CN111272985B - 一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法，属于土壤盐分传感器标定技术领域。解决了如何提供一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法的技术问题。该方法包括以下步骤：1、根据使用地区土壤的主要盐分组成，确定校准盐溶液；2、调制最高盐溶液，再依据稀释法，调制出梯度的标准盐溶液；3、将梯度标准盐溶液放置不同水温水中，调制不同温度的盐溶液；4、在不同温度下，将土壤盐分传感器依次放入盐溶液中，记录土壤盐分传感器的标准盐溶度的输出信号值。根据采集到信号值得到温度补偿公式和盐分传感器绝对标定公式。此方法适用于多种类型土壤盐分传感器的标定，因为采用精细温度补偿功能使标定结果更为精确可靠。

Description

一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种盐分传感器的标定方法，特别是涉及一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法。

背景技术

土壤盐分传感器越来越多被用在科研土壤盐分监测，它具有快速、准确、多点连续测定等优点，并能自动、遥测土壤盐分的变化。到目前为止，国内外实验人员和工程技术人员，从不同的原理提出研制的土壤盐分传感器多达十几种，测量方法有重量法、电导法、比重计法，还有阴阳离子总合计算法等，然而，各种土壤盐分传感器具有不同的测量精度和空间感应范围，为确保各土壤盐分传感器的测量准确度，在使用之前需要对各土壤盐分传感器进行绝对标定。现有技术中，盐分传感器的标定方法通常是在常温下调制标准溶液进行标定，因为称量盐溶质克数小，尤其接近0浓度时的所需克数绝对值小，需要用千分克高精度天平，对实验室设备调制要求高。所以一般都采用调制几种溶液，这样测量点数量少，标定精度不高，且没有温度补偿系数考虑或采用简单的一个固定温度补偿系数，误差大，导致最终标定结果不准确。如中国科学院南京土壤研究所（2004）发明的“土壤盐分传感器（申请号：CN200420078419.0）”，采用标定方法为调制八种的盐溶液标定，采样数据点少，测量点数不足，覆盖范围小， 同时盐溶液的电导值随温度而变化，采用温度每变化一度溶液电导值大约变化 2％固定值进行温度变化修正，实际温度盐分关系系数值是个变量，它会随温度升高而减小，这样的校正数值误差大，标定结果不准确。有鉴于此，亟需一种采集数量点分度足够细小，范围广，多种温度下校准测量的，带温度补偿功能的标定结果更为精确可靠的土壤盐分传感器高精度标定方法。

发明内容

发明目的：为解决现有土壤盐分传感器标定方式采用调制标准溶液少，在单一的温度下标定。它的缺点：(1)调制标定标准溶液数量少，范围小，采集数据点少，数据不连贯，（2）因为称量盐溶质克数小，尤其接近0浓度时的所需克数绝对值小，需要用千分克高精度天平，对实验室设备调制要求高，不适合广泛应用。(3)盐分随温度的变化而变化，采用固定值2%的温度补偿修正，误差大精度不高。本发明方法，调制标准溶液时，依据摩尔定律，采用稀释法，可以快速方便调制多达45种成梯度的标准盐溶液，采集数量点多，数据连贯；采用水浴锅加冰块方法，调制不同温度下的盐溶液进行测量标定，避免了因为温度影响盐分的误差，从而得到的温度补偿公式，再在标准25℃温度下，测量45种不同浓度盐溶液得到信号值，通过拟合二次回归曲线得到的标定方程作为绝对标定方程，提高了标定的精度。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出的一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法，步骤如下：

步骤一、根据使用地区土壤的主要盐分组成，确定配制相应盐溶液作为校准溶液；

步骤二、调节室内空调温度，保持室内温度25℃，调制最高盐溶液，再依据稀释法，调制出梯度的标准盐溶液；

步骤三、将梯度标准盐溶液放置不同水温下，调制不同温度的盐溶液；

步骤四、在不同温度下，其中包括25℃标准温度，将土壤盐分传感器依次放入梯度标准盐溶液中，记录土壤盐分传感器的标准盐溶度的输出信号值；

步骤五、将步骤四所得不同温度下各种盐溶液实测的盐分传感信号值除以25℃实测的信号值，商即得到温度数字补偿系数，将温度补偿系数平均值与标准25℃温度值进行二次回归曲线拟合，得到当前温度修正到标准25℃温度补偿公式，即任何温度盐溶液信号值都精准修正到标准25温度盐溶液信号值；

步骤六、将步骤四所得25℃温度下，实测的盐分传感器信号值和标准盐溶液浓度值进行二次回归曲线拟合得到盐分传感器绝对标定公式。

进一步的，所述步骤一中，盐溶液为Nacl、Kcl、或海盐溶液。

进一步的，所述步骤二中，最高盐溶液采用海水盐最高浓度近似40g/l，单位采用土壤学中，土壤中可溶盐的总量，以每千克干土中含有可溶盐的克数表示（g/kg,或g/l）。根据摩尔定律，对一定物质的量浓度的稀溶液进行稀释和浓缩时，溶质的物质的量始终不变，稀释前浓度×稀释前体积=稀释后浓度×稀释后体积，即: C1×V1=C2×V2，调制盐溶液从最高浓度40g/l到接近0g/l，分45个梯度标准盐溶液，间隔精度小于1g。

进一步的，所述步骤三中，将梯度标准盐溶液放置水浴锅中，通过水浴锅加温和加冰块降温方式，调制出不同温度的盐溶液，温度有0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明的兼顾了不同土壤盐分传感器类型的空间感应范围差异、被测土壤盐溶液不同土壤盐分类型的影响，包括标定盐溶液盐溶质选定、土壤盐溶液的浓度范围，调制不同梯度溶液数量的确定；

2.本发明采用溶液稀释法快速调制多种梯度盐溶液的方法，避免了称重法因为称量盐溶质克数小，尤其接近0浓度时的所需克数绝对值小，需要用千分克高精度天平，对实验室设备调制要求高的不方便；

3.本发明采用调制大量的盐溶液，从40g/L到0g/l,分45个梯度的盐溶液，间隔精度小于1g，使得采集量数据点多，连续性强，增强了标定精度;

4. 本发明采用增加了温度补偿标定，温度盐分关系系数值是个变量，它会随温度升高而减小，且同一温度，不同浓度盐溶液，温度补偿系数值略有些差异，采用取温度补偿系数值取平均值，更加精细化补偿系数，使得温度补偿值准确可靠;

5. 本发明采用改变盐溶液温度的方法，采用水浴锅和加冰块的方法，水和冰水混合物得到绝对零度，确保盐溶液温度环境绝对准确，实验数据可靠，提高标定精度。

本发明的土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法具备普适性，可以适用于多种类型土壤盐分传感器的绝对标定，如FJA-10、XML001土壤盐分传感器。

附图说明

图1为Nacl标准溶液调制图。

图2为Kcl标准溶液调制图。

图3为实施例的土壤盐分传感器在温度0、5、10、15℃下，45种Nacl溶液的标定图。从图中可以看：在0、5、10、15℃的温度下，数字补偿系数值不是一个固定常数，求得45种溶液的温度补偿系数平均值分别为：1.58、1.48、1.30、1.14。

图4为实施例的土壤盐分传感器温度20、25、30、35℃下，45种Nacl溶液的标定图。从图中可以看：在20、25、30、35℃的温度下，数字补偿系数值不是一个固定常数，求得45种溶液的温度补偿系数平均值分别为：1.06、1.00、0.90、0.85。

图5为实施例的温度补偿到标准25℃温度标定图，从图中可以看：温度补偿系数值采用的是同一温度下，不同溶液的温度补偿系数的平均值。

图6为实施例的土壤盐分传感器的标准25℃下，土壤盐分传感器与标准盐溶液的标定图。

图7为实施例的当前温度与标准温度25℃二次回归曲线拟合公式图，得到：当前温度修正到标准25℃公式y = 0.0004x² - 0.0338x + 1.6004，从图中可以看：R²=0.9926，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好，即把温度值代入温度补偿公式，算出在标准25℃下的信号值mv。

图8为实施例的土壤盐分传感器的标准25℃下二次回归曲线拟合公式图，得到：盐分传感器信号值mv标定到标准Nacl溶液g/l的绝对标定公式y = 4E-06x² + 0.0094x +0.1158，从图中可以看：R² = 0.9982，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好，得到盐分传感器信号值mv标定到标准Nacl溶液g/l的绝对标定结果。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，以下实施例中江苏省水利科学研究院沿海实验基地实验室土壤盐分传感器的标定为例，传感器采用武汉美网通科技发展有限公司的XML001土壤盐分传感器。

步骤一、根据使用地区土壤的主要盐分组成，确定配制相应盐溶液作为校准溶液，采用Nacl盐溶质为调制标准盐溶液。

步骤二、调节室内空调温度，保持室内温度25℃，调制最高盐溶液，再依据稀释法，调制出梯度的标准盐溶液，最高盐溶液采用海水盐最高浓度近似40g/l，单位采用土壤学中，土壤中可溶盐的总量，以每千克干土中含有可溶盐的克数表示（g/kg,或g/l），根据摩尔定律，对一定物质的量浓度的稀溶液进行稀释和浓缩时，溶质的物质的量始终不变。稀释前浓度×稀释前体积=稀释后浓度×稀释后体积，即: C1×V1=C2×V2，定容瓶采用500ml容量瓶，依据溶质分子量计算出500ml盐溶液需要的盐溶质质量，用天平称出所需溶质重量。计算出Nacl分子量58.5，调制接近海水的最高浓度，700mmol/l,即40.95g/l盐溶液，称出500ml溶液需要Nacl溶质20.475g。调制从最高浓度标准盐溶液到0g/L，分45个梯度，分别装入45只定容容器中，容器编号1-45号，见附图1为Nacl标准溶液调制图。

步骤三、将梯度标准盐溶液放置水浴锅中，调制不同温度的盐溶液。将2000ml蒸馏水倒入大烧杯中，再把大烧杯放入水浴锅中，调节水浴锅温度控制器，控制水浴锅温度25℃，在1号定标容器的中心位置垂直放入土壤盐分传感器，直至传感器没入溶液，实时采集电信号后取出，并将传感器放蒸馏水清洗擦干放入2号定标容器中，依次把45种溶液测完，接着在水浴锅中加入冰块，混合水浴锅中液体制作成冰水混合物，同时水浴锅控制按钮设置温度0℃，静止30分钟，使待测盐溶液温度降为绝对0℃，把盐分传感器放入45种溶液中依次测量，接着再调高水浴锅控制器温度5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、35℃。把盐分传感器放入45种溶液中依次测量。

步骤四、记录土壤盐分传感器的标准盐溶度的输出信号值。

步骤五、将步骤四所得不同温度下各种盐溶液实测的盐分传感信号值除以25℃实测的信号值，商即得到温度数字补偿系数，将温度补偿系数平均值与标准25℃温度值进行二次回归曲线拟合，得到当前温度修正到标准25℃温度补偿公式，从附图7看出：计算方程的拟合系数R²和计算公式y=0.0004x²-0.0338x+1.6004，得到当前温度修正到标准25℃公式，即把温度值代入公式，能算出在标准25℃下的信号值mv。

步骤六、将步骤四所得25℃温度下，实测的盐分传感器信号值和标准盐溶液浓度值进行二次回归曲线拟合得到盐分传感器绝对标定公式，从附图8看出：计算方程的拟合系数R²和计算公式y = 4E-06x² + 0.0094x + 0.1158，R² = 0.9982，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好，得到盐分传感器信号值mv标定到标准Nacl溶液g/l的绝对标定结果。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、根据使用地区土壤的主要盐分组成，确定配制相应盐溶液作为校准溶液；

步骤二、调节室内空调温度，保持室内温度25℃，调制最高盐溶液采用海水盐最高浓度近似40g/l，根据摩尔定律，调制盐溶液从最高浓度40g/l到接近0g/l，分45个梯度标准盐溶液，间隔精度小于1g/l；

步骤三、将梯度标准盐溶液放置水浴锅中，通过水浴锅加温和加冰块降温方式，调制出不同温度的盐溶液，温度有0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃；

步骤四、在不同温度下，其中包括25℃标准温度，将土壤盐分传感器依次放入梯度标准盐溶液中，记录土壤盐分传感器的标准盐溶度的输出信号值；

步骤五、将步骤四所得不同温度下各种盐溶液实测的盐分传感信号值除以25℃实测的信号值，商即得到温度数字补偿系数，将温度补偿系数平均值与标准25℃温度值进行二次回归曲线拟合，得到当前温度修正到标准25℃温度补偿公式，即任何温度盐溶液信号值都精准修正到标准25温度盐溶液信号值；

步骤六、将步骤四所得25℃温度下，实测的盐分传感器信号值和标准盐溶液浓度值进行二次回归曲线拟合得到盐分传感器绝对标定公式。

2.根据权利要求1所述的一种土壤盐分传感器温度补偿式高精度标定方法，其特征在于，所述的盐溶液为NaCl或KCl。

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