CN111157469A - 气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法 - Google Patents

气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法 Download PDF

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张清阳
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Abstract

本发明公开了一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法，装置包括混合反应单元、吸光度检测单元、超声辐射单元、特征光谱发射单元、光强接收单元、微流量泵A、微流量泵B以及数据采集与控制单元；混合反应单元分别连接两个微流量泵，超声辐射单元位于混合反应单元下方，吸光度检测单元通过微流量泵连通混合反应单元；特征光谱发射单元发射相应波长的光，吸光度检测单元的混合溶液，由光强接收单元采集透射光的强度，光强接收单元可接收多种活性成分与其探针试剂反应后的特征波长，光强接收单元连接数据采集与控制单元。本发明提出的一种测量活性成分检测的方法，操作简便，成本较低，可以作为等离子体产物的一种检测方法。

Description

气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法，属于高压电极放电技术领域。
背景技术
由于电子碰撞和紫外线辐射，等离子体放电过程中产生大量的活性物质，例如氮氧化物、双氧水、羟基自由基、氧原子自由基、臭氧等。目前较常见的检测方法主要有发射光谱法、吸光度检测法和拉曼检测法等，这些方法通常测试步骤繁琐，耗时耗力，需要昂贵的仪器设备。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供了一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置及方法，本发明的技术方案如下：
一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置，所述装置包括混合反应单元、吸光度检测单元、超声辐射单元、特征光谱发射单元、光强接收单元、微流量泵A、微流量泵B以及数据采集与控制单元；
所述混合反应单元分别连接两个微流量泵，探针试剂和待检测溶液分别通过微流量泵B、微流量泵A泵入混合反应单元混合；反应完全的液体通过管道通入吸光度检测单元检测透射光谱强度；
所述超声辐射单元位于混合反应单元下方，使混合反应单元产生机械振动达到充分搅拌反应的效果；
所述吸光度检测单元通过微流量泵连通混合反应单元；
所述特征光发射单元发射相应波长的光，不同的活性成分与特定的探针试剂反应后会在某一波长处有较高的吸收，针对检测的不同活性成分，特征光谱发射单元可发射不同特定波长的光，透过吸光度检测单元的混合溶液，由光强接收单元采集透射光的强度，光强接收单元有较宽的波长接受范围，所述光强接收单元连接数据采集与控制单元。
优选地，上述混合反应单元由一个封口比色皿构成，比色皿的顶部开设两个孔，侧面开一个孔，用于分别连接两个微流量泵和管道。
优选地，上述吸光度检测单元由一个封口比色皿构成，比色皿的侧面开设二个孔，一个用于连接输液管道，一个用于出液。
优选地，上述混合反应单元由一个内置迷宫式格栅的容器组成，微流量泵A和微流量泵B位于容器的一端。
优选地，上述混合反应单元由一个螺旋管型的容器组成，螺旋管置于一充满水的封闭容器中，使底部超声辐射单元发射的超声波更好辐射到螺旋管内溶液中，微流量泵A和微流量泵B所在的管道在螺旋管型的容器之前混合成一个管道通入螺旋管。
优选地，上述超声辐射单元包括超声换能器，通过匹配实现输出功率的最大传输。
优选地，上述特征光谱发射单元与光强接收单元包括依次连接的恒流驱动电路、激光二级管、三激管、电压跟随器、放大器、整流滤波电路、ADC以及微处理器。
一种气液两相放电液相活性成分在线检测方法，利用上述的装置，其步骤如下：
步骤1：混合反应
待检测水样通过微流量泵A，检测试剂通过微流量泵B，一起泵入混合反应区发生反应；
步骤2：超声辐射，机械搅拌，加速混合反应
超声辐射单元使混合反应单元内的液体产生机械搅拌效果，更好地混合反应；
步骤3：光强检测
通过管道，混合液体流入吸光度检测单元，特征光谱发射单元发射针对某一活性成分的特定波长的光，透过混合溶液后强度检测，由特征光接受单元采集透射光的强度；
步骤4:数据采集与控制
透射光强度信号传输到数据采集与控制单元，至此信号采集成功，依据实际情况，计算发出不同的控制信号。
本发明所达到的有益效果：
本发明提出的一种测量活性成分检测的方法，操作简便，成本较低，可以作为等离子体产物的一种检测方法。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是迷宫式栅格容器的示意图；
图4是螺旋管型容器的示意图；
图5是超声换能器的等效电路及谐振匹配模型；
图6是超声换能器驱动电路；
图7是特征光谱发射单元与光强接收单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
浓度变化检测方法：
IT,λ＝kcV (1)
IT，λ是接收到的透射光的光谱强度，k是浓度系数，与检测的液体浓度体积无关。c是溶液中活性成分的浓度，V是溶液体积，通过吸光度的方法可间接获得对活性物种的产率。比较前后两次的光谱强度的差别则可计算浓度的增加量。
在等离子应用领域，放电产生的等离子体含有许多种类的活性成分，例如·OH、H2O2、O3、NOx等。常规方法可以使用紫外-可见光分光光度计检测各活性成分的特征峰的强度，采用发光二极管看发射特定波长的光，由于这些活性成分的特征峰波长短，很少有二极管可以发出很短的波长(<300nm)。于是本专利采用了简易的方法，先将待测水样与专门检测该活性成分的检测试剂混合反应，通过检测反应后溶液的吸光度来获得活性成分的浓度。可以先通过紫外-可见光分光光度计提前测量待测水样与某一活性成分专用检测试剂混合反应后的产物的特征峰，从而选用合适的发光二极管。例如检测NOx浓度的变化，使用吉大·小天鹅公司的NOx专用检测试剂与含活性成分溶液反应后，通过紫外-可见光分光光度计测得特征峰为530nm。挑选合适的发光二极管就可以完成检测。本专利针对不同的活性成分，设置多个可发射对应波长激光的二极管，设置一个可接收所有上述特征波长的宽范围的光强接收单元。
如图1所示，一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置，所述装置包括混合反应单元、吸光度检测单元、超声辐射单元、特征光谱发射单元、光强接收单元、微流量泵A、微流量泵B以及数据采集与控制单元；
所述混合反应单元分别连接三个微流量泵，探针试剂和待检测溶液分别通过微流量泵B、微流量泵A泵入混合反应单元混合；反应完全的液体通入吸光度检测单元检测透射光谱强度；
所述超声辐射单元位于混合反应单元下方，使混合反应单元产生机械振动达到充分搅拌反应的效果；
所述吸光度检测单元通过微流量泵连通混合反应单元；
所述特征光谱发射单元发射相应波长的光，透过吸光度检测单元的混合溶液，由光强接收单元采集透射光的强度，所述光强接收单元连接数据采集与控制单元。
如图2所示，优选地，上述混合反应单元由一个封口比色皿构成，比色皿的顶部开设两个孔，侧面开一个孔，用于分别连接两个微流量泵和输液管道。吸光度检测单元由一个封口比色皿构成，比色皿的侧面开设二个孔，一个用于连接输液管道，一个用于出液。
如图3所示，混合反应单元由一个内置迷宫式格栅的容器组成，微流量泵A和微流量泵B位于容器的一端，。迷宫式路径可以达到充分混合反应的目的。
如图4所示，混合反应单元由一个螺旋管型的容器组成,螺旋管置于一充满水的封闭容器中，使底部超声辐射单元发射的超声波更好辐射到螺旋管内溶液中，微流量泵A和微流量泵B所在的管道在螺旋管型的容器之前混合成一个管道通入螺旋管。
如图5、图6所示，超声辐射单元包括超声换能器，通过匹配实现输出功率的最大传输。图5是声换能器匹配时的等效电路模型。Lp和NP表示初级线圈电感和匝数，Ls和Ns表示次级线圈电感和匝数，C0代表超声换能器的静态电容，Ld代表动态电感，Cd代表动态电容，Rd代表动态电阻。ω＝2πfo,fo是超声驱动单元的输出频率，即超声换能器的工作频率。设计前先确定工作频率fo，C0、Ld、Cd可由LCR数字电桥测试仪测量。根据匹配公式：
Figure BDA0002354897050000041
Figure BDA0002354897050000042
根据供电电压大小确定初级和次级线圈匝数。工作功率公式：
Figure BDA0002354897050000051
通过控制Lp大小可控制工作功率P。
图6是超声换能器的驱动电路，驱动电路可由555系列芯片发生超声信号，调节电位器RP可调节频率f0。工作电压可采用常用的直流电压5V或12V。这样可使得超声换能器电功率小。
如图7所示，特征光谱发射单元与光强接收单元包括依次连接的恒流驱动电路、激光二级管、三激管、电压跟随器、放大器、整流滤波电路、ADC以及微处理器。
将待检测溶液即反应生成的含活性成分的溶液和检测NOx的试剂通过微流量液泵引少量进入混合容器中混合反应，底部使用超声波振荡使反应充分。微流量液泵的流量依据容器容积选择，例如可选用Transfer pumpSDMPLargeFlow Series系列等液泵，流量可达20mL/min。检测活性成分一般采用分光光度法，例如检测NOx，在一定酸度条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酰铵反应生成重氮化合物，再与N-(1-萘基)-乙二胺偶合，形成紫红色偶氮化合物，在530nm波长处具有最大吸收。其他活性成分类似，也会在某个波长出有最大的吸收。检测NOx试剂可以选用长春吉大·小天鹅仪器有限公司的NOx专用检测试剂(GDYS-102SA试剂)。NOx与检测试剂充分反应后再由管道输入吸光度检测检测容器中，由放电吸光度检测单元中的特征光谱发射单元与光强接收部分检测。NOx与检测试剂反应后的特征峰波长在530nm处。激光二极管可选用OSRAM Opto Semiconductors系列，在该专利中若检测NOx则选用峰值波长为530nm的型号。在浓度检测器一对平行侧面分别放置特征光二极管及接收探头，特征光二极管由恒流驱动电路驱动，发射与某一特定活性成分特征波长一致的光，通过测定其吸光度，可以得到该活性成分在水样中的相对浓度。接收端电信号经过电压跟随、放大、整流滤波、ADC后进入微处理器，完成吸光度信号的检测。其中，浓度检测器由一个密封的石英立方体和两根水管组成，在立方体上表面开两个口，分别插入进水管和出水管即可。
一种气液两相放电液相活性成分在线检测方法，利用上述的装置，其步骤如下：
步骤1：混合反应
待检测水样通过微流量泵A，检测试剂通过微流量泵B，一起泵入混合反应区发生反应；
步骤2：超声辐射，机械搅拌，加速混合反应
超声辐射单元使混合反应单元内的液体产生机械搅拌效果，更好地混合反应；
步骤3：光强检测
通过管道混合液体流入吸光度检测单元，特征光谱发射单元发射相应波长的光，透过混合溶液后强度检测，由光强接收单元采集透射光的强度；
步骤4:数据采集与控制
透射光强度信号传输到数据采集与控制单元，至此信号采集成功，依据实际情况，计算发出不同的控制信号。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述装置包括混合反应单元、吸光度检测单元、超声辐射单元、特征光谱发射单元、光强接收单元、微流量泵A、微流量泵B以及数据采集与控制单元；
所述混合反应单元分别连接两个微流量泵，探针试剂和待检测溶液分别通过微流量泵B、微流量泵A泵入混合反应单元混合；将反应完全的液体通入光谱检测单元检测透射光谱强度；
所述超声辐射单元位于混合反应单元下方，使混合反应单元产生机械振动达到充分搅拌反应的效果；
所述吸光度检测单元通过管道连通混合反应单元；
所述特征光谱发射单元发射相应波长的光，透过吸光度检测单元的混合溶液，由光强接收单元采集透射光的强度，所述光强接收单元连接数据采集与控制单元。
2.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述混合反应单元由一个封口比色皿构成，比色皿的顶部开设三个孔，用于分别连接三个微流量泵。
3.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述吸光度检测单元由一个封口比色皿构成，比色皿的侧面开设二个孔，一个用于连接输液管道，一个用于出液。
4.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述混合反应单元由一个内置迷宫式格栅的容器组成，微流量泵A和微流量泵B位于容器的一端。
5.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述混合反应单元由一个螺旋管型的容器组成，螺旋管置于一充满水的封闭容器中，使底部超声辐射单元发射的超声波更好辐射到螺旋管内溶液中，微流量泵A和微流量泵B所在的管道在螺旋管型的容器之前混合成一个管道通入螺旋管。
6.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述超声辐射单元包括超声换能器，通过匹配实现输出功率的最大传输。
7.根据权利要求1所述的气液两相放电液相活性成分在线检测装置，其特征在于：所述特征光谱发射单元与光强接收单元包括依次连接的恒流驱动电路、激光二级管、三激管、电压跟随器、放大器、整流滤波电路、ADC以及微处理器。
8. 一种气液两相放电液相活性成分在线检测方法，其特征在于利用权利要求1所述的装置，其步骤如下：
步骤1：混合反应
待检测水样通过微流量泵A，检测试剂通过微流量泵B，一起泵入混合反应区发生反应；
步骤2：超声辐射，机械搅拌，加速混合反应
超声辐射单元使混合反应单元内的液体产生机械搅拌效果，更好地混合反应；
步骤3：光强检测
通过管道混合液体流入吸光度检测单元，特征光谱发射单元发射相应波长的光，透过混合溶液后强度检测，由特征光接收单元采集透射光的强度；
步骤4:数据采集与控制
透射光强度信号传输到数据采集与控制单元，至此信号采集成功，依据实际情况，计算发出不同的控制信号。
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