阅读说明：本技术 一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器 (Three-parameter intelligent compensation correction electrochemical online dissolved oxygen sensor ) 是由 秦宏鹏 陈娟 刘翔宇 于 2018-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器,包括溶解氧电极、电导率传感器、大气压力传感器、温度电极、被测水样流通池、传感器支架及检测电路单元,所述溶解氧电极包括传感器的外壳、透氧膜、膜盖、金电极、银电极、铂电极、液态反应电解液、电极基座及绝缘导线；所述溶解氧电极、电导率传感器、大气压力传感器、温度电极分别通过绝缘导线接入检测电路单元进行信号处理；所述检测电路单元包括极化电压电路,溶解氧信号检测电路,电导率、大气压力、温度补偿电路,串口通讯电路等。本发明对影响溶解氧检测浓度的电导率、大气压力、温度同时进行补偿标定,大大提高了检测的准确性,且响应速度快,精度高,寿命长,稳定性好。(The invention discloses a three-parameter intelligent compensation correction electrochemical online dissolved oxygen sensor, which comprises a dissolved oxygen electrode, a conductivity sensor, an atmospheric pressure sensor, a temperature electrode, a measured water sample flow cell, a sensor support and a detection circuit unit, wherein the dissolved oxygen electrode comprises a shell of the sensor, an oxygen permeable membrane, a membrane cover, a gold electrode, a silver electrode, a platinum electrode, liquid reaction electrolyte, an electrode base and an insulated wire; the dissolved oxygen electrode, the conductivity sensor, the atmospheric pressure sensor and the temperature electrode are respectively connected to the detection circuit unit through insulated wires for signal processing; the detection circuit unit comprises a polarization voltage circuit, a dissolved oxygen signal detection circuit, a conductivity, atmospheric pressure and temperature compensation circuit, a serial port communication circuit and the like. The invention simultaneously carries out compensation calibration on the conductivity, the atmospheric pressure and the temperature which influence the detection concentration of the dissolved oxygen, greatly improves the detection accuracy, and has the advantages of high response speed, high precision, long service life and good stability.)

一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器

技术领域

本发明涉及溶解氧含量检测领域，具体涉及一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器。

背景技术

溶解氧是指溶解于液态水中的分子态氧，是作为水体污染及水质优劣评定一个关键指标,是水质检测、污水处理、食品发酵、水产和临床诊断等领域的一个关键指标。一般饮用水溶解氧浓度不低于6mg/L。当生态系统中溶解氧浓度低于4mg/L时，鱼类将缺氧窒息死亡。在食品发酵领域，控制溶解氧浓度是确保微生物生长和重要考虑因素。在临床诊断领域，可以通过掌握细胞中溶解氧浓度来了解细胞和组织的代谢状态，从而诊断疾病。在污水处理领域，对溶解氧进行检测可以提高污水处理的效率，降低运行成本。在火电发电、核动力发电等领域，对高温锅炉供给水的溶解氧浓度检测可以提高工厂运作效率和安全性，有效地预防潜在事故的发生。

现有的电化学溶解氧电极大都存在以下技术问题：（1）检测前对传感器的标定需要人手动操作，无法自行标定。（2）检测过程中受环境参数的影响巨大，无法对环境参数的变化进行实时补偿校准。（3）抗干扰能力差，检测数据不准确。（4）工作电极结构设计不合理导致传感器响应速度、精度、稳定性差。

发明内容

针对目前电化学溶氧传感检测技术中所存在的问题，本发明的目的是提供一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器，此电化学溶解氧传感器检测前能够自动检测影响溶解氧检测的三个主要环境参数的数值，并在检测前对传感器进行温度参数、电导率参数、大气压力参数以及溶解氧电极测量曲线的标定，使得电化学溶解氧传感器能够快速准确的测出溶解氧的浓度值，此外，电化学溶解氧传感器检测过程中能够对影响溶解氧检测的三个主要环境参数进行实时补偿，大大的提高了溶解氧传感器的抗干扰能力，使得检测数据更加准确。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器，包括溶解氧电极、电导率传感器、大气压力传感器、温度电极、被测水样流通池、传感器支架及检测电路单元，所述溶解氧电极包括传感器的圆柱外壳、透氧膜、膜盖、作为工作电极的金电极、作为辅助电极的银电极、作为银保护电极的铂电极、液态反应电解液、电极基座及绝缘导线；所述电导率传感器包括电导率检测单元和电导率信号导线；所述传感器支架上有溶解氧电极支架孔、电导率传感器支架孔、温度电极支架孔；所述溶解氧电极、电导率传感器、大气压力传感器、温度电极分别通过绝缘导线、电导率信号线、大气压力传感器信号线、温度电极信号线连接在测量电路单元上；所述被测水样流通池上设置有进水口、调节阀、喷嘴、流量计、排水口，其特征在于：所述溶解氧电极、电导率传感器和温度电极通过传感器支架上的支架孔接入到被测水样流通池中，所述大气压力传感器置于与被测水样流通池相同的大气环境中。

进一步，所述检测电路单元包括溶解氧电极极化电路、电流转电压电路、电压放大电路、滤波电路、温度补偿电路、电导率补偿电路、大气压力补偿电路、AD转换电路、STM32F103ZET6微控制器、串口通讯电路、液晶显示电路、存储单元、继电器控制电路。

进一步，所述的温度电极不仅通过温度补偿电路对溶解氧电极的测定值进行补偿标定，同时也对电导率传感器的测定值进行补偿标定。

进一步，所述喷嘴正对溶解氧电极下端，且能将被测水样直喷向透氧膜。

更进一步，所述金电极为帽状金质圆柱体，且下端为纳米多孔结构的凸起弧面。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器，基于作为工作电极的金电极、作为辅助电极的银电极、作为银保护电极的铂电极组合成三电极检测系统，透氧膜将被测水样与电解液隔离开，当在金电极和银电极之间提供一个0.6V-0.8V之间的恒定电压时，金电极和银电极之间将会产生一个扩散电流，扩散电流的大小与被测水样中的溶解氧浓度成正比，通过测量扩散电流大小便可知溶解氧浓度大小。由于本发明采用三参数（温度、电导率、大气压力）补偿标定方法，能够在检测前提高溶解氧传感器的标定效率及准确度，能够在检测过程中对影响溶解氧浓度检测的主要参数进行实时补偿，大大的提高了溶解氧传感器的抗干扰能力，使得检测数据更加准确。

2、由于本发明采用的检测电路单元包括溶解氧电极极化电路、电流转电压电路、电压放大电路、滤波电路、温度补偿电路、电导率补偿电路、大气压力补偿电路、AD转换电路、STM32F103ZET6微控制器、串口通讯电路、液晶显示电路、存储单元、继电器控制电路，使得检测信号更加准确，且能实时显示在液晶显示屏上，所有数据都存储在一个非易失存储器中，在断电后数据也不会丢失，串口通讯电路能够使得传感器能够下载数据到计算机中。

3、由于本发明采用的温度电极不仅通过温度补偿电路对溶解氧电极的测定值进行补偿标定，同时也对电导率传感器的测定值进行补偿标定，提高了电导率的检测精度，同时也提高了溶解氧电导率补偿的准确性。

4、由于本发明采用的被测水样流通池的底部有喷嘴设计，被测水样通过喷嘴来实现对溶解氧电极的氧透膜上的高流率，高流率可以极大的减少传感器的响应时间。

5、由于本发明采用的金电极是帽状金质圆柱体，且下端为纳米多孔结构的凸起弧面，增大了150倍工作电极与电解液的接触面积，提高了溶解氧传感器的响应速度和稳定性。

附图说明

图1是本发明溶解氧电极的拆分结构示意图。

图2是本发明测量电路单元结构示意图。

图3是本发明大气压力传感器结构示意图。

图4是本发明传感器支架结构结构示意图。

图5是本发明被测水样流通池工作结构示意图。

图中：1、溶解氧电极；2、圆柱外壳；3、透氧膜；4、膜盖；5、金电极；6、银电极；7、铂电极；8、液态反应电解液；9、电极基座；10、溶解氧电极绝缘导线；11、电极极化电路；12、电流转电压电路；13、温度补偿电路；14、电导率补偿电路；15、大气压力补偿电路；16、滤波电路；17、电压放大电路；18、AD转换电路；19、STM32F103ZET6微控制器；20、存储单元；21、继电器控制电路；22、串口通讯电路；23、继电器控制电路；24、大气压力传感器；25、大气压力传感器信号线；26、传感器支架；27、溶解氧电极支架孔；28、电导率传感器支架孔；29、温度电极支架孔；30、电导率传感器；31、电导率检测单元；32、电导率信号线；33、温度电极；34、温度电极信号线；35、被测水样流通池；36、进水口；37、调节阀；38、喷嘴；39、流量计；40、出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例：提供一种三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器，包括溶解氧电极1、电导率传感器30、大气压力传感器24、温度电极33、被测水样流通池35、传感器支架26及检测电路单元，所述溶解氧电极包括传感器的圆柱外壳2、透氧膜3、膜盖4、作为工作电极的金电极5、作为辅助电极的银电极6、作为银保护电极的铂电极7、液态反应电解液8、电极基座9及绝缘导线10；所述电导率传感器30包括电导率检测单元31和电导率信号导线32；所述传感器支架26上有溶解氧电极支架孔27、电导率传感器支架孔28、温度电极支架孔29；所述溶解氧电极1、电导率传感器30、大气压力传感器24、温度电极33分别通过绝缘导线10、电导率信号线32、大气压力传感器信号线25、温度电极信号线34连接在测量电路单元上；所述被测水样流通池35上设置有进水口36、调节阀37、喷嘴38、流量计39、排水口40，其特征在于：所述溶解氧电极1、电导率传感器30和温度电极33通过传感器支架26上的支架孔接入到被测水样流通池35中，所述大气压力传感器24置于与被测水样流通池35相同的大气环境中。

本发明的工作原理：

本发明的电化学溶解氧电极基于Clark电极法，由工作电极（金质阴极）和辅助电极（银质阳极）及银保护电极（铂质保护电极）组成，工作电极、辅助电极和银保护电极完全浸没在液态反应电解液中，当工作电极和辅助电极之间加上0.6-0.8V的极化电压时，被测水样中的氧分子会通过透氧膜，持续的扩散到液态反应电解液中，并在工作电极上被还原，同时工作电极与辅助电极间之间产生一个稳定的扩散电流。扩散电流的大小与工作电极表面反应的氧分子浓度成正比。通过测量扩散电流的大小便可知被测水样中的溶解浓度。此外，铂质银保护电极与辅助电极之间加上-0.6V的保护电压，这样在测量过程中银保护电极能保证银电极不被消耗，电解液中的电解质不被消耗，被测水样中的氧气不被消耗，提高了传感器的使用寿命，减小了传感器的测量误差、节省了经常更换电解液的人力成本。本发明提供的三参数智能补偿校正电化学在线溶解氧传感器测量过程中，液态反应电解液总反应过程的化学方程式如下：

工作电极-辅助电极：O₂+2H₂O+4eˉ→4OHˉ

4Ag+4Clˉ→4AgCl+4eˉ

银保护电极-辅助电极：4OHˉ+4eˉ→O₂+2H₂O

4AgCl+4eˉ→4Ag+4Clˉ

工作电极和辅助电极之间由于电荷的移动，产生了nA级的电流，电化学溶解氧传感器通过检测电流的大小从而检测溶解氧浓度。

本发明的补偿原理：

1、对溶解氧电极的温度补偿方法

温度对溶解氧浓度的检测的影响主要表现在：（1）温度对溶解氧电极输出电流的影响；（2）温度对饱和溶解氧含量的影响。

根据阿伦尼乌斯定律(Arrhenius law),溶解氧电极的输出扩散电流I与电极工作温度T的关系为：

式中，A和β是两个常数，它们与电极的材料和结构有关；I₀是被测水样氧分压为零的时候的电极响应电流；P_O2是被测水样中的氧分压。

2、对溶解氧电极的大气压力补偿方法

由于溶解氧电极测量的是液态中氧分压的含量，所以当大气压力变化时，溶液中溶解氧的含量也会发生变化，最终影响到检测的准确性，所以需要对溶解氧电极进行大气压力的补偿修正。补偿公式为：

式中：C_S1为实测大气压力下饱和溶解氧的值，单位为mg/L；C_S为标准大气压下饱和溶解氧的值，单位为mg/L；P为实测大气压力值，单位为kPa；P_W为实测条件下与空气接触时水蒸气的压力值，单位为kPa。

3、对溶解氧电极盐度补偿方法

氧气在水中的溶解度会随着含盐量的增加而减少，在实际应用中，当水中含盐量小于35g/L时，可认为氧气在水中的溶解度和水中的含盐量呈线性关系。其补偿公式为：

式中：C为被测水样实际饱和溶解氧的值，单位为mg/L；C_S2为去离子水中饱和溶解氧的值，单位为mg/L；n为被测水样的盐度值，单位为g/L，此值的大小与被测水样的电导率有关；△C_S为1g/L的含盐量的变化造成的溶解氧含量的变化值，单位为mg/L。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。