一种基于荧光法的微量级高精度便携式溶解氧测量装置的制作方法

本发明属于溶解氧检测技术领域。涉及一种基于荧光法的溶解氧测量装置，特别是一种可测量微量级别的高精度测量装置。

背景技术：

电厂中水汽系统溶解氧含量是控制设备腐蚀、结垢和积盐的重要手段。一般控制给水的溶解氧小于7μg/l，溶液中溶解氧浓度的检测主要有以下几种方法：碘量法、光学分析法和电化学分析法等。在这些方法中，碘量法是一种传统的溶解氧测量方法，但是稳定性差、耗时长，程序繁琐，无法满足连续的测量要求；电化学膜法需要经常更换膜片和电解液，且受到水中硫化物等杂质的影响，测量精度不高，稳定性较差，相同实验条件先测出的结果差别也较大，因此，研制一种精度高、稳定性好、操作简单、价格低廉、集成度高、体积小便于携带、可用于实时检测溶解氧浓度的检测池，对于推进溶解氧浓度检测方面具有重要意义。

荧光传感器是一种灵敏度高、稳定性较好的一种传感器，采用其方法的溶解氧测量仪具有较好的重复性和稳定性。当前，国内研发荧光法溶解氧仪的厂家很少，并且产品质量都不理想，国内许多学者也进行了一些研究。例如：沈杜海等人提出了一种基于窄带物联网的在线荧光法溶解氧装置，通过使用低功耗的窄带物联网技术及采用低功耗的微处理器，采用电池供电就可以长时间使用，通讯距离可达数公里，主要解决通讯距离问题，但没有对测量精度进行改进(沈杜海，林丽腾，一种基于窄带物联网的在线荧光法溶解氧装置，申请号：201720602395.1)；刘凤彦等人提出了一种荧光法溶解氧传感器膜片的制备方法，使用高温喷涂技术将荧光溶胶喷涂到基板上，对喷涂的范围和厚度进行控制，得到了厚度均匀的荧光法溶解氧传感器膜片，本方法只对溶解氧测量仪的膜片进行了研究，还不能直接使用进行溶解氧测量(刘凤彦，刘振锋，刘晶晶，赵安俊，一种荧光法溶解氧传感器膜片的制备方法，申请号：201810875080.3)；洪榛等人提出了一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，所提供的溶解氧传感器可实现长期无人值守远程监测；利用相位差计算得出溶解氧浓度，但未提及所提出传感器的测量精度、响应时间等关键参数(洪榛，李严，潘晓曼，一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，申请号：201710653350.1)。这些专利文献中所公布的技术方案为高精度便携式溶解氧测量装置提供了新思路，而本专利不同于以上技术，提出的溶解氧测量装置可实现浓度为0～2000ppb微克级的高精度测量，测量误差为0.5ppb，测量周期时间10分钟以内，蓄电池连续供电工作48小时。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提供一种基于荧光法的高精度便携式的微量级溶解氧测量装置，该装置相比于传统的测量方法，克服了传统的溶解氧测量装置无法精确测量微量级别溶解氧含量的缺点、且能够有效缩短传感器测量的响应时间。不受水样流速、水中污染物等干扰因素的影响，提高测量装置的稳定性。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案是：该装置包括便携式壳体、蓄电池供电模块、电源管理模块、流通池、高精度荧光测量探头、荧光帽、温度传感器、光信号放大模块、光电转换模块、信号调理模块、电流输出模块、电压转换模块、前置放大模块、a/d转换模块、cpu控制器、液晶显示屏、蓝牙模块、存储器、指示灯、蜂鸣器、控制按键。

所述的cpu控制主板位于壳体内，并设有驱动电路、外围设置有存储器、液晶显示屏、蓝牙模块、电源管理模块、指示灯、蜂鸣器、控制按键。

所述的基于荧光法的测量传感器包含激发光源、参考电源、荧光帽，测量的信号经过光信号放大模块、光电转换模块、信号调理模块、电流输出模块到达主控芯片。

所述的荧光电流信号经过电压转换模块、前置放大模块、a/d转换模块到达cpu控制器。

所述的基于荧光法的微量级高精度测量装置由安装在底部的蓄电池供电。

所述的溶解氧测量装置，可实现溶解氧浓度为0～2000ppb微克级的高精度测量，测量误差为0.5ppb，测量周期时间10分钟以内。

所述的蓄电池安装在装置壳体的底部，输出电压24v，蓄电池连续供电工作48小时，无需接电源，可进行便携式移动。

所述的高精度荧光测量探头前端由两个发光二极管(分别发射红光和蓝光)、光电探测器和荧光帽组成。荧光帽前端的荧光物质是一种特殊的钌金属化合物，荧光物质涂覆在允许气体分子通过的聚酯箔片下方，聚酯箔片上表面涂了一层黑色的隔光材料，以避免日光和水中其它荧光物质的干扰

所述的高精度荧光测量探头工作时，调制的蓝光照到荧光物质上，荧光物质受到激发产生红色荧光。由于氧分子的“猝熄”作用，激发的荧光强度和时间与氧浓度相关；氧分子浓度越高，激发的荧光强度越低，产生的时间越短。激发的红光被光电传感模块检测到，并与参比光信号进行比较，计算出相位差，与内部标定值比对，从而计算出氧分子浓度，经过线性化和温度补偿，输出4-20ma电流信号

所述的溶解氧荧光法测量探头连接到流通池中，应避免水流直接垂向冲击探头，留有缓冲流道。

所述的溶解氧测量装置，可通过hart协议和蓝牙模块进行信号通信。

本发明提供的上述一种基于荧光法的微量级高精度便携式溶解氧测量装置，其用途是：作为一种微克级溶解氧测量装置，广泛用于电场锅炉水、啤酒厂麦汁发酵过程耗氧量、海洋水污染等工业领域。克服了传统的溶解氧测量装置无法精确测量微量级别溶解氧含量的缺点、且能够有效缩短传感器测量的响应时间。不受水样流速、水中污染物等干扰因素的影响，提高测量装置的稳定性。

本发明与现有的技术相比具有的优点与独特性是：

1)该装置能够基于荧光法测量微克级溶解氧浓度，可实现溶解氧浓度为0～2000ppb微克级的高精度测量，测量误差为0.5ppb。

2)该装置测量周期时间在10分钟以内，大大缩短测量时间。

3)该装置采用便携式蓄电池供电，蓄电池连续供电工作48小时，无需接电源，可进行便携式移动。

4)该装置不受水样流速、水中污染物等干扰因素的影响，提高测量装置的稳定性。

附图说明

图1是本发明装置的结构框图。

图2是本发明装置4-20ma电流输入电路图。

图3是本发明装置a/d转换电路图。

图4是本发明装置显示屏电路框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、优点以及独特性更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明一种基于荧光法的微量级高精度便携式溶解氧测量装置，该装置包括便携式壳体、蓄电池供电模块、电源管理模块、流通池、高精度荧光测量探头、荧光帽、温度传感器、光信号放大模块、光电转换模块、信号调理模块、电流输出模块、电压转换模块、前置放大模块、a/d转换模块、cpu控制器、液晶显示屏、蓝牙模块、存储器、指示灯、蜂鸣器、控制按键。

如图1所示，为所述的cpu控制主板位于壳体内，并设有驱动电路、外围设置有存储器、液晶显示屏、蓝牙模块、电源管理模块、指示灯、蜂鸣器、控制按键。

如图1所示，为所述的cpu主芯片为stm32，其为armcortex－m3架构的32位rsic单片机。具有丰富的增强i/o端口，以及丰富的外设资源。处理器控制电路是基于stm32的最小系统，包括复位电路、晶振以及调试接口等。晶振选用的是8mhz无源晶振，两端分别通过22pf的电容接地。

如图1所示，为所述的基于荧光法的测量传感器包含激发光源、参考电源、荧光帽，测量的信号经过光信号放大模块、光电转换模块、信号调理模块、电流输出模块到达主控芯片。

如图1所示，为所述的蓄电池安装在装置壳体的底部，输出电压24v，蓄电池连续供电工作48小时，无需接电源，可进行便携式移动。

如图2所示，为所述的荧光法溶解氧测试输出的4-20ma电流信号，测量传感器前端由两个发光二极管(分别发射红光和蓝光)、光电探测器和荧光帽组成。荧光帽前端的荧光物质是一种特殊的钌金属化合物，荧光物质涂覆在允许气体分子通过的聚酯箔片下方，聚酯箔片上表面涂了一层黑色的隔光材料，以避免日光和水中其它荧光物质的干扰。工作时，调制的蓝光照到荧光物质上，荧光物质受到激发产生红色荧光。由于氧分子的“猝熄”作用，激发的荧光强度和时间与氧浓度相关；氧分子浓度越高，激发的荧光强度越低，产生的时间越短。激发的红光被光电传感器检测到，并与参比光信号进行比较，计算出相位差，与内部标定值比对，从而计算出氧分子浓度，经过线性化和温度补偿，输出4-20ma电流信号。

如图2所示，为所述的4-20ma电流信号图，每个通道使用一个开关(sw1)来将输入线路切换到激活通道。每个通道上都有一个150k_的电阻(r3)，它是带通滤波器的一部分，同时给开关sw1提供了额外的保护。输入直接连接到电流输入端，以确保ad5700-1的adc_ip引脚可以接收到正确的电压电平。需要仔细计算r1、c3、r6，r7的组合，以确保ad5700-1的hart_out引脚的电压在25hz、4ma-20ma的输入信号下不低于gnd信号。

如图3所示，为所述的装置a/d转换电路图，ads1255采用四线制(时钟信号线sclk、数据输入线din、数据输出线dout和片选线cs)spi通讯方式。ads1255只能工作在spi通讯的从模式下，通过主控制器来控制ads1255片上的寄存器，通过串口读或写这些寄存器。串口通讯时必须保持cs为低电平。在spi传送过程中，数据被同步地发送和接收，sclk和din、dout同步移动，sclk信号保持干净以免发生数据丢失.din结合sclk用来向ads1255发送数据，在sclk的下降沿有效；dout结合sclk用来从ads1255读取数据，在sclk的上升沿有效。din和dout通过一条双向信号线与主控制器相连。

如图4所示，为所述的装置显示屏电路框图，包括lcd模块和显示子系统。将lcd的seg(段电极)和com(公共电极)与ht1621的seg与com对应相连。ht1621会有以下接口与单片机的i/o口相连:其中(cs)为片选信号，wr为写操作，rd为读操作，data为数据位。通过软件程序对i/o控制进而控制ht1621的读写操作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。