光學溶解氧傳感器高精度標定方法及裝置製造方法
2023-05-27 21:31:26 2
光學溶解氧傳感器高精度標定方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及水中溶解性氣體傳感器標定【技術領域】，旨在提供一種光學溶解氧傳感器高精度標定方法及裝置。該方法是依次將不同氧含量的混合氣體通入水氣混合器，使水體獲得多個溶解氧濃度梯度；記錄待標定溶解氧傳感器的信號值和水體的溫度值，並取水樣以碘量法測定溶解氧標準值；計算待標定溶解氧傳感器的標定係數。本發明使用極少量的裝置提供了無限的標定濃度選擇，能夠更加靈活地設置較多標定點；本發明採用同步取樣後的碘量法實測值作為標準值，與根據混合氣體氧濃度在水中溶解度計算水體溶解氧濃度等現有方法相比，在基準值精度上有了極大的提升；本發明使用五個溫度進行傳感器標定，能夠確保標定結果比現有方法有更廣的溫度適用範圍。
【專利說明】光學溶解氧傳感器高精度標定方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及水中溶解性氣體傳感器標定【技術領域】，尤其是涉及一種光學溶解氧傳 感器高精度標定方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 水體溶解氧對水中生物的生存有著至關重要的影響，快速準確測定水體中溶解氧 的含量具有重要意義。近年來隨著科技進步，溶解氧原位傳感器測定技術獲得了快速發展。 基於螢光淬滅原理的光學溶解氧傳感器具有較高的穩定性，能夠實現傳統方法無法完成的 無擾動長時間連續原位監測，大幅改善了江河、湖泊、海洋等水體中溶解氧的測定手段，已 經在水產、礦業、海洋研究等領域得到了廣泛應用。
[0003] 雖然光學溶解氧傳感器比其他溶解氧傳感器有著更好的穩定性，但其在野外長期 使用過程中也會發生數據漂移，因此需要定期進行傳感器標定。目前溶解氧傳感器多採取 兩點法進行標定。該方法通過測定傳感器在亞硫酸鈉溶液（無氧水）以及某一溫度下經過 長時間空氣曝氣的水溶液（飽和溶解氧溶液）中的讀數，將其與該溫度下水中溶解氧理論 值進行兩點線性對比，從而標定溶解氧傳感器。該方法存在標定數據點少、標定溫度精度 低、基準值準確度低等缺點。
[0004] 由螢光淬滅法溶解氧傳感器的工作原理可知，該類型傳感器的的測定受溫度影響 顯著，對該類型傳感器進行標定必須保證標定環境溫度的精確和穩定。因此，建立一種基於 傳感器信號值、溫度值和基準值之間內在關係的光學溶解氧傳感器標定方法，有助於實現 光學溶解氧傳感器的多點高精度標定，確保傳感器為科研調查活動提供高質量數據。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是，克服現有溶解氧傳感器標定方法標定點少、標準值 不夠精確、標定結果適用範圍有限等缺點，提供一種基於溫度和溶解氧控制裝置的標定方 法，使標定後的傳感器結果能夠在較大溶解氧濃度和環境溫度範圍內與標準值保持高度一 致。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
[0007] 提供一種光學溶解氧傳感器高精度標定方法，包括以下步驟：
[0008] (1)將水氣混合器置於水浴鍋中，水浴鍋的水溫控制裝置的設定值為10°C、15°C、 20°C、25°C、30°C中的某一個數值；
[0009] (2)調節氧氣瓶和載氣瓶的氣體流量比例，依次將不同氧含量的混合氣體通入水 氣混合器，使密封容器中的水體依次獲得10個溶解氧濃度梯度；
[0010] (3)在每個溶解氧濃度梯度達到穩定後，分別記錄待標定溶解氧傳感器的信號值 和水體的溫度值，並取水樣以碘量法測定溶解氧標準值；
[0011] (4)依次將水溫控制裝置的設定值更改為其他四個溫度值，重複步驟（2)、（3);
[0012] (5)根據標定過程記錄的待標定溶解氧傳感器的信號值、水體的溫度值和溶解氧 標準值，計算待標定溶解氧傳感器的標定係數；具體方法是：
[0013] 〈1>根據每個溫度設定值時不同溶解氧梯度下獲取的傳感器信號值、水體的溫度 值和溶解氧標準值，獲得擬合公式：
[0014] D〇[pM] =If=Q(AiXi)(公式 1)
[0015] 式中DO為水體中溶解氧標準值,單位為iiM;A為溫度係數，X為傳感器信號值，i 為不同設定溫度時的標號；
[0016] 由該擬合公式犾得五個溫度下對應的溫度係數AQ、ApA2、A3、A4、A5;
[0017] 〈2>公式I中的溫度係數A與水體的溫度值t、標定係數B之間符合如下關係：
[0018] A=Zf=e(Btr)(公式2)
[0019] 式中溫度t的單位為1：，根據該公式建立六個線性聯立方程；
[0020] 〈3>求解六個線性聯立方程即可獲得傳感器的標定係數Bcic^Bc^Bc^Btl3......B51, B52、B53、B54O
[0021] 本發明中，所述步驟（2)中水體的10個溶解氧濃度梯度是指，水體中溶解氧飽和 度由0至120%平均等分的10個溶解氧濃度梯度。
[0022] 本發明中，所述步驟（2)中，是使用參比傳感器讀數來監測水體溶解氧濃度，在達 到預設的溶解氧濃度梯度後停止通入混合氣體，並使水氣混合器保持在密封狀態。
[0023] 本發明進一步提供了用於前述方法的光學溶解氧傳感器高精度標定裝置，包括待 標定溶解氧傳感器；該裝置還包括：氧氣瓶、載氣瓶、水氣混合器、帶水溫控制裝置的水浴 鍋、水氣混合器、兩個氣體流量計、參比溶解氧傳感器和攪拌器；水氣混合器呈密封容器狀， 其內部設攪拌器和鼓氣沙嘴，且水氣混合器整體置於水浴鍋中；水氣混合器內盛滿水，參比 溶解氧傳感器和待標定溶解氧傳感器從其頂部開孔處浸入水裡；水氣混合器上設有氣體入 口和氣體出口，氣體入口同時作為碘量法取樣口；氧氣瓶和載氣瓶分別通過管路依次經減 壓閥、氣體流量計、氣體入口接至鼓氣沙嘴。
[0024] 本發明中，所述水氣混合器呈圓柱形桶體。
[0025] 本發明中，步驟（1)的五個設定溫度值的範圍應能夠覆蓋傳感器實際使用環境溫 度，通常設定在10?30°C範圍內。如傳感器使用環境溫度較為特殊，也可調整五個溫度值 設定範圍以保證標定精度。
[0026] 步驟（2)中10個溶解氧濃度梯度應儘量均勻地分布在0?120%溶解氧飽和度範 圍內，通過調節氧氣和載氣輸入比例控制混合氣體中的氧含量，使水體中溶解氧濃度達到 預設的區間，無需精準控制氧氣和載氣的流量比值，但在同一梯度的通氣過程中應保持該 比值恆定。
[0027] 水氣混合器為圓柱形桶體，由導熱性能良好的材料製成；在桶壁預留了氣體入口 和氣體出口，前者同時作為碘量法取樣口，後者在鼓氣時作為氣體出口，鼓氣結束後關閉； 在容器內安置攪拌器用於水體攪拌；在頂蓋上同時安裝參比溶解氧傳感器和待標定溶解氧 傳感器，前者用於監測水體溶解氧波動情況，測值不必精確；試驗時儘量將容器內裝滿水。 水氣混合器內的水體溫度由水浴鍋的水溫控制裝置進行精確控制，水浴鍋同時具備加熱和 製冷功能。
[0028] 與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
[0029] 本發明通過調節氧氣和載氣流量比例來控制標定裝置中的溶解氧濃度，僅需兩個 氣瓶即可營造出任意溶解氧飽和度的水體環境，與採用氧氣發生器、混合氣瓶等現有方法 相比較，本發明使用極少量的裝置提供了無限的標定濃度選擇，能夠更加靈活地設置較多 標定點；本發明採用同步取樣後的碘量法實測值作為標準值，與根據混合氣體氧濃度在水 中溶解度計算水體溶解氧濃度等現有方法相比，在基準值精度上有了極大的提升；本發明 使用五個溫度進行傳感器標定，能夠確保標定結果比普遍採用單溫度點的現有方法有更廣 的溫度適用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1是溶解氧傳感器標定結果與兩點法標定結果對比。
[0031] 圖2是本發明標定裝置整體示意圖。
[0032] 圖3是圖2中水氣混合器的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面將結合說明書附圖和具體實例對本發明作進一步說明。
[0034]如圖2和圖3所示，本發明中光學溶解氧傳感器的標定裝置，包括水氣混合器1、帶 水溫控制裝置的水浴鍋2、氣體流量計3、氣體流量計4、氧氣瓶5、載氣瓶6 (內裝惰性的載 氣）、參比溶解氧傳感器a、待標定溶解氧傳感器b和攪拌器c。
[0035] 其中，水氣混合器1為圓柱形桶體，由導熱性能良好的材料製成；在桶壁預留了氣 體入口e和氣體出口g，前者連接鼓氣沙嘴d用於增加氣泡提高水氣混合效率，後者在鼓氣 時作為氣體出口，鼓氣結束後關閉，氣體入口e同時作為碘量法取樣口f;在容器內安置攪 拌器c用於水體攪拌；在頂蓋上同時安裝參比溶解氧傳感器a和待標定溶解氧傳感器b，前 者用於監測水體溶解氧濃度；試驗時儘量將容器內裝滿水，並將水氣混合器整體置於水溫 控制裝置2中，由水溫控制裝置2控制容器內的水體溫度。
[0036] 下面使用挪威AADI4330F溶解氧傳感器（序列號795,出廠標定時間2012年1 月，準確度8ymol/L或5 % )為例，對本發明中的光學溶解氧傳感器的標定方法作進一步說 明，具體包括以下步驟：
[0037] 步驟（1)，將水溫控制裝置設定在第一個溫度值10°C，等待水氣混合器內溫度達 到穩定；
[0038]步驟（2)，通過連接在氧氣瓶和載氣瓶的氣體流量計3、4控制通入水氣混合器的 兩種氣體流量比例，使其中的水體依次形成溶解氧飽和度約為〇、10 %、20 %、30 %、40 %、 50%、60%、70%、80%、100%、120%等10個溶解氧濃度梯度；
[0039]步驟（3)，在每個溶解氧濃度梯度下，使用參比溶解氧傳感器a的連續讀數來監測 水體中溶解氧濃度，待其測值達到穩定時停止通入混合氣體並封閉氣體出口g，連續記錄5 組待標定溶解氧傳感器b的信號值和溫度值後取平均值，通過取水樣口f?取水樣使用碘量 法精確測定溶解氧濃度，並將其確定為標準值；
[0040] 步驟（4)，依次設置水溫控制裝置的溫度值為151：、201：、251：和301：，重複步驟 (2)和步驟（3);
[0041] 步驟（5)，根據記錄的待標定溶解氧傳感器信號值、溫度值和溶解氧標準值，計算 待標定溶解氧傳感器的標定係數。計算傳感器標定係數的步驟如下：
[0042] (1)根據每個溫度下不同溶解氧梯度獲取的傳感器信號值、溫度值和標準值，獲得 擬合公式：
[0043] D0[_] =Hf=O(AXi)(公式 1)
[0044] 式中DO為水體中溶解氧濃度,單位為iiM;X為儀器信號值，由該擬合公式獲得五 個溫度下對應的溫度係數心31、4、"心，見表1;
[0045] (2)公式1中的溫度係數A與溫度t、標定係數B之間符合如下關係：
[0046] A=EtW)(公式 2)
[0047] 式中溫度t單位為°C，根據該公式可建立六個線性聯立方程；
[0048] (3)求解六個線性聯立方程即可獲得傳感器的標定係數Bcic^Bc^Bc^Btl3......B51, B52、B53、B54,見表 2。
[0049] 表1溶解氧傳感器溫度係數
【權利要求】
1. 一種光學溶解氧傳感器高精度標定方法，其特徵在於，包括以下步驟： (1) 將水氣混合器置於水浴鍋中，水浴鍋的水溫控制裝置的設定值為10°c、15°c、 20°C、25°C、30°C中的某一個數值； (2) 調節氧氣瓶和載氣瓶的氣體流量比例，依次將不同氧含量的混合氣體通入水氣混 合器，使其內部的水體依次獲得10個溶解氧濃度梯度； (3) 在每個溶解氧濃度梯度達到穩定後，分別記錄待標定溶解氧傳感器的信號值和水 體的溫度值，並取水樣以碘量法測定溶解氧標準值； (4) 依次將水溫控制裝置的設定值更改為其他四個溫度值，重複步驟（2)、（3); (5) 根據標定過程記錄的待標定溶解氧傳感器的信號值、水體的溫度值和溶解氧標準 值，計算待標定溶解氧傳感器的標定係數；具體方法是： 〈1>根據每個溫度設定值時不同溶解氧梯度下獲取的傳感器信號值、水體的溫度值和 溶解氧標準值，獲得擬合公式： 〇〇[μΜ] = Sf=e(AX:)(公式 1) 式中DO為水體中溶解氧標準值,單位為μ M ;A為溫度係數,X為傳感器信號值，i為不 同設定溫度時的標號； 由該擬合公式犾得五個溫度下對應的溫度係數Atl、Ap A2、A3、A4、A5; 〈2>公式1中的溫度係數A與水體的溫度值t、標定係數B之間符合如下關係： A=Z^0(BiIj)(公式 2) 式中溫度t的單位為1：，根據該公式建立六個線性聯立方程； 〈3>求解六個線性聯立方程即可獲得傳感器的標定係數ΒΜ、Bc^ Btl3......Β51、Β52、 Β53、Β54。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（2)中水體的10個溶解氧濃度 梯度是指，水體中溶解氧飽和度由〇至120%平均等分的10個溶解氧濃度梯度。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（2)中，是使用參比傳感器讀數 來監測水體溶解氧濃度，在達到預設的溶解氧濃度梯度後停止通入混合氣體，並使水氣混 合器保持在密封狀態。
4. 用於權利要求1所述方法的光學溶解氧傳感器高精度標定裝置，包括待標定溶解氧 傳感器；其特徵在於，該裝置還包括：氧氣瓶、載氣瓶、水氣混合器、帶水溫控制裝置的水浴 鍋、水氣混合器、兩個氣體流量計、參比溶解氧傳感器和攪拌器；水氣混合器呈密封容器狀， 其內部設攪拌器和鼓氣沙嘴，且水氣混合器整體置於水浴鍋中；水氣混合器內盛滿水，參比 溶解氧傳感器和待標定溶解氧傳感器從其頂部開孔處浸入水裡；水氣混合器上設有氣體入 口和氣體出口，氣體入口同時作為碘量法取樣口；氧氣瓶和載氣瓶分別通過管路依次經減 壓閥、氣體流量計、氣體入口接至鼓氣沙嘴。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述水氣混合器呈圓柱形桶體。
【文檔編號】G01N21/64GK104515761SQ201410803006
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月20日 優先權日:2014年12月20日
【發明者】鄭旻輝, 潘建明, 楊俊毅 申請人:國家海洋局第二海洋研究所