鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置和方法

本发明涉及核辐射探测，特别是一种利用鼓泡装置实时准确地测量不同深度海水中溶解氡的浓度的装置和方法。

背景技术：

1、核与辐射安全环境监测是我国重点关注的一个领域,同时海洋也为人类提供了丰富的海洋资源。氡是来自天然铀系衰变链的子体之一，半衰期为3.82天，它是最重要的天然放射性核素之一，在自然界中以水溶性气体存在。因此，测量海水中氡浓度是一项有意义的工作。

2、测量水中氡浓度的方法有很多种，根据目的和要求测量方法的差异很大。iso13164推荐的常用方法包括液体闪烁计数(lsc)法、伽马能谱法和测气法(iso 2013)。研究人员开发了其他方法，包括扩散法、脱气膜法和鼓泡法。采用鼓泡法时，通过气体鼓泡探头增加了水和气体之间的接触面积，缩短了水和气体中氡浓度的平衡时间，因而鼓泡法得到了广泛的应用。

3、而目前测量海水中溶解气体的方法主要有：采样－实验室分析、基于光学传感技术的海水溶解气体原位测量技术以及基于疏水透气膜结合气体传感的原位测量技术。其中，采样－实验室分析主要针对表层海水溶解气体测量，在走航过程中利用取水器或采样瓶完成不同深度、不同位置的海水取样，但连续测量得到的数据时间分辨率较差；基于光学传感技术的海水溶解气体原位测量技术是较为先进的探测技术，在高浓度溶解气体区域有较大的应用空间，作为高精度非接触式测量技术在海水原位测量领域展现出良好的应用前景；基于疏水透气膜结合气体传感的原位测量技术采用疏水透气膜原位分离水气，气体传感技术测量的方法，实现溶解气体快速高精度测量。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置和方法，无需对水体进行采样即能实现对海水中氡含量的连续实时监测，测量检测精度高、过程简单，且操作方便，稳定可靠。

2、本发明的技术方案是：鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置，包括鼓泡测量瓶、瓶盖、出气管套、重物绳套、进气管套、出气管、进气管、电磁阀、氡测量仪、三通阀、气泵、电机、单向阀、重物和数据采集及处理中心。

3、所述鼓泡测量瓶为立体锥形结构，其底部设有多个入水孔，在鼓泡测量瓶内的底部设有温湿度及水压传感器、盐度传感器，氡测量仪的进气口端设有压力传感器，两个液位传感器分别设于鼓泡测量瓶的上下内侧壁上。

4、所述出气管套、重物绳套、进气管套分别安装在瓶盖上，出气管插在出气管套上，进气管插在进气管套上，进气管伸入鼓泡测量瓶内的底部，出气管的进气端伸入鼓泡测量瓶内，出气管的出气端通过电磁阀与氡测量仪的进气端连接，氡测量仪的出气端与三通阀的第一进气口连通，三通阀的第二进气口与大气连通，三通阀的出气口与气泵进气端连通，气泵的出气端与单向阀的进气口连通，单向阀的出气口与进气管的进气端连通。

5、电机的输出端通过牵引绳吊着重物，牵引绳穿过瓶盖上的重物绳套、鼓泡测量瓶底部的入水孔使得重物沉入海水中，电磁阀、氡测量仪、三通阀、气泵、电机、温湿度及水压传感器、盐度传感器、压力传感器、两个液位传感器通过有线或无线与数据采集及处理中心电连接。

6、本发明的进一步的技术方案是：所述进气管伸入鼓泡测量瓶内的末端为多孔腔体。

7、本发明的另一技术方案是：应用于前述鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置的方法，包括测量过程及计算过程，

8、一、测量过程

9、将电机牵引绳下端的重物沉入水中，海水通过鼓泡测量瓶底部的入水孔进入鼓泡测量瓶内部，测量两个液位传感器的数据控制三通阀、气泵和单向阀，使得鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置下沉至待测氡浓度深度的海水中。

10、打开电磁阀、单向阀并启动气泵、连通三通阀的第一进气口和出气口，鼓泡测量瓶内鼓出的气泡在鼓泡测量瓶内与海水接触，并从鼓泡测量瓶内的液面鼓出，通过出气管、电磁阀进入氡测量仪中，并从氡测量仪中流出进入三通阀、气泵、单向阀最终流回鼓泡测量瓶内形成气流回路。

11、待气流稳定后，氡测量仪测量鼓出气体中的氡浓度；且将测得的温度、鼓泡测量瓶底部水压、盐度及鼓泡测量瓶上部空间压力、鼓泡测量瓶液面位置信号发送至数据采集及处理中心。

12、二、计算过程

13、测量海水中溶解氡的浓度时，需要测得氡的溶解度并且将浓度从气相转换为水相；大气和水相中氡的浓度随时间不变，水和循环空气之间达到氡浓度平衡。

14、将测得的温度、盐度代入如下的222rn的空气-水分配系数及其水温和盐度的经验方程式计算出氡的溶解度系数k0：

15、

16、其中，t为温湿度及水压传感器测得的温度，单位为开尔文；s为盐度传感器测得的盐度s，单位为克/千克；k0为氡的溶解度系数，单位为mol(l·atm)-1。

17、将公式(1)计算出的氡的溶解度系数k0代入如下公式计算出氡平衡时水/空气中氡的分配系数：

18、

19、由于氡测量仪测得的氡浓度时氡达到水/空气平衡时的数据，将氡测量仪测得的空气中氡平衡浓度转换为相应的水氡浓度，即得到该深度海水中的氡浓度，计算公式如下：

20、cwater＝cair*kw/air (3)

21、其中，cwater为水氡的浓度，单位为bq/l；cair为气相氡的浓度，单位为bq/l。

22、本发明的进一步的技术方案是：所述计算过程还包括根据温湿度及水压传感器测得的鼓泡测量瓶底部水压计算鼓泡测量瓶的深度，具体的计算公式为：

23、

24、其中，z为鼓泡测量瓶的深度，单位为m；p为温湿度及水压传感器测得的水下压强，单位为decibar，1decibar＝0.01mpa；l为鼓泡测量瓶的纬度，单位为°。

25、本发明与现有技术相比具有如下特点：

26、本发明测量氡浓度的装置结构简单，使用便捷，无需进行水体采样，极大的节省了测量成本；本发明测量氡浓度的方法过程简单，且灵敏度高，降低对海水中氡观测数据造成影响的各种因素，提高了测量精度；本发明能够实现连续实时检测，监测海水中氡含量的变化情况，海水中氡观测数据更加稳定、准确。

27、以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

技术特征：

1.鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置，其特征是：包括鼓泡测量瓶、瓶盖、出气管套、重物绳套、进气管套、出气管、进气管、电磁阀、氡测量仪、三通阀、气泵、电机、单向阀、重物和数据采集及处理中心；

2.如权利要求1所述的鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置，其特征是：所述进气管伸入鼓泡测量瓶内的末端为多孔腔体。

3.应用于权利要求1或2所述的鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置的方法，其特征是：包括测量过程及计算过程，

4.如权利要求3所述的鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置的方法，其特征是：所述计算过程还包括根据温湿度及水压传感器测得的鼓泡测量瓶底部水压计算鼓泡测量瓶的深度，具体的计算公式为：

技术总结
鼓泡法测量不同深度海水中溶解氡浓度的装置和方法，包括鼓泡测量瓶、瓶盖、出气管、进气管、电磁阀、氡测量仪、三通阀、气泵、电机、单向阀、重物和数据采集及处理中心。瓶底部设有入水孔、温湿度及水压传感器、盐度传感器、液位传感器。进气管、鼓泡测量瓶、出气管、电磁阀、氡测量仪、三通阀和气泵形成气流回路，电机与重物连接，温湿度及水压传感器、盐度传感器及压力传感器与数据采集及处理中心电连接。通过氡分子进入或离开鼓泡测量瓶的表面，当达到平衡态测得的空气中氡平衡浓度转换为相应的水氡浓度计算出实时的溶解氡浓度。本发明装置结构简单、操作便捷，能够实现连续实时监测海水中氡含量的变化情况，为海洋氡研究奠定良好的基础。

技术研发人员：谭延亮,孙佳乐,章馨怡,胡滔,林芬,莫贻香,刘帅彬,谢若梅,袁帅,陈林泉,李慧颖,刘志鹏,吴九霖,易海波,袁红志
受保护的技术使用者：衡阳师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13