CN104807862A - 检测水中溶解氧的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测水中溶解氧的方法及装置，能提高待测水体溶解氧浓度测量的准确性。所述方法包括：测量待测水体中的溶解氧浓度信号、待测水体的温度信号、待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；对溶解氧浓度信号进行处理，得到待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对温度信号进行处理，得到待测水体的温度电压信号，对电导率信号进行处理，得到待测水体的电导率电压信号，对当前环境的大气压信号进行处理，得到当前环境的大气压电压信号；根据溶解氧浓度电压信号计算待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种检测水中溶解氧的方法及装置。
背景技术
溶解氧(Dissolved Oxygen)是指溶解于水中分子状态的氧，用DO表示。溶解氧是水生生物生存必不可少的条件。我国是一个水产大国，总产量已多年稳居世界首位，养殖产量占世界的70％以上。对于水产养殖业来说，水体溶解氧对生物如鱼类的生存有着至关重要的影响，当溶解氧低于3mg/L时，就会引起鱼类窒息死亡。对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。在水产养殖过程中，溶解氧(DO)含量是制约鱼类生长的重要因素之一。通常情况，自然水体中的溶解氧含量接近饱和状态，所以水中生物不会因缺氧而受到生存的威胁，而养殖水体不同，由于水产品的密度的提高、饵料的增加、微生物的大量繁殖以及换水条件的限制等因素打破了原有的溶解氧平衡，经常出现缺氧情况，会严重影响养殖生物的生长、生存和繁殖。水中溶解氧是一个非常重要的水质参数，直接关系到水产品的良好生长，对于养殖业现场检测具有重要的意义。现有的溶解氧的检测装置和方法往往没有补偿校正或者仅仅有温度补偿校正，而水中的盐分和环境的大气压也会对水的溶氧量产生较大的影响，现有技术未进行盐度和大气压补偿校正，因而测得的溶解氧浓度的准确性较低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种检测水中溶解氧的方法及装置，能够提高待测水体溶解氧浓度测量的准确性。
为此目的，本发明提出一种检测水中溶解氧的装置，包括：
信号源模块、测量模块、信号调理模块和数据处理模块；其中，
所述信号源模块，用于为所述测量模块提供交流电流信号源和恒流电流信号源；
所述测量模块，用于测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
所述信号调理模块，用于对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
所述数据处理模块，用于根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
另一方面，本发明提出一种检测水中溶解氧的方法，包括：
测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
本发明实施例所述的检测水中溶解氧的方法及装置，通过获取待测水体中的溶解氧浓度电压信号，根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并利用温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度，相较于现有的没有补偿校正或者仅仅有温度补偿校正的溶解氧检测方法和装置，能够提高待测水体溶解氧浓度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明检测水中溶解氧的装置一实施例的方框结构示意图；
图2为本发明检测水中溶解氧的装置另一实施例的外部结构示意图；
图3为本发明检测水中溶解氧的装置又一实施例的分解结构示意图；
图4为本发明检测水中溶解氧的装置又一实施例的剖视图；
图5为本发明检测水中溶解氧的方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例公开一种检测水中溶解氧的装置，包括：
信号源模块(1)、测量模块(2)、信号调理模块(3)和数据处理模块(5)；其中，
所述信号源模块(1)，用于为所述测量模块提供交流电流信号源和恒流电流信号源；
所述测量模块(2)，用于测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
所述信号调理模块(3)，用于对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
所述数据处理模块(5)，用于根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
本发明实施例所述的检测水中溶解氧的装置，通过获取待测水体中的溶解氧浓度电压信号，根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并利用温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度，相较于现有的没有补偿校正或者仅仅有温度补偿校正的溶解氧检测方法和装置，能够提高待测水体溶解氧浓度测量的准确性。
下面对本发明一实施例的具体结构进行详细说明。
图1至图4中，1为信号源模块，2为测量模块，3为信号调理模块，4为多路开关，5为数据处理模块，6为GPRS模块，7为电源模块，8为交流电流源，9为恒流电流源，10为溶解氧探头，11为热敏电阻，12为四电极电导率探头，13为压力探头，14为电流转换放大电路，15为滤波放大电路，16为峰值检波放大电路，17为差分放大电路，18为TEDS存储器，19为STM8单片机，20为MC55，21为电源管理子模块，22为电源子模块，23为天线，24为后盖，25为圆盘，26为接线盒，27为接线盒密封圈(使接线盒(26)与接线盒底座(28)密封连接，防止被测水体进入接线盒影响测量)，28为接线盒底座，29为栅格密封圈，30为透气膜，31为丝网，32为透气膜垫片，33为栅格，34为圆形进水孔，35为蓄电池，36为阳电极，37为阴电极，38为电解质，39为电压电极，40为上部电流电极，41为下部电流电极，42为超声波发生器，43为振动膜，44为振动膜压盖，45为透气膜压盖(覆盖在透气膜垫片(32)上面，用来固定透气膜，丝网和垫片，防止透气膜脱落和变形)，46为变送线路板，47为腔体，48为压敏电阻。
信号源模块(1)，包括交流电流源(8)和恒流电流源(9)，分别给所述四电极电导率探头(12)和压力探头(13)供电，所述电源管理子模块(21)在STM8单片机(19)控制下提供给信号源模块(1)脉冲电流源和电压源。
测量模块(2)，包括溶解氧探头(10)、热敏电阻(11)、四电极电导率探头(12)和压力探头(13)，其中溶解氧探头(6)包括银阴极(37)和铅阳极(36)，当所述传感器测量水中溶解氧时，水中的氧气经过透气膜(30)与银阴极(37)发生还原反应，并得到电流，同时阳极铅片与水发生反应，向外电路发出电子。氧化还原反应过程，当电解池结构固定时，外电路转换到的电流与溶解氧浓度成正比例关系，所以，测量阳极导线和阴极导线输出到变送线路板(46)上的电压就可以转换被测水体中的溶解氧值，探头顶端覆盖有丝网(31)和垫片(32)作为溶解氧探头电极的保护套滤网，减少被测水体中杂质对溶解氧的测量。
热敏电阻(11)，采用22KΩ的负温度系数热敏电阻，随着温度的升高，阻值下降，采集分压电阻两端的电压，经过温度导线上传到变送线路板(46)中的信号调理模块(3)进行相关放大处理。
四电极电导率探头(12)采用四电极式测量，包括两个电压电极(39)，上部电流电极(40)和下部电流电极(41)，给电流电极供电时，会在被测水体中建立电场，电压电极感应出电压，两电压电极之间的电压降与被测水体电导率成正比，所以测量电压电极输出电压就可以得到被测水体电导率值，同溶解氧探头一样，探头顶端覆盖有丝网(31)和垫片(32)作为电导率电极的保护套滤网，减少被测水体中杂质对电导率测量的影响。
压力探头(13)采用四个对压力敏感的压敏电阻(48)制作而成，这四个电阻构成惠斯通电桥，对电桥进行供电后，电桥的输出与电阻上所受的压力成正比，从而实现对压力测量。探头内置于所述圆盘(25)内部，既保证了对环境大气压的测量，又能够保证探头免受被测水体的影响。
信号调理模块(3)，包括电流转换放大电路(14)、滤波放大电路(15)、峰值检波放大电路(16)和差分放大电路(17)，电流转换放大电路(14)采用低电压低功耗高精度的运放电路和精密电阻组成，分别与溶解氧探头(10)和微处理器(19)相连，溶解氧探头采集溶解氧信号，经过所述电流转换放大电路电压转换和放大处理，生成溶解氧电压信号；所述滤波放大电路(15)采用低电压低功耗高精度的运放电路和精密电阻组成，分别与热敏电阻(11)和微处理器(19)相连，热敏电阻采集的温度信号，经过所述滤波放大电路(15)滤波放大，生成温度电压信号；峰值检波放大电路(16)采用低电压低功耗高精度的运放电路和精密电阻组成，分别与四电极电导率探头(12)和微处理器(19)相连，四电极电导率探头(12)采集的电导率经过所述峰值检波放大电路(16)峰值检波处理生成电导率电压信号，峰值检波处理即为获取所述四电极电导率探头(12)采集的电导率信号并进行放大处理生成电导率电压信号；差分放大电路(17)采用低电压低功耗高精度的运放电路和精密电阻组成，分别与压力探头(13)和微处理器(19)相连，传感器采集的大气压信号经过所述差分放大电路差分放大处理生成大气压电压信号。多路开关(4)，由四选一多路开关构成，软件编程选择传输到微处理器(19)的被测水体的信号来源。
数据处理模块(5)，包括TEDS存储器(18)和微处理器(19)。
GPRS模块(6)采用MC55无线模块(20)，所述MC55无线模块(20)与微处理器(19)相连。
电源模块(7)，包括电源管理子模块(21)和电源子模块(22)(可以采用蓄电池(35))，电源管理子模块(21)受到单片机控制负责给信号源模块(1)、信号调理模块(3)、数据处理模块(5)和GPRS模块(6)提供脉冲电源。
如图2和图3所示，后盖(24)、接线盒(26)、接线盒底座(28)、腔体(47)和栅格(33)均为工程塑料ABS注塑而成，各元件之间以螺纹密封连接。天线(23)以螺纹固定在后盖(24)上端，后盖(24)另一端以螺纹方式与接线盒(26)密封连接，接线盒(26)另一端通过螺纹与接线盒底座(28)密封连接，接线盒底座(28)另一端与栅格(33)密封连接。
如图4所示，蓄电池(35)和变送线路板(46)放置于接线盒(26)内部，蓄电池(35)符合装置的超低功耗模式，适用于室外水质溶解氧测量，变送线路板(46)为包括图1所示的信号源模块(1)，信号调理模块(3)、多路开关(4)、数据处理模块(5)、GPRS模块(6)和电源管理子模块(21)的PCB板，变送线路板(46)的输入端为溶解氧初始信号、温度初始信号、电导率初始信号和大气压初始信号，输出端连接蓄电池(35)的正负极和天线(23)的信号线。
圆盘(25)嵌套在接线盒(26)上端，采用空心铁片制作，里面为空心，既保证了装置的稳定性，免受水流对装置的影响，又可以使装置浮在水面，以免天线(23)和蓄电池(35)受到水体的影响。圆盘(25)内置压力探头(13)，可以补偿校正大气压力对装置测量的影响。
腔体(47)外壳为塑料材质，包含有溶解氧探头(10)和电导率探头(12)，溶解氧探头(10)包括银阴极(37)和铅阳极(36)，银阴极(37)通过环形树脂粘贴在溶解氧电极中，银阴极(37)采用绕圈式环绕在整个溶解氧电极中心，增大反应面积，可以加快溶解氧反应速度，减少响应时间；铅阳极(36)采用铅片，用环氧树脂粘接包围在溶解氧电极上，与电解质(38)充分接触，反应迅速，并且能够保证检测装置的寿命；腔体(47)一端与接线盒(26)密封连接，另一端通过栅格密封圈(29)与栅格(33)密封连接，底端设计为内凹陷的，这种设计可以保证电极渗透到被测样内部，所测数据更精确，可以获得更稳定的灵敏度以及更快的响应时间。
溶解氧探头包含电解质(38)，所述电解质(38)采用胶体电解质，包括硅粉水溶液和混酸溶液，重量比为1:4混合而成，硅粉水溶液包括去离子水，二氧化硅和聚丙烯酰胺。混酸溶液是醋酸，柠檬酸和果酸的混合物，把所述的硅粉水溶液和混酸溶液按规定的比例混合并加入添加剂聚丙烯酸，乙二醇和丙烯酸，用搅拌器搅拌均匀，倒入电解池固化成为胶体状电解液，充满整个胶体电解池。胶体电解质(38)呈酸性，可以抑制环境中二氧化碳等酸性气体对测量结果的影响，并且保持电极表面的清洁，延长传感器使用寿命。胶体电解质(38)不会产生漏液，胶体内也不会产生气泡碰撞电极影响反应，不会对水下环境产生影响，而且同等规格电解池，胶体电解质(38)容量大，不会产生电解液分层现象，使用寿命长。
溶解氧电极顶端的保护膜按照透气膜(30)，丝网(31)，垫片(32)顺序覆盖在溶解氧电极顶端，透气膜(30)采用聚全氟乙丙烯(F46)高分子材料，丝网(31)采用尼龙丝网，垫片(32)采用中心有孔的聚四氟乙烯(F4)高分子材料，具有较高的稳定性和抗压性。透气膜(30)只允许气体从测量环境中进入与银阴极(37)反应，而水溶液，水中其它杂质不能透过透气膜(30)进入电解池，保证了溶解氧测量的准确性；丝网(31)可以加固透气膜(30)，增加膜的强度，保证透气膜(30)不易发生变形。垫片(32)起固定作用，保证透气膜(30)的稳定性。
超声波清洁装置安装在腔体(47)底部壳体内，包括超声波发生器(42)，振动膜(43)和振动膜压盖(44)，超声波发生器(42)放置在透气膜(30)下方，用来清洗透气膜(30)，丝网(31)和垫片(32)上面的污垢，膜上面的污垢在重力的作用下向下运动，通过栅格(33)的圆形进水孔(34)自动排除，振动膜(43)放置在超声波发生器(42)的正前方，振动膜压盖(44)用来固定振动膜(43)，该清洁装置结构简单，能够提高在线测量水中的溶解氧的准确性。
带有圆形进水孔(34)的栅格(33)采用塑料制成，通过栅格密封圈(29)密封连接在腔体(47)底端，栅格(33)底端进水口有圆形进水孔(34)，进水孔(34)上面有多个圆形通孔，圆形通孔用于进行水交换，使栅格(33)外部的水溶液可以进入栅格(33)内部，而且能起到保护透气膜(30)的作用。
本发明实施例中，溶解氧探头采用银阴极和铅阳极，阴极采用绕圈式，增加反应面积，电解质(38)采用酸性胶体电解质，所述胶体材料采用对人体和环境没有损害的硅粉水溶液，胶体电解质(38)不会产生漏液，对环境污染小，而且延长传感器使用寿命，酸性电解质(38)可以减少环境中酸性气体对测量的影响。
本发明实施例中，把探头和信号处理变送线路板结合，节约空间，使传感器便于携带和安置，安装在接线盒(26)内部的PCB变送线路板结合了信号源模块、信号调理模块、多路开关、数据处理模块，GPRS模块和电源管理子模块，在数据处理模块包含TEDS存储器，保存着温度，盐度和大气压溶氧补偿校正参数，可以利用IEEE1452自补偿方法智能化自动校准溶解氧值，保证测量准确性。
本发明实施例中，后盖、接线盒、接线盒底座、腔体和栅格都采用ABS塑料材质，提高了溶解氧传感器抗干扰能力和工作稳定性，圆盘采用空心铁片制作，免受流速的影响。电极探头采用内凹陷式，溶解氧电极和被测水体充分接触，获得更稳定的灵敏度。
本发明实施例中，采用超声波自清洗装置，保证膜的清洁，能够延长装置的使用寿命和测量的准确性。
可选地，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，还包括：
多路开关，连接所述信号调理模块和数据处理模块，用于将所述信号调理模块得到的溶解氧浓度电压信号、温度电压信号、电导率电压信号和大气压电压信号选择性输入所述数据处理模块。
可选地，参看图1，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，还包括：
GPRS模块(6)和电源模块(7)；其中，
所述电源模块(7)，包括电源子模块(22)和电源管理子模块(21)，所述电源管理子模块(21)受所述数据处理模块(5)控制通过所述电源子模块(22)给所述信号源模块(1)、信号调理模块(3)、数据处理模块(5)和GPRS模块(6)提供脉冲电源；
所述数据处理模块(5)，还用于通过将所述补偿校正后的溶解氧浓度与第一阈值范围进行比较，并在所述补偿校正后的溶解氧浓度不在第一阈值范围内时，通过所述GPRS模块，向所述远程终端发送通知信息。
本发明实施例中，如图1所示，电源模块(7)包括电源子模块(22)和电源管理子模块(21)两部分，电源子模块(22)可以采用蓄电池(35)，适用于室外水体测量，与电源管理子模块(21)相连，电源管理子模块(21)可以通过稳压电路增加电源模块(7)供给电压的适应范围，增加电压的稳定性，同时电源管理子模块(21)向数据处理模块(5)供电，在数据处理模块(5)控制下向信号源模块(1)、信号调理模块(3)、数据处理模块(5)和GPRS模块(6)提供脉冲式供电，从而较前述实施例能够降低功耗。
可选地，参看图1和图4，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述测量模块，包括：
溶解氧探头(10)、热敏电阻(11)、四电极电导率探头(12)和压力探头(13)；其中，
所述溶解氧探头(10)，包括银阴极和铅阳极，用于测量所述待测水体中的溶解氧浓度信号；
所述热敏电阻(11)，用于测量所述待测水体的温度信号；
所述电导率探头(12)，优选为四电极电导率探头，用于根据所述交流电流信号源产生的交流电流信号，测量所述待测水体的电导率信号；
所述压力探头(13)，优选为压敏电阻(48)，用于根据所述直流电压信号源产生的直流电压信号，测量当前环境的大气压信号。
本发明实施例中，电源模块包括正弦振荡电路和恒流电路，所述正弦振荡电路用于产生正弦波电流，所述恒流电路用于稳定激励电流。如图1和图4所示，溶解氧探头(10)采用金属外壳，包括阴电极(37)(阴电极是直径为1～3毫米的绕圈式银丝，用环形树脂粘接在腔体(47)底部，内含电解质为胶体酸性电解质(38)的电解池)和阳电极(36)(阳电极是厚度为0.5～1毫米的铅片，用环氧树脂粘接包围在溶解氧电极上)，利用阴电极(37)和阳电极(36)进行氧化还原反应，通过测量外电路产生的电流大小得到水中溶解氧浓度值。在酸性胶体溶液中，电极反应如下：
阴极：O2+4H++4e-->2H2O，
阳极：2Pb+2H2O->2PbO+4H++4e-，
电池总反应：2Pb+O2->PbO，
传感器的输出电流：
其中，n为反应电子数，F为法拉第常数，A为阴极表面积，D为氧的扩散系数，l为从透气膜(30)外表面至阴极表面的距离，C为溶氧浓度，当电解池结构确定的时候，电流与溶氧浓度成正比。
热敏电阻(11)两端输出电压与环境温度呈线性关系，测量分压电阻的大小可以得到待测水体的温度。
四电极电导率探头(12)采用四电极式，其中两个电流电极，两个电压电极，四电极电导率探头的电流电极依次连接电源管理子模块(21)产生的正弦振荡电路和恒流电路，当两个电流电极通入10kHz交流PWM波时，两个电压电极上会产生电压输出。四电极电导率探头(12)采用石墨材料，测量原理是在两个电流电极施加一个交流脉冲信号，在流体介质里建立起电场，因为感应电极间的电位降与溶液的电导率成比例，通过测量两个电压电极上感应出电压降，得出对应的水体的电导率。
进一步地，因为实用盐度(S)是根据K15定义和计算的，所谓K15是指在15℃和一个标准大气压的条件下，海水样品电导率和质量比为32.4356×10-3的氯化钾溶液电导率的比值。所以已知溶液的电导率，即可计算出水体的实用盐度。
压力探头(13)是利用硅晶体的压阻效应，半导体单晶硅材料在受到外力作用时，能带结构发生变化，能谷的能量发生转移，因而材料的电阻率就要改变，这种由于应力的作用使电阻率发生改变的现象称作压阻效应。压力探头是利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的晶向制成四个一致的压敏电阻，这四个电阻构成惠斯通电桥，对电桥进行恒流源供电后，电桥的输出(Vout)与电阻值的变化量成正比，也就是同压敏电阻(48)上所受的压力成正比，从而实现对压力测量。大气压经过进风口作用于所述压敏电阻上，压力被压敏电阻(48)转换，变为电桥的输出电压，然后通过外引线输出。电压输出信号与大气压力成比例关系，测得输出电压信号就可以得到测量环境大气压值。所述压力探头(13)置于所述圆盘(25)内部，测量水体溶解氧时，风力从进风孔进入，作用于所述压力探头(13)上，产生需要测量的压力电信号。
本发明实施例中，不仅能够测量出待测水体溶解氧的浓度，还能够测量出待测水体的实用盐度。
可选地，参看图1，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述信号调理模块，包括：
电流转换放大电路(14)、滤波放大电路(15)、峰值检波放大电路(16)和差分放大电路(17)；其中，
所述电流转换放大电路(14)，通过导线与所述溶解氧探头(10)的银阴极和铅阳极连接，用于将所述溶解氧浓度信号转换为电压信号，并将转换得到的电压信号进行放大处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号；
所述滤波放大电路，通过导线与所述热敏电阻(11)连接，用于对所述温度信号依次进行滤波、放大处理，得到所述待测水体的温度电压信号；
所述峰值检波放大电路，通过导线与所述电导率探头(12)连接，用于获取所述电导率信号的峰值，并将所述峰值转换为所述待测水体的电导率电压信号；
所述差分放大电路，通过导线与所述压力探头(13)连接，用于对所述当前环境的大气压信号进行差分放大处理，得到所述当前环境的大气压电压信号。
可选地，参看图1，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述数据处理模块，包括：
TEDS存储器、微处理器和数字接口；其中，
所述TEDS存储器，与所述电流转换放大电路、滤波放大电路、峰值检波放大电路、差分放大电路和GPRS模块连接，用于存储温度补偿校正参数，盐度补偿校正参数，大气压补偿校正参数，溶解氧浓度电压信号和溶解氧浓度的对应曲线，温度电压信号和温度的对应曲线，电导率电压信号和盐度的对应曲线，以及大气压电压信号和大气压压强的对应曲线；
所述微处理器，用于查找溶解氧浓度电压信号和溶解氧浓度的对应曲线，确定所述溶解氧浓度电压信号所对应的溶解氧浓度为所述待测水体中的溶解氧浓度，查找温度电压信号和温度的对应曲线，确定所述温度电压信号所对应的温度为所述待测水体的温度，查找电导率电压信号和盐度的对应曲线，确定所述电导率电压信号所对应的盐度为所述待测水体中的盐度，查找大气压电压信号和大气压压强的对应曲线，确定所述大气压电压信号所对应的大气压压强为当前环境的大气压压强，并基于所述待测水体的温度、所述待测水体中的盐度和所述当前环境的大气压压强，利用所述温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度，将所述补偿校正后的溶解氧浓度与所述第一阈值范围进行比较，在所述补偿校正后的溶解氧浓度不在第一阈值范围内时，将所述补偿校正后的溶解氧浓度经过所述数字接口上传给所述GPRS模块，以使所述GPRS模块将所述补偿校正后的溶解氧浓度发送给所述远程终端。
由于透氧膜的扩散系数和氧的溶解度都随着温度变化受到影响，所以测量水中溶解氧值是要考虑到温度补偿，校正公式为：
其中，DO1为待测水体的温度为Tm时的溶解氧浓度值，Vm为待测水体溶氧输出电压，Vcal为饱和水中溶解氧输出电压，V0为无氧水溶氧输出电压，电压单位为V；Tcal为溶氧饱和的待测水体的温度，Tm为待测水体实际测量温度，温度单位为℃，a为膜扩散系数可以由阿仑尼乌斯定律估算得到。
由于氧在水中的溶解度随着含盐量的增加而减少，当含盐量(以总盐度表示)在35g/L以下时，校正公式为：
DO2＝CS-nΔCs，
其中，DO2为盐度为n时的溶解氧浓度值，Cs为纯水溶解氧浓度值，溶解氧浓度的单位为mg/L；n为海水盐度值，单位为g/L；ΔCs为1g/L的含盐量造成的溶氧降低值，单位为mg/L；Cs和ΔCs在不同温度下的值可通过查国家标准表得到。
由于气体的溶解度与其分压成正比，所以水中溶氧量与大气压相关。测量水体溶解氧值时要考虑压力补偿，特别是在海拔较高或者大气压较低的地方，校正公式如下：
其中，DO3为压力为P时的溶解氧浓度值，Cs为标准大气压下的溶氧值，单位为mg/L；P为测量时的实际大气压，单位为kPa。Cs在不同温度下的值可通过国家标准表得到。
通过多路开关选择信号采集探头，当探头输出相应的电压信号，单片机STM8会调出TEDS存储器储存的关系曲线，计算处理得到相应的溶氧浓度DOout，温度值，盐度值和大气压值，然后调用补偿校正公式，得到DO1、DO2和DO3，利用公式DO＝DOout+A1DO1+A2DO2+A3DO3计算得到准确的溶解氧值(A1，A2和A3分别为TEDS存储器保存的温度，盐度和大气压补偿校正参数，定期在无氧水和饱和水中校正更新所述补偿校正参数)。
本发明实施例中，如图1所示，微处理器可以采用STM8单片机(19)，STM8是一个多功能8位超低功耗微控制器，适合于室外电池应用的场合和手持装置，片上集成了更大的闪存和功能，提供一个实时时钟和增强型复位功能，整合了真正的读写同步的E2PROM、DMA、快速模数转换器和数模转换器。该系列产品优化了成本结构，具有很高的集成度，采用超小封装，并且内置A/D转换(模数转换)可以把溶氧信号，温度信号，电导率信号和气压信号等模拟信号转换为数字化信号，以便补偿校正处理和显示，转换后的结果可在微控制器STM8(19)内部根据温度、电导率和大气压之间的相互影响进行拟合，同时可根据软件编程消除所述溶解氧探头(10)、热敏电阻(11)、四电极电导率探头(12)和压力探头(13)由于环境的影响所带来的误差。
信号源模块可以采用脉冲电源，其中交流电流源和恒流电流源采用单片机STM8产生的脉冲电源，能够减少热敏电阻和电导率探头的极化，以及压力探头的损耗，当热敏电阻、电导率探头和压力探头采集信号时，信号源模块采取供电模式，当装置处理数据时，信号源模块采取断电模式，保证装置低功耗。
进一步地，本发明实施例中，测量得到补偿校正后的溶解氧浓度后，可以判断溶氧信号是否达到稳定，若未达到继续采样处理，若已经达到则保存最终测量结果并与预设报警值比较，若没有达到预设报警值，装置返回低功耗模式，完成一次定时测量，若达到预设报警值，则可以通过GPRS模块上传补偿校正后的溶解氧浓度异常值到远程终端。只上传异常值，使得传输的数据流量较小，从而能够降低本发明实施例检测水中溶解氧的装置的能耗，实现低功耗。
可选地，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述微处理器为STM8单片机。
可选地，参看图1，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述GPRS模块，包括：
MC55芯片和天线；其中，
所述MC55芯片连接所述数字接口，用于将所述数字接口上传的所述补偿校正后的溶解氧浓度通过所述天线发送给所述远程终端。
本发明实施例中，GPRS模块(6)采用MC55(20)，MC55是带有GSM/GPRS全套语音和数据功能的先进无线模块。其体积较小(尺寸为35mm×32.5mm×2.95mm，重5.5克)，所有功能都集中在一块集成的芯片内，内置TCP/IP协议栈，用户可直接对应用层进行软件开发，降低了编程的难度，并且可以缩短本发明实施例检测水中溶解氧的装置的研发周期。
可选地，在本发明检测水中溶解氧的装置的另一实施例中，所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻，所述电导率探头为四电极电导率探头，所述压力探头采用电桥式压敏电阻制作而成。
如图5所示，本实施例公开一种检测水中溶解氧的方法，包括：
S1、测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
S2、对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
S3、根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
本发明实施例所述的检测水中溶解氧的方法，通过获取待测水体中的溶解氧浓度电压信号，根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并利用温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度，相较于现有的没有补偿校正或者仅仅有温度补偿校正的溶解氧检测方法和装置，能够提高待测水体溶解氧浓度测量的准确性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种检测水中溶解氧的装置，其特征在于，包括：
信号源模块、测量模块、信号调理模块和数据处理模块；其中，
所述信号源模块，用于为所述测量模块提供交流电流信号源和恒流电流信号源；
所述测量模块，用于测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
所述信号调理模块，用于对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
所述数据处理模块，用于根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
2.根据权利要求1所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，还包括：
多路开关，连接所述信号调理模块和数据处理模块，用于将所述信号调理模块得到的溶解氧浓度电压信号、温度电压信号、电导率电压信号和大气压电压信号选择性输入所述数据处理模块。
3.根据权利要求1所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，还包括：
GPRS模块和电源模块；其中，
所述电源模块，包括电源子模块和电源管理子模块，所述电源管理子模块受所述数据处理模块控制通过所述电源子模块给所述信号源模块、信号调理模块、数据处理模块和GPRS模块提供脉冲电源；
所述数据处理模块，还用于通过将所述补偿校正后的溶解氧浓度与第一阈值范围进行比较，并在所述补偿校正后的溶解氧浓度不在第一阈值范围内时，通过所述GPRS模块，向所述远程终端发送通知信息。
4.根据权利要求1至3任一项所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述测量模块，包括：
溶解氧探头、热敏电阻、电导率探头和压力探头；其中，
所述溶解氧探头，包括银阴极和铅阳极，用于测量所述待测水体中的溶解氧浓度信号；
所述热敏电阻，用于测量所述待测水体的温度信号；
所述电导率探头，用于根据所述交流电流信号源产生的交流电流信号，测量所述待测水体的电导率信号；
所述压力探头，用于根据所述直流电压信号源产生的直流电压信号，测量当前环境的大气压信号。
5.根据权利要求4所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述信号调理模块，包括：
电流转换放大电路、滤波放大电路、峰值检波放大电路和差分放大电路；其中，
所述电流转换放大电路，通过导线与所述溶解氧探头的银阴极和铅阳极连接，用于将所述溶解氧浓度信号转换为电压信号，并将转换得到的电压信号进行放大处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号；
所述滤波放大电路，通过导线与所述热敏电阻连接，用于对所述温度信号依次进行滤波、放大处理，得到所述待测水体的温度电压信号；
所述峰值检波放大电路，通过导线与所述电导率探头连接，用于获取所述电导率信号的峰值，并将所述峰值转换为所述待测水体的电导率电压信号；
所述差分放大电路，通过导线与所述压力探头连接，用于对所述当前环境的大气压信号进行差分放大处理，得到所述当前环境的大气压电压信号。
6.根据权利要求5所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述数据处理模块，包括：
TEDS存储器、微处理器和数字接口；其中，
所述TEDS存储器，用于存储温度补偿校正参数，盐度补偿校正参数，大气压补偿校正参数，溶解氧浓度电压信号和溶解氧浓度的对应曲线，温度电压信号和温度的对应曲线，电导率电压信号和盐度的对应曲线，以及大气压电压信号和大气压压强的对应曲线；
所述微处理器，与所述电流转换放大电路、滤波放大电路、峰值检波放大电路差分放大电路和GPRS模块连接，用于查找溶解氧浓度电压信号和溶解氧浓度的对应曲线，确定所述溶解氧浓度电压信号所对应的溶解氧浓度为所述待测水体中的溶解氧浓度，查找温度电压信号和温度的对应曲线，确定所述温度电压信号所对应的温度为所述待测水体的温度，查找电导率电压信号和盐度的对应曲线，确定所述电导率电压信号所对应的盐度为所述待测水体中的盐度，查找大气压电压信号和大气压压强的对应曲线，确定所述大气压电压信号所对应的大气压压强为当前环境的大气压压强，并基于所述待测水体的温度、所述待测水体中的盐度和所述当前环境的大气压压强，利用所述温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度，将所述补偿校正后的溶解氧浓度与所述第一阈值范围进行比较，在所述补偿校正后的溶解氧浓度不在第一阈值范围内时，将所述补偿校正后的溶解氧浓度经过所述数字接口上传给所述GPRS模块，以使所述GPRS模块将所述补偿校正后的溶解氧浓度发送给所述远程终端。
7.根据权利要求6所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述微处理器为STM8单片机。
8.根据权利要求6所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述GPRS模块，包括：
MC55芯片和天线；其中，
所述MC55芯片连接所述数字接口，用于将所述数字接口上传的所述补偿校正后的溶解氧浓度通过所述天线发送给所述远程终端。
9.根据权利要求4所述的检测水中溶解氧的装置，其特征在于，所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻，所述电导率探头为四电极电导率探头，所述压力探头采用电桥式压敏电阻制作而成。
10.一种检测水中溶解氧的方法，其特征在于，包括：
测量待测水体中的溶解氧浓度信号、所述待测水体的温度信号、所述待测水体的电导率信号和当前环境的大气压信号；
对所述溶解氧浓度信号进行处理，得到所述待测水体中的溶解氧浓度电压信号，对所述温度信号进行处理，得到所述待测水体的温度电压信号，对所述电导率信号进行处理，得到所述待测水体的电导率电压信号，对所述当前环境的大气压信号进行处理，得到所述当前环境的大气压电压信号；
根据所述溶解氧浓度电压信号计算所述待测水体中的溶解氧浓度，并根据预先存储的温度补偿校正参数、盐度补偿校正参数和大气压补偿校正参数对所述待测水体中的溶解氧浓度进行补偿校正，得到补偿校正后的溶解氧浓度。
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