CN108519492A - 一种连续式水氡自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式水氡自动测量方法及装置。本发明提出氡气在气液相之间交换并达到亨利定律——溶解平衡状态且水氡浓度由公式C_w＝F·C_g计算；同时本发明提供了水温T对应平衡因子F的实验测量步骤。本发明公开的测量装置包括水质过滤器单元、气水交换器单元、水汽冷凝器单元、测氡仪单元。本发明的优点在于：操作简单、智能化程度高、数字化测量、节省人力和干燥剂，长期不间断地连续测量水氡浓度，使水氡观测数据更加充实、稳定、准确，能为地质构造观测和地震前兆观测提供更可靠的水氡数字化测量结果。

Description

一种连续式水氡自动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水氡测量方法，尤其是一种连续式水氡自动测量方法及装置。

背景技术

氡气是三大天然放射系中镭的衰变产物，是一种无色无味的放射性、惰性气体。氡气可溶于水，在地下水中广泛分布。由于氡气具有独特的物理化学性质，有较强的映震性，在地震行业地下流体观测中占据重要地位。水氡观测能最直观地捕捉到地下水中水氡浓度变化，进而为地震前兆研究提供理论依据。

水氡测量方法有液体闪烁计数法、闪烁室法、γ能谱法、α能谱法等。

γ能谱法测量水氡需采集水样后密封静置3h，待²²²Rn与子体²¹⁴Pb和²¹⁴Bi达到放射性平衡后，使用γ能谱仪测量子体²¹⁴Pb和²¹⁴Bi发射的特征γ射线，计算子体²¹⁴Pb和²¹⁴Bi的活度浓度后推算水氡浓度。γ能谱法测量水氡虽然操作简单、精确可靠，但属于模拟测量且需人工采样，只适合实验室使用且水氡观测数据少，不适合野外台站水氡观测使用。

α能谱法测量水氡属于快速水氡测量技术，主要有美国Durridge公司生产的RAD7H₂O测量装置和德国Genitron公司生产的AlphaGuard PQ2000pro水氡测量装置。但是RAD7测氡仪对湿度要求很高，测量时需要不断地更换干燥剂。AlphaGuard PQ2000pro测氡仪使用脉冲电离室探测器，其灵敏度高、稳定性好，但价格昂贵且电离室怕振动，现场测量还需外配循环泵。因此RAD7H₂O测量装置和AlphaGuard PQ2000pro水氡测量装置都不适合野外台站水氡观测使用。

液体闪烁计数法测量水氡的优点是灵敏、准确，可以对大批量样品的水氡浓度进行实验室自动分析，但水氡的提取、转移、平衡和测量需要较长时间，费时费力。

闪烁室法测量水氡是目前地震台站使用最多的方法，一般使用FD-125测氡仪或SD-3B测氡仪。取完水样，将闪烁室抽真空后再打开止气夹进行鼓泡，静置1h后测量并计算水氡浓度。闪烁瓶每次使用前都需要抽真空、密闭、测本底，使用后必须冲洗闪烁瓶以防止氡子体残留。此方法虽然灵敏度高、结果准确，但是操作复杂，现场测量不方便，闪烁瓶易污染或漏气，每天获取的水氡观测数据少。

在现有的水氡测量技术中，对地震前兆水氡观测领域主要存在以下问题：一、是连续自动测量问题。地下水中的氡气浓度处于一种连续动态变化过程，与地域、季节、环境条件等多因素有关，若要实现对地震前兆观测，则必须要对地下水中的水氡浓度进行长期性、连续性的自动观测和分析。地震部门现行的水氡测量方法为人工采水样进行鼓泡的闪烁室法，每天的测量数据少，无法满足观测数据分析要求。二、是测量精度问题。地震部门现行的人工采水样进行鼓泡的闪烁室法，存在鼓泡时不能完全将水中的氡气分离出来，而且不同人员操作带来的水氡结果不确定度较大。用于水中氡气分离的现有脱气装置存在不能保持稳定脱气状态而影响氡气的采集和浓度的计算。三、是适用性问题。用于地震前兆观测的水氡测量，大多是远离办公场所的监测点，液体闪烁计数法、闪烁室法、γ能谱法、α能谱法都无法进行。流体观测井的地下水流动状态不同，分自流井和静水位观测井，地下水的流量也各不相同且不稳定，为水氡测量带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续式水氡自动测量方法，其利用常压密闭容器内氡气在水流和气流之间交换并达到亨利定律——溶解平衡状态且平衡因子F由水温T决定，水流连续更新引导气流中氡气浓度随之更新，进而由实时的氡气浓度C_g和平衡因子F共同计算水氡浓度C_w的方法。本发明另一目的是提供实施该方法的装置。

本发明的技术方案为：一种连续式水氡自动测量方法，测量用的水环境为连续水流，而且水流速和测量周期任意可调，该方法包含以下步骤：

①用水质过滤器单元去除连续水流中颗粒杂质，然后连续水流在气水交换器单元内参与喷洒雾化和气流循环鼓泡过程；

②测量装置内的氡气在循环气流和连续水流之间动态交换并达到亨利定律——溶解平衡状态，监测气水交换器单元内水温T并传输数据至测氡仪单元；

③循环气流经水汽冷凝器单元干燥后进入测氡仪单元，测氡仪单元测量溶解平衡时循环气流中氡气浓度C_g；

④用公式(1)求得溶解平衡时连续水流中水氡浓度C_w。

C_w＝F·C_g (1)

其中：

T——气水交换器单元内水温，单位℃；

C_g——测量装置内溶解平衡时循环气流中氡气浓度，单位Bq/L；

C_w——测量装置内溶解平衡时连续水流中水氡浓度，单位Bq/L；

F——连续式水氡自动测量方法中水温T对应的平衡因子，无量纲。

一种连续式水氡自动测量方法，其使用的平衡因子F可通过以下实验步骤得到：

①向气水交换器单元内倒入初始水氡浓度C₀且体积V_w的水样，堵住整个测量装置的进水口和出水口，测量装置内气体空间的体积V_g；

②测量装置放入恒温箱内使水温T保持恒定，测氡仪单元测量气路中氡气浓度稳定值C_g，根据物质守恒定律计算溶解平衡时水温T对应的水氡浓度C_w；

③用公式(2)求得水温T对应的平衡因子F；

④根据实验结果绘制水温—平衡因子散点图并拟合出平衡因子F关于水温T的关系式如公式(3)所示；

F＝0.106+0.403×e^-0.051×T (3)

平衡因子F的求解实验要求在5个以上水温T的变化点进行实验，每个水温点进行3次以上测量，对所有测量值作散点图并根据数据变化特点进行指数回归拟合得到平衡因子F关于水温T的关系式。

一种连续式水氡自动测量方法，该方法使用的测量装置包括水质过滤器单元、气水交换器单元、水汽冷凝器单元、测氡仪单元；水质过滤器单元通过PVC软管与气水交换器单元连接，测氡仪单元、气水交换器单元和水汽冷凝器单元之间通过硅胶气管串联为一个密闭循环的气路环境，气水交换器单元内的水温传感器通过数据线与测氡仪连接。

水质过滤器单元包括三通开关阀、铁箍、滤网过滤器、固定螺丝和PVC软管；PVC软管套在三通开关阀和滤网过滤器之间，其连接位置拧上铁箍；滤网过滤器包括上顶盖、外壳、滤网和排液口；两个并排的滤网过滤器通过固定螺丝固定在一起；

气水交换器单元包括有机玻璃容器、水温传感器组件、发泡器、雾化喷嘴组件、U形排水管、圆盘底座、出气宝塔接头、进气宝塔接头和气体单向阀；有机玻璃容器为一透明圆柱体容器，其顶盖上开有五个通孔，并由六个螺丝固定在有机玻璃容器柱体上，顶盖的中心孔安装雾化喷嘴组件，周围四个通孔分别安装出水温传感器组件、出气宝塔接头、进气宝塔接头和气体单向阀；有机玻璃容器下端安装U形排水管，U形排水管的短臂端拧在有机玻璃容器的柱体上；有机玻璃容器套在圆盘底座中；

水汽冷凝器单元包括上下嘴锥形瓶、球形冷凝管、玻璃弯管接头和铁架台；上下嘴锥形瓶包括上嘴口和下嘴口，其中上嘴口在连接变径接头后会与出气宝塔接头通过硅胶气管连接，下嘴口使用PVC管口帽套住；球形冷凝管内壳为球形相连空间且连接上下嘴锥形瓶和玻璃弯管接头，内壳与外玻璃管之间注入冷凝液或者防冻液，下排液口和上注液口使用PVC管口帽套住；玻璃弯管接头的细管口通过硅胶气管与测氡仪单元采样筒的快速接口连接；铁架台包括平台、立杆和固定夹；

测氡仪单元采用BG2015R型测氡仪嵌入水氡测量软件，其仪器接口包括采样筒、进气、出气、水温、电源供电、GPS接口、接地和数据接口；采样筒接口包括快速接口和快速接口，电源供电包括220V市电和12V直流两种方式，并由供电开关控制；数据接口包括网络接口、USB接口和RS232接口。

本发明所设计到的测量方法及装置，有效解决了水氡浓度连续自动测量和野外无人值守台站水氡长期监测等难题，消除了人为干预、采样水流速、测量周期、气流循环速度、外界环境温度等因素的影响，提高了水氡浓度测量精度。该方法经过理论推导和实验测量，简化了水氡浓度的计算方法，并且提供平衡因子实验测量方法，便于实现连续式自动测量。

本发明的优点在于：操作简单、智能化程度高、数字化测量、节省人力和干燥剂，长期不间断地连续测量水氡浓度，使水氡观测数据更加充实、稳定、准确，能为地质构造观测和地震前兆观测提供更可靠的水氡数字化测量结果。

附图说明

图1为本发明一种连续式水氡自动测量装置工艺流程图；

图2为水质过滤器单元的结构示意图；

图3为气水交换器单元的结构示意图；

图4为气水交换器单元中交换容器顶面的俯视图；

图5为水汽冷凝器单元的结构示意图；

图6为测氡仪单元的仪器接口示意图；

图7为连续式水氡自动测量装置安装示意图；

图8为使用本发明的方法及装置获取的连续水氡测量数据。

具体实施方式

下面对本发明提供的一种连续式水氡自动测量方法及装置的具体实施例作进一步地详细描述。

一种连续式水氡自动测量装置包括水质过滤器单元1、气水交换器单元2、水汽冷凝器单元3、测氡仪单元4。

如图2所示，水质过滤器单元1由三通开关阀11、铁箍12、滤网过滤器13、固定螺丝14和PVC软管15组成。PVC软管15套在三通开关阀11和滤网过滤器13之间，其连接位置拧上铁箍12，保证水质过滤器单元1接在高压水龙头时不存在漏水现象。滤网过滤器13由上顶盖131、外壳132、滤网133和排液口134组成，工作时水流经上顶盖131中心孔流入滤网133，大颗粒的杂质留在滤网133中，水流通过滤网133的网眼流入外壳132和滤网133之间区域，再流出滤网过滤器13到下部三通开关阀11。两个并排的滤网过滤器13通过固定螺丝14固定在一起，工作时上、下部三通开关阀11同步只开通一侧阀门，保证只有一个滤网过滤器13工作。

当滤网133中有较多杂质时，流入气水交换器单元2中雾化喷嘴组件24的水流量变小而不能形成喷洒，此时需要对水质过滤器单元1进行维护。维护时，将上、下部三通开关阀11的开关阀调到只有另一个滤网过滤器13工作，然后拧开有滤渣的滤网过滤器13的排液口134，排完水后拧开该滤网过滤器13的上顶盖131，取出滤网133倒掉滤渣并清洗，最后将滤网过滤器13安装完好，等待下次使用。

如图3所示，气水交换器单元2由有机玻璃容器21、水温传感器组件22、发泡器23、雾化喷嘴组件24、U形排水管25、圆盘底座26、出气宝塔接头27、进气宝塔接头28和气体单向阀29组成。有机玻璃容器21为一透明圆柱体容器，其顶盖211上开有五个通孔，并由六个螺丝212固定在有机玻璃容器21柱体上，顶盖211的中心孔安装雾化喷嘴组件24，周围四个通孔分别安装出水温传感器组件22、出气宝塔接头27、进气宝塔接头28和气体单向阀29，如图4所示。有机玻璃容器21下端安装U形排水管25，U形排水管25的短臂端拧在有机玻璃容器21的柱体上，可以保证工作时有机玻璃容器21内水位固定不变。有机玻璃容器21套在圆盘底座26中，防止气水交换器单元2在工作时意外倾倒。

水流出水质过滤器单元1后，经雾化喷嘴组件24在有机玻璃容器21内部进行喷洒，使水中氡气与气路中氡气进行交换。混合气体循环时经进气宝塔接头28到发泡器23，产生大量气泡可进一步使气路中氡气与水中氡气进行交换，保证在有机玻璃容器21内部尽快地形成溶解平衡。气体单向阀29的流气方向为由有机玻璃容器21内部到外部大气，当水中含有大量气泡时导致有机玻璃容器21内部气压变大，需导出部分气体使有机玻璃容器21内部气压变回常压。水温传感器组件22包括不锈钢螺纹套管221、固定帽222和水温传感器223，不锈钢螺纹套管221拧在顶盖211上，再将水温传感器223插入不锈钢螺纹套管221底部，套上固定帽222上螺丝固定水温传感器223的传输线，传输线的另一端连接测氡仪4的水温接口44。顶盖211上出气宝塔接头27将混合气体经PVC软管导入水汽冷凝器单元3。

如图5所示，水汽冷凝器单元3由上下嘴锥形瓶31、球形冷凝管32、玻璃弯管接头33和铁架台34组成。上下嘴锥形瓶31包括上嘴口311和下嘴口312，其中上嘴口311在连接变径接头后会与出气宝塔接头27通过PVC软管连接，下嘴口312使用PVC管口帽套住，排冷凝水时拔掉管口帽即可。球形冷凝管32内壳为球形相连空间322且连接上下嘴锥形瓶31和玻璃弯管接头33，其表面积较大易于水蒸汽冷凝，内壳与外玻璃管之间可注入冷凝液或者防冻液，下排液口321和上注液口323使用PVC管口帽套住。玻璃弯管接头33的细管口通过PVC软管与测氡仪单元4采样筒41的快速接口412连接。铁架台34包括平台341、立杆342和固定夹343，目的在于固定玻璃仪器，防止倾倒摔碎。

球形冷凝管32和上下嘴锥形瓶31、玻璃弯管接头33之间连接是在磨砂口处涂密封硅油，防止漏气。含水蒸汽的混合气体进入上下嘴锥形瓶31后，会在其上部和球形冷凝管32内冷凝，冷凝水倒流到上下嘴锥形瓶31底部。上下嘴锥形瓶31内部冷凝水不宜太多，不应超过五分之一高度。维护时，拔掉下嘴口312的管口帽，倾斜水汽冷凝器单元3倒出冷凝水后立即盖回管口帽。对于连续式水氡自动测量装置，可以一次完成水质过滤器单元1和水汽冷凝器单元3的维护，做好维护记录。

测氡仪单元4使用BG2015R型测氡仪，采用可更换式闪烁室探测器和机架式外形结构，符合地震入网协议，嵌入水氡测量软件，是一台操作简单且远程软件管理的连续式数字仪器。测氡仪4的仪器接口部件如图6所示，包括采样筒41、进气42、出气43、水温44、电源供电45、GPS接口46、接地47和数据接口48。采样筒41接口包括快速接口411和快速接口412，二者功能上无区别。电源供电45包括220V市电451和12V直流452两种方式，并由供电开关453控制。数据接口48包括网络接口481、USB接口482和RS232接口483。

水氡测量时，采样筒41的快速接口412通过PVC软管与玻璃弯管接头33的细管口相连，进气42通过硅胶气管与快速接口411相连，出气43通过硅胶气管与气水交换器单元2的进气宝塔接头28，共同组成连续式水氡自动测量装置的密闭循环气路。气水交换器单元2的水温传感器223通过传输线接在水温44上，再由测氡仪单元4内部电路处理单元读取水温数据。测氡仪单元4的内部气泵为气路提供循环动力，为了延长气泵工作寿命，可设置气泵的开启时间和关闭时间，使气泵间歇性工作。

使用本装置，一种连续式水氡自动测量方法的实现步骤为：A.被测水流连续通过水质过滤器单元1滤除颗粒杂质后进入气水交换器单元2内喷洒雾化；B.测氡仪单元4提供动力使气流在气水交换器单元2内鼓泡循环；C.连续水流在气水交换器单元2内保持固定水位且与外部被测水流同步更新，实时测量气水交换器单元2内水温T并传输数据到测氡仪单元4；D.循环气流经水汽冷凝器单元3去除其中大部分水蒸汽后进入测氡仪单元4；E.测氡仪单元4测量气流中氡气浓度C_g后根据公式(1)计算连续式水氡浓度C_w。

基于以上实施例，如图7所示为本发明提供的一种连续式水氡自动测量装置的安装示意图。该装置能够实时地监测水氡浓度变化，采用两种氡气交换模式使装置在水氡测量时响应时间更短，通过测量循环气流中氡气浓度C_g和气水交换器单元2内水温T值计算连续水流中水氡浓度C_w。图8所示为使用本发明的方法及装置获取的连续水氡测量数据，可以看出被测井口水流每天的水氡浓度C_w呈“平稳→升高→下降→平稳”的规律变化，水氡浓度在每天14:05～16:05期间达到峰值。本发明提供的一种连续式水氡自动测量方法及装置，为地质构造观测和地震前兆观测提供可靠的水氡数字化观测结果，有助于水氡浓度短期和长期观测结果的变化规律研究。

Claims (4)

1.一种连续式水氡自动测量方法，其特征在于：测量用的水环境为连续水流，而且水流速和测量周期任意可调，该方法包含以下步骤：

①用水质过滤器单元去除连续水流中颗粒杂质，然后连续水流在气水交换器单元内参与喷洒雾化和气流循环鼓泡过程；

②测量装置内的氡气在循环气流和连续水流之间动态交换并达到亨利定律——溶解平衡状态，监测气水交换器单元内水温T并传输数据至测氡仪单元；

③循环气流经水汽冷凝器单元干燥后进入测氡仪单元，测氡仪单元测量溶解平衡时循环气流中氡气浓度C_g；

④用公式(1)求得溶解平衡时连续水流中水氡浓度C_w；

C_w＝F·C_g (1)

其中：

T——气水交换器单元内水温，单位℃；

C_g——测量装置内溶解平衡时循环气流中氡气浓度，单位Bq/L；

C_w——测量装置内溶解平衡时连续水流中水氡浓度，单位Bq/L；

F——连续式水氡自动测量方法中水温T对应的平衡因子，无量纲。

2.根据权利要求1所述的连续式水氡自动测量方法，其特征在于公式(1)中的平衡因子F可通过以下实验步骤得到：

①向气水交换器单元内倒入初始水氡浓度C₀且体积V_w的水样，堵住整个测量装置的进水口和出水口，测量装置内气体空间的体积V_g；

②测量装置放入恒温箱内使水温T保持恒定，测氡仪单元测量气路中氡气浓度稳定值C_g，根据物质守恒定律计算溶解平衡时水温T对应的水氡浓度C_w；

③用公式(2)求得水温T对应的平衡因子F；

④根据实验结果绘制水温—平衡因子散点图并拟合出平衡因子F关于水温T的关系式如公式(3)所示；

F＝0.106+0.403×e^-0.051×T (3)

平衡因子F的求解实验要求在5个以上水温T的变化点进行实验，每个水温点进行3次以上测量，对所有测量值作散点图并根据数据变化特点进行指数回归拟合得到平衡因子F关于水温T的关系式。

3.根据权利要求1所述的连续式水氡自动测量方法，其特征在于：该方法使用的测量装置包括水质过滤器单元、气水交换器单元、水汽冷凝器单元、测氡仪单元；水质过滤器单元通过PVC软管与气水交换器单元连接，测氡仪单元、气水交换器单元和水汽冷凝器单元之间通过硅胶气管串联为一个密闭循环的气路环境，气水交换器单元内的水温传感器通过数据线与测氡仪连接。

4.根据权利要求3所述的连续式水氡自动测量方法，其特征在于：

水质过滤器单元包括三通开关阀、铁箍、滤网过滤器、固定螺丝和PVC软管；PVC软管套在三通开关阀和滤网过滤器之间，其连接位置拧上铁箍；滤网过滤器包括上顶盖、外壳、滤网和排液口；两个并排的滤网过滤器通过固定螺丝固定在一起；

气水交换器单元包括有机玻璃容器、水温传感器组件、发泡器、雾化喷嘴组件、U形排水管、圆盘底座、出气宝塔接头、进气宝塔接头和气体单向阀；有机玻璃容器为一透明圆柱体容器，其顶盖上开有五个通孔，并由六个螺丝固定在有机玻璃容器柱体上，顶盖的中心孔安装雾化喷嘴组件，周围四个通孔分别安装出水温传感器组件、出气宝塔接头、进气宝塔接头和气体单向阀；有机玻璃容器下端安装U形排水管，U形排水管的短臂端拧在有机玻璃容器的柱体上；有机玻璃容器套在圆盘底座中；

水汽冷凝器单元包括上下嘴锥形瓶、球形冷凝管、玻璃弯管接头和铁架台；上下嘴锥形瓶包括上嘴口和下嘴口，其中上嘴口在连接变径接头后会与出气宝塔接头通过硅胶气管连接，下嘴口使用PVC管口帽套住；球形冷凝管内壳为球形相连空间且连接上下嘴锥形瓶和玻璃弯管接头，内壳与外玻璃管之间注入冷凝液或者防冻液，下排液口和上注液口使用PVC管口帽套住；玻璃弯管接头的细管口通过硅胶气管与测氡仪单元采样筒的快速接口连接；铁架台包括平台、立杆和固定夹；

测氡仪单元采用BG2015R型测氡仪嵌入水氡测量软件，其仪器接口包括采样筒、进气、出气、水温、电源供电、GPS接口、接地和数据接口；采样筒接口包括快速接口和快速接口，电源供电包括220V市电和12V直流两种方式，并由供电开关控制；数据接口包括网络接口、USB接口和RS232接口。