專利名稱：基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及水質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)。
技術(shù)背景溶解氧濃度是水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。溶解氧濃度的監(jiān)測不但能夠有效防治水體污染，而且能夠為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供決策支持，有利于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)力，同時也是生物發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域非常重要的一項技術(shù)指標(biāo)，定量測量水體中的溶解氧濃度具有重要意義。目前對溶解氧濃度的檢測裝置已經(jīng)做了大量研究，主要集中在對傳感器探頭的研制，但由于并未考慮到溫度對測量值的影響，導(dǎo)致溶解氧濃度的測量精度較低。

實用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問題本實用新型要解決的技術(shù)問題是如何提高溶解氧濃度的測量精度。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括極譜電極、溫度傳感器、變送器、采集單元、以及控制單元，所述極譜電極、變送器、采集單元、以及控制單元依次連接，所述溫度傳感器與所述控制單元連接；所述控制單元通過所述變送器對所述極譜電極進(jìn)行供電，所述極譜電極獲得所述極譜電極中電解溶液的響應(yīng)電流，并將所述響應(yīng)電流發(fā)送至所述變送器，所述變送器對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述采集單元采集所述響應(yīng)電壓，并將所述響應(yīng)電壓發(fā)送至所述控制單元，所述溫度傳感器測量所述極譜電極中電解溶液的溫度，并將所述溫度發(fā)送至所述控制單元，所述控制單元利用響應(yīng)電流和響應(yīng)電壓之間的對應(yīng)關(guān)系、以及響應(yīng)電流、溫度和溶解氧濃度之間的對應(yīng)關(guān)系計算獲得所述電解溶液的溶解氧濃度。優(yōu)選地，所述極譜電極包括外殼、陰電極、陽電極、以及透氧薄膜，所述外殼內(nèi)設(shè)有電解溶液，所述陰電極和陽電極均設(shè)于所述外殼內(nèi)，所述陰電極和陽電極的一端均伸入所述電解溶液中、且另一端均與所述變送器連接，所述透氧薄膜設(shè)于所述外殼上。優(yōu)選地，所述溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器。優(yōu)選地，所述變送器包括依次連接的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、二階低通濾波電路、以及放大電路，所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述二階低通濾波電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行濾波，所述放大電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行放大。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的顯示器，所述顯示器用于顯示所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度。優(yōu)選地，所述顯示器上設(shè)有與所述控制單元連接的觸摸屏，所述觸摸屏用于接收用戶的操作命令。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的存儲單元，所述存儲單元用于存儲所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的通訊單元，所述通訊單元用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他設(shè)備之間的通訊。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的電源管理單元，所述電源管理單元用于在所述控制單元的控制下，實現(xiàn)對所述系統(tǒng)中的有源器件進(jìn)行供電。 優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的設(shè)備控制單元，所述設(shè)備控制單元用于控制增氧設(shè)備。(三)有益效果本實用新型通過設(shè)置溫度傳感器，在測量溶解氧濃度時，考慮到溫度對所述溶解氧濃度的影響，提高了溶解氧濃度的測量精度。

圖I是按照本實用新型一種實施方式的基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是圖I所示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖I所示的系統(tǒng)的控制流程圖。其中，I :外殼；2 :透氧薄膜；3 陰電極；4 陽電極；5 電解溶液；6 :溫度傳感器；7 :變送器；8 :防水接頭；9 :主機(jī)；10 :顯示器；11 :導(dǎo)線；12 :通訊線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。圖I是按照本實用新型一種實施方式的基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；參照圖1，所述實施方式的系統(tǒng)包括極譜電極、溫度傳感器、變送器、采集單元、以及控制單元，所述極譜電極、變送器、采集單元、以及控制單元依次連接，所述溫度傳感器與所述控制單元連接；所述控制單元通過所述變送器對所述極譜電極進(jìn)行供電，所述極譜電極獲得所述極譜電極中電解溶液的響應(yīng)電流，并將所述響應(yīng)電流發(fā)送至所述變送器，所述變送器對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述采集單元采集所述響應(yīng)電壓，并將所述響應(yīng)電壓發(fā)送至所述控制單元，所述溫度傳感器測量所述極譜電極中電解溶液的溫度，并將所述溫度發(fā)送至所述控制單元，所述控制單元利用響應(yīng)電流和響應(yīng)電壓之間的對應(yīng)關(guān)系、以及響應(yīng)電流、溫度和溶解氧濃度之間的對應(yīng)關(guān)系計算獲得所述電解溶液的溶解氧濃度。本實施方式中，所述控制單元為C8051F020單片機(jī)；所述信號采集單元實現(xiàn)對變送器輸出的響應(yīng)電壓從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，所述采集單元的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)使用C8051R)20單片機(jī)內(nèi)置的ADC，轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓使用內(nèi)部2. 4V電壓基準(zhǔn)。參照圖2，優(yōu)選地，所述極譜電極包括外殼I、陰電極3、陽電極4、以及透氧薄膜2，所述外殼I內(nèi)設(shè)有電解溶液5，所述陰電極3和陽電極4均設(shè)于所述外殼I內(nèi)，所述陰電極3和陽電極4的一端均伸入所述電解溶液5中、且另一端均與所述變送器7連接，所述透氧薄膜2設(shè)于所述外殼I上，本實施方式中，其中陰電極3為直徑為O. 3mm的鉬金絲，陽電極4為直徑為O. 3mm的銀絲；所述極譜電極需要極化電壓O. 425V，其響應(yīng)時間約60s。本實施方式中，所述外殼I為不銹鋼外殼，所述不銹鋼外殼直徑約18mm，透氧薄膜2的材料為氟塑料/硅橡膠/不銹鋼絲網(wǎng)復(fù)合膜，陰電極3為直徑為O. 3mm的鉬金絲，陽電極4為直徑為O. 3mm的銀絲，電解溶液5為氯化鉀溶液。測量時，溶解于待測溶液中的氧通過所述透氧薄膜擴(kuò)散到所述極譜電極的內(nèi)部，經(jīng)所述極譜電極內(nèi)的電解溶液5，到達(dá)陰電極3表面，在適宜的極化電壓下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生響應(yīng)電流。陰電極3的鉬金絲與陽電極4的銀絲在極化電壓的作用下通過電解溶液5構(gòu)成測量回路，在這個過程中陰陽兩電極發(fā)生的反應(yīng)如下所示陰電極02+2H20+4e- — 40F·陽電極4Ag+4Cr— 4AgCl+4e_根據(jù)法拉第定律流過電極的電流和氧分壓成正比，因此電極在一定的溫度下的輸出電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。這樣就可以根據(jù)電極輸出電流的大小計算出溶液中氧濃度的大小。電極的響應(yīng)公式為
(Zf)I = A· Pn ·β τ
U2式中，I為響應(yīng)電流；慫2為電解溶液中的氧分壓(所述氧分壓即為溶解氧濃度的表現(xiàn)形式之一 );T為透氧膜工作溫度；a和A為與電極材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的兩個常數(shù)。優(yōu)選地，本實施方式中，所述溫度傳感器6為數(shù)字溫度傳感器DS18B20，用于實現(xiàn)對電解溶液的溫度從物理量到電學(xué)量的轉(zhuǎn)換，所述數(shù)字式溫度傳感器DS18B20密封在直徑為8_的不銹鋼管中，此溫度傳感器固定在不銹鋼低端，緊貼不銹鋼管內(nèi)壁，對外界環(huán)境具有良好的熱敏感性，DS18B20采用3. 3V電源供電，單總線通訊，測溫范圍為_55°C +125°C，檢測精度為±0. 5°C。在系統(tǒng)測量時，將溫度傳感器與極譜電極放在待測溶液中(用于電解溶液的溫度與待測溶液溫度相同，因此將溫度傳感器與極譜電極放在待測溶液中時，能夠獲取極譜電極中電解溶液的溫度)，能夠保證系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確的極譜電極中電解溶液5的溫度。優(yōu)選地，所述變送器7包括依次連接的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、二階低通濾波電路、以及放大電路，所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述二階低通濾波電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行濾波，所述放大電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行放大，本實施方式中，所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、二階低通濾波電路、以及放大電路均密封于高強(qiáng)度聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride,PVC)塑料中，可以完全進(jìn)入水中，所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路通過高精度運(yùn)算放大器0PA277與跨接在此運(yùn)放反向輸入端與輸出端的IM電阻實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。然后通過0P07構(gòu)成的二階低通濾波器，濾掉電路中的高頻噪聲信號，再次經(jīng)過放大器AD620構(gòu)成的二次放大電路，得到O 2. 4V的電壓輸出，變送器的內(nèi)部電路都經(jīng)過灌膠密封防水處理，變送器7的輸出通過導(dǎo)線11與主機(jī)9連接，導(dǎo)線11與通訊線12都通過防水接頭8連接主機(jī)9，所述主機(jī)9包括控制單元。[0039]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的顯示器10，所述顯示器10用于顯示所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度，還可用于實現(xiàn)對溫度、及系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示。優(yōu)選地，所述顯示器10上設(shè)有與所述控制單元連接的觸摸屏，所述觸摸屏用于接收用戶的操作命令，以實現(xiàn)與用戶的交互功能，通過屏幕操作來對系統(tǒng)進(jìn)行菜單選擇、系統(tǒng)設(shè)置及控制模式選擇等操作，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、傳感器標(biāo)定、系統(tǒng)時間設(shè)置、設(shè)備控制方式選擇、溶解氧濃度上下限設(shè)定、設(shè)備啟動時間設(shè)定、定時控制時間間隔設(shè)定等。系統(tǒng)的控制流程如圖3所示，用戶選擇自動控制模式時，需要設(shè)定自動控制的溶解氧濃度上下限，工作時系統(tǒng)首先判斷采集到溶解氧濃度是否滿足用戶設(shè)定的上下限，如果超過溶解氧濃度的最低濃度，系統(tǒng)就自動開啟增氧設(shè)備進(jìn)行對溶解氧濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果超過最高濃度限度，系統(tǒng)就關(guān)閉增氧設(shè)備，是溶解氧濃度降下來。用戶選擇定時控制時，可以設(shè)定一個設(shè)備啟動時間，當(dāng)系統(tǒng)時間與啟動時間一致時就會啟動增氧設(shè)備，用戶還能設(shè)定三個時間段，在每一個時間段內(nèi)設(shè)定三個設(shè)備啟動和關(guān)閉的時間長度，系統(tǒng)會嚴(yán)格按 照用戶設(shè)定，在這三個時間段內(nèi)按照設(shè)定的時間長度自動開啟和關(guān)閉設(shè)備。從以上述控制流程可以看出，本實用新型可以廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖廠、生物發(fā)酵池、污水處理廠、環(huán)保部門對溶解氧濃度的監(jiān)測領(lǐng)域，具有方便易用、功能全面的優(yōu)點。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的存儲單元，所述存儲單元用于存儲所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度，還可存儲系統(tǒng)工作信息，本實施方式中，所述存儲單元的存儲芯片使用512K的大容量存儲器AM29LV040B，3. 3V單電源供電，每條記錄10個字節(jié)，存儲器分8頁存儲空間，總共可以存儲49152條數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的通訊單元，所述通訊單元用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他設(shè)備之間的通訊，本實施方式中，所述通訊單元的接口使用RS-485通訊接口，通過標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊協(xié)議采用遠(yuǎn)端測控單元裝置(Remote Terminal Unit, RTU)模式傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的電源管理單元，所述電源管理單元用于在所述控制單元的控制下，實現(xiàn)對所述系統(tǒng)中的有源器件進(jìn)行供電，可提供較寬輸入范圍的供電電壓，為不同有源器件分別提供+5V、-5V和+3. 3V的電壓，滿足不同的電源需求。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的設(shè)備控制單元，所述設(shè)備控制單元用于控制增氧機(jī)等增氧設(shè)備，可以提供8路數(shù)字輸出，根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)則實現(xiàn)自動控制或定時控制。本實施方式中，所述極譜電極與變送器之間通過O. 5m左右優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線連接，變送器與采集單元之間通過O. 5m導(dǎo)線連接，數(shù)字式溫度傳感器直接通過三芯導(dǎo)線與控制單元連接。本實用新型的系統(tǒng)的工作原理為將所述極譜電極放置于待測溶液中，使所述極譜電極中的電解溶液與所述待測溶液的溶解氧濃度一致，因此只需計算出所述極譜電極中的電解溶液的溶解氧濃度，即可獲知所述待測溶液的溶解氧濃度。所述控制單元通過所述變送器對所述極譜電極進(jìn)行供電，所述極譜電極獲得所述極譜電極中電解溶液的響應(yīng)電流、并所述響應(yīng)電流發(fā)送至所述變送器，所述變送器對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述采集單元采集所述響應(yīng)電壓，并將所述響應(yīng)電壓發(fā)送至所述控制單元，所述溫度傳感器測量所述極譜電極中電解溶液的溫度，并將所述溫度發(fā)送至所述控制單元，所述控制單元利用響應(yīng)電流和響應(yīng)電壓之間的對應(yīng)關(guān)系、以及響應(yīng)電流、溫度和溶解氧濃度之間的對應(yīng)關(guān)系計算獲得所述電解溶液的溶解氧濃度。本實施方式的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比還具有如下優(yōu)點I、本實用新型對溶解氧檢測做了系統(tǒng)性處理，集成了傳感、變送、采集、存儲、傳輸、顯示、控制等多種功能模塊，功能強(qiáng)大。2、本實用新型帶有顯示模塊，采集到的溶解氧濃度信息和溫度信息實時顯示，用 戶不需將數(shù)據(jù)導(dǎo)出直接就能看到，簡單直觀。3、本實用新型采用觸摸屏，顯示操控都能完成，美觀大方，只需簡單在界面點按就能完成操作，使用方便。4、本實用新型具有控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對8路設(shè)備的控制。5、本實用新型能夠讓用戶定制控制方式，有自動控制和定時控制兩種控制模式選擇。自動控制根據(jù)采集的溶解氧濃度，系統(tǒng)自己判斷是否超出了用戶設(shè)定的溶解氧上下限，如果超限，自動調(diào)節(jié)設(shè)備啟停，實現(xiàn)對溶解氧濃度的控制。定時控制可以按照用戶設(shè)定時間啟動或者停止設(shè)備，實現(xiàn)對溶解氧濃度的調(diào)節(jié)。6、本實用新型控制參數(shù)用戶可以定制，設(shè)置靈活，可以設(shè)置溶解氧濃度的上下限用于自動控制模式，可以設(shè)置設(shè)備啟停定時時間，同時能夠設(shè)定時間段實現(xiàn)設(shè)備自動輪訓(xùn)控制。以上實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.一種基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括極譜電極、溫度傳感器、變送器、采集單元、以及控制單元，所述極譜電極、變送器、采集單元、以及控制單元依次連接，所述溫度傳感器與所述控制單元連接； 所述控制單元通過所述變送器對所述極譜電極進(jìn)行供電，所述極譜電極獲得所述極譜電極中電解溶液的響應(yīng)電流，并將所述響應(yīng)電流發(fā)送至所述變送器，所述變送器對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述采集單元采集所述響應(yīng)電壓，并將所述響應(yīng)電壓發(fā)送至所述控制單元，所述溫度傳感器測量所述極譜電極中電解溶液的溫度，并將所述溫度發(fā)送至所述控制單元，所述控制單元利用響應(yīng)電流和響應(yīng)電壓之間的對應(yīng)關(guān)系、以及響應(yīng)電流、溫度和溶解氧濃度之間的對應(yīng)關(guān)系計算獲得所述電解溶液的溶解氧濃度。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述極譜電極包括外殼、陰電極、陽電極、以及透氧薄膜，所述外殼內(nèi)設(shè)有電解溶液，所述陰電極和陽電極均設(shè)于所述外殼內(nèi)，所述陰電極和陽電極的一端均伸入所述電解溶液中、且另一端均與所述變送器連接，所述透氧薄膜設(shè)于所述外殼上。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述變送器包括依次連接的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、二階低通濾波電路、以及放大電路，所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路對所述響應(yīng)電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以獲得響應(yīng)電壓，所述二階低通濾波電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行濾波，所述放大電路對所述響應(yīng)電壓進(jìn)行放大。
5.如權(quán)利要求I 4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的顯示器，所述顯示器用于顯示所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示器上設(shè)有與所述控制單元連接的觸摸屏，所述觸摸屏用于接收用戶的操作命令。
7.如權(quán)利要求I 4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的存儲單元，所述存儲單元用于存儲所述當(dāng)前電解溶液的溶解氧濃度。
8.如權(quán)利要求I 4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的通訊單元，所述通訊單元用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他設(shè)備之間的通訊。
9.如權(quán)利要求I 4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的電源管理單元，所述電源管理單元用于在所述控制單元的控制下，實現(xiàn)對所述系統(tǒng)中的有源器件進(jìn)行供電。
10.如權(quán)利要求I 4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述控制單元連接的設(shè)備控制單元，所述設(shè)備控制單元用于控制增氧設(shè)備。
專利摘要本實用新型公開了一種基于極譜電極的溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)，涉及水質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域，所述系統(tǒng)包括極譜電極、溫度傳感器、變送器、采集單元、以及控制單元，所述極譜電極、變送器、采集單元、以及控制單元依次連接，所述溫度傳感器與所述控制單元連接。本實用新型通過設(shè)置溫度傳感器，在測量溶解氧濃度時，考慮到溫度對所述溶解氧濃度的影響，提高了溶解氧濃度的測量精度。
文檔編號G01N27/48GK202693518SQ201220159579
公開日2013年1月23日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者趙賢德, 董大明, 鄭文剛, 矯雷子, 王偉明, 張石銳, 鮑鋒, 閆華 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心