[发明专利]一种无膜式溶解氧传感器的流速补偿方法及系统

说明书

本发明提出一种无膜式溶解氧传感器的流速补偿方法及系统，本发明忽略对流作用对扩散分布的影响，在一次测量过程中以不同的等待时间采集电流大小，根据瞬态电流的变化分别计算扩散电流和对流电流对总测量电流的贡献，从而实现流速补偿。

技术领域

本发明涉及仪器检定技术领域，并特别涉及一种用于测量流动的海水中溶解氧浓度的无膜式溶解氧传感器的流速补偿方法及系统。

背景技术

海洋溶解氧浓度是研究海洋生态和生物地球化学的关键指标之一。在液态环境中，氧分子参与各种不同的生物、化学和生理活动进程。通过检测溶解氧的浓度可以研究和量化这些过程，进而探测全球变暖对海洋生物地球化学和环流的海洋影响，海水中生物有机物形成和增加，以及对海洋吸收二氧化碳等过程的估计。

目前，海洋溶解氧的监测主要由两种方式。一种是基于荧光猝灭原理的光学型溶解氧传感器。其特点是精度较高且不易发生漂移，但是响应速度很慢。以YSI PRO ODO溶解氧传感器为例。在0-20mg/L的溶解氧浓度下，精度为示数的1％或者0.1mg/L。传感器读数稳定的(T-95)最大时间为40s。

另一种是采用电化学原理的溶解氧传感器，主要采用基于电化学原理的克拉克电极。电化学方法是在阴极和阳极两端施加一个固定电压，使两个电极间产生电位差，在阳极和阴极上分别发生氧化和还原反应，消耗氧气。电解液与待测液体由聚四氟乙烯等高分子材料构成的透气膜隔开。当整个电化学反应受扩散控制时，克拉克电极的电流I^*可以由下式(1)给出。

I^*＝kDC^* (1)

其中D为透气膜的扩散系数，k为比例常数，可通过实验标定得到，C^*为液体中的溶解氧浓度。这样，当保证温度、水流速度、电解液浓度等因素恒定时，通过测量电极和电解液组成的回路中产生的电流信号，就能检测水中溶解氧浓度值。这种方法响应速度很快，但是由于透气膜的存在容易发生长期漂移，因此需要定期校准。

无膜式溶解氧传感器是一种新型的电化学溶解氧传感器，其结构参见附图1所示，其中1为工作电极，4为参比电极，3为辅助电极。它是通过微钠加工的方法刻蚀加工，得到微孔和环盘铂电极。与克拉克电极采取静态测量的方法不同，它是通过动态电压激励，消耗微孔中的溶解氧，其瞬态电流与溶解氧浓度成正比，即I＝K(T)C^*，其中K(T)为一个与温度，几何形状等因素相关的复杂系数。但是无膜式传感器必须在有恒定氯离子浓度的水中才能工作，且其对水流速度、温度等环境因素比较敏感。由于对流作用，水流会将更多的氧气带到电极表面，从而使测量电流系统性偏大，并且水流越大，漂移程度越大，因此必须对其实现漂移补偿。

在现有技术下，无膜式溶解氧传感器响应速度快且没有膜结构，但是受水流的强烈影响，并且水流越大，漂移越大。在之前的研究中，已经提出了一种在不同流速下通过实际测量扩散电流和对流电流相对大小来实现流速校准的方法。但是该方法需要重复进行校准实验来标定非线性的校准系数，非常繁复。因此，需要解决无膜电化学式溶解氧传感器由于流速变化导致漂移的技术问题，开发一种克服上述缺陷的溶解氧测量方法。

发明内容

本发明的目的是正是为了解决无膜电化学式溶解氧传感器由于流速影响所导致漂移的技术问题，而提出的一种补偿流速影响的溶解氧测量方法。为了消除上述影响溶解氧测量精度的因素，本发明提出了一种基于多次测量拟合的补偿测量方法。

针对现有技术的不足，本发明提出一种无膜式溶解氧传感器的流速补偿方法，其中包括：

步骤1、施加动态的电压信号到无膜式溶解氧传感器的电极采集电流信号，并将其转换为该无膜式溶解氧传感器发生电化学反应的电流；

步骤2、以一定时间间隔执行该步骤1，得到该无膜式传感器在各时刻采集的电流，通过下式联立超定方程，代入各时刻的电流，得到扩散电流A(C^*)，