[发明专利]一种溶解氧电极的标定与溶解氧计算方法和电子设备

说明书

本发明公开了一种溶解氧电极的标定与溶解氧计算方法和电子设备，用于解决温度差异、电极个体差异导致的测量误差，可实现水产养殖水体、环境水体中溶解氧的准确测量。该方法包括曲线标定和溶解氧计算两部分内容，曲线标定在零氧、饱和氧水中分别记录各个电极输出量随温度变化的二元组，并使用最小二乘法拟合这两组二元组，对每个标定电极来说，形成其在零氧、饱和氧水中模拟量输出随温度变化的连续曲线；溶解氧计算根据上述标定的曲线，计算待测养殖水中的溶解氧含量。

技术领域

本发明涉及一种溶解氧电极的标定与溶解氧计算方法和电子设备。

背景技术

水中的溶解氧浓度或称溶解氧含量是养殖水质关键指标，也是与pH、浊度、氨氮、硝氮等其他水质参数有密切关系的核心指标，准确获取养殖水中的溶解氧浓度是实现低限告警、走势预判等水质管理的基础。如何低成本、准确有效、简便快捷地测量溶解氧浓度是水质监测设施需要解决的重要问题，也是目前制约水质在线监测应用推广的难题。

电化学溶解氧电极由银片做阳极，铂做阴极，并使用氧气分子选择性薄膜进行封闭，其中填充电解液。电极进行溶氧测量时，当银阳极发生氧化反应，形成银离子进入溶液，氧气透过透氧膜扩散到阴极获得电子被还原，产生的电流与通过透氧膜电解质的氧气含量成正比，即在一定温度下，电流与水中氧分压成正比。电化学法溶解氧电极测量产生的μA级微小电流，需要放大并转成电压信号，上述工作通常由电极完成。

溶解氧测量仪器通过对电极输出的电压信号进行调理，使用单片机采样完成AD转换，得到水中溶解氧浓度的数字量信号。如何将输出的模拟量电压信号转成对应的溶解氧数字量，并通过温度补偿的方法解决不同温度下电压与实际溶解氧的对应关系，是溶解氧电极信号处理需要考虑的主要问题。

电化学溶解氧传感器温度补偿问题体现在两个方面：第一，温度对亨利系数的影响；第二，温度对透氧膜氧气通透能力的影响。

1)考虑对亨利系数的影响，在气液平衡时，待测液体的溶解氧浓度与氧分压的关系为：

P＝H_T×C (公式1)

其中P为氧分压，单位为kPa；C为溶解氧浓度，单位为mg/L；H是亨利系数，其随温度变化关系如下：

H_T＝H₀+k(T-T₀) (公式2)

H₀是初始温度T₀下的Henry系统，H_T是当前水温T下的亨利系数，k是Henry系数与水温变化的比值。

2)透氧膜也受温度的影响，具体表现为随着待测溶液温度的升高，透氧膜的透氧能力增强，氧气在电解液中的扩散系数随之增大，由此电解液中的电化学反应速度也变快，扩散电流增大。可以用阿仑尼乌斯定律确定电极的输出扩散电流I与电极工作温度T的关系为：

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时的电极响应电流，单位为μA；是被测水样中的氧分压，单位为kPa。

由于亨利系统和扩散系数都随温度变化，按照比例关系将待测溶液当前温度下的氧分压、溶解氧浓度转换成25℃时两者的数值，即可确定当前溶液的溶解氧浓度。成具体由两步法完成：1)将氧分压测准，克服温度对电流信号的影响；2)将氧分压换算相应温度下的溶解氧浓度。上述方法需要事先明确式(2)和式(3)中的k、A和β参数，这需要进行大量测量和分析才能得到准确的参数值，很多电极厂家无法提供这些参数。【张国城.溶解氧测定仪温度补偿原理及其检定方法[J].中国计量,2010(11):86-88；张国城.酸度、电导、溶解氧分析仪温度补偿的区别与联系[J].分析仪器,2019(04):44-47】