双电极法水中碳酸氢根和碳酸根现场快速检测仪器.pdf

双电极法水中碳酸氫根和碳酸根现场快速检测伩器赵学亮,等
双电极法水中碳酸氦根和碳酸根现场快速检测仪器
Rapid Field Detector Based on Double Electrode Method
for Bicarbonate and Carbonate in Water
赵学亮楠李康光华
(中地质调查局水文地质境地质谓查中心国土资源部地质环境监涮技术重点实验宣,河批保定71051;
国家地质实验测试中心2,北京10007)
摘要:针对水文地质调查中碳酸氢根和嚴酸根难以现场检测的问题,研制了水中碳酸氢根和碳酸根快速检讽仪器。介绍了双电极
法检测碳酸氢根和碳酸根的原理和方法,阑述了酸氢根和碳酸根现场快速检测仪器的硬件和软件设讨方法,并对现场测试流程进
行了详细说明。室内和野外试验证明,该仪器工作稳定、检出限低、快速和稳定性高,相对误差低于10%,具有广泛的应用前景
关词:水文地质调查气候变化二氧化碳碳酸氢根碳酸根双电极法水样分析检测仪器
中分类号:TP274;TH86
文放标志码:A
DOI:10.16086/j.enli,isn-00-0380.201607024
A For hy g cal i n mng y f ng B ae an a onae on site, e rapid ee or for
Bica onate and the Caonae in watcr s developed. The ple and methd of eeting he Bi nate and the Carbonate based on double
e c de m t d a u and the ign f aw a s a of e r fl r s a e ng press on it
is explained in detail. The indoor and ouor experiments prove at e detector is operating stably with low de ection limit, the relative ermr
less than 10%: it has broad application prospects
Keywords Hydrogeological ivs on m ange a de Bic oate Car onae ube lode metod
Analysis of water samples Detector
的含量。因此,急需一种能够在现场快速完成碳酸氢
0引育
根和碳酸根测量的检测仪器。
碳酸氢根和磯酸根是现代水文地质调査水样全分
本文采用双电极法,以MSP430F5438处理器为核
析必测指标。测定地层水中碳酸氢根和碳酸根有助于
构成低功粍、髙灵敏度检測电路,形成了一套小型
了解地层水的化学成分所处的地球化学环境、地下水智能化碳酸氢根和碳酸根快速检测仪器。同时,给出
的起源、地下水的分布和演化规律。在应对全球气候了碳酸氢根和碳酸根定量计算和温度补偿方法,详细
变化的工程中,碳酸氢根和碳酸根能够直接标志岩溶介绍了碳野外现场检测流程,并在室内试验验证的基
和水对二氧化碳的碳汇量,能够指示地层深部储存的础上,依托中国地质调査项目进行了野外实地应用
二氧化碳的运移分布状况和二氧化碳对储盖层的突破验证。
情况,确保储存工程的安全。
1双电极测方法
目前,对碳酸氢根和碳酸根的测量主要采用化学
滴定法,但化学滴定法的滴定终点难以把操,操作流稈
水中游离的二氧化碳、碳酸氢根和碳酸根存在离
十分繁项,需要专业人员オ能完成;同时,水溶液中存解平衡1
在的其他阴离子也容易给测量带来较大的误差;更重
CO2+H0 H C0,
要的是,滴定法一般在试验室完成,从样品的采集、保
HICO,?H+HCO
(2)
存、运输到完成测量往往需要至少2个月的时间,最终
HCO+H*+ CO
的测量结果已不能真实反映水样中碳酸氢根和碳酸根
结合碳酸的一级离解平衡常数K和二级离解平
衡常数
国土資源部公性行业科研专项基盒資项目(号:201411083)。
K=HJIHCOL--
惨放稿收到日期:2015-10-06
ACO
第一作者赵学(1982-),男,2008年毕业于河北农业大学智能化
检洲与自动世技求专业,获项上学位,工枢师;主要从水贗方法
ん、[HI[C2]
和仪敖方向的所究。
I CHO I
96
PROCESS AUTOMATON NSTRUMENTATION Vo 37 No 7 July 2016
万方数据
双电极法水中碳酸氢根和碳酸根现场快速检测仪器赵学亮,等
由式(1)~式(5)得:
高保真地传递,并将信号调理到信号调理电路的范围
[HCO, I
Cr, H
内;数据采集电路负责完成经信号调理电路调理后的
(6
H']+K1[H']+K1K2
电极传感器信号;人机交互电路主要包括键盘和液晶,
K「HCO
(7)主要用于仪器操作和显示数据;电极传感器主要将被
[H]
测量转化为电压信号。
式中:C02为溶液中游离二氧化碳的含量。在25℃
系统框图如图1所示。
条件下,K1=10-、K2=10-0。因此,可通过pH电
极测得溶液中氢离子浓度,并由二氧化碳电极测得溶
液中游离二氧化碳的含量,然后通过式(6)和式(7),
电源转换电路
即可计算出碳酸氢根和碳酸根的含量。
数据MSP430
检测过程中,将被测水溶液的pH值通过离子调
电极传感器
采集1F5438A
信号调理电路电路最小系统
节剂调节到pH≤5,以便碳酸氢根和碳酸根全部转化
人机交互电路
为游离二氧化碳的形态。
图1系统硬件框
2硬件设计
Fig 1 Block diagram of system hardware
基于双极性法的碳酸氢根和碳酸根现场快速检测2.1信号调理电路
仪器采用超低功耗的MSP430F5438°3为核心处理
pH复合玻璃电极和二氧化碳电极信号调理电路
器,主要包括MSP430F5438最小系统、电源转换电路、相同,由于二者均为高阻抗内阻(≥10°),要求信号
信号调理电路、数据采集电路、人机交互电路和电极传调理电路必须有足够高的输人阻抗。为了降低测量
感器6部分。其中:MSP430F5438最小系统主要用于噪声、提高仪器稳定性,测量电路选用高阻抗、低漂移
程序的在线调试和协调各部分的工作;电源转换模块专用仪表放大器INA121。其内部输入阻抗为10-2,
将6~12V直流供电电源转换为士3,3V供其他电路完全能够满足对电极信号的获取需要。信号调理电
部分使用;信号调理电路主要确保电极传感器的信号路如图2所示。
PH3Y
I KQ
RG& C
0.1 UF Ce3v
ADC
vin
V+
REF
I k92
2 OPA364
INAL21
2 ko
图2信号调理电路图
ig 2 Signal conditioning circuit
图2中:INA121为一级放大,主要目的是将pH电压信号;为经