CN109459079B - 一种水质传感数据标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质传感数据标定系统及方法，包括容器、设于容器内与信号处理单元均具有信号连接的温度传感探头、标准传感探头、容器、溶质注入单元和温度调节单元；温度传感探头探测待测液体温度变化；标准传感探头为经过标定的传感探头；信号处理单元采集待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头的传感值，获得多个温度标定点下的参数测量值，并根据温度传感探头采集的参数生成温度调节单元控制信息；并控制溶质注入单元动作；温度调节单元控制容器内液体温度，溶质注入单元按预设步长将溶质注入容器，以调节溶液浓度；本发明提供的该系统及方法去除了温度因素耦合性对测量值的影响，实现了对多耦合性参量的测量值的准确标定和修正。
Description
技术领域
本发明属于环境检测技术领域，更具体地，涉及一种水质传感数据标定系统及方法。
背景技术
水质参数之间存在耦合关系。所谓耦合关系，即对于参量A和参量B,设其测量值分别为a和b，实际值表示为FA和FB，FA和FB都是同时关于a和b的函数，对于这样的耦合关系，仅利用测量值a来映射换算FA，或仅利用测量值b来映射换算FB，将得不到参数正确的实际值。水质相关参数大多与温度相关。与温度的相关性既表现在传感器本身的电学、化学等特性随温度的变化而变化，例如电导率的测量是基于阻抗特性的测量来进行，而阻抗具有温度相关性；也表现在，待检测参数的定义本身与温度相关，例如pH值的定义本身具有温度相关性。譬如水质电导率一般利用“电阻值-电导率”来测量，但由于温度对电阻值存在影响，隐含存在“温度-电阻值”的关系，因此仅利用“电阻值-电导率”的对应关系，不能通过电阻值得到电导率测量真实值。现有的水质传感器及水质传感器标定方法，或未考虑多参数之间的耦合关系，或仅基于硬件电路的近似修正方法来进行调整，均不能得出精准的测量真实值。
对水质传感探头进行标定，需要在多种参数条件下进行标定，从而获得多个标定点。标定点越多标定和修正效果越好，测量结果越准确。但标定点增多，将使得标定工作非常繁琐。现有的标定方法，均不能自动在多种参数条件下进行标定，从而使得高精度的标定难以完成，或者标定效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水质传感数据标定系统及方法，其目的在于确定使待标定传感探头在实际使用中赖以进行有效、准确计算和转换的三维空间点集，实现多耦合性参量的准确标定和修正。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水质传感数据标定系统，包括温度传感探头、标准传感探头、容器、溶质注入单元、温度调节单元和信号处理单元；
其中，温度传感探头、标准传感探头、待标定的探头、溶质注入单元和温度调节单元均与信号处理单元具有信号连接；
温度传感探头用于探测待测液体温度的变化；标准传感探头为经过标定的传感探头，其传感结果已去除温度的影响；信号处理单元用于采集待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头的传感值，获得多个温度标定点下的参数信息；并根据探头采集到的参数生成温度调节单元控制信息、溶质注入单元控制信息；温度调节单元用于在信号处理单元的控制下对容器内液体温度的升降进行控制；溶质注入单元在信号处理单元的控制下按照预设步长将溶质注入容器，以调节溶液浓度。
优选的，上述水质传感数据标定系统，还包括搅拌器，搅拌器用于对容器内的液体进行搅拌，促进溶质的溶解，并促进溶液温度均一化。
优选的，上述水质传感数据标定系统，标准传感探头采用单一参数传感探头，或采用多参数复合传感探头组合。
优选的，上述水质传感数据标定系统，以半导体制冷制热器作为温度调节单元来实现升温和降温的主动控制。
按照本发明的另一方面，提供了一种水质传感数据标定方法，包括如下步骤：
(1)按照设定的浓度调节步长将一定量的溶质注入容器内的溶剂中，溶质注入量根据设定的浓度调节步长确定；若待标定的浓度范围的下限是零浓度，则第一轮标定过程中，不注入溶质；
(2)调节溶液温度，使溶液温度到达设定温度范围中的一个温度点位并稳定；
(3)待温度传感探头、标准传感探头以及待标定传感探头的传感值均稳定后，记录这三个传感探头当前采集的参数值，构成一个元素；
(4)若在当前浓度点位下，还有其他的温度点位未标定，则进入步骤(2)，使溶液温度稳定在另一个未标定的温度点位；若在当前浓度点位下，所有温度点位均已标定并记录，则进入步骤(1)，进行另一浓度点位下的标定。
(5)待所有设定的浓度点位和温度点位遍历完成，由所记录的多组元素构成标定的三维点集。
优选的，上述水质传感数据标定方法，在步骤(1)之前还包括参数设定步骤，设定浓度范围、浓度调节步长、温度范围、温度调节步长。
优选的，上述水质传感数据标定方法，还包括根据所获得的三维点集，采用三角形插值法获得待标定的多耦合参量的真实值。
优选的，上述水质传感数据标定方法，获取待标定参数真实值的方法为：
(1)将三维点集中的温度传感探头传感值和标准传感探头传感值作为散点，将所有散点分割为三角形，分割原则为：所有三角形，两两不相交，即不存在重叠部分；划分好的三角形构成一个三角形集合；
(2)查找三角形：实际测量中，对于本水质探头获得的具体的一组a、b的值，查看其位于三角形集合中的哪一个三角形内部；
(3)确定多耦合参量真实值：将所找出的三角形的三个顶点，与各自对应的FA值，构建成一个空间三角形；
(4)空间三角形的方程表达为TA，多耦合性参量FA与FA对应的测量值a、b符合方程TA，根据空间三角形的方程获得多耦合性参量FA测量值的标定值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的水质传感数据标定系统及方法，在标定和测量时考虑了温度特性，因此标定和测量得出的结果，均是基于同一个温度值的结果，这样去除了温度因素耦合性对测量值的影响；实现了多耦合性参量的测量的准确标定和修正，特别是实现了温度相关的水质传感探头的标定和修正。
(2)本发明提供的水质传感数据标定系统及方法，以自动化的方式进行多点标定，实现了水质传感探头的多点标定和校准的自动化完成；克服了现有的标定方法进行多点标定过程繁琐、效率较低的缺陷。
附图说明
图1是本发明提供的水质传感数据标定系统的系统构成示意图；
图2是实施例中提供的水质传感数据标定方法的流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-待标定传感探头、2-温度传感探头、3-标准传感探头、4-容器、5-搅拌器、6-溶质注入单元、7-温度调节单元、8-信号处理单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1，实施例提供的水质传感数据标定系统，包括温度传感探头2、标准传感探头3、容器4、搅拌器5、溶质注入单元6、温度调节单元7和信号处理单元8。
其中，温度传感探头2用于探测待测液体温度的变化；标准传感探头3为标准的、经过标定的传感探头，其传感结果已去除温度的影响；可采用单一参数传感探头，也可采用多参数复合传感探头组合。搅拌器5用于对容器内的液体进行搅拌，促进待测溶质的溶解，并促进液体温度均一化。温度调节单元7用于对容器内液体温度的升降进行控制，信号处理单元8用于采集待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头的传感值，以获得多个标定点的数值信息。实施例中以半导体制冷制热器作为温度调节单元来实现升温和降温的主动控制。
在一个实施例中，待标定传感探头和标准传感探头为电导率传感探头，传感对象为氯化钠水溶液；采用上述水质传感数据标定系统进行参数标定的流程参照图2，具体如下：
(1)向容器中注入待测量标定的液体溶剂，向溶质注入单元6中放入溶质；实施例中以纯水作为液体溶剂，以纯净氯化钠作为溶质。
(2)设置浓度范围、浓度调节步长、温度范围、温度调节步长；浓度范围、温度范围影响到标定的量程范围，浓度调节步长、温度调节步长影响到标定的精细程度。
(3)信号处理单元8控制溶质注入单元6将一定量的溶质注入容器内的溶剂中，溶质注入量根据设定的浓度调节步长确定；若待标定的浓度范围的下限是零浓度，则第一轮标定过程中，不注入溶质。
(4)信号处理单元8控制温度调节单元7使温度到达设定的温度范围中的一个温度点位并稳定。
(5)信号处理单元8检测温度传感探头2、标准传感探头3以及待标定传感探头的传感数值，待各探头的传感数值稳定后，记录相应的这三个传感探头采集的参数值。
(6)若在当前浓度点位下，还有其他的温度点位未标定，则继续进入步骤(4)，使温度稳定在另一个未标定的温度点位；若在当前浓度点位下，所有温度点位均已标定并记录，则进入步骤(3)，进行另一浓度点位下的标定。
(7)待所有设定的浓度点位和温度点位遍历完成，获得完成所有标定后的三维点集。
采用获得的三维点集对的多耦合性参量的测量值进行修正。在一个实例中，对于参量A和参量B，设其直接测量值分别为a和b，实际值表示为FA，FB；其中，FA是关于a和b的参数，FA＝fA(a,b)。
对于任一组FA、a、b，均构成一个三维的点，所有的FA、a、b的取值情形汇总在一起，构成一个连续的三维点集，即一个三维空间，该三维空间为标定三维空间。该三维空间实施例提供的传感数据标定系统输出的标定结果，该三维空间为经过标定的探头实际使用中的准确传感提供进行灵活的、多样化的计算的基础。经过标定的传感探头，在实际应用中可以根据不同的需要，采取不同的计算方法譬如平滑法、三角形插值法、近似法得到准确的参量实际值。
实施例中，三角形插值法中，三维点集包括(a0,b0,FA0)、(a1,b1,FA1)、…(ai,bi,FAi)…(an,bn FAn)；ai是标定过程中待标定传感器测得的原始的值，bi是标定过程中的温度值，FAi是标定过程中标准传感探头测量的准确值。
列出所有的(a0,b0)、(a1,b1)…(ai,bi,)…(an,bn)，命名为点P0,P1，…Pi…Pn；
将所有的点P能构成的三角形全部列出来，找其中面积最小的那一个三角形；对于该三角形的“外边”，也就是在图形外侧的边，实际上也就是三条边，分别再找一个没用过的点，构成三角形，使：与已经构成的三角形没有重合部分，并且新构成的三角形面积尽可能小，得到4个挤在一起的三角形集合；
继续分别对上面找到的三角型集合的每一个“外边”，加上没用过的点，构成三角形，使：已经构成的三角形没有重合部分，并且新构成的三角形面积尽可能小，直至所有可用的点用完。
采用该三角形插值法分割三角形的结果不唯一，但工程可用。
三角形分割完成，后面就是三角形查找了。设实际使用测量中，得到了一组a、b值，分别表为ax、bx。通过查找三角形，发现(ax,bx)在三个点(ao,bo)、(ap,bp)、(aq,bq,)构成的三角形上。
那么，就找到了空间三角形TA，TA就是指(ao,bo,FAo)、(ap,bp,FAp)、(aq,bq,FAq)构成的三角形；认为(ax,bx,FAx)符合TA方程，求出FAx，从而得到测量参数的真实、准确的值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种水质传感数据标定系统，其特征在于，包括待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头、容器、溶质注入单元、温度调节单元和信号处理单元；所述温度传感探头、标准传感探头、待标定传感探头、溶质注入单元和温度调节单元均与信号处理单元具有信号连接；
所述温度传感探头用于探测待测液体温度的变化；标准传感探头为经过标定的传感探头；信号处理单元用于采集待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头的传感值，获得多个温度标定点下的参数测量值，并根据温度传感探头采集到的参数生成温度调节单元控制信息；并用于控制溶质注入单元动作；温度调节单元用于在温度调节单元控制信息作用下对容器内液体温度的升降进行控制；溶质注入单元在信号处理单元的控制下按照预设步长将溶质注入容器，以调节溶液浓度；
所述信号处理单元还用于根据待标定传感探头、温度传感探头、标准传感探头的传感值构成的三维点集采用三角形插值法获得待标定的多耦合参量真实值，具体包括步骤：
(a)将三维点集中的温度传感探头传感值和标准传感探头传感值作为散点，将所有散点按照所有三角形两两不相交的原则分割为三角形，划分好的三角形构成一个三角形集合；
(b)对于本水质探头获得的具体的一组探测值，查看其位于三角形集合中的哪一个三角形内部；
(c)将所找出的三角形的三个顶点，与各自对应的多耦合性参量，构建成一个空间三角形；
(d)根据空间三角形的方程获得多耦合性参量测量值的标定值。
2.如权利要求1所述的水质传感数据标定系统，其特征在于，还包括搅拌器，搅拌器用于对容器内的液体进行搅拌，促进溶质的溶解及溶液温度均一化。
3.如权利要求1或2所述的水质传感数据标定系统，其特征在于，标准传感探头采用单一参数传感探头或多参数复合传感探头组合。
4.如权利要求1或2所述的水质传感数据标定系统，其特征在于，采用半导体制冷制热器作为温度调节单元。
5.一种水质传感数据标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照设定的浓度调节步长将一定量的溶质注入容器内的溶剂中，溶质注入量根据设定的浓度调节步长确定；若待标定的浓度范围的下限是零浓度，则第一轮标定过程中，不注入溶质；
(2)调节溶液温度，使溶液温度到达设定温度范围中的一个温度点位并稳定；
(3)待温度传感探头、标准传感探头以及待标定传感探头的传感值均稳定后，记录这三个传感探头当前采集的参数值，构成一组元素；
(4)若在当前浓度点位下，还有其他的温度点位未标定，则进入步骤(2)，使溶液温度稳定在另一个未标定的温度点位；若在当前浓度点位下，所有温度点位均已标定，则进入步骤(1)，进行另一浓度点位下的标定；
(5)待所有设定的浓度点位和温度点位遍历完成，由所记录的多组元素构成标定的三维点集；
(6)根据所获得的三维点集采用三角形插值法获得待标定的多耦合参量真实值，具体包括步骤：
(a)将三维点集中的温度传感探头传感值和标准传感探头传感值作为散点，将所有散点按照所有三角形两两不相交的原则分割为三角形，划分好的三角形构成一个三角形集合；
(b)对于本水质探头获得的具体的一组探测值，查看其位于三角形集合中的哪一个三角形内部；
(c)将所找出的三角形的三个顶点，与各自对应的多耦合性参量，构建成一个空间三角形；
(d)根据空间三角形的方程获得多耦合性参量测量值的标定值。
6.如权利要求5所述的水质传感数据标定方法，其特征在于，在步骤(1)之前还包括参数设定步骤，设定浓度范围、浓度调节步长、温度范围、温度调节步长。
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