，进而切断相关电源，直至重新启动，保证了测量结果的准确性。
二、(HJ/T104-2003)7.3要求，当系统意外断电且再度上电时，系统能自动排出断电前正在测定的试样和试剂，自动清洗各通道、自动复位到重新开始测定的状态。
现有总有机碳水质连续测定仪，无论是干法的还是湿法的，其氧化反应系统均没有自动清洗除液系统。当系统意外断电且再度上电时，氧化反应器不能排出断电前正在测定的试样和试剂，造成现在测定的数据是以前试样的错误。
而本实用新型提供了一种自动清洗除液氧化反应系统，它设有电磁阀，电磁阀与氧化反应器连通，电磁阀上连接有排液管，电磁阀由数据处理器控制。当系统意外断电且再度上电时，数据处理器指令打开电磁阀，排出断电前正在测定的试样和试剂，清洗各通道和反应系统，然后关断电磁阀，软件启动重新开始新的测定程序，保证了测量的准确性。
本实用新型由采样、有机碳氧化、气/液分离、测量TOC、数据处理等部分组成并留有标准接口，可方便地接入流量计和通讯单元，实现TOC和有机污染物的总量控制和联网，具有结构简单、测量范围宽、实时性好、运行成本低、重现性好、运行可靠等优点，能够对生活污水、江河湖海水、工业废水直接进行测量。
下面通过附图及实施例对本实用新型做进一步的解释说明。
图1-本实用新型的一种实施方案的结构原理图(燃烧法)；图2-本实用新型的功能报警控制原理框图；图3-燃烧法氧化反应器的进样头的结构示意图；图4-燃烧法氧化反应器的氧化管的结构示意图；图5-本实用新型的气/液分离器的结构示意图；图6-图5的纵剖面结构图；图7-本实用新型的NDIR检测器的结构示意图；图8-本实用新型的另一种实施方案的结构原理图(湿法)；图9-湿法氧化反应器的结构示意图。
附图图面说明1-1断流传感器，1-2断流传感器，1-3流量传感器，1-4沉淀传感器，2-1蠕动泵，2-2蠕动泵，2-3蠕动泵，3混合器，4进样口，5出气口，6排液口，7进气口，8排液管，9电磁阀，10氧化管出气口，11进气管，12出气管，13气/液分离管，14氧化管，15NDIR检测器，16数据处理器，17过滤器，18催化剂，19离子阱，20进样头，21气/液分离器，22针芯，23紧固螺母，24硅橡胶O型圈，25基座，26半导体制冷器件，27冷面，28散热器，29热面，30保温层，31参比池，32透光镜，33透光镜，34测量池，35聚光镜，36红外光源，37热释电红外传感器，38石英管，39电极，40进样口，41出气口，42进气口，43出气口，44余液排液口，45排气口，46排液口，47氧化管，48燃烧炉。
具体实施方案实施例1本例为燃烧法总有机碳水质连续测定仪，参考图1，在混合器3上通过管道安装断流传感器1-1、断流传感器1-2、流量传感器1-3、沉淀传感器1-4，断流传感器1-1、断流传感器1-2、流量传感器1-3的另一端为试样、试剂和载气的入口，断流传感器1-1、断流传感器1-2与混合器之间分别安装蠕动泵2-1、蠕动泵2-2，蠕动泵的作用是吸取和推动溶液，在混合器3上留一个出气口5，在沉淀传感器1-4的另一端连接蠕动泵2-3，蠕动泵2-3连通电磁阀9，在电磁阀9上安装排液管8，电磁阀9的后面安装进样头20，参见图3，进样头20具有针芯22，针芯22通过紧固螺母23、硅橡胶O型圈24与基座25连接，针芯22在氧化管14的进样口4处通过胶垫与氧化管14密封插接，参见图4，氧化管14内依次设有过滤器17、催化剂18和离子阱19，过滤器17可以为石英棉，催化剂18为氧化钴或铂丝，离子阱19为锰酸银和氧化铜，氧化管14安装在燃烧炉48中，在氧化管14的端部设有氧化管出气口10，氧化管出气口10与气/液分离管21的进气管11连通，参见图5、图6，气/液分离器21具有气/液分离管13，气/液分离管13上设有进气管11、出气管12，在气/液分离管13的外壁设有半导体制冷器件26，气/液分离管13的管壁与半导体制冷器件26的冷面27紧密接触，在半导体制冷器件26的热面29紧密接触设有散热器28，在气/液分离管13外还设有保温层30，在气/液分离管13的下端设有排液口6，气/液分离管13的温度与半导体制冷器件26的供电电源由单片机控制，出气管12与NDIR检测器15连通，参见图7，NDIR检测器15具有参比池31、测量池34，参比池31由透光镜32、33密封并填充高纯氮，测量池34由透光镜32、33密封并通过进气口42与气/液分离器21的出气管12连接，在测量池34的另一端设有出气口43，在透光镜32处设有热释电红外传感器37，在透光镜33处设有聚光镜35，透光镜33与聚光镜35之间设有红外光源36，红外光源36与数据处理器16连接并由其控制发光，热释电红外传感器37与数据处理器16连接并传送数据。
工作过程试样(待测水样)通过断流传感器1-1和蠕动泵2-1进入混合器3；载气通过流量传感器1-3进入混合器3，载气为氧气或无CO2的压缩空气；试剂通过断流传感器1-2、蠕动泵2-2进入混合器3，试剂为硫酸、过硫酸钠氧化剂，在混合器3内试样中的无机碳与试剂中的硫酸发生酸化反应，产生的CO2由出气口5排出(无机碳不参与检测)。除去无机碳的试样与试剂通过沉淀传感器1-4、蠕动泵2-3、电磁阀9、进样头20、进样口4不断地进入氧化管14，通过过滤器17、催化剂18、离子阱19，有机碳在900℃的高温和催化剂的作用下氧化成CO2。载气通过流量传感器1-3、进气口7、进样口4进入氧化管14，作用是带动有机物氧化生成的CO2经离子阱19除去对CO2测定有干扰作用的SO42-、CL-、NO3-、S2-、PO43-进入气/液分离器21，氧化反应产生的水汽和CO2经氧化管出气口10由气/液分离器21的进气管11进入恒温在2℃的低温气/液分离管13，水汽冷凝后由排液口6放走，除去水汽后的CO2由出气管12不断地从进气口42进入测量池34，在NDIR检测器15中进行检测，再由数据处理器16软件的标准校正因子计算出待测试样的TOC浓度，检测完的CO2气体由出气口43排出。
当系统意外断电且再度上电时，数据处理器16会启动自动复位和清洗程序，控制电磁阀9打开并由排液管8放走断电前正在测定的试样和试剂，然后吸入新的试剂和试剂清洗系统液流管路，自动复位到重新开始测定的状态。
至此，实现了TOC的测定。
与国外进口仪器相比，本实施例的结构和功能有如下几个特点1、具有报警功能功能报警控制原理参见图2，断流传感器1-1、断流传感器1-2、流量传感器1-3、沉淀传感器1-4与模/数转换器A连接，模/数转换器A与单片机微处理器U连接；当试剂、试样、载气供应量发生变化、酸化反应产生沉淀时，传感器的输出电压变化，微处理器U软件触发峰鸣器B报警，继电器C切断电源，由显示器D1-4显示故障内容。模/数转换器A和微处理器U也可采用模拟信号方式进行控制。
2、除液清洗功能当系统意外断电且再度上电时，数据处理器16会控制电磁阀9打开，放走断电前正在测定的试样和试剂并清洗，然后自动复位到重新开始测定的状态，保证了测量的准确性。而已有的测定仪没有这种功能。
3、进样针易拆洗进样针把试样均匀注入高温燃烧氧化管，是保证测定数值重复性的关键部件。进口燃烧法总有机碳测定仪的进样针不但价格昂贵，而且不易清洗，经常被废水中颗粒杂质和无机盐堵塞针芯，造成损失、影响监测。本实用新型提供的进样头20，结构简单，拆卸极其方便，针芯可先用通针清理，再用净水冲洗，消除堵塞，反复使用。
4、离子阱在自动连续监测中，特别是对生产废水的监测，干扰的因素很多，如果试样中的SO42-、CL-、NO3-、S2-、PO43-超过一定浓度，就会干扰检测，离子阱是消除干扰的关键部件。进口燃烧法总有机碳测定仪的离子阱多由电解铜片、铜粒、锌片、锌粒等纯金属组成在室温下吸收干扰因素，效果相对较差，故常以加大体积来弥补，其体积大、效率低。本实用新型提供了一种新型离子阱，体积小、效率高。与现有进口TOC测定仪的离子阱不同，过滤器17、催化剂18、离子阱19安装在氧化管14内，离子阱19为锰酸银、氧化铜、氧化银颗粒组成，当燃烧炉加热至900℃时，密封在氧化管14内的离子阱在500℃左右，当试样中的SO42-、CL-、NO3-、S2-、PO43-通过时，就会被高温状态的锰酸银、氧化铜、氧化银吸收，效率更高。
5、气/液分离器不同水汽会干扰CO2的测定，气/液分离器是消除水汽对CO2测定造成干扰的关键部件，它的分离效果越好，越能符合国家环境保护总局HJ/T104-2003技术要求7.1.7规定。法国Seres、美国HACH等公司采用蛇形水冷凝管、美国IONICS公司采用离心式分离器、美国Rosemount公司采用渗透膜管进行气/液分离，寿命短、性能不可靠。本实用新型提供了一种半导体电子制冷的气/液分离器，当半导体制冷器件施加直流电后，冷面与热面温差约70℃，与冷面接触的气/液分离管降温，与热面接触的散热器升温，散热器由风机的转动降低散热器的温度，进一步降低与冷面接触的气/液分离管温度，设置保温层可以减少冷量的损失，在单片机的控制下，气/液分离管最终恒定在2℃，水汽冷凝最佳的温度上，达到水汽冷凝与CO2分离，能有效地消除水汽的影响，而且性能可靠、寿命长。
6、NDIR检测器比色、库仑、电导、热导等方法都可以对CO2进行测定，而使用最多的方法是红外线吸收法(NDIR)。NDIR检测器分微音式、热释电和相关法。微音式和相关法的机械结构复杂、价格高，不利于普及。本实用新型提供了一种热释电红外吸收CO2检测器(NDIR)，由微处理器控制红外光源发出一定频率的红外光，通过检测室(参比池和测量池)，射到热释电红外传感器，聚光镜能使红外光源发射至热释电红外传感器的能量最强；当进入检测室的气体含有CO2时，CO2吸收4.26цm特征波长的红外线，使热释电红外传感器得到能量降低，产生的电压信号下降，再由软件计算出CO2的浓度。该NDIR检测器结构简单、价格低廉、性能稳定、便于推广。
下表为使用本实施例测定仪实际测量的几种水样结果
从表中可以看出，采用本例的燃烧法总有机碳水质连续测定仪，其测量结果偏差小，准确度高。
本实施例的优点(1)系统具有断流报警、沉淀报警和载气故障报警，保证了系统的测量数据可靠。
(2)系统发生意外断电且再度上电时能排出断电前正在测定的试样、试剂并清洗，保证了系统的测量数据的时效性。
(3)进样头易拆卸，针芯易清理、清洗。
(4)电子制冷的气/液分离器性能可靠、寿命长。
(5)离子阱体积小、重量轻、效率高。
(6)NDIR检测器结构简单，价格低廉、性能稳定、便于推广。
(7)系统硬件功能模块化结构简单可靠、计算及控制简便易行，最大程度减少了人为干预，真正实现仪器的自动化和在线监测。
(8)本实用新型能与环保管理软件相匹配，具有网上传输数据的功能。
实施例2本例为湿法总有机碳水质连续测定仪，与实施例1的结构和功能基本相同，不同之处是，氧化反应器为湿法氧化反应器，参见图8、图9，它具有一个氧化管47，在氧化管47内设有19000mm2大面积并填充汞蒸汽的石英管38，在石英管38内密封设有78mm2大面积的电极39，在氧化管47上设有进样口40、出气口41、余液排液口44、排气口45，排液口46，进样口40与沉淀传感器1-4连通，出气口41与气/液分离管13的进气管11连通，电磁阀9设在排液口46处，电磁阀9上连接有排液管8。
工作时，试样(待测水样)通过断流传感器1-1和蠕动泵2-1进入混合器3；载气通过流量传感器1-3进入混合器3；试剂通过断流传感器1-2、蠕动泵2-2进入混合器3，试样中的无机碳与试剂中的硫酸发生酸化反应。除去无机碳的试样与试剂通过沉淀传感器1-4、进样口40不断地进入氧化管47，酸化反应产生的无机碳CO2先从排气口45排出，有机碳在由石英管38发出的紫外线和过硫酸钠氧化剂的作用下氧化成CO2，氧化反应完毕的液体由余液排液口44处排出，载气通过流量传感器1-3、进气口7进入氧化管47，作用是带动有机物氧化生成的CO2进入气/液分离器21，氧化反应产生的水汽和CO2经出气口41进入气/液分离器21中进行分离，水汽冷凝后由排液口6排走，除去水汽后的CO2进入NDIR检测器15中进行检测，由数据处理器16计算出待测试样的TOC浓度。
当系统意外断电且再度上电时，数据处理器16会控制电磁阀9打开，从排液口46，经电磁阀9、排液管8放走断电前正在测定的试样和试剂，然后吸入新的试剂和试剂清洗系统液流管路，自动复位到重新开始测定的状态。
本例中的氧化反应器又可称为紫外发生器，紫外发生器是湿法总有机碳自动连续测定系统的核心部件之一。它的氧化能力越强，越能符合国家环境保护总局HJ/T104-2003技术要求7.1.7规定。进口仪器价格昂贵，而且由于水质状况和有关规定不同，其性能与我国的规定不一致。本实施例的紫外发生器采用加大石英管有效比表面积，安装大面积电极的方法，78mm2大面积的电极密封在19000mm2大面积的石英管中，石英管内填充汞蒸气，电极与高压电连接。当电极施加3000V的高压时，汞蒸气被激发，能释放出大面积185Nm的高能量紫外线，具有极强的氧化能力。
下表为使用本实施例测定仪实际测量的几种水样结果
从表中可以看出，采用本例的湿法总有机碳水质连续测定仪，其测量结果偏差小，准确度高。
本实施例的优点氧化反应器——紫外发生器的氧化效率更高，更符合HJ/T104-2003的性能要求。其他优点与实施例1相同，不再赘述。
权利要求1.一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，它具有通过管道依次连通的混合器(3)、氧化反应器、气/液分离器(21)、NDIR检测器(15)，NDIR检测器(15)上连接有数据处理器(16)，其特征是，它设有断流传感器(1-1)、断流传感器(1-2)、流量传感器(1-3)、沉淀传感器(1-4)，断流传感器(1-1)、断流传感器(1-2)、流量传感器(1-3)设在试剂试样入口与混合器(3)连通的管路上，沉淀传感器(1-4)设在混合器(3)与氧化反应器连通的管路上，它还设有电磁阀(9)，电磁阀(9)与氧化反应器连通，电磁阀(9)上连接有排液管(8)，电磁阀(9)由数据处理器(16)控制。
2.根据权利要求1所述的一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，其特征是，所述的气/液分离器(21)具有气/液分离管(13)，气/液分离管(13)上设有进气管(11)、出气管(12)，进气管(11)与氧化反应器通过管路连通，出气管(12)与NDIR检测器(15)连通，在气/液分离管(13)的外壁设有半导体制冷器件(26)，气/液分离管(13)的管壁与半导体制冷器件(26)的冷面(27)紧密接触，在半导体制冷器件(26)的热面(29)紧密接触设有散热器(28)，在气/液分离管(13)外设有保温层(30)，在气/液分离管(13)的下端设有排液口(6)，气/液分离管(13)的温度与半导体制冷器件(26)的供电电源由单片机控制。
3.根据权利要求1所述的一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，其特征是，所述的NDIR检测器(15)设有参比池(31)、测量池(34)，参比池(31)由透光镜(32)、(33)密封并填充高纯氮，测量池(34)由透光镜(32)、(33)密封并通过进气口(42)与气/液分离器(21)的出气管(12)连接，在透光镜(32)处设有热释电红外传感器(37)，在透光镜(33)处设有聚光镜(35)，透光镜(33)与聚光镜(35)之间设有红外光源(36)，红外光源(36)与数据处理器(16)连接并由其控制发光，热释电红外传感器(37)与数据处理器(16)连接并传送数据。
4.根据权利要求1所述的一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，其特征是，所述的氧化反应器为燃烧法氧化反应器，它具有进样头(20)和燃烧炉(48)，在燃烧炉(48)内设有氧化管(14)，进样头(20)具有针芯(22)，针芯(22)通过紧固螺母(23)、硅橡胶O型圈(23)与基座(25)连接，进样头(20)的一端与沉淀传感器(1-4)通过管路连通，所述的电磁阀(9)设在进样头(20)与沉淀传感器(1-4)之间的管路上，进样头(20)的另一端针芯(22)通过胶垫与氧化管(14)密封插接，氧化管(14)内设有过滤器(17)、催化剂(18)和离子阱(19)，端部设有氧化管出气口(10)，氧化管出气口(10)与气/液分离器(21)的进气管(11)连通。
5.根据权利要求1所述的一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，其特征是，所述的氧化反应器为湿法氧化反应器，它具有氧化管(47)，在氧化管(47)内设有19000mm2大面积并填充汞蒸汽的石英管(38)，在石英管(38)内密封设有78mm2大面积的电极(39)，在石英管(38)上设有进样口(40)、出气口(41)、余液排液口(44)、排气口(45)，排液口(46)，进样口(40)与沉淀传感器(1-4)连通，出气口(41)与气/液分离管(13)的进气管(11)连通，排液口(46)连接电磁阀(9)。
专利摘要本实用新型提供了一种功能报警、自动清洗除液式总有机碳水质连续测定仪，它具有混合器、氧化反应器、气/液分离器、NDIR检测器、数据处理器，特点是，它设有起报警功能的断流传感器、流量传感器、沉淀传感器，能判断试样、试剂、载气是否正常流动，酸化反应是否产生沉淀，当传感器的输出发生变化时，控制器能够报警，进而切断相关电源直至重新启动，保证了测量的准确性，它还设有自动清洗除液氧化反应系统，设有电磁阀，其上连接有排液管，电磁阀与氧化反应器连通，并由数据处理器控制，当系统意外断电且再度上电时，数据处理器会指令打开电磁阀，排出断电前正在测定的试样和试剂，清洗各通道和反应系统，然后重新启动开始新的测定程序，保证了测量的准确性，本实用新型具有结构简单、实时性好、运行成本低等优点，能够对生活污水、江河湖海水、工业废水直接进行测量。
文档编号G01N21/77GK2723990SQ20042004087
公开日2005年9月7日 申请日期2004年5月29日 优先权日2004年5月29日
发明者徐滋秋, 徐成彬 申请人:徐滋秋