CN204705615U - 一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，包括传感器保护外壳，安装在传感器保护外壳顶部的外接导线组件，安装在所述传感器保护外壳内部、且与外接导线组件连接的液体传感组件。本实用新型所述能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，可以克服现有技术中稳定性差、使用效率低和适用范围小等缺陷，以实现稳定性好、使用效率高和适用范围大的优点。

Description

一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器

技术领域

本实用新型涉及农业自动化设备技术领域，具体地，涉及一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器。

背景技术

随着膜下滴灌技术的发展，在农作物种植过程中为了提高产量而对其追加施肥和灌水已成为现代农业发展的必然趋势。在追肥的过程中，以追加氮肥、磷肥、钾肥为主要肥源，同时农作物的种植采用膜下滴灌种植模式，为此对作物追加施肥需要固体肥料溶解在水中并随着灌溉水一起来进入滴灌设备进行施肥，为了确保追加施肥肥液浓度的均一性、精准性、稳定性，则前期配置的灌溉肥液的均一性、精准性、稳定性需要得到一定的保障就显得很重要。

为了达到配制精准肥液的目的，一种可以对肥液浓度进行自动监测和反馈的配肥设备的诞生已成为一种必然趋势。目前针对电活性物质的固定化方法不同，离子选择性电极主要有玻璃膜电极、晶体膜电极、液膜电极、溶胶-凝胶膜电极和PVC膜修饰电极等。前二者使用较为广泛，电极寿命较长，但总体上种类有限。后二者种类多，其中溶胶-凝胶电极是新兴电极，溶胶—凝胶（Sol—Gel）技术用于制备薄膜具有纯度高、均匀性强、处理温度低、反应条件温和且易于控制等优点，加之其制备工艺条件简单，成膜性好，膜组成、孔径与结构可控调配。

在专利（申请）号为201010193003.3、名称为“一种全固态钾离子传感器及其制备方法”的文献中，公开了一种全固态钾离子传感器，包括基板和位于基板上并列的钾离子选择性电极和外参比电极，钾离子选择性电极和外参比电极均包括反应电极、接触电极和连接这两个电极的导电引线，反应电极上设有电解质层，钾离子选择性电极的电解质层上设有钾离子敏感膜，钾离子选择性电极的电解质层上设有参比膜，绝缘层将钾离子敏感膜和参比膜包围，并设有使之裸露的开口，作为实际检测时与待测溶液接触的反应区域。本发明将传统的钾离子选择性电极和外参比电极 集成在一个基板上，实现了钾离子传感器的微型化，便于携带、操作简单、响应迅速。该文献还提供了该全固态钾离子传感器的制备方法，简化了制作流程，降低制作成本，适合大批量生产。

不难发现，尽管之前已经存在钾离子传感器的相关专利（申请），但是，其不管是从设计理念还是技术效果方面来讲，至少存在以下缺陷：

（1）现有钾离子传感器是通过监测溶液电位经过现有公式计算方法来得到所监测的溶液中钾离子浓度，只能起到一个监测的功能，而无法实现实时监测和反馈，还需要人工操控来确认溶液中钾离子浓度，且难以达到自动化要求水平。

（2）现有钾离子浓度传感器所能监测的溶液浓度范围约为46.8-72.6mg/ml之间，而无法实现更高或者更低浓度的溶液监测。所以在实际应用的覆盖面比较小，已无法达到现代农业发展的需求。

（3）目前钾离子选择性电极主要有玻璃膜电极、晶体膜电极、液膜电极等。电极寿命短，种类有限。同时一根玻璃电极的玻璃膜，在使用前需在蒸馏水中浸泡若干小时后才可用于实际测定，使用效率和稳定性大大降低，反应时间太长，达不到预期工效。

（4）现有的钾离子PVC修饰电极电极膜性能差，使用范围受到限制，而且电活性物质和氯乙烯单体很容易从膜中流失，易引起离子敏感膜失活。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在稳定性差、使用效率低和适用范围小等缺陷。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，以实现稳定性好、使用效率高和适用范围大的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，包括传感器保护外壳，安装在传感器保护外壳顶部的外接导线组件，安装在所述传感器保护外壳内部、且与外接导线组件连接的液体传感组件。

进一步地，所述外接导线组件，包括安装在所述传感器保护外壳顶部的传感器外接导线固定盘，设置在所述传感器外接导线固定盘上的三个导线安装孔，以及通过所述三个导线安装孔与液体传感组件连接的三根导线。

进一步地，所述液体传感组件，包括靠近所述外接导线组件、设置在传感器保护外壳内部、且与三根导线中的第二根导线连接的甘汞电极，以及，位于所述甘汞电极下方、且自上向下依次配合安装在传感器保护外壳内部的电极控制单元、装载有钾离子识别活化液的活化液储存室、钾离子反应Sol—Gel膜和待测溶液残渣滤网；

在所述活化液储存室的右侧顶部设置有伸出传感器保护外壳、且向上倾斜的活化液更换添加端口，在活化液储存室的右侧底部水平设置有伸出传感器保护外壳的活化液更换排放端口。

进一步地，所述液体传感组件，还包括设置在所述活化液储存室与钾离子反应Sol—Gel膜之间的密封胶圈。

进一步地，所述电极控制单元，包括自左向右依次设置的参考电压参考电极、传感器工作电极和传感器工作对电极、参考电压输入端、参考电压与监测电压差转换系统、电压差信号传输设备和PLC集成控制系统，其中：

所述参考电压参考电极与三根导线中的第一根导线连接，传感器工作电极通过导线与甘汞电极连接，传感器工作对电极与三根导线中的第二根导线连接；

所述参考电压参考电极与参考电压输入端的负极连接，参考电压输入端的正极依次经PLC集成控制系统、电压差信号传输设备和参考电压与监测电压差转换系统后与传感器工作对电极连接，参考电压输入端的正极还与传感器工作对电极连接，传感器工作对电极还与甘汞电极连接。

进一步地，所述活化液储存室，具体为横截面呈底部为平面顶部为凸面的U型凹槽结构；

该活化液储存室，包括竖直同心设置的活化液储存室内壁和活化液储存室外壁，在所述活化液储存室内壁内侧自左向右依次设置有分别与电极控制单元中相应电极连接的参考电压参考电极接线端口、传感器工作电极接线端口和传感器工作对电极接线端口，在所述活化液储存室内壁和活化液储存室外壁之间装载有钾离子识别活化液。

本实用新型各实施例的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，由于包括传感器保护外壳，安装在传感器保护外壳顶部的外接导线组件，安装在传感器保护外壳内部、且与外接导线组件连接的液体传感组件；从而可以克服现有技术中稳定性差、使用效率低和适用范围小的缺陷，以实现稳定性好、使用效率高和适用范围大的优点。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型中传感器的外部结构示意图；

图2为本实用新型中传感器的探头内部结构半剖视图；

图3为本实用新型中传感器的工作原理示意图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

1-传感器工作电极外接导线；2-传感器外接导线固定盘；3-甘汞电极；4-活化液更换添加端口；5-传感器工作对电极；6-活化液更换排放端口；7-钾离子识别活化液；8-钾离子反应Sol—Gel膜；9-导线连接孔；10-待测溶液残渣滤网；11-活化液储存室内壁；12-传感器工作对电极接线端口；13-活化液储存室；14-活化液储存室与钾离子反应Sol—Gel膜的密封胶圈；15-参考电压参考电极接线端口；16-传感器保护外壳；17-活化液储存室外壁；18-参考电压参考电极；19-传感器工作电极；20-传感器工作电极接线端口；21-参考电压输入端；22-参考电压与监测电压差转换系统；23-电压差信号传输设备；24-PLC集成控制系统。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

根据本实用新型实施例，如图1-图3所示，提供了一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器。本发明技术方案所得钾离子传感器，主要是应用在农业滴灌肥液的配置方面，主要目的是为了实现自动、快速、大量配置多种浓度的溶液。

本发明涉及的是生产一种可适用于当下农业滴灌自动化施肥配肥过程中自动监测和配制灌溉肥液浓度的钾离子传感器，具体为（Sol—Gel膜电极工作时经不同的的活化液活化）一种通过电压差原理自动检测反馈溶液中钾离子浓度的离子传感器，能够实现在自动化配肥作业过程中高精度监测和反馈来达到预期的配肥效果。

本发明的技术方案，至少具有以下特点：

⑴利用电压差原理，通过钾离子传器输出的电压大小为溶液中钾离子浓度的监测和反馈提供依据；

⑵利用Sol—Gel膜电极工作时经特制的的活化液瞬间活化以后与溶液形成闭合回路而产生的电压与目标浓度的溶液对应的电压产生电压差；

⑶利用离子传感器所反馈的电压差信号，通过电压集成放大电路对这一电压差信号实现集成放大来控制配肥变频电机所需要的工作电压，由这一工作电压来确定配肥变频电机的转速来实现实时、定量、精准配肥；

⑷通过实时的、不间断的对配置的肥液浓度进行监测和反馈，最终实现自动化配制的符合灌溉标准的灌溉肥液。

本发明的技术方案，通过研制优化Sol—Gel（溶胶 Sol： 是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间；凝胶 Gel： 是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1%～3%之间）膜，加强敏感膜对营养元素（如钾离子K+）的响应程度，减小干扰离子的影响，提高离子浓度精确度。发明能应用于农用配肥中监测反馈营养元素K+的浓度，可以实现高精度监测配置肥液浓度。同时本发明根据溶胶-凝胶法对固定试剂的种类和数量具有可调性和保持性能稳定性的优势，选用溶胶凝胶型离子电极，利用丝网印刷技术和sol-gel的固定化法相结合修饰离子电极，延长离子选择电极使用寿命，实现了本发明使用的持久性。

本发明的技术方案，利用循环伏安法对Sol—Gel膜多功能离子选择电极经不同活化液活化后对多种离子产生Nernst响应的机理。Sol—Gel敏感膜对待测离子的响应不经发生在膜与溶液界面上，而且待测离子可进入Sol—Gel网络结构内形成立体式响应，有助于电极灵敏度的提高。本发明的技术方案，由传感器外观图（图1）、传感器探头内部结构半剖视图（图2）和传感器工作电路图（图3）三部分组成，详细说明如下：

㈠传感器整体框架：传感器外观图如图1所示，1为传感器工作电极外接导线，9为导线连接孔； 2为传感器外接导线固定盘（软橡胶制成）；3为甘汞电极（主要目的是为了滤掉溶液中其它阳离子对监测结果的干扰）；4为活化液更换添加端口；6为活化液更换排放端口；7为钾离子识别活化液（主要成分：正硅酸乙酯（TEOS）10 mL、水4.0 mL、无水乙醇100 mL、6.0 mol L盐酸0.1 mL、干燥NaNO3）；8为钾离子反应Sol—Gel膜，设置为半球形状，置于传感器探头顶端，钾离子反应Sol—Gel膜的主要成分为：苯并一15一冠一5和梭基化的聚氯乙烯（PV-COOH）粉系；普通PVC粉、阴离子定域体四苯硼酸钾（KTPB）、介体溶剂癸二酸二异辛醋（DO）S和邻硝基苯辛醚；实验用水为去离子水，试剂未注明者均为分析纯；10为待测溶液残渣滤网（规格为300目的反冲洗过滤网），主要是为了防止溶液中的残渣接触感应Sol—Gel膜，从而来减少传感器监测和反馈的误差。

㈡传感器探头内部结构剖视图：传感器探头内部结构半剖视图如图2所示，11为活化液储存室内壁；12为传感器工作对电极接线端口；13为活化液储存室（由透明钢化薄膜构成，形状类似于空心圆柱体，底端直接由感应Sol—Gel膜组成，由部件14保证密封保护）；14为部件13与部件8的密封胶圈；15为参考电压参考电极接线端口；16为传感器保护外壳；17为活化液储存室外壁；20为传感器工作电极接线端口。

㈢ 传感器工作电路图：工作电路图如图3所示，5为传感器工作对电极（由Pt制成）；18为参考电压参考电极（由Pt制成）；19为传感器工作电极（由Ag制成）；21为参考电压输入端；22为参考电压与监测电压差转换系统；23为电压差信号传输设备；24为PLC集成控制系统。 

例如，本实用新型技术方案的具体实施过程可以如下：

⑴由所需配制的目标溶液离子浓度通过以下公式来计算得到目标溶液钾离子浓度所对应的参考电压电动势（这一计算过程由计算机软件模型来完成，在实际操作过程中只需要输入固体肥料的量和配肥用水量。参照公式如下：

                                                                    

其中：E0 包括离子选择电极的标准电动势和参比电极电势，R-气体常数、T-绝对温度、z-离子电荷数、F-法拉第常数，C-溶液中待测离子浓度，E目标溶液离子浓度所对应的参考电压电动势。

由于E0、R、T、z、F均为常量，目标溶液离子浓度所对应的参考电压电动势E与离子浓度C是一一对应关系。

⑵在确定了所需配制的肥液浓度（K+浓度所对应的参考电压电动势），通过PLC集成控制系统24将参考电压输送到到参考电压输入端21，同时配肥装置启动，开始将固体钾肥和配肥用水送入配肥罐（配肥用水量确定），配送固体钾肥变频电机处于最大频率运行位置。此时由于固体钾肥的溶解，钾离子传感器开始通过感应Sol—Gel膜的感应产生相对应的电动势。

⑶感应Sol—Gel膜的感应产生的感应电动势与参考电压电动势之间会产生一个电压差值，通过参考电压与监测电压差转换系统22将这一差值电压转化为脉冲电压信号，同时由电压差信号传输设备23传输到PLC集成控制系统24，再由PLC集成控制系统24来通过电压集成转化来改变配送固体钾肥变频电机的频率，从而来改变固体钾肥的输出量。

⑷由于配置的肥液中钾离子浓度时刻发生着变化，且随着固体肥料的加入不断持续呈上升趋势，则传感器感应Sol—Gel膜的感应产生的感应电动势也不断呈上升趋势，为此与参考电压所形成电压查在持续不断的减小。

⑸由于产生的这一差值电压不断的减小，为此传输的脉冲信号也会不断的减弱，PLC集成控制系统24所接收到的信号越弱，其为配肥变频电机输出的电压就越小，则电机的工作频率就越来越小。当产生的这一差值电压几乎减小到零时，PLC集成控制系统24几乎不能接收到任何脉冲信号，为此其为变频电机输出的电压几乎为零，此时配送固体钾肥变频电机停止固体钾肥输送，此时说明感应Sol—Gel膜的感应产生的感应电动势几乎和参考电压电动势相同，则配肥罐内的溶液钾离子浓度达到所要配的目的浓度，配肥完成。

⑹该装置的中试效果表明：该装置对滴灌施肥配制的肥液浓度的精准度控制可以达到94%以上，不但时效性好，而且准确度高；同时实现了自动化无人操控农作物配肥、施肥理念，打破了传统的人工配肥，在指导农作物实际生产中滴灌施肥起到了举足轻重的作用。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，包括传感器保护外壳，安装在传感器保护外壳顶部的外接导线组件，安装在所述传感器保护外壳内部、且与外接导线组件连接的液体传感组件。

2.根据权利要求1所述的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，所述外接导线组件，包括安装在所述传感器保护外壳顶部的传感器外接导线固定盘，设置在所述传感器外接导线固定盘上的三个导线安装孔，以及通过所述三个导线安装孔与液体传感组件连接的三根导线。

3.根据权利要求1或2所述的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，所述液体传感组件，包括靠近所述外接导线组件、设置在传感器保护外壳内部、且与三根导线中的第二根导线连接的甘汞电极，以及，位于所述甘汞电极下方、且自上向下依次配合安装在传感器保护外壳内部的电极控制单元、装载有钾离子识别活化液的活化液储存室、钾离子反应Sol—Gel膜和待测溶液残渣滤网；

在所述活化液储存室的右侧顶部设置有伸出传感器保护外壳、且向上倾斜的活化液更换添加端口，在活化液储存室的右侧底部水平设置有伸出传感器保护外壳的活化液更换排放端口。

4.根据权利要求3所述的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，所述液体传感组件，还包括设置在所述活化液储存室与钾离子反应Sol—Gel膜之间的密封胶圈。

5.根据权利要求3所述的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，所述电极控制单元，包括自左向右依次设置的参考电压参考电极、传感器工作电极和传感器工作对电极、参考电压输入端、参考电压与监测电压差转换系统、电压差信号传输设备和PLC集成控制系统，其中：

所述参考电压参考电极与三根导线中的第一根导线连接，传感器工作电极通过导线与甘汞电极连接，传感器工作对电极与三根导线中的第二根导线连接；

所述参考电压参考电极与参考电压输入端的负极连接，参考电压输入端的正极依次经PLC集成控制系统、电压差信号传输设备和参考电压与监测电压差转换系统后与传感器工作对电极连接，参考电压输入端的正极还与传感器工作对电极连接，传感器工作对电极还与甘汞电极连接。

6.根据权利要求3所述的能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，其特征在于，所述活化液储存室，具体为横截面呈底部为平面顶部为凸面的U型凹槽结构；

该活化液储存室，包括竖直同心设置的活化液储存室内壁和活化液储存室外壁，在所述活化液储存室内壁内侧自左向右依次依次设置有分别与电极控制单元中相应电极连接的参考电压参考电极接线端口、传感器工作电极接线端口和传感器工作对电极接线端口，在所述活化液储存室内壁和活化液储存室外壁之间装载有钾离子识别活化液。