专利名称：采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种水质化学需氧量的实时测量装置和测量方法，属于环境监测技术 领域中的水质监测技术，具体说是一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置及测
量方法。
背景技术：
目前国内外测量水质化学需氧量(简称“COD”)仍以实验室分析法为主。近年来 随着新材料、新工艺、新技术的不断发展，尤其是计算机技术的飞速发展，出现了一些新的 水质参数分析测试仪器。这些分析测试仪器主要分为两种形式一种是利用传感器在水下 直接测量，另一种是利用“微型实验室”法将化学实验室方法集成在仪器中进行测量。传感 器法有电极式传感器法和光纤传感器法，电极传感器法受环境影响较大，如温度、酸度、离 子强度和悬浮物等；光纤传感器法的传感器长期稳定性不够、使用寿命短和选择性不好。利 用“微型实验室”法开发的仪器体积庞大、结构复杂不适于进行连续、实时的测量。利用臭氧氧化化学发光原理研制的水质化学需氧量测量仪不需添加试剂，不产生 二次污染，响应速度快，避免了水体高浓度离子氯离子对准确度的影响，能够进行水质化学 需氧量的实时测量，但其目前采用的流动注射方式是一种采集实时光强度代表化学需氧量 的方式，有以下几点不足(1)气源为空气的臭氧发生器的臭氧产量受湿度和氧气含量的影响较大，不易长 期稳定，因此，在采集实时光强度代表化学需氧量时误差较大。(2)臭氧在水样中的溶解度受水样品质和其温度影响，不能达到很高，适于海水化 学需氧量的测量，不适应于高COD值水样的测量。(3)控制水样流量的流量泵因长期不间断工作机械磨损大，易损坏。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种采集光总量的臭氧法水质化 学需氧量测量装置，不依赖于臭氧发生器产量的大小及其稳定性，减小臭氧溶解度对测量 结果的影响，能够测量高COD值水样，并减少流量泵的不间断工作时间，提高测量系统可靠 性和使用寿命；还提供一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量方法，适应于高COD 值水样的测量，测试精度高。本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，包括化学反应装置、水样换 路装置、臭氧发生装置、暴气片、光电传感器、数据处理电路和控制电路，其特征在于所述 化学反应装置为一密光的反应腔体，反应腔体上设有进水口、出水口和通气孔，反应腔体的 一侧是透镜，反应腔体的下面为所述暴气片，暴气片与臭氧气室连通，进水口和出水口与水 样换路装置连接，光电传感器安装在反应腔体之外透镜的焦点处，光电传感器的输出信号 端口连接到数据处理电路，数据处理电路与控制电路连接，控制电路的控制信号输出端连
4接所述水样换路装置。对上述技术方案的改进所述的水样换路装置由泵、水样进水阀、反应腔进水阀、 反应腔出水阀、排水阀组成，水样进水阀的入口连接到水源，反应腔出水阀的入口连接到反 应腔体的出水口，水样进水阀和反应腔出水阀的出口连接到泵的入口，泵的出口连接到反 应腔进水阀和排水阀的入口，反应腔进水阀的出口连接到反应腔的进水口。对上述技术方案的进一步改进所述的反应腔体的腔体材料为聚四氟乙烯，所述 的暴气片的材料是聚四氟乙烯透气膜。对上述技术方案的进一步改进所述的透镜是高折射率和高投射率的光学玻璃凸 透镜。对上述技术方案的进一步改进所述的水样换路装置中的水样进水阀、反应腔出 水阀和反应腔进水阀、排水阀是电动阀。对上述技术方案的进一步改进所述的水样换路装置中的水样进水阀、反应腔出 水阀和反应腔进水阀、排水阀是多位多通阀。一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量方法，其特征在于对一密光的反 应腔体中的水样用与臭氧气室连通的暴气片持续施加臭氧，数据处理电路通过安装在反应 腔体一侧的透镜的焦点处的光电传感器按照固定采样速率采样光强信号，实时记录并判 断，当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质的化学需 氧反应已经结束，停止采样，将采集到的信号进行求和，该求和的结果作为水质化学需氧量 的值。对上述技术方案的进一步改进具体测量步骤如下①、首先对水样进行预处理，即用0. 45 μ m滤膜过滤并在40°C下预热；②、然后控制电路使水样换路装置中的水样进水阀、反应腔进水阀和泵工作，将水 样抽入反应腔体，延时数分钟待抽满后，控制电路关闭水样进水阀、反应腔进水阀和泵；③、控制电路持续将臭氧从臭氧气室通入反应腔体，同时光电传感器探测反应产 生的光信号；④、数据处理电路按照固定采样速率采样光电传感器的输出信号，实时记录并判 断；⑤、当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质 的化学需氧反应已经结束，停止采样；⑥、将采集到的信号进行求和，送入数据处理单元进行线性校正处理，然后存储、 显不；⑦、控制电路取消臭氧的通入，使水样换路装置中的反应腔出水阀、排水阀和泵工 作，将水样抽出反应腔体并排空；⑧、清洗反应腔体，将蒸馏水当作水样，重复以上步骤(1) (2) (3)，延时数分钟后，
重复步骤⑦。本发明的优点和积极效果是1、在固定水样体积的情况下，持续不断地使用臭氧来氧化水样中的化学需氧物 质，并使用反应过程中的光总量来表征化学需氧物质的量，使测量的结果不依赖于臭氧发生器产量的大小及其稳定性，也减小臭氧溶解度对测量结果的影响，误差小，使臭氧法化学 需氧量测量方法能够测量高COD值水样，水样COD值越高，测量的时间越长。2、利用了阀的可靠性比流量泵的稳定性要高很多，以增加阀的数量来减少流量泵 的数量，特别是测量结果不依赖泵的流量，从而提高了测量装置的长期稳定性和使用寿命。
图1为本发明采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置中的反应腔体的结 构图；图2为本发明采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置中的水样换路装置 结构图；图3为本发明采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置测量曲线坐标图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明本发明一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，包括化学反应装置、 水样换路装置、臭氧发生装置、暴气片、光电传感器、数据处理电路和控制电路，其特征在 于所述化学反应装置为一密光的反应腔体，反应腔体上设有进水口、出水口和通气孔，反 应腔体的一侧是透镜，反应腔体的下面为所述暴气片，暴气片与臭氧气室连通，进水口和出 水口与水样换路装置连接，光电传感器安装在反应腔体之外透镜的焦点处，光电传感器的 输出信号端口连接到数据处理电路，数据处理电路与控制电路连接，控制电路的控制信号 输出端连接所述水样换路装置。参见图1，采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置的反应腔体5是一个由 耐高温、抗腐蚀、抗氧化的非金属材料聚四氟乙烯为主体的密光的容器，反应腔体5的一侧 是由高折射率和高投射率的光学玻璃制造的凸透镜3，反应腔体5上的通气孔1与大气相 通，用来平衡气压，反应腔体5上的进水口 2与水样换路装置9中的反应腔进水阀13相连 通，反应腔体5上的出水口 8与水样换路装置9中的反应腔出水阀16相连通，反应腔体5 下部有聚四氟乙烯透气膜制作的暴气片7，暴气片7用来透过臭氧阻断水样，并能使臭氧在 水样中均勻暴气，暴气片7与臭氧气室6连通，臭氧气室6用不锈钢材料制作，光电传感器4 安装在反应腔体5外透镜3的焦点处，光电传感器4的输出信号端口连接到数据处理电路 10，数据处理电路10与控制电路11连接，控制电路11的控制信号输出端连接到水样换路 装置9。参见图2，水样换路装置9中的泵15可以是流量泵，也可以是普通扬程泵，阀12阀 16和阀13阀14是多位多通阀的简化形式，列举了多位多通的一种结构，阀体材料采用耐 海水腐蚀的非金属材料，为方便控制电路进行自动控制，采用电动阀。箭头列举了水样的流 向。本发明一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量方法，对一密光的化学反应 腔体5中的水样用与臭氧气室6连通的暴气片7持续施加臭氧，数据处理电路10通过安装 在反应腔体5 —侧的透镜3的焦点处的光电传感器4按照固定采样速率采样光强信号，实 时记录并判断，当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质的化学需氧反应已经结束，停止采样，将采集到的信号(如图3所示)进行求和，该求和 的结果作为水质化学需氧量的值。本发明的实际测量过程如下①、首先对水样进行预处理，即用0. 45 μ m滤膜过滤并在40°C下预热；②、然后控制电路使水样换路装置9中的水样进水阀12、反应腔进水阀13和泵15 工作，将水样抽入反应腔体5，延时数分钟待抽满后，控制电路关闭水样进水阀12、反应腔 进水阀13和泵15 ；③、控制电路持续将臭氧从图1的臭氧气室06通入反应腔体5，同时光电传感器4 探测反应产生的光信号；④、数据处理电路10按照固定采样速率采样光电传感器4的输出信号，实时记录 并判断；⑤、当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质 的化学需氧反应已经结束，停止采样；⑥、将采集到的信号(如图3所示)进行求和，送入数据处理单元进行线性校正处 理，然后存储、显示；⑦、控制电路11取消臭氧的通入，使图2中水样换路装置9中的反应腔出水阀16、 排水阀14和泵15工作，将水样抽出反应腔体并排空；⑧、清洗反应腔体，将蒸馏水当作水样，重复以上步骤(1) (2) (3)，延时数分钟后，
重复步骤⑦。上述说明表示本发明是逐一对固定体积的水样持续不断地施加臭氧，使其进行 化学需氧反应，直到反应停止再撤掉臭氧，通过测量反应过程中产生的总光强来精确地测 算出水质化学需氧量。上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普 通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保 护范围。
权利要求
1.一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，包括化学反应装置、水样换路 装置、臭氧发生装置、暴气片、光电传感器、数据处理电路和控制电路，其特征在于所述化 学反应装置为一密光的反应腔体，反应腔体上设有进水口、出水口和通气孔，反应腔体的一 侧是透镜，反应腔体的下面为所述暴气片，暴气片与臭氧气室连通，进水口和出水口与水样 换路装置连接，光电传感器安装在反应腔体之外透镜的焦点处，光电传感器的输出信号端 口连接到数据处理电路，数据处理电路与控制电路连接，控制电路的控制信号输出端连接 所述水样换路装置。
2.按照权利要求1所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，其特征在 于所述的水样换路装置由泵、水样进水阀、反应腔进水阀、反应腔出水阀、排水阀组成，水 样进水阀的入口连接到水源，反应腔出水阀的入口连接到反应腔体的出水口，水样进水阀 和反应腔出水阀的出口连接到泵的入口，泵的出口连接到反应腔进水阀和排水阀的入口， 反应腔进水阀的出口连接到反应腔的进水口。
3.按照权利要求1或2所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，其特征 在于所述的反应腔体的腔体材料为聚四氟乙烯，所述的暴气片的材料是聚四氟乙烯透气 膜。
4.按照权利要求3所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，其特征在 于所述的透镜是高折射率和高投射率的光学玻璃凸透镜。
5.按照权利要求1或2所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，其特征 在于所述的水样换路装置中的水样进水阀、反应腔出水阀和反应腔进水阀、排水阀是电动 阀。
6.按照权利要求5所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置，其特征在 于所述的水样换路装置中的水样进水阀、反应腔出水阀和反应腔进水阀、排水阀是多位多 通阀。
7.一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量方法，其特征在于对一密光的反应 腔体中的水样用与臭氧气室连通的暴气片持续施加臭氧，数据处理电路通过安装在反应腔 体一侧的透镜的焦点处的光电传感器按照固定采样速率采样光强信号，实时记录并判断， 当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质的化学需氧反 应已经结束，停止采样，将采集到的信号进行求和，该求和的结果作为水质化学需氧量的 值。
8.按照权利要求7所述的采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量方法，其特征在于具体测量步骤如下①、首先对水样进行预处理，即用0.45 μ m滤膜过滤并在40°C下预热；②、然后控制电路使水样换路装置中的水样进水阀、反应腔进水阀和泵工作，将水样抽 入反应腔体，延时数分钟待抽满后，控制电路关闭水样进水阀、反应腔进水阀和泵；③、控制电路持续将臭氧从臭氧气室通入反应腔体，同时光电传感器探测反应产生的 光信号；④、数据处理电路按照固定采样速率采样光电传感器的输出信号，实时记录并判断；⑤、当采样到的信号在指定时间内的均值小于等于规定的信号阈值时，说明水质的化学需氧反应已经结束，停止采样；⑥、将采集到的信号进行求和，送入数据处理单元进行线性校正处理，然后存储、显示；⑦、控制电路取消臭氧的通入，使水样换路装置中的反应腔出水阀、排水阀和泵工作， 将水样抽出反应腔体并排空；⑧、清洗反应腔体，将蒸馏水当作水样，重复以上步骤(1)(2) (3)，延时数分钟后，重复 步骤⑦。
全文摘要
本发明提供一种采集光总量的臭氧法水质化学需氧量测量装置及测量方法，通过对固定体积的水样持续不断地施加臭氧，使其进行化学需氧反应，通过测量反应过程中产生的总光强来精确地测算出水质化学需氧量。测量装置的主体是一密光的反应腔体，反应腔体上设有进水口、出水口和通气孔，反应腔体的一侧是透镜，反应腔体的下面为所述暴气片，暴气片与臭氧气室连通，进水口和出水口与水样换路装置连接，光电传感器安装在反应腔体之外透镜的焦点处，光电传感器的输出信号端口连接到数据处理电路，数据处理电路与控制电路连接，控制电路的控制信号输出端连接所述水样换路装置。适应于高COD值水样的测量，测量结果不依赖泵的流量，测试精度高。
文档编号G01N21/01GK102103088SQ20101060511
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者刘军礼, 吕成兴, 周忠海, 张涛, 张照文, 惠超, 李磊, 牟华, 程广欣, 臧鹤超, 赵娜 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所