CN110320244A - 一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法，该系统包括恒温水槽，恒温水槽内设置电导池、螺旋盘管、搅拌器和恒温装置，电导池、搅拌器和恒温装置均与检测控制装置连接，检测控制装置还连接多通阀、蠕动泵和电脑终端，多通阀为三进一出多通阀，进路分别连接超纯水储罐、样品海水储罐和标准海水储罐，出路通过蠕动泵、螺旋盘管连接电导池的入口；电导池中设置两个电流电极和两个电压电极，电流电极为纳米级载铂的复合氧化物电极；电压电极为银/氯化银参比电极；检测控制装置内采用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现。本发明所公开的方法操作方便快捷，测试效率高，具有较高性能指标。

Description

一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种海水参数测量方法，特别涉及一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法。
背景技术
盐度是海水最重要的理化特性之一，它的分布变化是影响和制约其它水文要素分布和变化的重要因素，因此海水盐度的测量是海洋水文观测的重要内容，其测量精度要求也越来越高。盐度的定义及测量方法自十九世纪以来经历了多次演变。1980年海洋学常用表和标准联合专家小组(JPOTS)正式提出并推荐采用PSS-78(The Practical SalinityScale 1978)实用盐度标度之后，盐度的定义、测量技术和计量标准统一到了电导率法测盐度的技术上。
电导法测量海水盐度技术具有精度高、操作简单、灵敏度高、可测范围广、便于连续测量等优点，适用于现场及实验室等不同环境，被广泛应用于自动/连续监测，逐渐取代其他测量方法(化学滴定法、密度法、折射率法、电磁感应法等)。目前广泛使用的STD、CTD等海洋监测设备的盐度传感器大多是电极式结构的。但是由于电极式盐度计测量电极直接接触海水，容易出现极化和受海水的腐蚀、污染等问题，使性能减退，这就严重限制了在现场的应用，所以主要用在实验室内做高精度测量。目前的盐度计存在自动化程度比较低，多处手动调节导致系统操作复杂，测量效率低等缺点，测量精度及稳定性等方面也有待提高。
近年来随着海洋水文观测需求的逐步提高，原有的海水盐度计已无法满足现代化海洋快速监测的需要，因此急需智能化及高精度海水盐度计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法，以达到操作方便快捷，测试效率高，自动化程度高，测量精确，具有较高性能指标的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，包括恒温水槽，所述恒温水槽内设置电导池、螺旋盘管、搅拌器和恒温装置，所述电导池、搅拌器和恒温装置均与检测控制装置连接，所述检测控制装置还连接多通阀、蠕动泵和电脑终端，所述多通阀为三进一出多通阀，进路分别连接超纯水储罐、样品海水储罐和标准海水储罐，出路通过蠕动泵、螺旋盘管连接电导池的入口，所述电导池的出口连接废液收集罐。
所述电导池中设置两个电流电极和两个电压电极，所述电流电极为纳米级载铂的复合氧化物电极，该电极的应用有效的增加了电极的表面积，相应使绝对电流密度减小，大大减小了测量过程中的极化电阻效应，降低了干扰电容，适合在海水等高电导率的溶液中的测试。载铂的复合氧化物电极更加稳定，有效的解决了使用过程中电极污染问题，机械强度高，不易脱落，可长期应用。
所述电压电极为银/氯化银参比电极，该电极在海水中具有优良的电位稳定性，电位漂移小，能消除海水中阴离子干扰，解决海水污染引起的电极电位不稳问题。
所述检测控制装置内采用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现。
上述方案中，所述检测控制装置内包括FPGA锁相模块、分别与FPGA锁相模块连接的IIR数字低通滤波器、ADC和DAC，所述IIR数字低通滤波器通过主控系统连接RS485接口和高精度温度传感器，所述DAC通过激励信号电源与电导池中的电流电极连接，所述电导池中的电压电极和电流电极通过可变增益放大器、工频陷波器、抗混叠滤波器与ADC连接。
上述方案中，所述电导池为石英玻璃材质。该石英玻璃制成的电导池具有高硬度及热膨胀系数极低的特点，变形小，最大程度减小因电导池常数变化引起的测量误差；属于超疏水材质，不易沾污，底部排水口的倾斜设计使得排放水样时没有残留；具有较好的透光性，而且便于使用者观察电导池内有无气泡形成；具有绝缘性能好，避免测量过程中电导池外部电流的干扰。整体上提高了测量系统的稳定性和可靠性。
一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量方法，采用上述的基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，包括如下操作步骤：
(1)先测量环境温度，然后设置恒温水槽的温度高于环境温度1-2℃；
(2)启动蠕动泵，打开多通阀的超纯水进路，向电导池中注入超纯水，然后排空电导池，反复清洗管路及电导池；
(3)关闭超纯水进路，打开标准海水进路，清洗管路及电导池，排空，然后再次注入标准海水，测得电导池中标准海水的电导值；
(4)排空标准海水，注入样品海水清洗，再次排空后注入，测量电导池中样品海水的电导值；
(5)根据盐度标准计算公式，前后电导池常数、温度一致，求得最终盐度。
进一步的技术方案中，所述步骤(3)与步骤(4)测得电导值时使用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现，首先使用CORDIC算法分别产生正交的正弦激励信号F2和余弦参考信号F1，激励信号F2通过DDS调制信号模块驱动DAC，进而驱动激励信号电源，激励信号电源将可变频率的交流信号施加于电导池的电流电极，通过可变增益放大器、工频陷波器、抗混叠滤波器将测量的电压电极的电压信号和电流电极的电流信号通过ADC转化成数字信号传送给FPGA锁相模块，在FPGA锁相模块内部测量信号分别与激励信号F2、参考信号F1通过乘法器PSD2、PSD1做乘法，然后通过IIR数字低通滤波器滤除掉无用的高次谐波得到电导池电压电极所测电压值和流过电流电极的电流值，传送给主控系统，在主控系统内两者相除获得溶液的电导值。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法具有以下有益效果：
本专利所述高精度海水盐度测量系统测量结果精确，具有较高的稳定性，智能化，方便操作和使用。从定标到测量全程自动化，无需其他步骤即可获得海水盐度值，系统测量完成后做相应记录。该高精度海水盐度测量系统可广泛使用于实验室、调查船、海洋调查现场测量，也可用于电导率仪、CTD等仪器的标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的检测控制装置运行原理示意图。
图中，1、恒温水槽；2、电导池；3、螺旋盘管；4、搅拌器；5、恒温装置；6、检测控制装置；7、多通阀；8、蠕动泵；9、电脑终端；10、超纯水储罐；11、样品海水储罐；12、标准海水储罐；13、废液收集罐。
具体实施方式
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、完整地描述。
本发明提供了一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统及方法，如图1所示的系统，包括恒温水槽1，恒温水槽1内设置电导池2、螺旋盘管3、搅拌器4和恒温装置5，电导池2、搅拌器4和恒温装置5均与检测控制装置6连接，检测控制装置6还连接多通阀7、蠕动泵8和电脑终端9，多通阀7为三进一出多通阀，进路分别连接超纯水储罐10、样品海水储罐11和标准海水储罐12，出路通过蠕动泵8、螺旋盘管3连接电导池2的入口，电导池2的出口连接废液收集罐13。
本发明直接将高精度恒温控制器接入控制系统，借助先进的神经网络控制和智能PID控制技术，使恒温水槽的控制精度达到±0.001℃。为提高仪器的测量精度，首先要保证获得准确的温度值，为此，在5℃-41℃之间设置了12个恒温点，分别为5℃、8℃、11℃……38℃、41℃。测量之前确认恒温槽已稳定在预设温度T，后面推导盐度时便可用此温度T。搅拌装置使水槽内温度场均匀。尽可能消除温度对盐度测量造成的误差。
测量流路采用蠕动泵8配合三进一出多通阀7，减少外界气压可能会对检测结果造成的影响。在恒温水槽1内部设置螺旋盘管3进行预热，使电导池2内待测液体温度与恒温水槽1保持一致。
电导池2中设置两个电流电极和两个电压电极，电流电极为纳米级载铂的复合氧化物电极，该电极的应用有效的增加了电极的表面积，相应使绝对电流密度减小，大大减小了测量过程中的极化电阻效应，降低了干扰电容，适合在海水等高电导率的溶液中的测试。载铂的复合氧化物电极更加稳定，有效的解决了使用过程中电极污染问题，机械强度高，不易脱落，可长期应用。
电压电极为银/氯化银参比电极，该电极在海水中具有优良的电位稳定性，电位漂移小，能消除海水中阴离子干扰，解决海水污染引起的电极电位不稳问题。
检测控制装置6内采用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现。
本发明中，电导池2为石英玻璃材质。该石英玻璃制成的电导池具有高硬度及热膨胀系数极低的特点，变形小，最大程度减小因电导池常数变化引起的测量误差；属于超疏水材质，不易沾污，底部排水口的倾斜设计使得排放水样时没有残留；具有较好的透光性，而且便于使用者观察电导池内有无气泡形成；具有绝缘性能好，避免测量过程中电导池外部电流的干扰。整体上提高了测量系统的稳定性和可靠性。
如图2所示，检测控制装置内包括FPGA锁相模块、分别与FPGA锁相模块连接的IIR数字低通滤波器、24位ADC和14位DAC，IIR数字低通滤波器通过主控系统连接RS485接口和高精度温度传感器，14位DAC通过激励信号电源与电导池中的电流电极连接，电导池中的电压电极和电流电极通过可变增益放大器、工频陷波器、抗混叠滤波器与24位ADC连接。
测得电导值时使用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现，首先使用CORDIC算法分别产生正交的正弦激励信号F2和余弦参考信号F1，激励信号F2通过DDS调制信号模块驱动14位DAC，进而驱动激励信号电源，激励信号电源将可变频率的交流信号施加于电导池的电流电极，通过可变增益放大器、50/100Hz工频陷波器、抗混叠滤波器将测量的电压电极的电压信号和电流电极的电流信号通过24位ADC转化成数字信号传送给FPGA锁相模块，在FPGA锁相模块内部测量信号分别与激励信号F2、参考信号F1通过乘法器PSD2、PSD1做乘法，然后通过IIR数字低通滤波器滤除掉无用的高次谐波得到电导池电压电极所测电压值和流过电流电极的电流值，传送给主控系统，在主控系统内两者相除获得溶液的电导值。
具体实施例包括如下操作步骤：
(1)先测量环境温度，然后设置恒温水槽的温度高于环境温度1-2℃；例如测得环境温度为22.5℃，则设置恒温槽温度为T＝23.000℃，待恒温槽温度恒定至23±0.001℃，便可开始测量。
(2)启动蠕动泵，打开多通阀的超纯水进路，向电导池中注入超纯水，然后排空电导池，然后再次注入超纯水到电导池，排空电导池；反复清洗管路及电导池三次；
(3)关闭超纯水进路，打开标准海水进路，清洗管路及电导池，排空，然后再次注入标准海水，输入标准海水的R15值(或者一级标准海水的K15值)，此时测得的电导池中标准海水的电导值记为G(S标准,T,P)。
C(S标准,T,P)为15℃时，标准海水在气压P(一般为一个大气压)时电导率；
G(S标准,T,P)为15℃时，标准海水在气压P(一般为一个大气压)时电导值；
C(35,15,P)为15℃时，盐度为35的标准海水在气压P(一般为一个大气压)时电导率。
可知
R15×C(35，T，P)＝C(S标准，T，P) (2)
(4)排空标准海水，注入样品海水清洗，再次排空后注入，测量电导池中样品海水的电导值，记为G(S样品,T,P)。因前后电导池常数Q、温度T一致，海水盐度值可经过以下计算步骤获得。
可知
C(S样品，T，P)＝R测×C(S标准，T，P)＝R测×R15×C(35，T，P) (4)
计算盐度需要RT的值，而
根据PSS-78盐度标准计算公式，即可求得最终盐度S。
式中，R＝RT，
由于ITS-90国际温标替代了1968年国际实用温标IPTS-68，因此采用现行的国际温标是ITS-90测量的温度，要换算后才可以代入上述公式计算盐度值。
其中：t90为在ITS-90下测量的现场温度，t68为IPTS-68下同一温度状态的表达值。a1＝1.000240，a2＝4.0×10-7，2℃-40℃范围内拟合精度为2×10-5℃，可以达到盐度测量精度要求。
全部样品测量结束之后，系统自动冲洗，恢复至原状态。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，其特征在于，包括恒温水槽，所述恒温水槽内设置电导池、螺旋盘管、搅拌器和恒温装置，所述电导池、搅拌器和恒温装置均与检测控制装置连接，所述检测控制装置还连接多通阀、蠕动泵和电脑终端，所述多通阀为三进一出多通阀，进路分别连接超纯水储罐、样品海水储罐和标准海水储罐，出路通过蠕动泵、螺旋盘管连接电导池的入口，所述电导池的出口连接废液收集罐；
所述电导池中设置两个电流电极和两个电压电极，所述电流电极为纳米级载铂的复合氧化物电极；所述电压电极为银/氯化银参比电极；
所述检测控制装置内采用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，其特征在于，所述检测控制装置内包括FPGA锁相模块、分别与FPGA锁相模块连接的IIR数字低通滤波器、ADC和DAC，所述IIR数字低通滤波器通过主控系统连接RS485接口和高精度温度传感器，所述DAC通过激励信号电源与电导池中的电流电极连接，所述电导池中的电压电极和电流电极通过可变增益放大器、工频陷波器、抗混叠滤波器与ADC连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，其特征在于，所述电导池为石英玻璃材质。
4.一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量方法，采用如权利要求2所述的基于正交锁相放大技术的海水盐度测量系统，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)先测量环境温度，然后设置恒温水槽的温度高于环境温度1-2℃；
(2)启动蠕动泵，打开多通阀的超纯水进路，向电导池中注入超纯水，然后排空电导池，反复清洗管路及电导池；
(3)关闭超纯水进路，打开标准海水进路，清洗管路及电导池，排空，然后再次注入标准海水，测得电导池中标准海水的电导值；
(4)排空标准海水，注入样品海水清洗，再次排空后注入，测量电导池中样品海水的电导值；
(5)根据盐度标准计算公式，前后电导池常数、温度一致，求得最终盐度。
5.根据权利要求4所述的一种基于正交锁相放大技术的海水盐度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)与步骤(4)测得电导值时使用数字正交锁相放大技术，锁相模块由FPGA通过数字编程实现，首先使用CORDIC算法分别产生正交的正弦激励信号F2和余弦参考信号F1，激励信号F2通过DDS调制信号模块驱动DAC，进而驱动激励信号电源，激励信号电源将可变频率的交流信号施加于电导池的电流电极，通过可变增益放大器、工频陷波器、抗混叠滤波器将测量的电压电极的电压信号和电流电极的电流信号通过ADC转化成数字信号传送给FPGA锁相模块，在FPGA锁相模块内部测量信号分别与激励信号F2、参考信号F1通过乘法器PSD2、PSD1做乘法，然后通过IIR数字低通滤波器滤除掉无用的高次谐波得到电导池电压电极所测电压值和流过电流电极的电流值，传送给主控系统，在主控系统内两者相除获得溶液的电导值。
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