CN1022949C

CN1022949C - 原子吸收式便携测汞仪

Info

Publication number: CN1022949C
Application number: CN 90103210
Authority: CN
Inventors: 李钟模
Original assignee: AEROPHYSICAL PROSPECTING REMOTE SENSING CENTRE MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Current assignee: AEROPHYSICAL PROSPECTING REMOTE SENSING CENTRE MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Priority date: 1990-07-04
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1993-12-01
Anticipated expiration: 2005-07-04
Also published as: CN1057905A

Abstract

本发明属地球化学探矿和环境保护中测量汞气的仪器。本发明采用微处理器控制测量的全过程。使测试条件严格一致，测量过程自动化。采用微型捕汞管并固定安装于仪器内部，降低仪器各部份的用电，使整机用电可由电池组供电，使体积重量和功耗都满足野外现场测量。其检出限高于目前已有的原子吸收式测汞仪一个数量级。适宜做超微量汞的测量。仪器无饱和现象，测量精密度高。

Description

本发明属地球化学探矿和环境保护中测量汞气的仪器。

地球化学探矿测量壤中气和环境保护中测量大气中的含汞量，其检出限应能达到10^-11-10^-12g量级，目前能用于上述需要的测汞仪，有利用原子吸收原理和利用纯金膜的电阻率变化原理制造的两类。

金膜测汞仪以我国甘肃有色金属地质研究所提供的JM-3型（地学仪器1987年1月号）为代表，它可以带到野外测量，而且是用电池供电直接加热进行热释，热效率高。检出限为10^-12gHg，重量约2.5Kg，但因其检测用的金膜吸附汞量超过10^-7g时趋于饱和而不呈线性。这时必须另行将金膜脱汞处理。而且每一次测量，其吸附量是累加的，这样除其附加误差较大外，当累加值达到10^-7gHg时，野外工作人员又难以及时发现和确定金膜的“饱和”，致使不能及时发现被测数据的畸变。其气体采集和测量过程完全靠手工操作，人为因素造成的误差亦较大。

利用原子吸收原理制造的测汞仪有两种：其中利用塞曼效应的双光束测汞仪有加拿大Scintrex公司的HGG-3、HGM-2型，因其灵敏度很低，无法用于地质找矿。

我国提供的双光束原子吸收式测汞仪是以本发明人参与研制的SG-4型塞曼测汞仪为代表（物化探研究报导1981年第10期P-235），作为实验室中快速定量直接（热释）测定岩石、土壤、分散流等样品中的微量汞是有效的，其特点是校正背景干扰能力强，但仪器笨重、昂贵、耗电，不适合作壤气汞量的测量，更不能带出野外。

利用原子吸收原理制造的单光束测汞仪是以本发明人负责研制的XG-3型为代表（物化探研究报导1981年第10期P-219），由于土壤气体中汞的背景浓度约为10^-9g/M³，用本仪器测定壤气汞，因其灵敏度的限制，必须借助金汞齐效应而特制的金丝石英捕汞管，先将这种捕汞管成批带到野外现场富集得到一定体积的土壤气汞样品，然后回营地使用电炉在800℃下热释，将捕汞管中吸附的汞脱出成汞蒸气吸入单光系原子吸收测汞仪中测定。借助金丝捕汞管的优点是：

1.弥补仪器感量不足;

2.金丝本身除吸附汞原子外，其它干扰气体基本上不被吸附，补偿了单光束仪器无抗背景干扰能力的缺点;

3.金丝石英捕汞管重量轻，体积小，便于携带出野外。

其缺点是：

1.为正常开展野外工作，每天需要采集较多样品，因此每台仪器需备上百只捕汞管，每只捕汞管金量为0.5-1g，其价格是昂贵的。

2.大量在室内脱汞净化捕汞管，在野外采集壤气汞样品，回室内热释测量，人工操作环节多，易受污染，其测得的数据可信度不很高（虽仍优于金膜测汞仪），要取得较好的地质效果也是比较困难的。

3.采集了汞气的捕汞管，放置时间越长，汞原子向金丝内部扩散越深，热释脱汞越困难。

4.每一捕汞管在采样前必须在室内进行净化，其劳动强度大，且每一捕汞管的净化程序很可能不同，也影响测量结果的精密度。

5.吸收室体积较大（超过5-10cm³），吸收室汞气浓度不高，所以作超微量测量时，需较长富集时间和较大的捕汞管。

专利号为88213066.8的系统，是测汞仪的辅助装置，它置于测汞仪之外，由于它是实验室装置，由交流电供电，所以体积大些，用电多些都是无关紧要的。其自动控制系统是由分离器件组成，由RC定时其可靠性及准确性是不高的。

本发明的目的是：

1.提供一种集气体汞的实时采集和实时测量于一体的，小型化的，由电池组供电的单光束原子吸收型适合于野外现场测量的高灵敏度便携式测汞仪。

2.提供一种除将采样头打入土壤时用人工操作外，其样品的采集、热释、测量、数字显示和存贮，数据的输出及冷却捕汞管的全过程，完全由仪器内部微处理器设定程序自动控制连续快速完成，既减少劳动强度，简便操作，同时将人为误差降低至最低限度的高自动化程度的测汞仪。

3.一只微型捕汞管一金丝石英管作为仪器的固定部件固定安装于仪器内部气路中，节约了大量黄金，降低造价，也使测量条件保持一致而提高测量精密度。

本发明的原子吸收式便携测汞仪主要由采样头1、过滤器2、微型捕汞管3、吸收室4、流量计5、流量阀6及抽气泵7组成的气路;由光源8、吸收室4及光电转换器9组成的光路;由光电转换器9、检测电路10、微处理器11、数字显示器12、采样时间选择器13、输出接口14组成的电路及供热释、灯源、流量阀、抽气泵、检测电路、微处理器各部份用电的电源（包括电源变换器15及电池组16）四部份所组成。

本发明的过滤器2及微型捕汞管3是作为本仪器的固定部件安装在仪器内部。供仪器各部份用电的电池组16作为仪器的可装卸部件安装在仪器内部。这样，除采样头1外，所有部件全部安装于仪器里面，便于携带和野外使用。

采样头1是带锥形头的空心钻，打入地下一定深度提取壤中气或者直接用管子吸取大气样品，用抽气泵7抽气，由流量阀按要求控制气体的流量以保证在设定时间内提取定量体积的气体样品，样品经管道进入过滤器2，过滤器2由吸水器及吸尘过滤器两部分组成。过滤过的气体样品以一定速度一定时间进入微型捕汞管3，使金丝团17吸附定量体积样品中的汞气（即富集），由于不同的被测地区其土壤的含汞量相当悬殊，因此采样时间应根据汞含量大小有所变更，汞含量高的地区可减少采样时间以提高测量速度，汞含量少的地区则必须增加采样时间以保证测量数据的可靠性。本发明的采样时间由采样时间选择器13根据需要设定，由微处理器11进行控制。本发明的采样时间可设定在15秒至300秒间按15秒步进增加。

采样完毕，微型捕汞管3内的金丝团17被快速加热至800℃使富集于金丝团17上的汞瞬时释放出来成为汞原子，经过吸收室4供测量。

光源8是一微型汞灯由电源点燃发出波长为2537 的光束进入吸收室4，将测量间隔内吸收室4吸收波长为2537 光的量由光电变换器9变成相应的电脉冲信号。

原子吸收式测汞仪是根据基态的汞原子-冷原子对于汞灯的2537

特征辐射选择吸收原理制成，吸收室4透射光的强度与基态汞原子浓度的关系服从比耳定律：

I＝Ioe^-XoCL

式中：I_o-入射光强度

I-透射光强度

K₀-吸收系数

C-汞原子浓度

L-吸收光程强度

C＝ (λ)/(K_OL) LN (I_O)/(I) ＝ (I)/(K_OL) 2.3Log (I_o)/(I) （2）

当L为常数时，C＝KA （3）

A=Log (I_O)/(I) 为吸光度， (I)/(I_O) 为透过率，K= 2.3/(X_oL) 为常数。

由式（1）及式（3）表明，吸收室4汞原子浓度在一定浓度范围内与吸光度成正比，根据仪器测量的吸光率，可以确定样品的汞浓度。

光电变换器9产生的电信号经检测电路10放大，解调，由微处理器11分成若干个测量单元进行测量并计算其峰值和积分值，分别在数字显示器12上显示并存贮在微处理器11的RAM中，微处理器11备有输出接口14供打印机作硬拷贝和供外部计算机计算和绘制所需的图件。

为达到便携式，能将仪器方便地带到野外现场使用成为现实，首先必须摆脱市电的牵制，采用小容量直流供电，其次是尽可能减小体积和减轻重量。本发明的仪器全部所需电能够由电池组16经电源变换器15供电，由于耗电较大的部份如热释、抽气，流量阀等均是间歇使用。本发明的仪器其一个样品从热释、测量，数据显示及存贮数据输出至微型捕汞管3的冷却是在30秒钟内自动连续完成的，只要电池组能保证提供足够的输出电源。本发明使用的3安培小时电池，在充足电后，在6-8小时内至少可供80次采样测量。

本发明的仪器中，瞬时功率需要最大的是热释部份，要将富集在微型捕汞管3金丝团17上的汞经过瞬时加热至800℃使之完全释放出来变成汞原子进入吸收室4，被加热的部份要有足够小的热容量才能降低加热功率和缩短加热时间。由于纯金的机械强度不高，直接加热很细的金丝会引起变形，影响富集能力，而且在很小的容积内不可能绕成相互不接触的螺旋状，故本发明是采用在微型捕汞管外绕以电热丝用仪器内部电池组16供电加热热释富集于金丝团17上的汞。虽然其热效率不如直接加热，但由于石英管导热性差，瞬时间内热量沿石英管向左右两个方向传导极慢，热量主要集中在有金丝团17的部位。只要金丝团17的重量在满足仪器检出限条件下尽可能的轻，既节约了金丝又减少耗电。在本发明仪器中热释时间不超过六秒钟即能保证富集于金丝团17的汞全部被释放出来变成汞原子。本发明所采用的微型捕汞管3是在石英管中央区固定由重量为0.05-0.3g金丝绕成的金丝团17组成，热释电流1-1.5A，一天按80次测量，其耗电约0.2安培小时，这是电池组完全能承受的。而且简接加热法的捕汞管较直接加热法的捕汞管容易制造得多。

本发明采用了微处理器11按设定程度自动控制连续完成气体汞的采集、热释、测量、数字显示及贮存，数据输出和微型捕汞管3的冷却全过程，为了缩短气体汞在微型捕汞管3中富集的时间，气体流量宜大些，而为了提高原子吸收量最小感量，应尽可能减小汞蒸气通过吸收室4的速度，而为了每次测量条件一致，保持高的测量精度，气体流速必须按需要保持一致而又能按需要迅速从一个设定速度改变至另一设定速度，用手动流量阀是不可能完成的，用专利号为88213066.8中所述的简单启闭式电磁阀也不能满足上述要求。本发明采用的是一种受控于微处理器11按测量要求设定程序自动控制流量大小和开闭的流量阀，即电磁流量阀。通过该电磁流量阀的气体可在0.05升/分至2升/分范围内受控。

为了满足电池供电，本发明尽可能减少了微型捕汞管3金丝团17的重量，缩短了热释时间，必须减少了每次采集的气体体积，使富集和释放出来的汞量相应地减少，这将影响仪器的检出限，为保持足够的检出限，必须提高仪器的最小感量。

原子吸收测汞仪实际上是一种气体汞浓度测量仪，为使微型捕汞管3富集的有限汞量在原子吸收中读数尽可能大，即要提高吸收室4中汞原子的浓度，其途径之一是尽可能减小吸收室4的体积和气路管道的体积，另外还可减少测量时的气体流量和降低检测电路的噪声。

基于上述考虑，本发明的吸收室4之体积为0.5-3cm³。微型捕汞管3直接与吸收室4连接，使中间管道减少到最低限度（见图2）。

为了提高吸收室4的温度以防止汞蒸气通过时内壁吸附污染，吸收室4是采用导热性差、不易被污染的石英管制成，靠微型捕汞管3热释加热时的热量随抽气提高吸收室4的测量时的温度。

在测量完毕后，为进行下一个样品的测量，微型捕汞管3要迅速降至常温，这是由微处理器11设置程序以气泵7在一定时间内继续抽气予以冷却。

本发明与已有技术相比较有以下优点：

1.本发明的仪器由于采用了电池供电，省去了已有技术的笨重的交流变压器、电炉等。另外，微型捕汞管3，吸收室4体积的减小及用电量的减少使整个仪器的体积和重量降至可以将仪器带到采样现场测量，便于工作人员及时发现异常及追索查证，并省却了室内的工作量。

2.本发明的检出限与已有技术中最高水平（原子吸收式）相比，提高了将近一个量级，使之可以开展超微量的测量。

3.本发明采用了微处理器控制技术，使各工序自动连续完成，各样品的采样、测试条件严格一致，提高了测量精密度，提高了测量效率。

4.本发明只用一个捕汞管，可以长期使用，节约大量昂贵的黄金，而且消除了由于不同捕汞管特性的差异引起的测量误差。

附图说明：

图1为本发明原子吸收式便携测汞仪的方框图：

1.-采样头

2.-过滤器

3.-微型捕汞管

4.-吸收室

5.-流量计

6.-流量阀

7.-抽气泵

8.-光源

9.-光电转换器

10.-检测电路

11.-微处理器

12.-显示器

13.-采样时间选择

14.-输出接口

15.-电源变换器

16.-电池组

-框为气路部份

-·-·框为光路部份

-框为电路部份

图2为本发明中微型捕汞管和吸收室的连接方式：

3.-微型捕汞管

17.-金丝团

4.-吸收室

箭头为气体流向

本发明的实施例：

根据本发明研制的BXG-100型原子吸收式便携测汞仪，其技术指标如下：

1.检出限：2-5×10^-12gHg

2.精密度：优于5%

3.体积：（包括电池组）350×100×300mm³

4.重量：（包括电池组）＜8kg

④文件名称页行补正前补正后

说明书 2 7 单光系单光束

5 16 电能够电能

19 测量，数据显示及测量、数据显示及

存贮数据存贮、数据

21 源. 流.

21 在充足电后充足电后

Claims

1、一种原子吸收式便携测汞仪，由采样头(1)、过滤器(2)、捕汞管(3)、吸收室(4)、流量计(5)、流量阀(6)及抽气泵(7)组成的气路；由光源(8)、吸收室(4)及光电转换器(9)组成的光路：由光电转换器(9)、检测电路(10)、数字显示器(12)组成的电路和电源共四部份所组成，其特征在于：

(1)由微处理器(11)按设定程序自动控制连续完成气体汞的采样、热释、测量、数字显示及存贮、数据输出和微型捕汞管(3)的冷却；

(2)过滤器(2)和微型捕汞管(3)是作为仪器的固定部件安装在仪器内部；

(3)流量阀(6)是一种可受微处理器(11)设定程序自动控制流量大小和开闭的电磁流量阀；

(4)全部仪器所用电能由电池组(16)提供；

(5)吸收室(4)是由石英玻璃管制成。

2、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于微型捕汞管（3）是石英管的中央部位固定由重量为0.05～0.3g金丝绕制成的金丝团（17）及石英管组成。

3、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于富集于微型捕汞管（3）内金丝团（17）上汞的热释是由微型捕汞管（3）外绕以电热丝用仪器内部电池组（16）供电加热的。

4、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于通过电磁流量阀（6）的气体可在0.05至2升/分范围内受控。

5、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于微处理器（11）备有输出接口供打印机硬拷贝和供外部计算机绘制所需图件。

6、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于微型捕汞管（3）是与吸收室（14）直接连接的。

7、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于微型捕汞管（3）富集气体汞的采样时间可设定为15秒至300秒步进增加。

8、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于一个样品的热释、测量、数据显示及存贮，数据输出和微型捕汞管（3）的冷却是在30秒钟内完成的。

9、根据权利要求1所述的原子吸收式便携测汞仪，其特征在于石英玻璃管吸收室（4）的内部体积为0.5-3cm³。