专利名称：高精度二氧化碳测定仪的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种水质分析仪器，具体说是一种高精度二氧化碳测定仪。
背景技术：
目前市面上常见的CO2测定仪有两种一是大气中CO2气体含量的测定仪，如江苏亿通电子有限公司生产的红外式CO2测定仪(型号7001)和手掌式CO2测定仪(型号CEA-700)；二是水体(包括地表水和地下水)中溶解CO2的测定仪，这种仪器在市场上相对较少，如北京市北斗星工业化学研究所的H-BD5W电化学水质通用分析仪。无论是前者还是后者，其精度只能达到1ppm，不能满足工程或科学研究的需要。目前，对水体中溶解CO2的测定没有直接的测定方法，而只有间接的测定，即通过测定水的温度、pH值和HCO3-或CO32-离子，再经化学平衡理论计算求得。这种间接的测定方法存在三个重要问题一是它忽略了水中其他离子对CO2含量的影响；二是以HCO3-或CO32-离子的实测浓度进行计算，忽略了活度对CO2含量的影响；三是测定结果是按化学平衡理论计算求得，而水体尤其是地下水体实际往往处于非平衡状态。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题就是现有的水体CO2测定仪精度不高的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案本实用新型除pH探头、温度探头和HCO3-或CO32-探头外，还包括金属离子探头、SO42-及Cl-离子探头，以及多路选择器、模/数转换器、运算控制器及显示器，各探头采集的模拟信号通过多路选择器送入模/数转换器转换成数字信号后送入运算控制器并经计算后送入显示器显示。
本实用新型采用化学平衡-非平衡理论，并考虑离子活度，对水中溶解CO2进行计算，因此本实用新型除有pH和温度探头外，还有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-或CO32-及Cl-离子探头，其目的是为了考虑水中其他离子对CO2含量的影响。
依据化学平衡-非平衡理论，其具体的计算方法如下1.水中常量组分的主要离子对有10种CaSO40、MgSO40、NaSO4-、KSO4-、CaHCO3+、MgHCO3+、NaHCO30、CaCO30、MgCO30、NaCO3-。水中溶解组分由游离离子和离子对两部分组成。若考虑上述10种常规成分的离子对，则水中常规溶解组分存在形式的组成如下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)]]>在任意状态(非平衡)下，10种离子对存在如下方程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”为某游离离子或离子对的mol浓度，(T)为某离子的总浓度，即分析浓度；SI为饱和指数，r为活度系数，K为平衡常数，在一定的环境条件和状态下为常数。对(8)～(17)式作如下简化令S1=rCa2+×mCa2+×rSO42-rCaSO40×SICaSO40×KCaSO40]]>则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．非平衡计算步骤(1)根据分析浓度和温度等求各参数和活度系数，并设各SI＝1，从而求得S1～S4、H1～H3、C1～C3；(2)将(18)～(27)式代入(1)～(3)式，求得 、 、 ；(3)将 、 、 代入(18)～(27)式，求得；mCaSO40~mNaCO3-]]>；(4)将mCaSO40~mNaCO3-]]>代入(4)～(7)式，求得 、 、 、 ；(5)根据步骤(2)～(4)的计算结果重新计算活度系数和各饱和指数SI，再次求得S1-S4、H1-H3、C1-C3；(6)重复步骤(2)～(4)；(7)如此往复计算，直到前后两次计算结果的绝对差小于某个很小的值为止。
3.计算溶解CO2的含量(mol/L)或分压(atm)[CO2]=[H+][HCO3-]K1]]>pCO2=[H+][HCO3-]KCO2K1]]>上述化学平衡-非平衡理论及相应的计算公式是申请人多年研究的成果。
本实用新型精度达到0.1ppm，能满足工程或科学研究需要，适合进行现场测定。
图1为本实用新型具体实施方式
的外观示意图。
图2为本实用新型具体实施方式
的原理框图。
图3为本实用新型具体实施方式
对有关数据进行计算处理的流程图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例包括pH探头、温度探头、HCO3-探头，SO42-探头、Cl-离子探头及K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子探头，还包括多路选择器、模/数转换器、运算控制器及显示器。各探头均与多路选择器相应的输入端相连，模/数转换器的输入端与多路选择器的输出端相连，其输出端则与运算控制器相接，运算控制器的输出端则与显示器相连。
在本实施例中，系统采用电池供电的5V系统，4节干电池经过稳压滤波后输出直流5V。(电源在图中未画出)多路选择器采用的是MUX，它将各探头采集的数据送入模/数转换器。
运算控制器采用的是CPU，它负责采样量化后的数据进行计算并将需要显示的结果送交显未器。
显示器采用的是LCD显示模块。
图3所示的是本实施例对数据的处理流程。对数据的处理由运算控制器CPU调取存储在其中的程序完成。该程序由普通软件人员根据图3所示流程即可编出，在此不作赘述。
本实用新型的工作原理是运算控制器CPU控制多路选择器MUX按设定的顺序将各探头采集到的数据量送入模/数转换器A/D，模/数转换器A/D对采集到的各通道模拟量进行量化，将模拟量转换为由0，1信号表示的数字量后送给运算控制器CPU。运算控制器CPU对各通道采集量化后的数据进行计算，之后将需要显示的数据送往LED进行显示。
下面简述一下本实用新型的工作过程选择多路选择器MUX中的Ca2+开关，得到Ca2+的模拟量，通过A/D模/数转换器转换成数据信号，送入运算控制器CPU。其他各量也通过这样的程序送入运算控制器CPU后，由运算控制器CPU调取预存的程序进行计算后，将运算结果送往LCD液晶显示模块，在液晶显示屏上显示计算结果。
本实用新型在实验室或工程现场均可对水体中CO2含量进行测定。为了避免因水中CO2的逸出而增大pH值及水的温度改变而影响测试精度，pH值和温度的测定应在现场测定。
权利要求1.一种高精度二氧化碳测定仪，包括pH探头、温度探头和HCO3-或CO32-探头，其特征在于还包括金属离子探头、SO42-及Cl-离子探头，以及多路选择器、模/数转换器、运算控制器及显示器，各探头采集的模拟信号通过多路选择器送入模/数转换器转换成数字信号后送入运算控制器并经计算后送入显示器显示。
2.如权利要求1所述的高精度二氧化碳测定仪，其特征在于所述的金属离子探头包括K+离子探头、Na+离子探头、Ca2+离子探头、Mg2+离子探头。
专利摘要本实用新型涉及一种高精度二氧化碳测定仪，包括pH探头、温度探头和HCO
文档编号G01N27/26GK2638062SQ0327735
公开日2004年9月1日 申请日期2003年8月5日 优先权日2003年8月5日
发明者刘建刚, 王翀, 吴继敏 申请人:河海大学