用于检测地表水中氮、磷离子化合物的高灵敏电容耦合非接触电导检测器的研究

Due to the sewage effluent and the slather of fertilizer, the surface water was seriously polluted by nitrous and phosphorous ionic compounds, which led to water eutrophication and water quality deterioration. It is necessary to develop a high sensitive detection technology for the determination of trace nitrous and phosphorous ionic compounds. The project plan to develop a high sensitive capacitively coupled contactless conductivity detector (HSC4D), which is consisted of two coiled input electrodes and one coiled output electrodes. The relative position of the electrodes, the geometry of the coiled electrodes, and the inner diameter of the insulating pipe will be studied in detail to develop a steady HSC4D, and establish a method for the sensitive detection of nitrous and phosphorous ionic compounds and reflect the degree of water eutrophication. It will be helpful to the early warning of water environment pollution and confirming of pollution sources.

由于排放各类污水及土壤中化肥残留，造成水体富营养化。地表水中微量的氮、磷离子化合物浓度的变化，可以预示水体是否开始富营养化以及富营养化程度的大小。本项目拟用二个具有相位差的交流信号作为激励信号，施加于电导检测器的输入电极上，构造了高灵敏电容耦合非接触电导检测器（HSC4D）。由于输入信号存在一定的相位差，降低了电极阻抗，从而大大降低了电导检测器的背景噪音，提高了电导检测器的灵敏度。构造的高灵敏电容耦合非接触电导检测器（HSC4D），用于地表水中痕量氮、磷离子化合物的测定。本研究考察HSC4D电极相对位置、圈状电极参数和绝缘管内径等因素，获得构造HSC4D的关键技术和理论依据，研制出性能稳定的高灵敏电容耦合非接触电导检测器，建立一种灵敏地检测地表水中氮、磷离子化合物含量并准确反映水体富营养化程度的方法，为地表水的富营养化的预警和氮、磷污染溯源提供技术支持。

构建的高灵敏电容耦合非接触电导检测器（HSC4D），用于地表水中痕量氮、磷离子化合物的测定具有重要的意义。电导检测器（C4D）作为电导型检测器相比于传统的电导检测器，在避免电极污染和分离电压干扰等问题上已展现出了绝对优势，但在其检测性能的提高和实用性方面还有待进一步完善。研究小组对电导型检测器双输入电容耦合非接触式电导检测器（DIC4D），从检测器的结构和电路设计入手，以提高和改善检测性能达到对分析对象高准确度、高精密度地测定为目的，开展了多方面的研究工作。为了获得更高的灵敏度和更低的检测下限，本研究小组对实验装置作了进一步的改进。首先设计了一种新型的电导检测装置，接触式双输入非接触式单输出电容耦合电导检测器（DISODCD），既能保证被测物的响应灵敏度，又能尽可能避免接触电极带来的问题。其次将信号的输入电极由双输入改为四输入，信号由双耦合输入信号变为四耦合输入信号。由 DIC4D差分结构等效电路模型建立的四输入电容耦合模型（FIC4D），增加多个输入信号能更有效地抑制共模噪音。然而，FIC4D增加了检测的基线水平，造成检测背景值较高，对检测信号的信噪比产生了不利影响。由于检测到高电平基线的微小变化，因此还需要更大的读出设备动态范围来检测信号。因此，我们将多输入电容耦合模型（MIC4D，包含DIC4D和FIC4D）与差分检测电路相结合，进一步提出了双通道差分MIC4D（DFMIC4D），降低了由信号增强引起的高基线水平带来的不利影响。研究小组将构建的这一高灵敏电容耦合非接触电导检测器（HSC4D）即DFMIC4D用于环境中地表水的检测，实现了对含N、P、S离子化合物的检测，检测结果重现性较好，得到了令人满意的实验结果。