專利名稱：原子吸收式便攜測汞儀的制作方法
技術領域：
本發明屬地球化學探礦和環境保護中測量汞氣的儀器。
地球化學探礦測量壤中氣和環境保護中測量大氣中的含汞量，其檢出限應能達到10-11-10-12g量級，目前能用于上述需要的測汞儀，有利用原子吸收原理和利用純金膜的電阻率變化原理制造的兩類。
金膜測汞儀以我國甘肅有色金屬地質研究所提供的JM-3型(地學儀器1987年1月號)為代表，它可以帶到野外測量，而且是用電池供電直接加熱進行熱釋，熱效率高。檢出限為10-12g Hg，重量約2.5Kg，但因其檢測用的金膜吸附汞量超過10-7g時趨于飽和而不呈線性，這時必須另行將金膜脫汞處理。而且每一次測量，其吸附量是累加的，這樣除其附加誤差較大外，當累加值達到10-7g Hg時，野外工作人員又難以及時發現和確定金膜的″飽和″，致使不能及時發現被測數據的畸變。其氣體采集和測量過程完全靠手工操作，人為因素造成的誤差亦較大。
利用原子吸收原理制造的測汞儀有兩種其中利用塞曼效應的雙光束測汞儀有加拿大Scintrex公司的HGG-3、HGM-2型，因其靈敏度很低，無法用于地質找礦。
我國提供的雙光束原子吸收式測汞儀是以本發明人參與研制的SG-4型塞曼測汞儀為代表(物化探研究報導1981年第10期P-235)，作為實驗室中快速定量直接(熱釋)測定巖石、土壤、分散流等樣品中的微量汞是有效的，其特點是校正背景干擾能力強，但儀器笨重、昂貴、耗電，不適合作壤氣汞量的測量，更不能帶出野外。
利用原子吸收原理制造的單光束測汞儀是以本發明人負責研制的XG-3型為代表(物化探研究報導1981年第10期P-219)，由于土壤氣體中汞的背景濃度約為10-9g/M3，用本儀器測定壤氣汞，因其靈敏度的限制，必須借助金汞齊效應而特制的金絲石英捕汞管，先將這種捕汞管成批帶到野外現場富集得到一定體積的土壤氣汞樣品，然后回營地使用電爐在800℃下熱釋，將捕汞管中吸附的汞脫出成汞蒸氣吸入單光系原子吸收測汞儀中測定。借助金絲捕汞管的優點是1.彌補儀器感量不足;
2.金絲本身除吸附汞原子外，其它干擾氣體基本上不被吸附，補償了單光束儀器無抗背景干擾能力的缺點;
3.金絲石英捕汞管重量輕，體積小，便于攜帶出野外。
其缺點是1.為正常開展野外工作，每天需要采集較多樣品，因此每臺儀器需備上百只捕汞管，每只捕汞管用金量為0.5-1g，其價格是昂貴的。
2.大量在室內脫汞凈化捕汞管，在野外采集壤氣汞樣品，回室內熱釋測量，人工操作環節多，易受污染，其測得的數據可信度不很高(雖仍優于金膜測汞儀)，要取得較好的地質效果也是比較困難的。
3.采集了汞氣的捕汞管，放置時間越長，汞原子向金絲內部擴散越深，熱釋脫汞越困難。
4.每一捕汞管在采樣前必須在室內進行凈化，其勞動強度大，且每一捕汞管的凈化程度很可能不同，也影響測量結果的精密度。
5.吸收室體積較大(超過5-10cm3)，吸收室汞氣濃度不高，所以作超微量測量時，需較長富集時間和較大的捕汞管。
專利號為88213066.8的系統，是測汞儀的輔助裝置，它置于測汞儀之外，由于它是實驗室裝置，由交流電供電，所以體積大些，用電多些都是無關緊要的。其自動控制系統是由分離器件組成，由RC定時其可靠性及準確性是不高的。
本發明的目的是1.提供一種集氣體汞的實時采集和實時測量于一體的，小型化的、由電池組供電的單光束原子吸收型適合于野外現埸測量的高靈敏度便攜式測汞儀。
2.提供一種除將采樣頭打入土壤時用人工操作外，其樣品的采集、熱釋、測量、數字顯示和存貯，數據的輸出及冷卻捕汞管的全過程，完全由儀器內部微處理器設定程序自動控制連續快速完成，既減少勞動強度，簡便操作，同時將人為誤差降低至最低限度的高自動化程度的測汞儀。
3.一只微型捕汞管一金絲石英管作為儀器的固定部件固定安裝于儀器內部氣路中，節約了大量黃金，降低造價，也使測量條件保持一致而提高測量精密度。
本發明的原子吸收式便攜測汞儀主要由采樣頭1、過濾器2、微型捕汞管3、吸收室4、流量計5、流量閥6及抽氣泵7組成的氣路;由光源8、吸收室4及光電轉換器9組成的光路;由光電轉換器9、檢測電路10、微處理器11、數字顯示器12、采樣時間選擇器13、輸出接口14組成的電路及供熱釋、燈源、流量閥、抽氣泵、檢測電路、微處理器各部份用電的電源(包括電源變換器15及電池組16)四部份所組成。
本發明的過濾器2及微型捕汞管3是作為本儀器的固定部件安裝在儀器內部。供儀器各部份用電的電池組16作為儀器的可裝卸部件安裝在儀器內部。這樣，除采樣頭1外，所有部件全部安裝于儀器里面，便于攜帶和野外使用。
采樣頭1是帶錐形頭的空心鉆，打入地下一定深度提取壤中氣或者直接用管子吸取大氣樣品，用抽氣泵7抽氣，由流量閥按要求控制氣體的流量以保證在設定時間內提取定量體積的氣體樣品，樣品經管道進入過濾器2，過濾器2由吸水器及吸塵過濾器兩部份組成。過濾過的氣體樣品以一定速度一定時間進入微型捕汞管3，使金絲團17吸附定量體積樣品中的汞氣(即富集)，由于不同的被測地區其土壤的含汞量相當懸殊，因此采樣時間應根據汞含量大小有所變更，汞含量高的地區可減少采樣時間以提高測量速度，汞含量少的地區則必須增加采樣時間以保證測量數據的可靠性。本發明的采樣時間由采樣時間選擇器13根據需要設定，由微處理器11進行控制。本發明的采樣時間可設定在15秒至300秒間按15秒步進增加。
采樣完畢，微型捕汞管3內的金絲團17被快速加熱至800℃使富集于金絲團17上的汞瞬時釋放出來成為汞原子，經過吸收室4供測量。
光源8是一微型汞燈由電源點燃發出波長為2537
的光束進入吸收室4，將測量間隔內吸收室4吸收波長為2537
光的量由光電變換器9變成相應的電脈沖信號。
原子吸收式測汞儀是根據基態的汞原子-冷原子對于汞燈的2537
特征輻射選擇吸收原理制成，吸收室4透射光的強度與基態汞原子濃度的關系服從比耳定律I=I0e-K0CL(1)]]>式中I0-入射光強度I-透射光強度K0-吸收系數C-汞原子濃度
L-吸收光程強度C ＝ 1/(KOL) LN (IO)/(I) = 1/(KOL) 2.3Log (IO)/(I) (2)當L為常數時，C＝KA (3)A = Log (IO)/(I) 為吸光度， (IO)/(I) 為透過率，K = 2.3/(KOL) 為常數。
由式(1)及式(3)表明，吸收室4汞原子濃度在一定濃度范圍內與吸光度成正比，根據儀器測量的吸光度，可以確定樣品的汞濃度。
光電變換器9產生的電信號經檢測電路10放大、解調，由微處理器11分成若干個測量單元進行測量并計算其峰值和積分值，分別在數字顯示器12上顯示并存貯在微處理器11的RAM中，微處理器11備有輸出接口14供打印機作硬拷貝和供外部計算機計算和繪制所需的圖件。
為達到便攜式，能將儀器方便地帶到野外現場使用成為現實，首先必須擺脫市電的牽制，采用小容量直流供電，其次是盡可能減小體積和減輕重量。本發明的儀器全部所需電能夠由電池組16經電源變換器15供電，由于耗電較大的部份如熱釋、抽氣，流量閥等均是間歇使用。本發明的儀器其一個樣品從熱釋、測量，數據顯示及存貯數據輸出至微型捕汞管3的冷卻是在30秒鐘內自動連續完成的，只要電池組能保證提供足夠的輸出電源。本發明使用的3安培小時電池，在充足電后，在6-8小時內至少可供80次采樣測量。
本發明的儀器中，瞬時功率需要最大的是熱釋部份，要將富集在微型捕汞管3金絲團17上的汞經過瞬時加熱至800℃使之完全釋放出來變成汞原子進入吸收室4，被加熱的部份要有足夠小的熱容量才能降低加熱功率和縮短加熱時間。由于純金的機械強度不高，直接加熱很細的金絲會引起變形，影響富集能力，而且在很小的容積內不可能繞成相互不接觸的螺旋狀，故本發明是采用在微型捕汞管外繞以電熱絲用儀器內部電池組16供電加熱熱釋富集于金絲團17上的汞。雖然其熱效率不如直接加熱，但由于石英管導熱性差，瞬時間內熱量沿石英管向左右兩個方向傳導極慢，熱量主要集中在有金絲團17的部位。只要金絲團17的重量在滿足儀器檢出限條件下盡可能的輕，既節約了金絲又減少耗電。在本發明儀器中熱釋時間不超過六秒鐘即能保證富集于金絲團17的汞全部被釋放出來變成汞原子。本發明所采用的微型捕汞管3是在石英管中央區固定由重量為0.05-0.3g金絲繞成的金絲團17組成，熱釋電流1-1.5A，一天按80次測量，其耗電約0.2安培小時，這是電池組完全能承受的。而且簡接加熱法的捕汞管較直接加熱法的捕汞管容易制造得多。
本發明采用了微處理器11按設定程序自動控制連續完成氣體汞的采集、熱釋、測量、數字顯示及貯存，數據輸出和微型捕汞管3的冷卻全過程，為了縮短氣體汞在微型捕汞管3中富集的時間，氣體流量宜大些，而為了提高原子吸收最小感量，應盡可能減小汞蒸氣通過吸收室4的速度，而為了每次測量條件一致，保持高的測量精度，氣體流速必須按需要保持一致而又能按需要迅速從一個設定速度改變至另一設定速度，用手動流量閥是不可能完成的，用專利號為88213066.8中所述的簡單啟閉式電磁閥也不能滿足上述要求。本發明采用的是一種受控于微處理器11按測量要求設定程序自動控制流量大小和開閉的流量閥，即電磁流量閥。通過該電磁流量閥的氣體可在0.05升/分至2升/分范圍內受控。
為了滿足電池供電，本發明盡可能減少了微型捕汞管3金絲團17的重量，縮短了熱釋時間，必然減少了每次采集的氣體體積，使富集和釋放出來的汞量相應的減少，這將影響儀器的檢出限，為保持足夠的檢出限，必須提高儀器的最小感量。
原子吸收測汞儀實際上是一種氣體汞濃度測量儀，為使微型捕汞管3富集的有限汞量在原子吸收中讀數盡可能大，即要提高吸收室4中汞原子的濃度，其途經之一是盡可能減小吸收室4的體積和氣路管道的體積，另外還可減少測量時的氣體流量和降低檢測電路的噪聲。
基于上述考慮，本發明的吸收室4之體積為0.5-3cm3。微型捕汞管3直接與吸收室4連接，使中間管道減少到最低限度(見圖2)。
為了提高吸收室4的溫度以防止汞蒸氣通過時內壁吸附污染，吸收室4是采用導熱性差、不易被污染的石英管制成，靠微型捕汞管3熱釋加熱時的熱量隨抽氣提高吸收室4在測量時的溫度。
在測量完畢后，為進行下一個樣品的測量，微型捕汞管3要迅速降至常溫，這是由微處理器11設置程序以氣泵7在一定時間內繼續抽氣予以泠卻。
本發明與已有技術相比較有以下優點1.本發明的儀器由于采用了電池供電，省去了已有技術的笨重的交流變壓器、電爐等。另外，微型捕汞管3，吸收室4體積的減小及用電量的減少使整個儀器的體積和重量降至可以將儀器帶到采樣現場測量，便于工作人員及時發現異常及追索查證，并省卻了室內的工作量。
2.本發明的檢出限與已有技術中最高水平(原子吸收式)相比，提高了將近一個量級，使之可以開展超微量的測量。
3.本發明采用了微處理器控制技術，使各工序自動連續完成，各樣品的采樣、測試條件嚴格一致，提高了測量精密度，提高了測量效率。
4.本發明只用一個捕汞管，可以長期使用，節約大量昂貴的黃金，而且消除了由于不同捕汞管特性的差異引起的測量誤差。
圖1為本發明原子吸收式便攜測汞儀的方框圖1.-采樣頭 2.-過濾器3.-微型捕汞管 4.-吸收室5.-流量計 6.-流量閥7.-抽氣泵 8.-光源9.-光電轉換器 10.-檢測電路11.-微處理器 12.-顯示器13.-采樣時間選擇 14.-輸出接口15.-電源變換器 16.-電池組-框為氣路部份 -·-·框為光路部份━框為電路部份圖2為本發明中微型捕汞管和吸收室的連接方式3.-微型捕汞管 17.-金絲團4.-吸收室 箭頭為氣體流向
具體實施例方式根據本發明研制的BXG-100型原子吸收式便攜測汞儀，其技術指標如下
1.檢出限 2-5×10-12g Hg2.精密度 優于5%3.體積(包括電池組) 350×100×300mm34.重量(包括電池組) ＜8Kg
權利要求
1.一種原子吸收式便攜測汞儀，由采樣頭1、過濾器2、捕汞管3、吸收室4、流量計5、流量閥6及抽氣泵7組成的氣路；由光源8、吸收室4及光電轉換器9組成的光路；由光電轉換器9、檢測電路10、數字顯示器12組成的電路和電源共四部份所組成，其特征在于(1)由微處理器11按設定程序自動控制連續完成氣體汞的采樣、熱釋、測量、數字顯示及存貯、數據輸出和微型捕汞管3的冷卻；(2)過濾器2和微型捕汞管3是作為儀器的固定部件安裝在儀器內部；(3)流量閥6是一種可受微處理器11設定程序自動控制流量大小和開閉的電磁流量閥；(4)全部儀器所用電能由電池組16提供；(5)吸收室4是由石英玻璃管制成。
2.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于微型捕汞管3是石英管的中央部位固定由重量為0.05～0.3g金絲繞制成的金絲團17及石英管組成。
3.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于富集于微型捕汞管3內金絲團17上汞的熱釋是由微型捕汞管3外繞以電熱絲用儀器內部電池組16供電加熱的。
4.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于通過電磁流量閥6的氣體可在0.05至2升/分范圍內受控。
5.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于微處理器11備有輸出接口供打印機硬拷貝和供外部計算機繪制所需圖件。
6.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于微型捕汞管3是與吸收室4直接連接的。
7.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于微型捕汞管3富集氣體汞的采樣時間可設定為15秒至300秒步進增加。
8.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于一個樣品的熱釋、測量、數據顯示及存貯，數據輸出和微型捕汞管3的冷卻是在30秒鐘內完成的。
9.根據權利要求1所述的原子吸收式便攜測汞儀，其特征在于石英玻璃管吸收室4的內部體積為0.5-3Cm3。
全文摘要
本發明屬地球化學探礦和環境保護中測量汞氣的儀器。本發明采用微處理器控制測量的全過程。使測試條件嚴格一致，測量過程自動化。采用微型捕汞管并固定安裝于儀器內部，降低儀器各部分的用電，使整機用電可由電池組供電，使體積重量和功耗都滿足野外現場測量。其檢出限高于目前已有的原子吸收式測汞儀一個數量級。適宜做超微量汞的測量。儀器無飽和現象，測量精密度高。
文檔編號G01N21/31GK1057905SQ90103210
公開日1992年1月15日 申請日期1990年7月4日 優先權日1990年7月4日
發明者李鐘模 申請人:地質礦產部航空物探遙感中心
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
