溶解氧传感器设计基于超声波自适应和自洁

文摘

溶解氧传感器是溶解氧测量的关键,它通常是由电化学方法,实现测量溶解氧含量通过膜分子氧的扩散速度。然而,电化学传感器探头上的电影是最有可能阻止了水污染物,这可能会降低传感器的使用寿命和间接影响传感器的电流。这是由于水的温度变化,这可能会导致传感器的输出的准确性的下降。提出一种新的方法来实现智能溶解氧传感器。我们的方法主要是针对超声波自动清洗、自动调整、温度的变化和适应,不仅可以定期清洁溶解氧传感器探头也根据温度的变化自动校准仪器结合软件和硬件。实验结果表明,超声波清洗技术不仅可以提高传感器的使用寿命安全有效地清洗探头上的电影也提高传感器的输出精度。我们的方法的优点也有结构简单、测量精度高、使用寿命长,方便,稳定性,适合应用和推广。

1。介绍

溶解氧(1)不仅是一种主要的参数来表征水环境质量也是一个重要的条件更高的鱼类等水生动物的生存。溶解氧测量具有重要意义的环境监测和水产养殖的发展。

溶解氧测量的常用方法是iodimetry [2,3),电流测量(克拉克溶解氧电极)4,5),光纤荧光猝灭(6- - - - - -8),等等。Iodimetry是经典的溶解氧的方法测量精度高,但因为它是费时又费力,不适合在线监测。光纤荧光猝灭有复杂的制造工艺和制造成本高,所以它是目前使用较少。目前的测量是一个电化学方法,获得溶解氧含量通过测量溶解氧传感器的电流。由于溶解氧传感器解决了在线测量的问题,简单,快速,不容易受到水的色度,浑浊的水,和杂质,它广泛应用于水质环境测量。刘等人提出了基于MSP430的溶解氧测量仪的(9]。李等人提出了AVR溶解氧的检测(10],詹董和设计了一个基于ZigBee技术的自动控制系统在淡水oxyty培养(11]。设计进行了有效的研究原则,结构和系统的在线测量溶解氧。如今,神经网络(12,13),自适应方法、机器学习和深入学习各领域成功应用,取得了显著的成果(14- - - - - -16]。

然而,溶解氧传感器的探针是容易被阻塞了藻类和浮游植物在水中,导致它不能连续工作很长一段时间,它不能用于项目,和水温的变化可以很容易地增加探测器的输出电流和间接影响测量的准确性。为了解决上述问题,提高测量精度,本文提出了一个新的设计基于超声的溶氧传感器自适应和自洁。这部小说溶解氧传感器清洁机制和自动校准解决污染和堵塞的问题,导致探测器的灵敏度的不断递减,提高了测量精度,并产生一个无障碍溶解氧传感器使用寿命长和精度高。

2。系统的结构

2.1。测量系统的总体结构

溶解氧传感器是一种先进的智能传感器,具有溶解氧测量系统的一个重要组成部分。溶解氧测量系统如图1。它包括一些聪明的溶解氧传感器与远程通信功能,云服务器,一些智能手机等终端。其中,智能水溶解氧传感器测量温度和溶解氧含量,上传数据,自动清洁探头,并适应温度校准。云服务器存储数据上传的智能溶解氧传感器和智能终端的控制命令。智能终端监控状态的水温度和溶解氧实时动态显示历史曲线,和发送控制命令等清洁和校准。

2.2。电路组成

一个智能溶解氧传感器的主要功能是测量水温、溶解氧测量的内容,自动校准系统,清洁探头。其结构如图2。它由嵌入式单片机(MCU),一个有线数字温度传感器,一个主电池溶解氧传感器,一个运算放大器电路、继电器模块,超声波电源,超声波传感器,系统电源,模块和GPRS / 4 g。

单片机需要一定量的IO,足够的定时器和中断,一个模拟-数字转换器(ADC),一个有线接口,一个通用异步串行接口,和其他通用接口,以及一个看门狗定时器和很强的抗干扰能力。它适用于选择STM32系列产品的意大利法国的半导体公司,PIC芯片公司的系列产品,或相关兼容单片机微控制器产品。

应用运算放大电路放大毫伏级电压信号输出的溶解氧传感器几乎100次,完成单片机的测量与ADC。因为大多数的单片机是10位ADC精度或12位精度的产品不满意这样的设置需要更高的测量精度,以添加16位或24位特殊ADC模块的后端运算放大器电路,如AD7705 MAX195 AD7710, ADuC845。

DS18B20 [17- - - - - -19可以作为温度传感器,灵活轻便,具有较高的精度。它能够提供温度的范围−55°C∼125°C的精度±0.5°C。DS18B20使用一个有线接口,简单与单片机连接,方便应用。

继电器模块组是用于控制超声波电源和潜水泵自动清洁探头。

GPRS / 4 g模块应用到远程连接云服务器,建立一个通信信道智能水产养殖物联网系统的建立和实现远程监控的智能终端。

2.3。溶解氧传感器

智能溶氧传感器测量系统的前端。它的质量、使用寿命和精度是水环境监测的基础和水产养殖的发展。一个好的设计保证了安全、准确性、稳定性和测量系统的使用寿命长。

一般来说,涂布原电池电极或极谱电极作为电极的溶解氧传感器,传感器本质上是一个氧电池,以氧为阴极和铅阳极。传感器的阴极通常是由银导线,里面充满了电解质和覆盖涂层外隔离,因为氧气需要排放的金属。在水中氧气进入传感器通过渗透膜和电极,从而导致氧化还原反应;的阴极电极输出微级电流。发生在电池的反应公式如下:阴极:阿₂+ 2 h₂O + 4 e⁻⟶4哦⁻阳极:2 pb + 4哦−⟶pb (OH) 2 + 4 e−总化学方程式:O₂+ 2 pb + 2 h₂O⟶2 pb(哦)₂

涂布氧传感器是当前元素。涂布氧传感器,电流输出电极氧消耗成正比,和氧气的速度通过这部电影也是这部电影的压力成正比。因为在阴极氧消耗迅速,它可以假定对这部电影没有压力,这将导致氧的扩散,而强行通过电影和电影上的压力都迫使氧气迅速到达电极。如果探测器外的压力增加,更多的溶解氧扩散通过电影和更多当前将生成。否则,电流减小,扩散电流所描述的模型。相关的公式如下:

在这个公式,n是电子的数量在电极反应中,F法拉第常数,一个阴极的表面积,D氧气扩散系数,l是距离的外表面渗透薄膜阴极的表面,然后呢C是氧气的分压。根据法拉第定律,当确定电池的材料和结构,当前由分子氧的扩散电极通过这部电影是在一定温度下氧的分压成正比,可表示为线性元素: 。

3所示。智能传感器的机械结构

智能传感器是一个数字测量系统,而不是一个常见的传感元件。它有理性和完美的设计包括单片机、调节电路、通信电路、测量机制,和清洁机制。不仅仅是方便输出控制和功能增强,但也有一个短的学习曲线。智能传感器的机械结构如图3。传感器系统漂浮在水的表面;上部的表面(上图)和它的下部(水下)都是圆柱体的形状,中间部分是形状的阀瓣(浮在水面上)。中间的槽上方的嵌入式溶解氧探头,和周围的空腔用于含有的水注入的潜水泵,需要测量。较低的一侧边缘的中间部分是进水口与一个小型潜水泵,另一边是低水出口,而上层水出口上方。上层水出口和大开口是主要的出口,和较低的水用一个小孔是辅助水出风口。水的流动方向也显示在图3。这个设计的目的是为调查提供水,水流在一个合适的速度,和准备空气校准(见部分4)通过停止潜水泵,排干水,溶氧探头和暴露到空气。插入底部的温度传感器外壳的上部是用来测量温度的水腔。

中间部分是设计成盘以漂浮在水和储存足够的流水来衡量。下半部分用于把超声换能器和超声电源和他们都是设置在水线下。这样的设置有两个优点:首先,水线以下温度低于温度以上,这是超声波电源的散热方便;其次,超声换能器和超声电源的重量是足够大的作为系统的平衡,以防止倾覆的系统结构。然而,有一个制造困难,很难保证防水的特点和密封在超声换能器和超声电源外壳。

4所示。自动清洗的设计

探测器上的渗透膜的效果是使分子在水中氧气透过它从外面的推动下溶解分压和与探测器的电极反应产生电流,而水、有机物和其他大分子被屏蔽在电影在同一时间。由于电影的选择性特性,有机物质将被困在膜的表面,导致膜污染,这是主要因素限制了传感器连续工作了很长一段时间。因此,有效的渗透膜清洗是一个很好的方法来扩展传感器的使用寿命。常见的清洁方法包括生物清洗、化学清洗、物理清洗。

生物清洗是去除污染物的电影与微生物的帮助下,酶和其他生物活性代理。其缺点在于清洁需要很长时间,清洗后容易产生二次污染。化学清洗是浸泡和清洗膜与清洁的解决方案添加一个合适的化学剂。其缺点在于清洗费时,费力,不安全。上面的清洁方法可以提高膜的渗透性,但还有一个可能性,引入新的污染物,破坏电影。否则,他们在操作很复杂,可靠性较低。

物理清洗包括机械法和超声波法。机械方法,比如手工擦拭,水洗涤、擦拭和自动机制,有几个缺点等困难的清洗操作,清洗效果差,损坏率高自探测薄膜的厚度通常是20 - 40μm。

超声波清洗是利用超声波的空化效应分解污垢的吸附和表面的清洁部分并摧毁污垢层。空化效应是微气泡(空化核)在液体中超声的周期性作用下振动,所以微气泡在液体中会迅速扩张,然后突然关闭。目前的泡沫结束,强大的冲击波和高温和高速微射流将生成和冲击波将固体和液体之间的界面。此外,高温和高速微射流将达到表面的电影。它将破坏不溶性污垢,洗颗粒和有机物质,并使它们分离和分散在液体中,从而达到清洗的目的。

崔et al .,结合超声波清洗技术的应用和相关影响因素的研究,期待超声波清洗技术的发展方向20.,21];黄和密苏里州调查了膜污染和水源污染的清洁雕像悬浮生长MBR和两种附着生长MBR (22];结果表明,超声波清洗可以显著提高膜的性能与表面粘度高污染附着生长MBR。前面提到的研究表明,超声波清洗技术将适合电影的清洁的溶解氧传感器探针如果清洁机制设计合理和适当的工作参数选择。

在这个设计中,超声波清洗机制位于底部的传感器系统,传感器面对和面临的垂直探测器,这意味着超声波清洗机理尤其为清洁而设计的。在清洗的过程中,潜水泵保持正常和腔充满了水,这是作为清洗液。重复实验后,本文发现,它可以保证探测器的无损清洁和长期使用时工作频率是28 kHz,传感器是50 W,清洗周期是每天4次,清洗时间20秒。

定期自动清洗的流程图如图4。电解液的浓度极化的传感器是由超声波;也就是说,两个电极附近的电解质的浓度明显高于电解质本身;阳极或阴极的电极电位传感器偏离平等所产生的潜在的电解液的浓度,导致传感器的输出电流变化很大和测量的结果突然增加,所以系统不能正常测量溶解氧含量。因此,系统停止数据采样过程中清洁和清洗过程后为了防止错误的收集数据和大偏差。

5。温度补偿设计

温度补偿的乐器是正确的最后一个参数(间接参数),这很容易受到温度的影响。

溶解氧的测定是一种相对测量方法,通过线性计算获得溶解氧内容通过测量传感器的输出电流。由于电影的厚度限制,电解液浓度、铅银金属的纯度,和制造水平,每个传感器探头的输出电流是不同的。因此,零校准和跨度校准前应进行测量,即校准仪器零点的当前值和一定温度下的饱和t。因为零点的当前值对应于零溶解氧值和饱和点的当前值对应温度下的饱和溶解氧值t之间存在线性关系,溶解氧含量和电极的输出电流温度是常数时,两点校准可以确定系数的线性关系当前和溶解氧k_t之间的映射关系,当前温度和溶解氧t建立了。例如,如果溶解氧传感器系统校准在20°C,我=k_20.c可用于精确计算得到精确的溶解氧含量,当水在20°C。

图5是一个比较溶氧饱和度和温度之间的关系在常温下,盐度为0°C,和标准大气压力。由于溶解氧饱和度和温度之间的关系不是线性的,就像上面的例子中,k_20.不能用于计算溶解氧含量,当温度上升到22°C或落在18°C。在不同温度校准线有不同的斜坡。由于电极电流之间的线性关系和氧气分压是基于环境温度,如果温度水的变化,输出电流会增加或减少。例如,使用温度的增加,这部电影将会增加氧气渗透系数和扩散系数的电解质溶液中溶解氧会增加,所以溶解氧的渗透率会增加,从而导致电极的反应速度的增加,电流信号的变化,间接测量结果的溶解氧含量也会增加。同时,氧气分压可以保持或改变很少,因此,溶解氧含量仍将和温度的变化会改变探针的电流输出和导致不准确的测量。因此,调查应根据温度补偿。

丁等人提出一种补偿和校正方法,智能溶解氧传感器(23]。张和邵研究了溶解氧的温度传感器的特点(24),分析了氧电极的温度补偿,并设计一个软件补偿方法。溶解氧测量的准确性时可以显著提高校准温度和水温度之间的差异很小。然而,软件温度补偿可能算错溶解氧含量差异足够大时(±8°C)。此外,三阶多项式用于适应温度的斜率饱和溶氧度可能会导致单片机过于沉重的负担,这是不方便的和不切实际的。因此,有必要研究和设计一种新的和先进的温度补偿方法提高溶解氧测量的准确性。

在本文中,一个方法结合软件温度补偿和实时调整建议。在这个新方法,使用线性温度补偿模型时,温差很小,和实时校准时使用温差很大,这意味着测量范围内的水温是±2°C的温度校准。首先,它使用的配方D=K∗T+b正确的饱和溶解度,然后使用配方我=k_t∗c间接计算溶解氧含量(溶氧的分压)。如果水温度范围外的±2°C的温度校准,它需要重新调整和校准仪器在新的温度来确定新k_t。一方面,自零校准仪器一般由厌氧水之前产品离开工厂,几乎不受温度的影响,此时可以忽略。另一方面,有四种跨度校准:经典化学法,空气标定方法,标定方法,空气和电解氧气标定方法,标定方法和水标定方法通常用于在线测量。本文选择空气标定方法实现。

空气标定方法也被称为空气对水的饱和蒸汽校准。当水饱和的空气在一定温度、溶氧的分压等于空气中氧的分压表面的水,所以空气中的氧气进入水的速率等于氧气的速度逃离水在空气中。因此,无论电极浸在水里或放置在空气中,它可以产生相同的电流,是基于它的方法被称为空气标定方法。空气标定方法很容易实现,能够测量精度高,所以这是最好的方法之一进行现场校准。

空气传感器的校准过程如图6。它关闭的潜水泵,然后下水道水并等待60秒,测量温度和电流通过调整溶氧仪基于图的斜率6最后,重新校准溶解氧电极。

6。实验和讨论

有两种不同的水产养殖池塘选择下面的实验。实验主要关注两个方面的调查。实验1是用来揭示超声波清洗的效果的耐久性调查。实验2是用来揭示新的温度补偿技术的影响测量的准确性。

6.1。实验1

有一个户外土壤池塘养殖池塘这是阳光明媚的和丰富的藻类。增加溶解氧含量的主要方式是自然增加氧气,和辅助的方法是添加氧通风装置。水产养殖生物是中国对虾。水的温度通常是25±3°C。每天测量时间从15:00到17点,实验持续90天。其中,一个对应于iodimetry衡量结果,B对应于探针测量结果定期超声清洗,和C对应于探针测量结果从来没有清理。结果如图7和8。

结果表明,C类型探针测量的相对误差的增加及其结果随时间的推移而减小。在30天C类型探测器的相对误差达到了30.3%,这意味着这个探针可以不再被用于测量。然而,B类型探针可以连续工作超过90天,其相对误差仍不到1%。在实践中,传感器B类型探测器已经连续工作一年以上;它仍然不需要取代电影或电解液及其输出衰减小于5%。

6.2。实验2

有一个室内提出水泥池养殖池塘。它的池塘是铺着微孔补氧管道。主要有小藻类在水里和增加溶解氧含量的方法是人工添加氧气。龙胆石斑鱼养殖生物。水的温度变化的实际时间和测量时间每天从8点到18:00。其中,一个对应于iodimetry衡量结果,B对应于探针测量结果与软件温度补偿和实时校准,和C对应于测量结果的调查只校准23°C。结果如图9和10。

结果表明,C型探测器的相对误差随温度偏差23°C(校准温度)和最大相对误差达到2.38%,尽管它保留软件温度补偿。与此同时,B类型探测器的相对误差小于1%,这意味着它有一个很好的测量精度。

7所示。结论

研究表明,新的溶解氧测量系统由单片机可以合理地解决探针的问题应用超声波清洗技术清洗后,因为与其他清洁技术相比,超声波清洗技术清洗率较高的优点,残渣少,清洗时间短,和更好的清洗效果,大大延长了传感器的使用寿命。的应用软件温度补偿和实时空气校准可以显著提高测量的准确性,实现了连续性、稳定性、可靠性和准确性在溶解氧测量水质环境监测,并为科学养殖水产养殖业提供重要数据。目前,大约有100套计量器具实施许多虾池塘农场在北海,钦州、防城、海口、三亚、中山、广东省汕尾,他们已经连续工作了超过一年。介绍了GPRS / 4 g模块可以有效地建立水质监测和水产养殖行业的大数据和新自洁自适应溶解氧传感器系统将为水质监测和水产养殖业提供更高质量的服务。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的存在。提交作者负责合作者宣布他们的利益。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金资助下号。61772147和61772147,广东省高校创新团队建设项目批准号下的主要科研项目2015 kcxtd014,中国湖南省级教育主管部门批准号19 a271,广东省自然科学基金重大基础研究和培育项目资助2015 a030308016的协作创新重大项目下的广州市教育局拨款1201610005,广东省自然科学基金重大基础研究和培育项目资助2015 a030308016,国家重点实验室的开放课题项目密码学科技在格兰特MMKFKT201913,格兰特MMJJ20170117下和国家密码学发展基金的支持。

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