专利名称：基于极谱电极的溶解氧监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水质检测技术领域，特别涉及一种基于极谱电极的溶解氧监测系统。
技术背景溶解氧浓度是水质的重要指标之一。溶解氧浓度的监测不但能够有效防治水体污染，而且能够为水产养殖业提供决策支持，有利于提高水产养殖生产力，同时也是生物发酵工业领域非常重要的一项技术指标，定量测量水体中的溶解氧浓度具有重要意义。目前对溶解氧浓度的检测装置已经做了大量研究，主要集中在对传感器探头的研制，但由于并未考虑到温度对测量值的影响，导致溶解氧浓度的测量精度较低。
实用新型内容(一 )要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是如何提高溶解氧浓度的测量精度。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于极谱电极的溶解氧监测系统，所述系统包括极谱电极、温度传感器、变送器、采集单元、以及控制单元，所述极谱电极、变送器、采集单元、以及控制单元依次连接，所述温度传感器与所述控制单元连接；所述控制单元通过所述变送器对所述极谱电极进行供电，所述极谱电极获得所述极谱电极中电解溶液的响应电流，并将所述响应电流发送至所述变送器，所述变送器对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述采集单元采集所述响应电压，并将所述响应电压发送至所述控制单元，所述温度传感器测量所述极谱电极中电解溶液的温度，并将所述温度发送至所述控制单元，所述控制单元利用响应电流和响应电压之间的对应关系、以及响应电流、温度和溶解氧浓度之间的对应关系计算获得所述电解溶液的溶解氧浓度。优选地，所述极谱电极包括外壳、阴电极、阳电极、以及透氧薄膜，所述外壳内设有电解溶液，所述阴电极和阳电极均设于所述外壳内，所述阴电极和阳电极的一端均伸入所述电解溶液中、且另一端均与所述变送器连接，所述透氧薄膜设于所述外壳上。优选地，所述温度传感器为数字温度传感器。优选地，所述变送器包括依次连接的电流/电压转换电路、二阶低通滤波电路、以及放大电路，所述电流/电压转换电路对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述二阶低通滤波电路对所述响应电压进行滤波，所述放大电路对所述响应电压进行放大。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的显示器，所述显示器用于显示所述当前电解溶液的溶解氧浓度。优选地，所述显示器上设有与所述控制单元连接的触摸屏，所述触摸屏用于接收用户的操作命令。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的存储单元，所述存储单元用于存储所述当前电解溶液的溶解氧浓度。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的通讯单元，所述通讯单元用于实现本系统与其他设备之间的通讯。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的电源管理单元，所述电源管理单元用于在所述控制单元的控制下，实现对所述系统中的有源器件进行供电。 优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的设备控制单元，所述设备控制单元用于控制增氧设备。(三)有益效果本实用新型通过设置温度传感器，在测量溶解氧浓度时，考虑到温度对所述溶解氧浓度的影响，提高了溶解氧浓度的测量精度。
图I是按照本实用新型一种实施方式的基于极谱电极的溶解氧监测系统的结构框图；图2是图I所示系统的结构示意图；图3是图I所示的系统的控制流程图。其中，I :外壳；2 :透氧薄膜；3 阴电极；4 阳电极；5 电解溶液；6 :温度传感器；7 :变送器；8 :防水接头；9 :主机；10 :显示器；11 :导线；12 :通讯线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。图I是按照本实用新型一种实施方式的基于极谱电极的溶解氧监测系统的结构框图；参照图1，所述实施方式的系统包括极谱电极、温度传感器、变送器、采集单元、以及控制单元，所述极谱电极、变送器、采集单元、以及控制单元依次连接，所述温度传感器与所述控制单元连接；所述控制单元通过所述变送器对所述极谱电极进行供电，所述极谱电极获得所述极谱电极中电解溶液的响应电流，并将所述响应电流发送至所述变送器，所述变送器对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述采集单元采集所述响应电压，并将所述响应电压发送至所述控制单元，所述温度传感器测量所述极谱电极中电解溶液的温度，并将所述温度发送至所述控制单元，所述控制单元利用响应电流和响应电压之间的对应关系、以及响应电流、温度和溶解氧浓度之间的对应关系计算获得所述电解溶液的溶解氧浓度。本实施方式中，所述控制单元为C8051F020单片机；所述信号采集单元实现对变送器输出的响应电压从模拟信号到数字信号的转换，所述采集单元的模拟/数字转换器(ADC)使用C8051R)20单片机内置的ADC，转换基准电压使用内部2. 4V电压基准。参照图2，优选地，所述极谱电极包括外壳I、阴电极3、阳电极4、以及透氧薄膜2，所述外壳I内设有电解溶液5，所述阴电极3和阳电极4均设于所述外壳I内，所述阴电极3和阳电极4的一端均伸入所述电解溶液5中、且另一端均与所述变送器7连接，所述透氧薄膜2设于所述外壳I上，本实施方式中，其中阴电极3为直径为O. 3mm的钼金丝，阳电极4为直径为O. 3mm的银丝；所述极谱电极需要极化电压O. 425V，其响应时间约60s。本实施方式中，所述外壳I为不锈钢外壳，所述不锈钢外壳直径约18mm，透氧薄膜2的材料为氟塑料/硅橡胶/不锈钢丝网复合膜，阴电极3为直径为O. 3mm的钼金丝，阳电极4为直径为O. 3mm的银丝，电解溶液5为氯化钾溶液。测量时，溶解于待测溶液中的氧通过所述透氧薄膜扩散到所述极谱电极的内部，经所述极谱电极内的电解溶液5，到达阴电极3表面，在适宜的极化电压下发生电化学反应，并产生响应电流。阴电极3的钼金丝与阳电极4的银丝在极化电压的作用下通过电解溶液5构成测量回路，在这个过程中阴阳两电极发生的反应如下所示阴电极02+2H20+4e- — 40F·阳电极4Ag+4Cr— 4AgCl+4e_根据法拉第定律流过电极的电流和氧分压成正比，因此电极在一定的温度下的输出电流和氧浓度之间呈线性关系。这样就可以根据电极输出电流的大小计算出溶液中氧浓度的大小。电极的响应公式为
(Zf)I = A· Pn ·β τ
U2式中，I为响应电流；怂2为电解溶液中的氧分压(所述氧分压即为溶解氧浓度的表现形式之一 );T为透氧膜工作温度；a和A为与电极材料和结构有关的两个常数。优选地，本实施方式中，所述温度传感器6为数字温度传感器DS18B20，用于实现对电解溶液的温度从物理量到电学量的转换，所述数字式温度传感器DS18B20密封在直径为8_的不锈钢管中，此温度传感器固定在不锈钢低端，紧贴不锈钢管内壁，对外界环境具有良好的热敏感性，DS18B20采用3. 3V电源供电，单总线通讯，测温范围为_55°C +125°C，检测精度为±0. 5°C。在系统测量时，将温度传感器与极谱电极放在待测溶液中(用于电解溶液的温度与待测溶液温度相同，因此将温度传感器与极谱电极放在待测溶液中时，能够获取极谱电极中电解溶液的温度)，能够保证系统获取准确的极谱电极中电解溶液5的温度。优选地，所述变送器7包括依次连接的电流/电压转换电路、二阶低通滤波电路、以及放大电路，所述电流/电压转换电路对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述二阶低通滤波电路对所述响应电压进行滤波，所述放大电路对所述响应电压进行放大，本实施方式中，所述电流/电压转换电路、二阶低通滤波电路、以及放大电路均密封于高强度聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride,PVC)塑料中，可以完全进入水中，所述电流/电压转换电路通过高精度运算放大器0PA277与跨接在此运放反向输入端与输出端的IM电阻实现电流到电压的转换。然后通过0P07构成的二阶低通滤波器，滤掉电路中的高频噪声信号，再次经过放大器AD620构成的二次放大电路，得到O 2. 4V的电压输出，变送器的内部电路都经过灌胶密封防水处理，变送器7的输出通过导线11与主机9连接，导线11与通讯线12都通过防水接头8连接主机9，所述主机9包括控制单元。[0039]优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的显示器10，所述显示器10用于显示所述当前电解溶液的溶解氧浓度，还可用于实现对温度、及系统工作状态的显示。优选地，所述显示器10上设有与所述控制单元连接的触摸屏，所述触摸屏用于接收用户的操作命令，以实现与用户的交互功能，通过屏幕操作来对系统进行菜单选择、系统设置及控制模式选择等操作，可以实现实时数据显示、历史数据查询、历史数据曲线显示、传感器标定、系统时间设置、设备控制方式选择、溶解氧浓度上下限设定、设备启动时间设定、定时控制时间间隔设定等。系统的控制流程如图3所示，用户选择自动控制模式时，需要设定自动控制的溶解氧浓度上下限，工作时系统首先判断采集到溶解氧浓度是否满足用户设定的上下限，如果超过溶解氧浓度的最低浓度，系统就自动开启增氧设备进行对溶解氧浓度进行调节，如果超过最高浓度限度，系统就关闭增氧设备，是溶解氧浓度降下来。用户选择定时控制时，可以设定一个设备启动时间，当系统时间与启动时间一致时就会启动增氧设备，用户还能设定三个时间段，在每一个时间段内设定三个设备启动和关闭的时间长度，系统会严格按 照用户设定，在这三个时间段内按照设定的时间长度自动开启和关闭设备。从以上述控制流程可以看出，本实用新型可以广泛应用于水产养殖厂、生物发酵池、污水处理厂、环保部门对溶解氧浓度的监测领域，具有方便易用、功能全面的优点。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的存储单元，所述存储单元用于存储所述当前电解溶液的溶解氧浓度，还可存储系统工作信息，本实施方式中，所述存储单元的存储芯片使用512K的大容量存储器AM29LV040B，3. 3V单电源供电，每条记录10个字节，存储器分8页存储空间，总共可以存储49152条数据。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的通讯单元，所述通讯单元用于实现本系统与其他设备之间的通讯，本实施方式中，所述通讯单元的接口使用RS-485通讯接口，通过标准的Modbus通讯协议采用远端测控单元装置(Remote Terminal Unit, RTU)模式传输数据。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的电源管理单元，所述电源管理单元用于在所述控制单元的控制下，实现对所述系统中的有源器件进行供电，可提供较宽输入范围的供电电压，为不同有源器件分别提供+5V、-5V和+3. 3V的电压，满足不同的电源需求。优选地，所述系统还包括与所述控制单元连接的设备控制单元，所述设备控制单元用于控制增氧机等增氧设备，可以提供8路数字输出，根据系统的控制规则实现自动控制或定时控制。本实施方式中，所述极谱电极与变送器之间通过O. 5m左右优质导线连接，变送器与采集单元之间通过O. 5m导线连接，数字式温度传感器直接通过三芯导线与控制单元连接。本实用新型的系统的工作原理为将所述极谱电极放置于待测溶液中，使所述极谱电极中的电解溶液与所述待测溶液的溶解氧浓度一致，因此只需计算出所述极谱电极中的电解溶液的溶解氧浓度，即可获知所述待测溶液的溶解氧浓度。所述控制单元通过所述变送器对所述极谱电极进行供电，所述极谱电极获得所述极谱电极中电解溶液的响应电流、并所述响应电流发送至所述变送器，所述变送器对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述采集单元采集所述响应电压，并将所述响应电压发送至所述控制单元，所述温度传感器测量所述极谱电极中电解溶液的温度，并将所述温度发送至所述控制单元，所述控制单元利用响应电流和响应电压之间的对应关系、以及响应电流、温度和溶解氧浓度之间的对应关系计算获得所述电解溶液的溶解氧浓度。本实施方式的系统与现有技术相比还具有如下优点I、本实用新型对溶解氧检测做了系统性处理，集成了传感、变送、采集、存储、传输、显示、控制等多种功能�？椋δ芮看�。2、本实用新型带有显示�？椋杉降娜芙庋跖ǘ刃畔⒑臀露刃畔⑹凳毕允荆� 户不需将数据导出直接就能看到，简单直观。3、本实用新型采用触摸屏，显示操控都能完成，美观大方，只需简单在界面点按就能完成操作，使用方便。4、本实用新型具有控制功能，能够实现对8路设备的控制。5、本实用新型能够让用户定制控制方式，有自动控制和定时控制两种控制模式选择。自动控制根据采集的溶解氧浓度，系统自己判断是否超出了用户设定的溶解氧上下限，如果超限，自动调节设备启停，实现对溶解氧浓度的控制。定时控制可以按照用户设定时间启动或者停止设备，实现对溶解氧浓度的调节。6、本实用新型控制参数用户可以定制，设置灵活，可以设置溶解氧浓度的上下限用于自动控制模式，可以设置设备启停定时时间，同时能够设定时间段实现设备自动轮训控制。以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求1.一种基于极谱电极的溶解氧监测系统，其特征在于，所述系统包括极谱电极、温度传感器、变送器、采集单元、以及控制单元，所述极谱电极、变送器、采集单元、以及控制单元依次连接，所述温度传感器与所述控制单元连接； 所述控制单元通过所述变送器对所述极谱电极进行供电，所述极谱电极获得所述极谱电极中电解溶液的响应电流，并将所述响应电流发送至所述变送器，所述变送器对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述采集单元采集所述响应电压，并将所述响应电压发送至所述控制单元，所述温度传感器测量所述极谱电极中电解溶液的温度，并将所述温度发送至所述控制单元，所述控制单元利用响应电流和响应电压之间的对应关系、以及响应电流、温度和溶解氧浓度之间的对应关系计算获得所述电解溶液的溶解氧浓度。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述极谱电极包括外壳、阴电极、阳电极、以及透氧薄膜，所述外壳内设有电解溶液，所述阴电极和阳电极均设于所述外壳内，所述阴电极和阳电极的一端均伸入所述电解溶液中、且另一端均与所述变送器连接，所述透氧薄膜设于所述外壳上。
3.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述温度传感器为数字温度传感器。
4.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述变送器包括依次连接的电流/电压转换电路、二阶低通滤波电路、以及放大电路，所述电流/电压转换电路对所述响应电流进行电流/电压转换，以获得响应电压，所述二阶低通滤波电路对所述响应电压进行滤波，所述放大电路对所述响应电压进行放大。
5.如权利要求I 4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制单元连接的显示器，所述显示器用于显示所述当前电解溶液的溶解氧浓度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述显示器上设有与所述控制单元连接的触摸屏，所述触摸屏用于接收用户的操作命令。
7.如权利要求I 4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制单元连接的存储单元，所述存储单元用于存储所述当前电解溶液的溶解氧浓度。
8.如权利要求I 4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制单元连接的通讯单元，所述通讯单元用于实现本系统与其他设备之间的通讯。
9.如权利要求I 4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制单元连接的电源管理单元，所述电源管理单元用于在所述控制单元的控制下，实现对所述系统中的有源器件进行供电。
10.如权利要求I 4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述控制单元连接的设备控制单元，所述设备控制单元用于控制增氧设备。
专利摘要本实用新型公开了一种基于极谱电极的溶解氧监测系统，涉及水质检测技术领域，所述系统包括极谱电极、温度传感器、变送器、采集单元、以及控制单元，所述极谱电极、变送器、采集单元、以及控制单元依次连接，所述温度传感器与所述控制单元连接。本实用新型通过设置温度传感器，在测量溶解氧浓度时，考虑到温度对所述溶解氧浓度的影响，提高了溶解氧浓度的测量精度。
文档编号G01N27/48GK202693518SQ201220159579
公开日2013年1月23日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者赵贤德, 董大明, 郑文刚, 矫雷子, 王伟明, 张石锐, 鲍锋, 闫华 申请人:北京农业智能装备技术研究中心
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