CN111044597A - 气液两相氧分析仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液两相氧分析仪，包括主机、探头；所述主机和所述探头通过连接线连接；所述主机包括外壳及设置在所述外壳内的电路部分；所述外壳上设有防水薄膜开关；所述防水薄膜开关设有操作键；所述探头采用Clark氧电极；所述探头还内置温度传感器、压力传感器和湿度传感器；所述气液两相氧分析仪具有校准模式、溶解氧测量模式和气体氧测量模式。本发明的气液两相氧分析仪，基于电化学极谱法(Clark氧电极)，灵敏度高，测量范围宽，反应快，选择性好，开机自动校准，使用方便，具备气液两相样品(溶解氧、气体氧)检测功能，既可检测水及液体中的溶解氧浓度，又可测量环境及气相样品中的氧气浓度。

Description

气液两相氧分析仪及工作方法

技术领域

本发明涉及氧测量技术领域，具体涉及一种既可测量水及液体中的溶解氧浓度，又可测量气体中氧浓度的气液两相氧分析仪。

背景技术

溶解氧(单位mg/L)是指溶解于水中或液体中的氧。溶解氧的测量是发电、锅炉、食品饮料、污水处理、环境监测、水产养殖等部门不可缺少的监测项目。

在石油、化工、燃气、煤炭、冶金、电力、市政、农业、食品、生物、医药、高校、科研等行业，需要对作业环境及样品中氧气的浓度(单位％)进行测量。

现有的氧分析仪多数只能检测单一对象的氧，溶解氧分析仪只可检测水及液体中的溶解氧浓度，不能检测气态样品的氧气浓度。而氧气检测仪可测量环境及气相样品中的氧气浓度，不能测量水及液体中的溶解氧浓度。

在某些行业，如电力、化工等，用户不光要测量水中或液体中的溶解氧，又需要测量环境、作业环境及气相样品中的氧气浓度。因现有仪器的功能限制，用户需要使用溶解氧分析仪和气体氧检测仪两种仪器单独进行测量，成本高，使用不便。

目前的溶解氧分析仪多采用电极法(Clark氧电极)。溶氧仪由氧传感器(Clark氧电极)和显示仪表两个部分组成。Clark氧电极是一种为测定水中溶解氧含量而设计的极谱电极，最早由L.C.Clark研制(1953)。Clark氧电极由镶嵌在绝缘材料上的阴极和阳极构成。阳极采用银，制成圆环状，作为参比电极，阳极的面积要尽可能大一些，以降低电机表面电流密度，减少阳极的极化现象，使其电极电位不受外加电压的影响。阴极采用铂或金，一般制成圆点或圆盘状，位于阳极的中央。电极表面覆盖一层薄膜，只允许氧气分子通过，在电极与薄膜之间充以氯化钾或氢氧化钾溶液作为电解质。当对两电极施加稳定的极化电压(0.7V)时，样品中的氧透过薄膜，在电极上发生反应，产生扩散电流：

阴极：O₂+2H₂O+4eˉ→4OHˉ

阳极：4Ag+4Clˉ→4AgCl+4eˉ

温度不变的情况下，Clark氧电极(氧传感器)输出的电流信号与氧浓度(或氧含量)呈线性关系。氧传感器输出的电流信号输入二次仪表放大处理后，即可算出溶解氧的浓度(或气体氧含量)。同时，氧传感器还内置有温度传感器(热敏电阻)检测样品温度，对氧浓度进行温度补偿。

由于水中溶解氧能透过薄膜而电解质不能透过，因而排除了被测溶液中各种离子电解反应的干扰，测试中不需要试剂，操作简便，而且样品色度和浑浊度不影响测定，只需每次测定前都校正溶解氧测定仪以减少误差。

由于量程广、精度高(特别在μg/L痕量级溶氧测量应用场合)、方法简便、快速、干扰少、技术成熟，Clark氧电极成为测定溶解氧的专用性电极。

发明内容

本发明实际需要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，提供一款基于极谱法(Clark氧电极)的氧检测仪。仪器灵敏度高，响应速度快，开机自动校准，使用方便，具备气液两相样品(溶解氧、气体氧)检测功能，既可检测水及液体中的溶解氧浓度，又可测量环境及气相样品中的氧气浓度，用于发电、锅炉、食品饮料、污水处理、环境监测、水产养殖等部门溶解氧的检测，粮食果蔬存储、培养箱、抢险、坑道、地下管线、人防工事、舰艇等氧气含量检测，电站、冶炼、化工等锅炉燃烧过程气相中氧浓度的测量。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

气液两相氧分析仪，包括主机、探头；所述主机和所述探头通过连接线连接；

所述主机包括外壳，以及设置在所述外壳内的电路部分；所述外壳上设有防水薄膜开关；所述防水薄膜开关设有操作键；

所述探头采用Clark氧电极；所述探头还内置温度传感器(热敏电阻)；所述探头安装有压力传感器和湿度传感器；

所述电路部分包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、A/D转换器、单片机、存储器、显示器、报警器，所述第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器均与所述A/D转换器连接，所述单片机与所述存储器、显示器、报警器连接，所述单片机还与所述防水薄膜开关的操作键连接，对所述操作键的触发作出相应响应；

所述第一放大器的信号输入端与所述探头的氧信号输出端连接，所述第二放大器的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端连接，所述第三放大器的信号输入端与所述压力传感器的信号输出端连接，所述第四放大器的信号输入端与所述湿度传感器的信号输出端连接。

所述气液两相氧分析仪的工作方法，包括如下步骤：

a)用所述气液两相氧分析仪，测量不同温度下的饱和溶解氧水，用所述探头输出的电流I_t除以各温度下水的饱和溶解氧的浓度C₀，计算出不同温度下探头的斜率A_t，取得探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储于所述电路部分的存储器中，a值预设为1；

b)用所述气液两相氧分析仪在不同温度下测量一定氧浓度的标准气，用所述探头输出的电流I_t除以各温度下的标准气的浓度GC，计算出不同温度下探头的斜率B_t，取得探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储于所述电路部分的存储器中，b值预设为1；

所述气液两相氧分析仪具有校准模式、溶解氧测量模式和气体氧测量模式，三种模式的工作过程如下：

所述气液两相氧分析仪置于空气中开机自检后，自动运行所述校准模式，在所述校准模式下，依次执行以下1)、2)、3)的动作：

1)所述温度传感器、压力传感器、湿度传感器分别测量当前温度t、压力P_c、湿度H；所述探头测量当前电流I_t；将P_c存储于所述电路部分的存储器中；

2)根据温度t，得到当前温度t下水的饱和水蒸汽压力P_w和标准大气压P₀下水的饱和溶解氧浓度C₀；由公式C_P＝C₀*(P-H*P_w)/(P₀-P_w)计算出压力为P，温度为t，湿度为H时空气等效的溶解氧浓度C_P；用所述探头输出的电流I_t除以C_P，计算出当前温度下校准时探头的斜率A_t’；由温度t，根据存储在所述电路部分的存储器中探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算出温度t时探头的斜率A_t，计算A_t’/A_t；令a＝A_t’/A_t，得到新的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储在所述电路部分的存储器中；

3)由公式GC_P＝GC₀*(1-H*P_w/P_c)计算出压力为P_c，温度为t，湿度为H时空气中的氧浓度GC_P，式中GC₀为干空气的氧浓度，即GC₀＝20.94％；用所述探头输出的电流I_t除以GC_P，计算出当前温度下校准时探头的斜率B_t’；由温度t，根据存储在所述电路部分的存储器中探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算出温度t时探头的斜率B_t，计算B_t’/B_t；令b＝B_t’/B_t，得到新的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储在所述电路部分的存储器中；

所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动进入所述溶解氧测量模式，在所述溶解氧测量模式下，依次执行以下I)、II)、III)、Ⅳ)的动作：

I)所述温度传感器测量当前温度t；所述探头测量当前电流I_t；

II)根据所述电路部分的存储器中存储的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算当前温度t下探头的斜率A_t；

III)用探头当前电流I_t除以当前温度t下探头的斜率A_t，即可得到当前样品的溶解氧浓度C_t，并将C_t和温度t的值显示在所述显示器上；

Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作；

当接收到所述操作键进行气体氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述气体氧测量模式，在所述气体氧测量模式下，依次执行以下A)、B)、C)、D)的动作：

A)所述温度传感器测量当前温度t；所述压力传感器测量当前压力P；所述探头测量当前电流I_t；

B)根据所述电路部分的存储器中存储的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算当前温度t下探头的斜率B_t；

C)由公式GC_t＝I_t/B_t*P_c/P计算当前样品的氧浓度GC_t，并将GC_t和温度t的值显示在所述显示器上；

D)重复步骤A)、B)、C)的动作；

当接收到所述操作键进行溶解氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述溶解氧测量模式；

当接收到所述操作键进行校准的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述校准模式；所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动返回校准前所处的状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、基于电化学极谱法(Clark氧电极)，具备气液两相样品(溶解氧、气体氧)检测功能，可检测水及液体中的溶解氧浓度，又可测量环境及气相样品中的氧气浓度，一机多用，方便用户使用，减少开支；

2、灵敏度高，测量范围宽，反应快，选择性好；

3、探头内置温度传感器、压力传感器、湿度传感器，以空气为标准样，开机自动校准，可省去复杂的校准动作，方便用户使用；

4、使用过程中也可进行校准，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的气液两相氧分析仪的结构示意图；

图2为本发明的气液两相氧分析仪的电路部分的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明的气液两相氧分析仪，包括主机10、探头20；所述主机10和所述探头20通过连接线连接；

所述主机10包括外壳11，以及设置在所述外壳11内的电路部分12；所述外壳11上设有防水薄膜开关111；所述防水薄膜开关111，设有操作键112；

所述探头20采用Clark氧电极；所述探头20还内置温度传感器21(热敏电阻)；所述探头20安装有压力传感器22和湿度传感器23；

所述电路部分12包括第一放大器121、第二放大器122、第三放大器123、第四放大器124、A/D转换器125、单片机126、存储器127、显示器128、报警器129，所述第一放大器121、第二放大器122、第三放大器123、第四放大器124均与所述A/D转换器125连接，所述单片机126与所述A/D转换器125、存储器127、显示器128、报警器129连接，所述单片机126还与所述防水薄膜开关111的操作键112连接，对所述操作键112的触发作出相应响应；

所述第一放大器121的信号输入端与所述探头20的氧信号输出端连接，所述第二放大器122的信号输入端与所述温度传感器21的信号输出端连接，所述第三放大器123的信号输入端与所述压力传感器22的信号输出端连接，所述第四放大器124的信号输入端与所述湿度传感器23的信号输出端连接。

所述气液两相氧分析仪的工作方法，包括如下步骤：

a)用所述气液两相氧分析仪，测量不同温度下的饱和溶解氧水，用探头20输出的电流I_t除以各温度下水的饱和溶解氧的浓度C₀，计算出不同温度下探头20的斜率A_t，取得探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储于所述电路部分12的存储器127中，a值预设为1；

b)用所述气液两相氧分析仪在不同温度下测量一定氧浓度的标准气，用探头20输出的电流I_t除以各温度下的标准气的浓度GC，计算出不同温度下探头20的斜率B_t，取得探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储于电路部分12的存储器127中，b值预设为1；

所述气液两相氧分析仪具有校准模式、溶解氧测量模式和气体氧测量模式，三种模式的工作过程如下：

所述气液两相氧分析仪置于空气中开机自检后，自动运行所述校准模式，在所述校准模式下，依次执行以下1)、2)、3)的动作：

1)所述温度传感器21、压力传感器22、湿度传感器23分别测量当前温度t、压力P_c、湿度H；所述探头20测量当前电流I_t；将P_c存储于电路部分12的存储器127中；

2)根据温度t，得到当前温度t下水的饱和水蒸汽压力P_w和标准大气压P₀下水的饱和溶解氧浓度C₀；由公式C_P＝C₀*(P-H*P_w)/(P₀-P_w)计算出压力为P，温度为t，湿度为H时空气等效的溶解氧浓度C_P；用探头20输出的电流I_t除以C_P，计算出当前温度下校准时探头20的斜率A_t’；由温度t，根据存储在所述电路部分12的存储器127中探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算出温度t时探头20的斜率A_t，计算A_t’/A_t；令a＝A_t’/A_t，得到新的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储在所述电路部分12的存储器127中；

3)由公式GC_P＝GC₀*(1-H*P_w/P_c)计算出压力为P_c，温度为t，湿度为H时空气中的氧浓度GC_P，式中GC₀为干空气的氧浓度，即GC₀＝20.94％；用探头20输出的电流I_t除以GC_P，计算出当前温度下校准时探头20的斜率B_t’；由温度t，根据存储在电路部分12的存储器127中探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算出温度t时探头20的斜率B_t，计算B_t’/B_t；令b＝B_t’/B_t，得到新的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储在电路部分12的存储器127中。

所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动进入所述溶解氧测量模式，在所述溶解氧测量模式下，依次执行以下I)、II)、III)、Ⅳ)的动作：

I)所述温度传感器21测量当前温度t；所述探头20测量当前电流I_t；

II)根据所述电路部分12的存储器127中存储的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算当前温度t下探头20的斜率A_t；

III)用探头20当前电流I_t除以当前温度t下探头的斜率A_t，即可得到当前样品的溶解氧浓度C_t，并将C_t和温度t的值显示在所述显示器128上；

Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作；

当接收到所述操作键112进行气体氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述气体氧测量模式，在所述气体氧测量模式下，依次执行以下A)、B)、C)、D)的动作：

A)所述温度传感器21测量当前温度t；所述压力传感器22测量当前压力P；所述探头20测量当前电流I_t；

B)根据所述电路部分12的存储器127中存储的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算当前温度t下探头20的斜率B_t。

C)由公式GC_t＝I_t/B_t*P_c/P计算当前样品的氧浓度GC_t，并将GC_t和温度t的值显示在所述显示器128上；

D)重复步骤A)、B)、C)的动作；

当接收到所述操作键112进行溶解氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述溶解氧测量模式；

当接收到所述操作键112进行校准的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述校准模式；所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动返回校准前所处的状态。

按照上述设计方案形成相应的气液两相氧分析仪，基于电化学极谱法(Clark氧电极)，具备气液两相样品(溶解氧、气体氧)检测功能，既可检测水及液体中的溶解氧浓度，又可测量环境及气相样品中的氧气浓度，一机多用，方便用户使用，减少开支。探头内置温度传感器、压力传感器、湿度传感器，以空气为标准样，开机自动校准，可省去复杂的校准动作，方便用户使用，使用过程中也可校准，测量精度高。本发明的气液两相氧分析仪灵敏度高，测量范围宽，反应快，选择性好，可用于发电、锅炉、食品饮料、污水处理、环境监测、水产养殖等部门溶解氧的检测，粮食果蔬存储、培养箱、抢险、坑道、地下管线、人防工事、舰艇等氧气含量检测，电站、冶炼、化工等锅炉燃烧过程气相中氧浓度的测量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员共知的现有技术。

Claims (2)

1.气液两相氧分析仪，包括主机、探头；所述主机和所述探头通过连接线连接；

所述主机包括外壳及设置在所述外壳内的电路部分；所述外壳上设有防水薄膜开关；所述防水薄膜开关设有操作键；

所述探头采用Clark氧电极；所述探头内置温度传感器(热敏电阻)；所述探头还安装有压力传感器和湿度传感器；

所述电路部分包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、A/D转换器、单片机、存储器、显示器、报警器，所述第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器均与所述A/D转换器连接，所述单片机与所述存储器、显示器、报警器连接，所述单片机还与所述防水薄膜开关的操作键连接，对所述操作键的触发作出相应响应；

其特征在于：所述第一放大器的信号输入端与所述探头的氧信号输出端连接，所述第二放大器的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端连接，所述第三放大器的信号输入端与所述压力传感器的信号输出端连接，所述第四放大器的信号输入端与所述湿度传感器的信号输出端连接。

2.如权利要求1所述的气液两相氧分析仪的工作方法，其特征在于：

a)用所述气液两相氧分析仪，测量不同温度下的饱和溶解氧水，用所述探头输出的电流I_t除以各温度下水的饱和溶解氧的浓度C₀，计算出不同温度下探头的斜率A_t，取得探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储于所述电路部分的存储器中，a值预设为1；

b)用所述气液两相氧分析仪在不同温度下测量一定氧浓度的标准气，用所述探头输出的电流I_t除以各温度下的标准气的浓度GC，计算出不同温度下探头的斜率B_t，取得探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储于所述电路部分的存储器中，b值预设为1；

所述气液两相氧分析仪具有校准模式、溶解氧测量模式和气体氧测量模式，三种模式的工作过程如下：

所述气液两相氧分析仪置于空气中开机自检后，自动进入所述校准模式，在所述校准模式下，依次执行以下1)、2)、3)的动作：

1)所述温度传感器、压力传感器、湿度传感器分别测量当前温度t、压力P_c、湿度H；所述探头测量当前电流I_t；将P_c存储于所述电路部分的存储器中；

2)根据温度t，得到当前温度t下水的饱和水蒸汽压力P_w和标准大气压P₀下水的饱和溶解氧浓度C₀；由公式C_P＝C₀*(P-H*P_w)/(P₀-P_w)计算出压力为P，温度为t，湿度为H时空气等效的溶解氧浓度C_P；用所述探头输出的电流I_t除以C_P，计算出当前温度下校准时探头的斜率A_t’；由温度t，根据存储在所述电路部分的存储器中探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算出温度t时探头的斜率A_t，计算A_t’/A_t；令a＝A_t’/A_t，得到新的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，并将其存储在所述电路部分的存储器中；

3)由公式GC_P＝GC₀*(1-H*P_w/P_c)计算出压力为P_c，温度为t，湿度为H时空气中的氧浓度GC_P，式中GC₀为干空气的氧浓度，即GC₀＝20.94％；用所述探头输出的电流I_t除以GC_P，计算出当前温度下校准时探头的斜率B_t’；由温度t，根据存储在所述电路部分的存储器中探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算出温度t时探头的斜率B_t，计算B_t’/B_t；令b＝B_t’/B_t，得到新的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，并将其存储在所述电路部分的存储器中；

所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动进入所述溶解氧测量模式，在所述溶解氧测量模式下，依次执行以下I)、II)、III)、Ⅳ)的动作：

I)所述温度传感器测量当前温度t；所述探头测量当前电流I_t；

II)根据所述电路部分的存储器中存储的探头斜率A_t与温度的对应关系A_t＝a*f(t)，计算当前温度t下探头的斜率A_t；

III)用探头当前电流I_t除以当前温度t下探头的斜率A_t，即可得到当前样品的溶解氧浓度C_t，并将C_t和温度t的值显示在所述显示器上；

Ⅳ)重复步骤I)、II)、III)的动作；

当接收到所述操作键进行气体氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述气体氧测量模式，在所述气体氧测量模式下，依次执行以下A)、B)、C)、D)的动作：

A)所述温度传感器测量当前温度t；所述压力传感器测量当前压力P；所述探头测量当前电流I_t；

B)根据所述电路部分的存储器中存储的探头斜率B_t与温度的对应关系B_t＝b*F(t)，计算当前温度t下探头的斜率B_t；

C)由公式GC_t＝I_t/B_t*P_c/P计算当前样品的氧浓度GC_t，并将GC_t和温度t的值显示在所述显示器上；

D)重复步骤A)、B)、C)的动作；

当接收到所述操作键进行溶解氧测量的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述溶解氧测量模式；

当接收到所述操作键进行校准的命令时，所述气液两相氧分析仪进入所述校准模式；所述校准模式执行完毕，所述气液两相氧分析仪自动返回校准前所处的状态。

Images