CN102410988A - 红外toc分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够自动测量环境监测领域地表水及污水中有机物含量的仪器，是一种测量水中总有机碳的含量的自动化仪器；能够实现测量过程的全自动化，测量的技术指标符合国家要求。一种红外TOC分析仪，包括总碳测量系统、无机碳测量系统、数据处理系统、控制系统组成；控制系统对总碳测量系统、无机碳测量系统进程进行控制，并将输出信号传给所述数据处理系统，总碳测量系统包括：自动进样单元、加热燃烧单元、光学测量单元；无机碳测量系统包括：酸化单元、预吹扫单元、光学测量单元；本发明解决了测量TOC的过程中传统的加热方法温度不高的问题，使燃烧温度提高到1200度，使水样的燃烧更充分、完全，提高了测量的准确度；同时解决了水样量少的问题，热辐射干扰的问题，TOC-COD一体化测量的问题，仪器适用于环境监测领域和其他行业对各类水中总有机碳含量的测量。

Description

红外TOC分析仪

技术领域

本发明涉及环境与资源技术领域，主要是应用于环境监测系统，更为具体的说是测量水或土壤中总有机碳（TOC）含量的仪器。

背景技术

目前该领域内测量TOC的仪器一般依据中华人民共和国国家标准《HJ 501-2009 水质 总有机碳的测定 燃烧氧化-非分散红外吸收法》技术指标按照中华人民共和国国家计量检定规程《JJG 821-2005 总有机碳分析仪》和《KR-IV红外TOC分析仪企业标准》研制、开发。

目前国内外比较成熟的生产总有机碳（TOC）分析仪的厂家主要集中在欧美日等发达国家，如：日本岛津公司，美国热电、哈希等公司，国内大多采取模仿式的生产方式，研究开发仍处于初级阶段， TOC分析仪主要为两种原理：1、湿法仪器：在被测水样中加入酸化剂，在特定波长的紫外线照射下水样中的有机物被酸化，生成碳酸，碳酸在水中以碳酸根和碳酸氢根的形式存在，这样就改变了水样的电导率，通过测量水样的电导率就能得知生成碳酸的量，从而能得到水样中有机物的碳含量，即得到总有机碳值。但是这种仪器存在只能测量水样中的总有机碳的含量比较低的情况；如果水样中的有机物含量比较高，就无法准确测量。2、干法仪器：干法仪器有两种方式，一是直接法，另一种是差减法。直接法原理是：把被测水样加入一定量的酸，水样中的无机碳反应生成二氧化碳气体，把产生的二氧化碳气体吹走；水样中就只含有有机碳，把酸化后的水样送入高温炉中燃烧，其中的有机碳经过燃烧生成二氧化碳气体，此气体经过红外测量系统后，得到产生的二氧化碳气体的量，从而得到水样中的总有机碳。差减法原理是：把被测水样送入高温炉中燃烧，水样中的有机碳和无机碳经过燃烧后生成二氧化碳气体，通过测量得到水样中的总碳含量；把同样的被测水样送入仪器的酸化池中，加酸后水样中的无机碳生成了二氧化碳气体，把此气体送入测量系统中测量，得到水样中无机碳的含量；用总碳的含量减去无机碳的含量就得到总有机碳的含量。目前市场上TOC分析仪大部分是干法仪器，但国外生产的干法仪器还有一些缺点：一是燃烧温度不够高，只有680度，水样中有一部分有机物不能充分燃烧。二是被测水样要进行高要求的粉碎、过滤前期处理，损失了一部分有机物。三是被测水样进样量太少，只有10-25微升，水样的代表性差。四是采用电炉丝连续加热，需要预热时间很长，仪器开机后始终处于加热状态，热辐射干扰大，用电量大。

发明内容

为克服上述技术问题，本发明提出一种新的技术方案， 采用干法中的减差法原理，利用高频电磁加热法对被测水样实现加热燃烧，提高了燃烧温度，燃烧温度可达到1200度，使所有的有机物都能充分燃烧，消除了国外仪器存在的缺点；水样燃烧时不需要对水样粉碎过滤，不用喷雾嘴，直接加入到样品池中即可；被测水样的体积增大了，由10-25微升提高到100-200微升，使被测水样更能代表实际水样，样品的代表性更好，测量更准确；仪器的燃烧系统不需要长时间的连续加热，只是在燃烧水样的时候加热，只需要几十秒钟，消除了热辐射的干扰，同时大大减少了用电量。

红外TOC分析仪的主要工作原理是:由自动进样系统把被测水样加入到燃烧坩埚中，坩埚自动进入到燃烧系统中，启动加热燃烧系统，在高频电磁系统中坩埚被快速加热，坩埚中的水样迅速燃烧，水样中的含碳物质经过燃烧与氧反应生成二氧化碳气体；二氧化碳气体进过干燥后进入光学测量系统，能吸收二氧化碳特定波长的红外光线扫描气体，一部分红外光被吸收了，根据朗伯-比尔定律，二氧化碳的浓度和吸光度成正比，由计算二氧化碳的浓度，进而得到水样中总碳的浓度，总碳测量完成。总碳测量完成后进行无机碳的测量，启动吹氧系统，向酸化管中吹氧，目的也是赶走废气；完成后向酸化管中加入磷酸和被测水样，两者混合后水样中的无机碳和磷酸反应，产生二氧化碳，经过除水后送入光学测量系统；通过计算得到无机碳的浓度。总碳的浓度减去无机碳的浓度得到总有机碳的浓度；根据总有机碳和化学需氧量的线性关系，计算得到COD的含量。所有的测量结果送计算机显示存储和打印。

具体的采用以下技术方案

一种红外TOC分析仪，包括总碳测量系统、无机碳测量系统、数据处理系统、控制系统组成；控制系统对总碳测量系统、无机碳测量系统进程进行控制，并将输出信号传给所述数据处理系统。

总碳测量系统包括：自动进样单元、加热燃烧单元、光学测量单元；无机碳测量系统包括：酸化单元、预吹扫单元、光学测量单元。

自动进样单元包括三部分，一是气路移动机构，二是水样连接机构，三是坩埚燃烧机构。

气路移动机构由空气阀、移动气缸、气缸支架和连接管路组成；水样连接机构由水样嘴、电磁阀、水样泵、水样预排系统、连接管路组成；燃烧坩埚机构由铂金材料的杯状坩埚、坩埚托架、上升气缸组成。

因为水样的燃烧是在高温下进行的，进样嘴和燃烧系统如果放在一起，容易变形和堵塞；考虑到上述因素，决定把进样系统设计成分离结构，开始进样时先由气路系统推动气缸把进样嘴送到坩埚的上方，再启动水样连接系统的进样泵把水样加入到坩埚中，加水样完成后，气路系统推动气缸把水样嘴送回到原来的位置，由坩埚托架把坩埚送到燃烧系统中进行燃烧。

自动进样单元的优点是：自动完成进样；进样嘴和燃烧池分离保证了进样嘴不变形，且进样嘴不容易堵塞；进样嘴的直径比较大，进样时不用形成雾状，不用对水样高速粉碎、过滤，更有利于有机物的测量。

加热燃烧单元主要由高频电压产生电路、高压电子管、高频电磁控制电路、高频加热螺旋管、石英管燃烧室组成。根据水样的量和燃烧温度（1200度）调整高频电磁的频率；石英管燃烧室要保证密封性，不允许漏气。

当水样加入坩埚后，控制系统启动高频电磁炉，产生的高频电压通过螺旋管加在铂金坩埚上，根据涡流效应，坩埚在几秒内温度升高到1200度，水样会快速燃烧，其中的碳和氧反应生成二氧化碳，产生的二氧化碳送到光学测量单元进行测量。加热燃烧单元是密闭的，燃烧是在石英管制成的燃烧室中进行，燃烧开始前就进行吹氧，燃烧产生的二氧化碳气体送到测量室中。

加热燃烧单元的优点是：使用铂金材料制造坩埚，燃烧过程中能起到催化氧化的作用，更有利于燃烧；水样是液体形式加入到坩埚中，加入的体积大，一般是喷雾形式的十倍，可以加入100微升，水样代表性强，测量的准确性更高；坩埚可以重复利用，有利于不同水样的快速测量。

酸化单元由酸化管、磷酸试剂瓶、酸液泵、进水样泵、加热系统、电磁阀、连接管路组成，燃烧系统是测量水样中的总碳，酸化系统是测量水样中的无机碳，其作用是把水样和磷酸加入到酸化管中，在加热的状态下，水样中的无机碳和磷酸反应，产生二氧化碳，达到测量无机碳的目的。

测量无机碳前，对酸化系统中先吹氧，目的是排除系统中的废液，赶走系统中的空气，提高测量的准确度；吹氧一段时间后，由进酸泵把磷酸从试剂瓶中加入到酸化管中，水样泵向酸化管中加入水样，磷酸和水样混合后进行加热80到100度，水样中的无机碳和磷酸反应生成碳酸，碳酸在加热的状态下分解成水和二氧化碳气体，二氧化碳气体随着氧气进入光学测量系统进行测量；酸化反应完成后，无用的废液被排放到废液收集瓶中。

酸化单元的优点是：系统结构简单可靠；磷酸和水样同时加入到酸化管中，反应一开始就进行测量，防止了二氧化碳的流失；加热系统始终加热，水样和磷酸一混合在很短的时间内就加热到80度以上，有利于二氧化碳的产生；酸化管采用玻璃管可重复利用，消除干扰；管路采用聚四氟管和耐酸碱的泵管，消除管路的影响和干扰；每次测量完成后，如测量不同的水样，测量前仪器自动进行水样预排，防止上一次水样残留的干扰，提高测量的准确度。

预吹扫单元由压力控制机构、燃烧室、酸化室、除水管、吸附管、光学吸收管、气阀、连接管路组成。

压力控制机构主要是控制整个吹氧气路的压力，使压力保持在一个稳定的水平，保证气流的稳定性，有利于测量的稳定性。燃烧室是气路的一部分，是水样燃烧的地方。酸化室也是气路的一部分，是水样酸化产生无机碳的地方。除水管接在燃烧室和酸化室的后部，燃烧和酸化产生的二氧化碳气体含有大量的水蒸气，采用电子制冷产生零度以下的低温区，将除水管放置其中，二氧化碳气体经过除水管时水蒸气遇冷凝结成水排出去，达到除水的目的。吸附管接在除水管的后部，经过除水管后，二氧化碳气体中大部分水被除去，还存在微量的水蒸气，再经过吸附管中的干燥剂吸附后完全干净了。光学吸收管是二氧化碳气体吸收红外光的地方，光学吸收管一端连接红外光源，另一端连接红外接收传感器，光源产生的红外光经过光学吸收管照射到另一端的红外传感器上，二氧化碳气体从一端进入，从另一端除去，期间一部分红外光被吸收。气阀的作用是控制气体的通断。连接管路的作用是把燃烧室、酸化室、除水管、吸附管、光学吸收管、气阀连接在一起，形成一个密闭的气路系统，使产生的二氧化碳气体经过各部分后排出。

光学测量单元包括红外光源、光学吸收管、红外接收传感器、光电转化电路、信号调制系统、信号放大电路。

红外光源是产生红外光的器件，能够产生所需要特定波长的红外光，要求产生光的波长中心频率稳定，光的功率稳定。光学吸收管由玻璃管表面镀金制成，要求表面光滑、洁净，减少光信号的损耗和折射，使信号以直线方式传播。红外接收传感器的作用是把光信号转变成电信号，传感器接收信号的范围要符合二氧化碳的吸收频率。光电转化电路的作用是把传感器转换的电流信号转换成电压信号，并对电信号进行滤波、稳定处理。信号调制系统把直流电信号转换成交流信号。信号放大电路的作用是对电信号进行初级放大，以适应数据处理系统的要求。

数据处理系统包括：数据的放大及采集、数据计算、数据显示及输出。

电信号要经过放大和滤波，达到对信号的要求，对模拟信号进行数字信号转换，由单片机对信号进行采集。

数据计算要完成数据的加、减、乘、除运算，根据光学定律，计算所测溶液的浓度。

数据显示及输出主要完成数据的显示、打印、存储，由液晶显示器显示测量的数据，由微型打印机实现数据的即时打印，数据可由仪器自身存储，也可以向PC机传送数据。

数据处理系统由硬件系统和软件程序两部分。硬件系统包括信号处理及放大电路、模数转换电路、单片机电路、仪器外接电脑。软件程序包括仪器内部单片机程序和外接电脑计算及数据处理程序。

信号处理及放大电路主要是对前置放大电路送来的信号进行滤波和信号放大，来适应电路要求。模数转换电路把处理后的电信号由模拟信号转换成数字信号，来适应单片机的要求。单片机电路主要作用是对信号进行简单的计算和处理，制作成数据包，送外接电脑进行计算；单片机还对电脑送来的控制指令进行处理，执行相应的动作。外接电脑的主要作用是对仪器送来的数据进行分类、计算、处理，对结果进行输出和存储，显示数据波形。

仪器内部单片机程序主要是对信号进行归纳处理，和电脑进行数据通信，把采集的信号送到电脑，接受电脑送来的控制指令，把控制指令转换成控制信号，进行动作的控制。电脑的程序是一个软件系统，主要作用是接收仪器送来的数据，对数据进行分析和计算，根据数学模型计算测量结果，对结果进行输出和存储；根据数据的特性，显示数据波形，和测量的过程；对仪器所有动作和控制指令的编译；仪器人机对话控制程序；仪器运行控制程序；数据库连接及数据处理。

控制系统由两部分组成，一是仪器操作的控制，二是仪器各电磁阀和电机的控制。

仪器操作控制通过电脑指令完成，对仪器的单项控制，通过操作仪器的相应菜单来执行；对仪器的流程控制，由电脑的控制程序自动执行。对仪器各个电磁阀和电机的控制，由电脑把控制指令传送给仪器的单片机，由单片机把指令解释后，转换成控制信号，进行相应动作的控制。智能控制信号由单片机采集后送电脑处理，电脑处理后送仪器执行。

发明的效果：由于采取以上技术方案本发明主要有以下技术效果：

1、燃烧方式采用高频电磁加热方法，只是在燃烧时瞬间加热，不燃烧时不用加热，加热时间为10-60秒。

2、燃烧温度由目前国外仪器的680℃提高到1200℃ ，燃烧更充分，所有含碳物质都被氧化。

3、燃烧坩埚采用铂金材料制成，既能起到燃烧催化作用，不需要在燃烧的过程中另加催化剂；又能重复使用，达到了连续自动测量的目的，不用更换坩埚。

4、进样不需要喷雾，也就不需要对水样高速粉碎、过滤处理，消除了一部分有机碳被过滤掉，造成总有机碳测量不准确；因为不用微小的喷雾嘴，也防止了喷雾进样嘴的堵塞。

5、TOC-COD一体化仪器，在测量水质TOC的同时，也能测量COD指标，适应目前国内用户需要测COD指标的需求。

6、进样量由10-25ul提高到100-200ul，提高了被测水样的代表性，使测量更准确。

附图说明

附图1为本发明的原理图。

附图2为本发明的结构示意图。

附图中1高频电磁系统 ； 2加热燃烧室 ；3燃烧气阀 ； 4酸化室 ； 5电子制冷除水系统 ； 6水样移动汽缸 ； 7铂金坩埚；8燃烧氧气阀 ； 9酸化氧气阀 ；10干燥管；11燃烧水样阀；12坩埚移动汽缸；13高纯氧 ；14光学测量系统；15水样泵；16酸化水样阀 ；17酸液泵 ；18废气阀。

具体实施方式

结合图2详细说明本实施例。红外TOC分析仪结构示意图 序号-部件名称： 

仪器自动测量过程如下：仪器开机预热稳定后开始测量，点击仪器自动测量菜单，仪器开始执行下列动作，启动坩埚移动汽缸12，把铂金坩埚7下降到加水样位置；水样汽缸6启动，把水样嘴移动到铂金坩埚7上方；打开燃烧水样阀11，然后启动水样泵15，向铂金坩埚7中加入一定体积的被测水样，加水样完成后，水样泵15停止转动，关闭燃烧水样阀11，启动水样汽缸6把水样嘴移回到原来的位置；启动坩埚移动汽缸12，把铂金坩埚7送入加热燃烧室2中，此时整个燃烧室是密闭的；打开燃烧气阀3、废气阀18，打开燃烧氧气阀8，此时，高纯氧气进入加热燃烧室2，经过燃烧气阀3进入酸化室4中，氧气再经过电子制冷除水系统5、干燥管10、光学测量系统14、废气阀18排出，经过一段时间吹氧后，整个气路系统的废气都被排出了，气路系统中充满了高纯度的氧气；此时启动高频电磁系统1，高频电流流经加热燃烧室2外部的螺旋管，由于涡流效应，铂金坩埚7很快被加热，十几秒钟后，铂金坩埚7温度升高到1200度；在升温的过程中，铂金坩埚7中的水样气化、燃烧，其中的含碳物质与氧气反应生成二氧化碳气体，二氧化碳气体经过燃烧气阀3、酸化室4进入电子制冷除水系统5，电子制冷系统开始测量前已经启动，内部温度低于零度，高温含水的气体遇冷后凝结成液体水排走，二氧化碳气体中的水绝大部分被除去了，除水后的二氧化碳气体进入到干燥管10中，其中的干燥剂把气体中微量的水吸附了，干燥的二氧化碳气体进入光学测量系统14，经过测量后的气体通过废气阀18排出；在启动高频电磁系统后，立即启动光学测量系统14，把测量数据送入电脑进行处理；随着水样的燃烧，二氧化碳的浓度逐渐升高，燃烧完成后，二氧化碳的浓度逐渐降低，通过测量二氧化碳气体的浓度，计算出水样中的总碳含量；测量完成后，关闭高频电磁系统1、燃烧气阀3、燃烧氧气阀8。总碳测量完成后开始测量水样中的无机碳，打开酸化氧气阀9，氧气进入酸化室4、电子制冷除水系统5、干燥管10、光学测量系统14、废气阀18后排出；吹氧一段时间后，启动光学测量系统14，打开酸化水样阀16，启动水样泵15向酸化室4中加入与测量总碳相同的水样，完成后停止水样泵15，关闭酸化水样阀16；启动酸液泵17，把一定体积磷酸加入到酸化室4中，加酸完成后关闭酸液泵17，在加热的条件下，磷酸和水样中的无机碳反应生成二氧化碳，产生的二氧化碳气体通过电子制冷除水系统5、干燥管10、光学测量系统14、废气阀18后排出；光学测量系统14通过测量二氧化碳的浓度，计算出水样中无机碳的含量，测量完成后，关闭酸化氧气阀9、废气阀18。用总碳的含量减去无机碳的含量得到总有机碳的含量；根据TOC和COD的线性关系，得到水样中COD的值；电脑上显示总碳含量、无机碳含量、总有机碳的含量、COD数值四个指标，整个测量过程完成。

Claims (5)

1.一种红外TOC分析仪，其特征在于，包括总碳测量系统、无机碳测量系统、数据处理系统、控制系统组成；所述控制系统对总碳测量系统、无机碳测量系统进程进行控制，并将输出信号传给所述数据处理系统。

2.根据权利要求1所述的红外TOC分析仪，其特征在于，所述总碳测量系统包括：自动进样单元、加热燃烧单元、光学测量单元；所述无机碳测量系统包括：酸化单元、预吹扫单元、光学测量单元。

3.根据权利要求2所述的红外TOC分析仪，其特征在于，所述自动进样单元包括：气路移动机构、水样连接机构、坩埚燃烧机构；所述加热燃烧单元由高频电压产生电路、高压电子管、高频电磁控制电路、高频加热螺旋管、石英管燃烧室构成；酸化单元由酸化管、磷酸试剂瓶、酸液泵、进水样泵、加热机构、电磁阀、连接管路构成；预吹扫单元由压力控制机构、燃烧室、酸化室、除水管、吸附管、光学吸收管、气阀、连接管路构成；光学测量单元由红外光源、光学吸收管、红外接收传感器、光电转化电路、信号调制系统、信号放大电路构成。

4.根据权利要求1所述的红外TOC分析仪，其特征在于，所述数据处理系统包括信号处理及放大电路、模数转换电路、单片机电路及单片机程序和外接电脑计算及数据处理程序；所述控制系统通过电脑指令对总碳测量系统、无机碳测量系统进程进行控制。

5.根据权利要求3所述的红外TOC分析仪，其特征在于，所述气路移动机构由空气阀、移动气缸、气缸支架和连接管路组成；所述水样连接机构由水样嘴、电磁阀、水样泵、水样预排、连接管路组成；燃烧坩埚机构由铂金材料的杯状坩埚、坩埚托架、上升气缸组成。

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