一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器及其方法技术

一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器及其方法，用于实现地下水、地表水和海水中碳酸氢根和碳酸根离子的快速检测，包括内置智能温度补偿和定量计算软件算法的微处理器、pH电极、二氧化碳电极、信号调理单元、温度采集单元、人机交互单元和负载电源管理单元；负载电源管理单元负责将电池电压转换负载电路工作电压；pH电极和二氧化碳电极与信号调理单元的输入连接；信号调理单元输出与微处理器采集引脚连接；温度采集单元与微处理器采集引脚连接；人机交互单元与微处理器I/O口连接，并控制完成微处理器单元参数设置和结果的显示。其可实现低功耗运行，无需动力源支持，并解决了水中碳酸氢根和碳酸根离子无法在野外现场快速检测的难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属自动化测试领域，尤其涉及一种对被测溶液碳酸氢根和碳酸根实现现场快速检测的仪器和方法。
技术介绍
碳酸氢根和碳酸根离子是水文地质调查和环境监测的重要参数，对于分析地层水演化特征具有重要的作用。同时碳酸氢根和碳酸根离子在全球碳循环领域是重要的指示性参数，能够标识二氧化碳在地层水和地表水中的迁移特征和规律，识别二氧化碳的逃逸和泄露状况。目前，碳酸氢根和碳酸根离子的测量主要依靠实验室完成，无法实现在野外现场的快速检测。被测水样获取过程存在二次污染的风险，很大程度上弱化被测信息的真实性，同时从取样到完成实验室的测量一般需要较长的时间，碳酸氢根和碳酸根离子含量已发生变化，测量结果已不能代表水样的实际值。当前急需一种能够在野外现场实现快速检测的水中碳酸氢根和碳酸根离子快速检测仪器及方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器，其采用双电极的方式，应用pH电极和二氧化碳电极、微处理器单元、负载电源管理单元、信号调理单元和带温度智能补偿的定量计算算法，实现了地下水、地表水和海水中碳酸氢根和碳酸根离子的野外现场快速检测。为实现上述目的，本专利技术采取以下设计方案：一微处理器单元，其内置模/数转换器，且还内置有智能温度补偿的定量计算与碳酸氢根和碳酸根离子定量计算的软件算法程序；一pH电极单元，含有内置参比电极的pH电极，该pH电极输出与被测溶液氢离子活度的对数呈线性关系的电位信号；—二氧化碳电极单元，含有内置参比电极和填充液的二氧化碳电极，该电极输出与被测溶液游离二氧化碳浓度的对数呈线性关系的电位信号；一信号调理单元，用于将pH电极或二氧化碳电极的输出信号调理到微处理器单元内置模/数转换器许可的范围；该信号调理单元为两路，分别供pH电极单元和二氧化碳单元使用；一温度采集单元，其由热敏电阻传感器、恒流源电路和低通滤波电路组成；所述热敏电阻传感器经恒流源电路驱动后输出信号与低通滤波电路连接；一人机交互单元，包括键盘和液晶显示模块；所述键盘与微处理器单元I/O连接，用于对本双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器进行控制和设置；所述液晶显示模块与所述微处理器单元I/O连接，用于显示提示信息和检测结果；一负载电源管理单元，包括一个电池、一路可将电池电压转换为供电路工作电压额的低压差线性稳压器(LDO)和三路负载开关；其中，所述低压差线性稳压器(LDO)向所述微处理器单元供电，所述三路负载开关均由微处理器单元I/O口控制关闭或打开以为所述信号调理单元、温度采集单元和人机交互单元提供工作电压；所述的信号调理单元的信号输出端接微处理器单元的信号采集输入端；所述温度采集单元中的输出端与微处理器单元的信号采集输入端连接。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述信号调理单元各路由阻抗匹配电路、低通滤波电路和电压抬升电路组成；所述pH电极单元和二氧化碳电极单元输出端分别与对应一路的阻抗匹配电路输入端相连，所述阻抗匹配电路的输出信号经低通滤波器后，由所述电压抬升电路调理为正向电压信号。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述信号调理单元的各阻抗匹配电路中采用高阻抗、低漂移专用仪表放大器INA121。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述的微处理器单元中内置的智能温度补偿的定量计算的软件算法程序中，该软件算法所依据的pH值电极斜率的温度补偿公式为：SPph＝0.1984×TEMP+54.198(1)式中SPph为pH电极斜率，TEMP为测试时当下的被测溶液温度值(℃)；该软件算法所依据的二氧化碳电极斜率的温度补偿算法为“1.97mV/10℃；来自pH电极和二氧化碳电极的现场探测信息经信号调理单元调理输出后传送给微处理器单元，该微处理器单元直接对收集到的两路电极数据进行温度补偿的处理；所述的微处理器单元中内置的碳酸氢根和碳酸根离子定量计算的软件算法程序中，遵循离解平衡方程式，计算公式为：其中，K1为一级离解平衡常数，K1＝10-6.352；K2为二级离解平衡常数，K2＝10-10.329；游离二氧化碳的浓度CT和被测溶液氢离子浓度H+由仪器现场现场测试并直接计算转换获得。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述pH电极和二氧化碳电极均内含参比电极，参比电极为银-氯化银电极。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述的二氧化碳电极内填充有0.005M碳酸氢钠填充液；在检测仪器内部置有对二氧化碳电极校正的程序，经该程序校正后的二氧化碳电极可直接测得被测溶液的游离二氧化碳浓度。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器中，所述的微处理器采用MSP430处理器，其自带12位AD转换器用于转换经信号调理单元处理后的pH电极输出信号、二氧化碳电极输出信号和温度采集单元输出的信号。本专利技术的另一目的是提供一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测方法，其借助上述的检测仪器快速检测野外现场被测溶液中的碳酸氢根和碳酸根离子浓度。为实现上述目的，本专利技术采取以下设计方案：一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测方法，具有上述的双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器；其包括如下方法步骤：1)现场取样，启动检测仪器，对pH电极进行校正，将校正后的pH电极放置在被测溶液中，测得此时被测溶液的pH值，对应获得一路电极数据----被测溶液氢离子浓度H+；2)用离子调节剂将被测溶液的pH值调节到4～5，得到调节后被测溶液；3)在二氧化碳电极中加入用于缓冲溶液离子强度的填充液，并对二氧化碳电极进行校正，将校正后的二氧化碳电极放置在调节后被测溶液中，测得该调节后被测溶液中游离二氧化碳的浓度CT；4)将获取的两路电极数据H+和CT带入离解平衡方程式：式中：K1为一级离解平衡常数，K1＝10-6.352；K2为二级离解平衡常数，K2＝10-10.329；分别计算得到碳酸氢根离子浓度HCO3-和碳酸根离子浓度CO32-；5)将步骤4计算得到的检测结果输出，存储、打印或显示。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测方法中，所述步骤2中，所述离子调节剂采用1M柠檬酸盐缓冲溶液。所述双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测方法中，所述步骤3中对二氧化碳电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器，其特征在于包括：一微处理器单元，其内置模/数转换器，且还内置有智能温度补偿的定量计算与碳酸氢根和碳酸根离子定量计算的软件算法程序；一pH电极单元，含有内置参比电极的pH电极，该pH电极输出与被测溶液氢离子活度的对数呈线性关系的电位信号；—二氧化碳电极单元，含有内置参比电极和填充液的二氧化碳电极，该电极输出与被测溶液游离二氧化碳浓度的对数呈线性关系的电位信号；一信号调理单元，用于将pH电极或二氧化碳电极的输出信号调理到微处理器单元内置模/数转换器许可的范围；该信号调理单元为两路，分别供pH电极单元和二氧化碳单元使用；一温度采集单元，其由热敏电阻传感器、恒流源电路和低通滤波电路组成；所述热敏电阻传感器经恒流源电路驱动后输出信号与低通滤波电路连接；一人机交互单元，包括键盘和液晶显示模块；所述键盘与微处理器单元I/O连接，用于对本双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器进行控制和设置；所述液晶显示模块与所述微处理器单元I/O连接，用于显示提示信息和检测结果；一负载电源管理单元，包括一个电池、一路可将电池电压转换为供电路工作电压额的低压差线性稳压器(LDO)和三路负载开关；其中，所述低压差线性稳压器(LDO)向所述微处理器单元供电，所述三路负载开关均由微处理器单元I/O口控制关闭或打开以为所述信号调理单元、温度采集单元和人机交互单元提供工作电压；所述的信号调理单元的信号输出端接微处理器单元的信号采集输入端；所述温度采集单元中的输出端与微处理器单元的信号采集输入端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器，其特征在
于包括：
一微处理器单元，其内置模/数转换器，且还内置有智能温度补偿
的定量计算与碳酸氢根和碳酸根离子定量计算的软件算法程序；
一pH电极单元，含有内置参比电极的pH电极，该pH电极输出与被测
溶液氢离子活度的对数呈线性关系的电位信号；
—二氧化碳电极单元，含有内置参比电极和填充液的二氧化碳电极，
该电极输出与被测溶液游离二氧化碳浓度的对数呈线性关系的电位信号；
一信号调理单元，用于将pH电极或二氧化碳电极的输出信号调理到微
处理器单元内置模/数转换器许可的范围；该信号调理单元为两路，分别供
pH电极单元和二氧化碳单元使用；
一温度采集单元，其由热敏电阻传感器、恒流源电路和低通滤波电路
组成；所述热敏电阻传感器经恒流源电路驱动后输出信号与低通滤波电路
连接；
一人机交互单元，包括键盘和液晶显示模块；所述键盘与微处理器单
元I/O连接，用于对本双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器
进行控制和设置；所述液晶显示模块与所述微处理器单元I/O连接，用于
显示提示信息和检测结果；
一负载电源管理单元，包括一个电池、一路可将电池电压转换为供电
路工作电压额的低压差线性稳压器(LDO)和三路负载开关；其中，所述低
压差线性稳压器(LDO)向所述微处理器单元供电，所述三路负载开关均由
微处理器单元I/O口控制关闭或打开以为所述信号调理单元、温度采集单
元和人机交互单元提供工作电压；
所述的信号调理单元的信号输出端接微处理器单元的信号采集输入
端；所述温度采集单元中的输出端与微处理器单元的信号采集输入端连接。
2.根据权利要求1所述的双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检
测仪器，其特征在于：所述信号调理单元各路由阻抗匹配电路、低通滤波
电路和电压抬升电路组成；所述pH电极单元和二氧化碳电极单元输出端
分别与对应一路的阻抗匹配电路输入端相连，所述阻抗匹配电路的输出信
号经低通滤波器后，由所述电压抬升电路调理为正向电压信号。
3.根据权利要求2所述的双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检
测仪器，其特征在于：所述信号调理单元的各阻抗匹配电路中采用高阻抗、
低漂移专用仪表放大器INA121。
4.根据权利要求1所述的双电极法实现水中碳酸氢根和碳酸根快速检
测仪器，其特征在于：
所述的微处理器单元中内置的智能温度补偿的定量计算的软件算法
程序中，该软件算法所依据的pH值电极斜率的温度补偿公式为：
SPph＝0.1984×TEMP+54.198(1)
式中SPph为pH电极斜率，TEMP为测试时当下的被测溶液温度值(℃)；
该软件算法所依据的二氧化碳电极斜率的温度补偿算法为
“1.97mV/10℃；
来自pH电极和二氧化碳电极的现场探测信息经信号调理单元调理输
出后传送给微处理器单元，该微处理器单元直接对收集到的两路电极数据
进行温度补偿的处理；
所述的微处理器单元中内置的碳酸氢根和碳酸根离子定量计算的软
件算法程序中，遵循离解平衡方程式，计算公式为：
[HCO3-]=CTK1[H+][H+]2+K1[H+]+K1K2---(2)]]>[CO32-]=K2[HCO3-&rs...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学亮，史云，魏光华，
申请(专利权)人：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，
类型：发明
国别省市：河北;13