CN105158190A

CN105158190A - 一种高效的水体总有机碳在线监测仪

Info

Publication number: CN105158190A
Application number: CN201510519956.7A
Authority: CN
Inventors: 刘春晖; 张丽丽; 郑效田; 高正中; 郑丰隆; 王晓宁; 卫永琴; 黄文超; 王阳; 阮敬华; 徐沛
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-15
Filing date: 2015-08-15
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种高效的水体总有机碳在线监测仪，包括单片机和燃烧炉，所述单片机上设有显示触摸屏、报警电路、串行通信接口和数据打印模块；单片机通过光电隔离装置与蠕动泵相连，蠕动泵一端与燃烧炉相连，燃烧炉内设有光波、微波加热装置和红外CO2探测仪，红外CO2探测仪用于检测燃烧炉内的CO2的含量，并将数据发送到单片机。本发明选用触摸屏为显示、操控平台，交互性好，方便快捷；运用光波、微波加热燃烧速度快，光波加热只需要1～2分钟或更短时间，高效节能，比传统的催化燃烧加热节能20-40％。

Description

一种高效的水体总有机碳在线监测仪

技术领域

本发明涉及一种TOC监测仪器，具体涉及一种高效的水体总有机碳在线监测仪。

背景技术

总有机碳(TOC)代替化学需氧量(COD)是国际接轨的需要：国际标准化组织于1987年发布了ISO8245-1987《水质总有机碳(TOC)的测定导则》，于1999年发布了ISO8245-1999《水质总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)的测定导则》，目前美国主要以TOC来表征水中有机物的含量；日本七十年代初期也开始把TOC列入工业标准(JIS，KO102)，目前已发展到利用TOC取代传统的BOD/COD比值法检验有机物的生物降解度。美国、日本、英国和西欧一些国家从二十世纪八十年代开始用TOC和总需氧量(TOD)作为有机污染物质的综合监测指标，并加以控制。我国也于2003年由国家环保总局等四部委把TOC正式列入水污染当量值表。

常规TOC测量是根据水体中C循环，即C的各种存在形态而进行的。测量方法基本上是先将水中的有机物质氧化为CO₂，然后检测CO₂的量来确定TOC的浓度。有机物质的氧化方式主要有以下几种：高温催化燃烧氧化，即高温氧化法；湿化氧化(过硫酸盐)；紫外(UV)-湿法(过硫酸盐)氧化，即紫外线加过硫酸盐氧化法；紫外线法，即紫外氧化法。如上所述，TOC测定方法中的氧化方式有干法氧化和湿式氧化法，其中干法氧化即燃烧氧化法，是一种能确保所有OC被氧化的方法，是一种最准确的方法，可以作为校准其他方法的标准。液体样本可直接注入燃烧管，也可在燃烧前蒸发。当温度高于1000～1100℃时，O₂可使样品中的OC被氧化。温度较低时，要使氧化反应进行彻底就需要催化炉。950℃时，可选择Cr₂O₃和C_UO等；680℃时，可选用过渡金属的氧化物，如P_t、C_U、I_r和N_l等。目前，大多数干法氧化采用950℃的高温加催化剂，少数采用680℃加催化剂。LAR公司随后研发出不用催化剂的1200℃超高温燃烧的氧化方式。在1200℃的超高温下，即使不填充任何催化剂，也能把几乎所有的有机物彻底氧化。但是，石英、合金和普通耐火陶瓷都不能在1200℃的超高温下正常运行，需要解决氧化管的材料、制作工艺及加热方法问题。湿法氧化采用不同的氧化剂、消解时间和反应温度来氧化CO。氧化剂的种类很多，如过氧化氢、过氧化钾、高锰酸钾、重铬酸、过硫酸盐等，使用最多的是过硫酸钠和过硫酸铵。在氧化过程中还常常辅以加热、加压、紫外线照射来提高氧化效率。与燃烧法相比，化学氧化时水中溶解性物质不干扰，同时还具有准确度高、灵敏度高等特点，缺点是费时。对于CO₂的检测方法目前主要有非分散红外探测法(NDIR)、薄膜电导率探测法和FID法等。其中非分散红外探测法(NDIR)应用最成熟、最方便，是探测技术的主流，本课题也选用非分散红外吸收法来探测CO₂的量从而确定TOC的浓度。

TOC分析仪作为一种较为新型的环境在线监测仪器，其研发涉及化学、热物理、流体力学和红外探测等技术，是一个较为复杂的课题。马康等对TOC分析技术及仪器的计量标准现状作了较为详细的叙述；郭可勇利用基于湿化氧化法的岛津TOC分析仪，研究了氧化剂、酸、暴气时间和水样保存等因素对测定结果的影响；彭晓燕等采用过燃烧氧化-非分散红外吸收法测定总有机碳，就差减法与直接测定法的测定特点进行比较，并结合清洁海水水样的实际测定情况进行分析；徐惠中等研制了利用磷酸和过硫酸钠氧化水样，电导检测器检测电导率的TOC分析仪；Peterson等通过改用高灵敏度探测器等手段，提高了高温燃烧法TOC分析仪的性能。近年来，国家也对TOC在线监测仪的研究给予了大力支持，中国环境监测总站的齐文启研究员进行的“总有机碳及其在线监测仪的研制”得到了科技部863项目的资金支持。齐等根据对已售的总有机碳在线监测仪的调研，确定了采用紫外催化-过硫酸钾氧化法测定水中总有机碳的技术路线，开发研制了总有机碳自动在线监测仪。

尽管目前国内学者、科研人员对TOC分析仪的研究已经取得了很多成果，但仍存在很多问题。国内TOC监测仪95％以上的市场仍然被日本、美国、德国占领，国内只有少数几家TOC监测仪生产厂家，且大多是燃烧催化法测定，时间长，耗能较高。而利用光波、微波加热的高效节能且采用触摸屏显示方便操作的TOC在线监测仪的研究几乎处于空白状态。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高效的水体总有机碳在线监测仪，选用触摸屏为显示、操控平台，交互性好，方便快捷；运用光波、微波加热燃烧速度快，光波加热只需要1～2分钟或更短时间，高效节能，比传统的催化燃烧加热节能20-40％。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高效的水体总有机碳在线监测仪，包括单片机和燃烧炉，所述单片机上设有显示触摸屏、报警电路、串行通信接口和数据打印模块；单片机通过光电隔离装置与蠕动泵相连，蠕动泵一端与燃烧炉相连，燃烧炉内设有光波、微波加热装置和红外CO₂探测仪，红外CO₂探测仪用于检测燃烧炉内的CO₂的含量，并将数据发送到单片机，所述单片机上还设有交流驱动电路、直流驱动电路、传感输入模块、数据转换模块，数据储存模块，容错模块和和故障诊断模块。

其中，单片机的硬件部分的输入、输出均采用光电隔离。

其中，交流驱动电路采用带光电隔离的过零触发固态继电器。

其中，直流驱动电路采用带光电隔离和瞬间干扰吸收的电子开关。

其中，串行通信接口采用抗雷电的器件。

其中，传感输入模块的信号采用数字滤波。

本发明具有以下有益效果：

(1)运用光波、微波加热燃烧速度快，节能：传统TOC仪器使用催化燃烧，温度上升到680℃～1200℃，一般需要40～50分钟时间，而光波、微波加热只需要1-2分钟或更短时间，而且，光波、微波加热比传统的催化燃烧加热节能20-40％，该技术填补国际、国内空白；

(2)根据仪器监测结果的TOC浓度，运用TOC和COD相关性理论进行实验分析，换算出地表水、废水COD浓度，实现在线仪器TOC浓度和COD浓度的双重显示；该技术填补国际、国内空白；

(3)随着技术的发展，触摸屏得到越来越广泛使用，设计软件使仪器控制使用触摸屏，更加方便快捷，触摸屏应用于TOC在线监测技术，处于国际、国内领先水平。

附图说明

图1为本发明实施例一种高效的水体总有机碳在线监测仪的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高效的水体总有机碳在线监测仪，包括单片机和燃烧炉，所述单片机上设有显示触摸屏、报警电路、串行通信接口和数据打印模块；单片机通过光电隔离装置与蠕动泵相连，蠕动泵一端与燃烧炉相连，燃烧炉内设有光波、微波加热装置和红外CO₂探测仪，红外CO₂探测仪用于检测燃烧炉内的CO₂的含量，并将数据发送到单片机，所述单片机上还设有交流驱动电路、直流驱动电路、传感输入模块、数据转换模块，数据储存模块，容错模块和和故障诊断模块。

单片机的硬件部分的输入、输出均采用光电隔离。

交流驱动电路采用带光电隔离的过零触发固态继电器。

直流驱动电路采用带光电隔离和瞬间干扰吸收的电子开关。

串行通信接口采用抗雷电的器件。

传感输入模块的信号采用数字滤波。

本具体实施采用微波加热将水体中的有机物燃烧氧化为CO₂，转化速度快且高效节能。CO₂的探测采用技术成熟的非分散红外探测法(NDIR)来探测CO₂的量从而确定TOC的浓度。运用TOC和COD相关性理论，通过实验分析由仪器监测的TOC浓度换算出水体的COD浓度，能实现在线仪器TOC浓度和COD浓度的双重显示。硬件部分的输入、输出均采用光电隔离，以提高仪器的抗干扰能力。交流驱动拟选用带光电隔离的过零触发固态继电器，直流拟选带光电隔离和瞬间干扰吸收的电子开关。执行部分拟加入瞬变电压吸收元件，通讯接口也采用抗雷电的器件。软件方面，传感输入的信号采用数字滤波，编写程序实现数据出错自动容错功能和故障自诊断功能等。当仪器发生故障不能自行排除时，可以进行报警。仪器具有自动标定、自动清洗和故障自诊断和报警功能，使用和维护方便，兼容性强，可完全实现数据共享和远程控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高效的水体总有机碳在线监测仪，包括单片机和燃烧炉，其特征在于，所述单片机上设有显示触摸屏、报警电路、串行通信接口和数据打印模块；单片机通过光电隔离装置与蠕动泵相连，蠕动泵一端与燃烧炉相连，燃烧炉内设有光波、微波加热装置和红外CO₂探测仪，红外CO₂探测仪用于检测燃烧炉内的CO₂的含量，并将数据发送到单片机，所述单片机上还设有交流驱动电路、直流驱动电路、传感输入模块、数据转换模块，数据储存模块，容错模块和和故障诊断模块。

2.根据权利要求1所述的一种高效的水体总有机碳在线监测仪，其特征在于，单片机的硬件部分的输入、输出均采用光电隔离。

3.根据权利要求1所述的一种高效的水体总有机碳在线监测仪，其特征在于，交流驱动电路采用带光电隔离的过零触发固态继电器。

4.根据权利要求1所述的一种高效的水体总有机碳在线监测仪，其特征在于，直流驱动电路采用带光电隔离和瞬间干扰吸收的电子开关。

5.根据权利要求1所述的一种高效的水体总有机碳在线监测仪，其特征在于，串行通信接口采用抗雷电的器件。

6.根据权利要求1所述的一种高效的水体总有机碳在线监测仪，其特征在于，传感输入模块的信号采用数字滤波。