CN105466996B - 一种氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法，其中，氧电流测量电路包括运算放大器U1和芯片U2，所述运算放大器U1的反向输入端IN1与溶解氧测量仪中溶解氧传感器的银阳极相连，所述运算放大器U1的正向输入端IN2与0.68V直流电平相连，所述运算放大器U1的输出端OUT1与数模转换器A/D芯片U2的输入端相连；所述芯片数模转换器A/D芯片U2的输出端与溶解氧测量仪中的微处理芯片MCU相连；所述运算放大器U1的反向输入端IN1和输出端OUT1之间并联一电阻R1，电阻R1的两端并联一电容C1。充分利用极化电压对氧电流响应时间的影响，大大缩短在多次反复测量溶解氧值时所需要的时间。

Description

一种氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法
技术领域
本发明涉及一种氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法，属于溶解氧测量技术领域。
背景技术
空气中的氧分子溶解在水中后即为溶解氧(DO，dissolved oxygen)，溶解氧值是环保部门水质监测中的指标之一，同时也是水体自净能力的重要条件。准确、方便、快速地测量水中的溶解氧含量对环境监测，工业和农业生产均具有重要意义。极谱式溶解氧测定采用的方法是氧电流法。氧电流法也叫Clark溶解氧电极法，传感器的电极通常由金阴极，银阳极，氯化钾或氢氧化钾电解液以及透氧膜组成，根据通过检测透过透氧膜的氧分子所参加电化学反应产生的扩散电流，就可以来测定水中所含的溶解氧值。影响溶解氧测量响应速度的因素包括电解液中氯离子的浓度、银阳极和电解液的接触面积、金阴极和电解液的接触面积、透氧膜与电解液的接触面积和极化电压。在传感器的各个参数都固定的情况下，极化电压无疑是对溶解氧测量响应时间影响最大的因素。如何充分利用极化电压对氧电流响应时间的影响，设计新型的氧电流处理电路，将大大缩短在多次反复测量溶解氧值时所需要的时间，提高极谱式溶解氧测量的响应速度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法，充分利用极化电压对氧电流响应时间的影响，大大缩短在多次反复测量溶解氧值时所需要的时间。
为解决上述技术问题，本发明提供一种氧电流测量电路，包括运算放大器U1和芯片U2，所述运算放大器U1的反向输入端IN1与溶解氧测量仪中溶解氧传感器的银阳极相连，所述运算放大器U1的正向输入端IN2与0.68V直流电平相连，所述运算放大器U1的输出端OUT1与模数转换器A/D芯片U2的输入端相连；所述芯片模数转换器A/D芯片U2的输出端与溶解氧测量仪中的微处理芯片MCU相连；所述运算放大器U1的反向输入端IN1和输出端OUT1之间并联一电阻R1，电阻R1的两端并联一电容C1。
一种溶解氧测量仪，包括微处理芯片MCU、LCD显示模块、按键模块、电源模块、溶解氧传感器以及上述的氧电流测量电路，所述溶解氧传感器的银阳极与所述氧电流测量电路的运算放大器U1的反向输入端IN1相连，所述氧电流测量电路中模数转换器A/D芯片U2的输出端与微处理芯片MCU相连，所述LCD显示模块、按键模块、电源模块均与所述微处理芯片MCU相连。
一种氧电流测量方法，包括以下步骤：
步骤一，溶解氧测量仪的金阴极和银阳极上发生氧化还原反应，消耗待测溶液中的氧气，在氧电流测量电路中产生氧电流IDO；氧电流IDO从IN1流向电阻R1，电阻R1将氧电流IDO转化为电压值供模数转换器A/D芯片U2做电压比较；同时，与电阻R1并联的电容C1为溶解氧传感器提供预极化电压；
步骤二，根据运算放大器U1的虚短、虚断特性，计算出运算放大器U1的输出电压UOUT1；
步骤三，溶解氧测量仪分别检测无氧水和空气，得到最小电压值UMIN和最大电压值UMAX；其中最小电压值UMIN对应的溶解氧浓度为0，最大电压值UMAX对应的溶解氧浓度为20mg/L。
步骤四，根据最小电压值UMIN和最大电压值UMAX计算待测溶液中溶解氧浓度DO；
其中，所述步骤二中，运算放大器U1的输出电压UOUT1的计算公式为：
UOUT1＝0.68+R1*IDO
其中，IDO取值为30nA～1300nA，R1的值为500KΩ。
所述步骤四中，待测溶液中溶解氧浓度DO的计算公式为：
进一步，对待测溶液测量溶解氧浓度时，多次测量取平均值，且每次测量前均将测量仪重新通电。
本发明所达到的有益技术效果：
1.本发明提供的氧电流测量电路能显著提高溶解氧测量的响应速度；在相同的测量条件下，在对被测液体进行多次测量的时候，能节省40％的响应时间；
2.电路结构简单，能降低测量系统硬件成本；跟传统方案相比，本发明只需要用到一级运放；
3.系统精密电阻的需求量显著减少；跟传统方案相比，本发明使用的精密电阻的数量减少了4个；
附图说明
图1本发明之电路测量电路的示意图；
图2本发明之溶解氧测量仪的部件连接示意图；
具体实施方式
为了能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发明的附图结合实施例进行更详细的说明。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种氧电流测量电路，包括运算放大器U1和芯片U2，所述运算放大器U1的反向输入端IN1与溶解氧测量仪中溶解氧传感器的银阳极相连，所述运算放大器U1的正向输入端IN2与0.68V直流电平相连，所述运算放大器U1的输出端OUT1与模数转换器A/D芯片U2的输入端相连；所述芯片模数转换器A/D芯片U2的输出端与溶解氧测量仪中的微处理芯片MCU相连；所述运算放大器U1的反向输入端IN1和输出端OUT1之间并联一电阻R1，电阻R1的两端并联一电容C1。电容C1是该电路结构的亮点之处，除了滤波的作用的外，最主要的功能是作为储能电容，给DO传感器提供一个预极化的电压。
如图2所示，一种溶解氧测量仪，包括微处理芯片MCU、LCD显示模块、按键模块、电源模块、溶解氧传感器以及上述述的氧电流测量电路，所述溶解氧传感器的银阳极与所述氧电流测量电路的运算放大器U1的反向输入端IN1相连，所述氧电流测量电路中模数转换器A/D芯片U2的输出端与微处理芯片MCU相连，所述LCD显示模块、按键模块、电源模块均与所述微处理芯片MCU相连。
一种氧电流测量方法，包括以下步骤：
步骤一，溶解氧测量仪的金阴极和银阳极上发生氧化还原反应，消耗待测溶液中的氧气，在氧电流测量电路中产生氧电流IDO；氧电流IDO从IN1流向电阻R1，电阻R1将氧电流IDO转化为电压值供模数转换器A/D芯片U2做电压比较；同时，与电阻R1并联的电容C1为溶解氧传感器提供预极化电压；
步骤二，根据运算放大器U1的虚短、虚断特性，计算出运算放大器U1的输出电压UOUT1，具体计算公式为：
UOUT1＝0.68+R1*IDO
其中，IDO取值为30nA～1300nA，R1的值为500KΩ。
步骤三，溶解氧测量仪分别检测无氧水和空气，得到最小电压值UMIN和最大电压值UMAX；其中最小电压值UMIN对应的溶解氧浓度为0，最大电压值UMAX对应的溶解氧浓度为20mg/L。
步骤四，根据最小电压值UMIN和最大电压值UMAX计算待测溶液中溶解氧浓度DO，具体计算公式为：
在实际应用是，对待测溶液测量溶解氧浓度时，多次测量取平均值，且每次测量前均将测量仪重新通电。
为了说明本发明提供的氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法中电容C1的作用，以饮用自来水为例进行详细说明：自来水的氧电流IDO的数值为400nA，当测量仪断电的时候，由于U1和U2的输入端电阻非常大，几乎等效为开路，所以流过R1的400nA电流，会在电容C1两端产生0.2V的电压，并且该电压只能通过溶解氧传感器缓慢泄放。电容C1上存储的0.2V在通过溶解氧传感器缓慢泄放的过程中，同时还充当了极化电压的角色。从溶解氧测量仪的极谱曲线可以看出，该0.2V的极化电压可以维持溶解氧传感器中的氧化还原反应，大大节省了测量仪再次通电时溶解氧传感器的极化时间。实测储能电容C1上电压泄放时间的数据见表1。
表1电容C1上电压泄放时间
从表1中可以看出，测量仪断电之后5分钟，储能电容C1上仍有0.146V的残余电压，该电压依旧可以给DO传感器提供极化电压。通常对某溶液进行多次测量时求平均值时，间隔时间不会多于5分钟，采用储能电容的设计方案，可以节省测量仪再次开机通电时，对DO传感器的极化时间，提高溶解氧测量仪的响应速度。
为了说明本发明提供的氧电流测量电路、溶解氧测量仪及氧电流测量方法节约响应时间的技术效果，以测量常温自来水中的溶解氧浓度为例，得到采用本法的技术方案和传统的技术方案响应时间对比结果，如表2所示。
表2响应时间测试结果
从表2中可以看出，采用本发明的技术方案，测到的溶解氧浓度在测量进行到30秒左右的时候已经稳定，而采用传统的技术方案，溶解氧浓度要等到50秒左右才能稳定。二者相比，采用本发明，响应时间节省了40％左右。进一步说明，储能电容C1对溶解氧传感器的预极化作用非常明显。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种利用氧电流测量电路的氧电流测量方法，其特征在于：该氧电流测量电路包括运算放大器U1和芯片U2，所述运算放大器U1的反向输入端IN1与溶解氧测量仪中溶解氧传感器的银阳极相连，所述运算放大器U1的正向输入端IN2与0.68V直流电平相连，所述运算放大器U1的输出端OUT1与模数转换器A/D芯片U2的输入端相连；所述模数转换器A/D芯片U2的输出端与溶解氧测量仪中的微处理芯片MCU相连；所述运算放大器U1的反向输入端IN1和输出端OUT1之间并联一电阻R1，电阻R1的两端并联一电容C1，所述氧电流测量方法包括以下步骤：
步骤一，溶解氧测量仪的金阴极和银阳极上发生氧化还原反应，消耗待测溶液中的氧气，在氧电流测量电路中产生氧电流IDO；氧电流IDO从IN1流向电阻R1，电阻R1将氧电流IDO转化为电压值供模数转换器A/D芯片U2做电压比较；同时，与电阻R1并联的电容C1为溶解氧传感器提供预极化电压；
步骤二，根据运算放大器U1的虚短、虚断特性，计算出运算放大器U1的输出电压UOUT1，计算公式为：
UOUT1＝0.68+R1*IDO
其中，IDO取值为30nA～1300nA，R1的值为500KΩ；
步骤三，溶解氧测量仪分别检测无氧水和空气，得到最小电压值UMIN和最大电压值UMAX；其中最小电压值UMIN对应的溶解氧浓度为0，最大电压值UMAX对应的溶解氧浓度为20mg/L；
步骤四，根据最小电压值UMIN和最大电压值UMAX计算待测溶液中溶解氧浓度DO，计算公式为：
2.根据权利要求1所述的氧电流测量方法，其特征在于：对待测溶液测量溶解氧浓度时，多次测量取平均值，且每次测量前均将测量仪重新通电。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106405197B (zh) * 2016-11-25 2018-12-11 西安微电子技术研究所 抗辐照100v高精度电流检测电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520031A (zh) * 2011-10-25 2012-06-27 杭州电子科技大学 一种水中溶解氧检测电路
CN203037617U (zh) * 2013-01-05 2013-07-03 上海朝辉压力仪器有限公司 溶解氧检测装置和溶解氧检测仪
CN204330743U (zh) * 2015-01-09 2015-05-13 中科谱创(北京)科技有限公司 一种高精度恒定化学成分测试仪电路

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5861458A (ja) * 1981-10-09 1983-04-12 Oriental Yeast Co Ltd 酸素検出器及び酸素濃度測定装置
JP3404865B2 (ja) * 1993-02-26 2003-05-12 東ソー株式会社 赤血球の酸素解離、会合モニタ−方法及び装置
JP4673747B2 (ja) * 2003-11-14 2011-04-20 株式会社タニタ 水質計
WO2007029245A2 (en) * 2005-09-07 2007-03-15 Medis Technologies Ltd. Electrochemical method and system for detection of trace explosives
CN205449876U (zh) * 2015-12-30 2016-08-10 南京信息工程大学 一种氧电流测量电路及溶解氧测量仪

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520031A (zh) * 2011-10-25 2012-06-27 杭州电子科技大学 一种水中溶解氧检测电路
CN203037617U (zh) * 2013-01-05 2013-07-03 上海朝辉压力仪器有限公司 溶解氧检测装置和溶解氧检测仪
CN204330743U (zh) * 2015-01-09 2015-05-13 中科谱创(北京)科技有限公司 一种高精度恒定化学成分测试仪电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
电化学式微量溶解氧检测方法的研究;辛联庆;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊） 信息科技辑》;20150615(第06期);第33-51页

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