CN105911109A

CN105911109A - 一种水中溶解氧在线测量方法及装置

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Publication number: CN105911109A
Application number: CN201610224341.6A
Authority: CN
Inventors: 张峰; 程国建; 卢胜男; 杜航; 姚倩岚
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2016-08-31

Abstract

一种水中溶解氧在线测量方法，步骤为：1）从管道中采集水样至电导率测量池；2）用导电的金属铊与水中溶解氧反应生成能导电的铊离子；3）控制测量池中的水体与金属铊是否发生反应获得两次电导率测量值，用两次电导率差值除以0.035S/cm，获得水中溶解氧含量；水中溶解氧在线测量装置，包括有废液收集池，废液收集池与电导检测池相连通；电导检测池通过进液管与油田注水管道相连通；电导检测池内设有电导率电极；电导率电极与溶解氧测量主控电路相连；准确、灵敏的在线检测水中溶解氧含量，测量过程不污染水体。

Description

一种水中溶解氧在线测量方法及装置

技术领域

本发明属于自动测量、计量技术领域，特别涉及一种水中溶解氧在线测量方法及装置。

背景技术

溶解在水中的分子态氧称为溶解氧。目前一般认为，高含氧环境导致腐蚀穿孔频率数倍增长。以塔河油田为例，行业标准中注水水质溶解氧含量要求小于0.05 mg/L，但塔河油田部分拉水站点水质含氧量达0.2～0.3mg/L，经罐车拉运至井口含氧量高达0.40～0.65 mg/L。目前，水中溶解氧测量有碘量法、荧光猝灭法、薄膜氧电极法（电流法）、电导测定法等。碘量法为国标方法，准确度较高，但费时、费力、消耗试剂多，无法满足现场连续测量的要求。荧光猝灭法准确度高，测量结果稳定，但一次性投入成本高，探头及荧光组件每年需更换，费用较大。薄膜氧电极法测量准确度高，但测量消耗氧，受扩散因素限制，操作、维护麻烦，并且探头、电解液等耗材成本高。电导测定法灵敏度高，受温度影响不大，电极成本低，维护简单，但污染水体。目前，缺少一种测量准确、成本低、操作维护简单的水中溶解氧含量在线测量方法及装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种准确、灵敏的水中溶解氧含量在线检测方法及装置，测量过程不污染水体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水中溶解氧在线测量方法及装置，包括以下步骤：

1）用泵或电磁阀从管道中采集水样至电导率测量池；

2）用导电的金属铊与水中溶解氧反应生成能导电的铊或氢氧根离子，其反应方程式为：

3）控制测量池中的水体与金属铊是否发生反应获得两次电导率测量值，用两次电导率差值除以0.035S/cm，即可获得水中溶解氧含量，单位：mg/L。

一种水中溶解氧在线测量装置，包括有废液收集池，废液收集池与电导检测池相连通；电导检测池通过进液管与油田注水管道相连通；电导检测池内设有电导率电极；电导率电极与溶解氧测量主控电路相连。

所述的溶解氧测量主控电路5包括有单片机，单片机的A/D端与电导率电极的输出信号相连；单片机的显示端与液晶显示器相连；单片机分别控制进水电磁阀、排水电磁阀；电源给上述部件供电。

所述的废液收集池与电导检测池之间设有连接泵一。

所述的进液管上设有连接泵二。

所述的连接泵一也可采用电磁阀代替。

所述的连接泵二也可采用电磁阀代替。

本发明的有益效果是：

为了实现在线测量，同时保证不污染水体，用泵或电磁阀从管道中采集水样至电导率测量池进行测量，控制测量池中的水体与金属铊是否发生反应获得两次电导率测量值，然后用两次电导率差值除以0.035S/cm，即可获得水中溶解氧含量（单位：mg/L）。完成测量后将测量池中的水排至废液回收池中，这样可保证不污染注水管道中的水体。通过测定水样中电导率的增量，求得溶解氧的浓度；金属铊与水中溶解氧发生反应的实验表明，每增加0.035S/cm的电导率相当于水中1mg/L的溶解氧。

电导率测量采用低成本的电导率探头，探头数据采集端采用高精度模数转换器，测量精度高且速度快。在电导率测量池中测量，可完成对管道中水体的溶解氧含量的在线检测，同时又不污染管道中的水体，且金属铊的消耗少。整个测量过程全自动实现，无需人工干预。测量结果用液晶显示，简洁大方。

附图说明

图1为本发明水中溶解氧在线检测装置原理图。

图2为本发明的溶解氧测量主控电路与电导率电极的连接原理框图。

图3为本发明溶解氧测量主控电路图。

图4为本发明电源电路图。

图5为本发明±4V电压产生电路图。

图6为本发明电导率电极供电信号（1KHz的±4V方波）产生电路图。

图7为本发明电导率电极输出信号的带通滤波电路图。

图8为本发明电导率电极滤波信号的整形电路图。

图9为本发明继电器控制电路图；其中图9（a）为继电器K1控制循环泵1的电路图；图9（b）为继电器K2控制取样泵2的电路图；图9（c）为继电器K3控制搅拌泵3的电路图；图9（d）为继电器K4控制清洗泵4的电路图。

图10为本发明溶解氧测量软件流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

采用灵敏度最高的电导测定法，结合自动连续取样装置，实现低成本的快速在线溶解氧含量监测。本发明的整体框图如图1所示，主要包括自动连续取样采集装置、电导率电极和溶解氧测量主控电路。图3为本发明的溶解氧测量主控电路图。具体实施分电路设计和测量流程两个层面进行介绍。

参见图1，一种水中溶解氧含量的装置，包括有废液收集池1，废液收集池1与电导检测池2相连通；电导检测池2通过进液管3与油田注水管道4相连通；电导检测池2内设有电导率电极14；电导率电极14与溶解氧测量主控电路板5相连。

参见图2，所述的溶解氧测量主控电路5包括有单片机6，单片机的A/D端与A/D转换器7相连；单片机的显示端与液晶显示器11相连；单片机分别控制进水电磁阀12、排水电磁阀13；电源8给上述部件供电。

所述的废液收集池与电导检测池之间设有连接泵一10。

所述的进液管上设有连接泵二9。

所述的连接泵一也可采用电磁阀代替。

所述的连接泵二也可采用电磁阀代替。

本发明的具体电路设计如下：

参见图3，溶解氧测量主控电路控制测量、显示，单片机采用STC12C5616AD，电导测量采用上海雷磁DJS-10型电导率电极，显示采用OLED12864。Y1、C3和C7构成时钟电路，晶振频率11.0592MHz；按键S2、R2和C11构成复位电路，RST信号常态为低电平，按键按下时为高电平；系统设计了两种模式，手动和监测模式；手动模式设BACK和OK两键，均为查询方式，开机后进入主界面，按OK键进入测量界面开始测量，测量结束后，按BACK键返回主界面，再按OK键再次开始测量；监测模式，按系统设定的间隔时间自动重复测试。

图4为系统电源设计，电源采用开关电源，输入为市电，输出为±24V；然后，经过稳压器件U3和U4输出电压±9V；9V电压输入给U13，输出5V电压；±9V用于U5-U13等芯片供电，5V(VCC)用于U1、U2、U9、U10及4个继电器(K1-K4)的供电。

图5、图6用于DJS-10型电导率电极供电，电导率电极供电要求频率为1KHz的±4V方波方式。图5用于产生±4V电压。U8为基准芯片，其2脚Vout用于输出2V基准电压。该2V电压经过U6A射随输出，以提高其驱动能力。2V电压经U5同相放大，放大倍数为，调整R4使U5的6脚输出为+4V。+4V电压输入给U7，经反相放大，放大倍数为，调整R6使U6的6脚输出为-4V。±4V分别接至8选1芯片U9，U9的控制端由高至低分别为C、B、A。B和C接地，A接单片机P3.5口；通过程序设计使单片机P3.5口输出1KHz方波，当P3.5口为零电平时，U9译码选通0端信号至3脚COM端，COM端信号为+4V；当P3.5口为高电平(VCC，+5V)电平时，COM端信号为-4V；因此，经过图5、图6中所有器件配合，U9的COM最终输出1KHz方波，高低电平分别为±4V。

参见图7，电导率电极输出信号的带通滤波电路用于电导率电极输出信号滤波。DJS-10型电导率电极有三根信号线，两根用于供电，一根用于信号输出。供电信号包括1KHz方波和地，输出信号为1KHz的类似方波信号。为滤除干扰信号，U10和R16、R19、R21、R22构成一个中心频率1K、带宽100Hz的带通滤波器，电导率电极输入信号sens_out经滤波后输出sens_out_filt信号。

图8为整形电路，对sens_out_filt信号进行整形，整形之后的输出为直流电压信号AD(P1.3)，其大小反映电导率大小。经标定，信号幅值与电导率之间的关系为2阶多项式关系。AD(P1.3)信号直接送往单片机U1的P1.3口进行A/D转换。单片机根据转换值可计算出直流电压信号幅值，然后将幅值代入2阶多项式即可计算出电导率值。通过两次测量的电导率差值除以0.035S/cm，即可获得水中溶解氧含量（单位：mg/L）。

图9为继电器控制电路，用于控制溶解氧测量过程中的进液管和排液管的打开关闭等。继电器采用施耐德的SSR-40 DD，PNP三极管控制继电器开、断，低电平继电器吸合，高电平断开。继电器K1控制泵1，泵1又称为循环泵，用于模拟注水管道；继电器K2控制泵2，泵2又称为取样泵，用于从注水管道中将水样注入到电导率测量池；继电器K3控制泵3，泵3又称为搅拌泵，用于铊和水样发生反应后，对水体进行搅拌，使得水体中导电离子浓度均匀；继电器K4控制泵4，泵4又称为清洗泵，用于测量结束后，从管道中注水给电导测量池，然后再排空，用于电导测量池清洗。

图10为溶解氧在线测量装置的软件流程简图，开机后程序循环运行，通过两次电导率测量值计算出水中溶解氧浓度，然后送往OLED12864液晶显示。

在电路设计之上，溶解氧在线测量装置的详细测量流程如下：

第一步(反应前测量)：关闭排液管，打开进液管，使电导检测池水位达到位置1，关闭进液管；测量水体电导率值。水位可通过进液管流量来控制打开时间。

第二步(反应后测量)：打开进液管，使电导检测池水位达到位置2，使水位漫过金属铊，然后关闭进液管。测量水样电导率值，获得两次测量的电导率差值，除以0.035S/cm即可获得水中溶解氧含量（单位：mg/L）。

第三步(排空电导池)：测量完成后，打开排液管。

第四步(清洗电导池)：关闭排液管，打开进液管，使电导检测池水位达到位置1；关闭进液管，打开排液管；此过程可根据实际情况，重复1-3次，完成电导池的清洗工作。

一次在线测量完成后，返回第一步开始第二次在线测量。

具体测量实施例：

在以上基础上，我们设计了一个本发明的一个物理原型，验证其效果。对比仪器为DOG6810溶解氧分析仪。

测量例1，2016年3月1日，使用自来水做测试水样，DOG6810溶解氧分析仪测量水中溶解氧浓度为3.7 mg/L，本装置的测量结果为3.5 mg/L。

测量例2，2016年3月2日，对3月1日的水样放置一天后，使用DOG6810溶解氧分析仪测量水中溶解氧浓度为4.6 mg/L，本装置的测量结果为4.5 mg/L。

测量例3，2016年3月4日，在曲江池遗址公园取水样，使用DOG6810溶解氧分析仪测量水中溶解氧浓度为6.8 mg/L，本装置的测量结果为6.9 mg/L。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员还可据此做出多种变化，但任何和本发明等同或者雷同的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims

1.一种水中溶解氧在线测量方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：

1）用泵或电磁阀从管道中采集水样至电导率测量池；

3）控制测量池中的水体与金属铊是否发生反应获得两次电导率测量值，用两次电导率差值除以0.035S/cm，即可获得水中溶解氧含量。

2.一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，包括有废液收集池，废液收集池与电导检测池相连通；电导检测池通过进液管与油田注水管道相连通；电导检测池内设有电导率电极；电导率电极与溶解氧测量主控电路相连。

3. 根据权利要求2所述的一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，所述的溶解氧测量主控电路包括有单片机，单片机的A/D端与电导率电极的输出信号相连；单片机的显示端与液晶显示器相连；单片机分别控制进水电磁阀、排水电磁阀；电源给上述部件供电。

4.根据权利要求2所述的一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，所述的废液收集池与电导检测池之间设有连接泵一。

5.根据权利要求2所述的一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，所述的进液管上设有连接泵二。

6.根据权利要求4所述的一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，所述的连接泵一也可采用电磁阀代替。

7. 根据权利要求5所述的一种水中溶解氧在线测量装置，其特征在于，所述的连接泵二也可采用电磁阀代替。