一种溶解氧浓度测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液体检测领域，具体涉及一种溶解氧浓度测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧，是水生生物生存不可缺少的条件。天然水 中溶解氧近于饱和值（9mg/L)，藻类繁殖旺盛时，溶解氧含量下降。水体受有机物及还原性 物质污染可使溶解氧降低，对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有 着至关重要的影响，当溶解氧低于4mg/L时，就会引起鱼类室息死亡，对于人类来说，健康 的饮用水中溶解氧不得小于6mg/L。当溶解氧消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，溶 解氧的含量可趋近于〇,此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧大小能够反映出水 体受到的污染，特别是有机物污染的程度，它是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的 综合指标。因此，水体溶解氧含量的测量，对于环境监测以及水产养殖业的发展具有重要意 义。
[0003] 近年来出现的基于Clark极谱法和伽凡尼原电池法的溶解氧测量装置可用于现 场检测水中的溶解氧，但此类装置测量时由于需要激励源持续供电，电极填充液的消耗速 率过快，电极的使用寿命会变短。电极应用在低流速水体下测量的溶解氧浓度值偏差较大， 并且采用单层覆膜结构易变形、易破损、耐污染性差，影响电极的测量效率和准确性，系统 使用及维护成本极高。传统的电极在线检测溶解氧浓度的装置和方法已经满足不了长寿 命、快速精准检测的现代化工程需要。
【发明内容】
[0004] 针对现有水产养殖溶解氧传感器应用精度差，寿命短，维护困难等的技术难题，本 发明提出一种溶解氧浓度测量装置和方法。
[0005] 第一方面，本发明提出一种溶解氧浓度测量装置，包括四电极溶解氧探头、激励 源、微控制器和信号检测器；
[0006] 所述四电极溶解氧探头，设置在待测介质中，与所述激励源和所述信号检测器连 接，用于采集待测介质中发生氧化还原反应后的溶解氧分压信号；
[0007] 所述激励源，与所述微控制器连接，用于根据所述微控制器的指令，输出周期性脉 冲激励信号；
[0008] 所述信号检测器，与所述微控制器连接，用于检测所述溶解氧分压信号中与氧化 还原反应关联的库仑量，并将所述库仑量和所述溶解氧分压信号发送给所述微控制器；
[0009] 所述微控制器，用于控制所述激励源输出周期性脉冲激励信号，根据所述溶解氧 分压信号进行模数转换，并根据所述库仑量，采用内部耦合算法计算得到溶解氧浓度。
[0010] 优选地，还包括：
[0011] 电极诊断器，与所述微控制器连接，用于采集所述四电极溶解氧探头的电极寿命 信息和探头校准信息，并将所述电极寿命信息和所述探头校准信息发送给所述微控制器；
[0012] 输出接口，与所述微控制器连接，用于输出所述溶解氧浓度；
[0013] 供电装置，与所述四电极溶解氧探头、所述微控制器、所述激励源、所述电极诊断 器、所述信号检测器和所述输出接口连接，用于为溶解氧浓度测量装置供电；
[0014] 所述微控制器，还用于根据电极校准参数对计算得到溶解氧浓度进行校准并输出 至所述输出接口；
[0015] 其中，所述电极校准参数为所述微控制器根据所述电极诊断器采集的所述电极寿 命信息和所述探头校准信息计算得到。
[0016] 优选地，所述四电极溶解氧探头包括运算放大器、电极填充液、透氧膜、四组溶解 氧浓度ig号检测电极和二组寿命ig号检测电极。
[0017] 优选地，所述周期性脉冲激励信号的占空比为1/4。
[0018] 优选地，所述复合透氧膜属于复合微孔膜，由硅橡胶膜、不锈钢微孔膜和聚四氟乙 稀合成。
[0019] 优选地，所述四电极溶解氧探头的电极填充液由半饱和氯化钾溶液、甘油以及硫 酸钠组成。
[0020] 第二方面，本发明还提出一种溶解氧浓度测量方法，包括：
[0021] S101、微控制器控制激励源输出周期性脉冲激励信号；
[0022] S102、四电极溶解氧探头的运算放大器采集待测介质中发生氧化还原反应后的溶 解氧分压信号；
[0023] 其中，所述溶解氧分压信号为所述四电极溶解氧探头在接收所述周期性脉冲激励 信号后，电极填充液中的氧气分子发生氧化还原反应产生的信号；
[0024] S103、信号检测器检测所述溶解氧分压信号中与氧化还原反应关联的库仑量，并 将所述库仑量和所述溶解氧分压信号发送给微控制器；
[0025] S104、所述微控制器接收所述溶解氧分压信号并进行模数转换，同时根据所述库 仑量，采用内部耦合算法计算得到溶解氧浓度。
[0026] 优选地，步骤SlOl之前包括：
[0027] S100、微控制器根据电极填充液的电导率信号判断电极工作状态，并根据所述电 极工作状态判断透氧膜是否破损，电极填充液是否需要更换，以及是否执行溶解氧浓度测 量任务；如果透氧膜未破损，且电极填充液无需更换，同时需要执行测量任务，则执行步骤 SlOl ;否则更换所述透氧膜和/或更换所述电极填充液；
[0028] 其中，所述电导率信号为电极诊断器采集的所述电极填充液的电导率信号。
[0029] 优选地，步骤S104之后包括：
[0030] S105、输出接口获取所述微控制器计算得到的所述溶解氧浓度，并输出所述溶解 氧浓度。
[0031] 优选地，步骤S104还包括：
[0032] 所述微控制器根据电极校准参数对计算得到溶解氧浓度进行校准并输出至所述 输出接口；
[0033] 其中，所述电极校准参数为所述微控制器根据电极诊断器采集的四电极溶解氧探 头的电极寿命信息和探头校准信息计算得到。
[0034] 由上述技术方案可知，本发明采用现代脉冲操作技术把常规的Clark极谱电极由 稳态传质过程变成瞬时的不稳态的脉冲传质过程，电极结构采用四电极恒电位体系测量方 式，测量系统高度稳定，脉冲操作使得不稳态工作电极的扩散电流比稳态时大得多，电极灵 敏度显著提高，且消耗电解液速率极低，测量无需介质搅拌，同时避免了水体中部分杂质在 透氧膜上的附着；并采用复合膜覆膜测量结构，解决了通常由单层覆膜易形变或者易破损 带来的电极测量精度差和使用寿命低的问题；同时具有电极预诊断预校准的功能，通过判 断电极电解液的使用寿命信息，结合传感器核心控制器智能算法，使得在测量溶解氧浓度 时具有高准确性和低维护率。
【附图说明】
[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些图获得其他的附图。
[0036] 图1为本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量装置的结构示意图；
[0037] 图2为本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量装置的详细结构示意图；
[0038] 图3为本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量装置中快速脉冲操作电极的 扩散电流响应曲线图；
[0039] 图4为本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量装置的电极诊断器的结构示 意图；
[0040] 图5为本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图，对发明的【具体实施方式】作进一步描述。以下实施例仅用于更加清 楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0042] 图1示出了本发明一实施例提供的一种溶解氧浓度测量装置，包括四电极溶解氧 探头100、激励源205、微控制器203和信号检测器206 ;
[0043] 所述四电极溶解氧探头100,设置在待测介质中，与所述激励源205和所述信号检 测器206连接，用于采集待测介质中发生氧化还原反应后的溶解氧分压信号；例如，可采集 水体的溶解氧分压信号；
[0044] 所述激励源205,与所述微控制器203连接，用于根据所述