基于MSP430单片机的溶解氧测量仪

　　0　引言

　　溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)是水体污染程度的重要指标,也是衡量水质的综合指标。因此,水体溶解氧含量的测量,对于环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。目前溶解氧测量方法主要有碘量法和电流测量法,由于碘量法是一种纯化学方法,操作起来比较烦琐,不适合快速准确和连续测量溶解氧。电流测定法的测量速度比碘量法要快,操作简便,干扰少(不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响),而且能够现场自动连续检测。目前市场上大多数溶解氧测量仪器都是基于电流测量法研制的,代表产品主要有美国YSI公司的溶解氧测量仪,国内目前一些单位和研究机构已经开发研制出一些基于电流测定法小型溶解氧检测仪,如上海某厂生产的JPSJ-605型溶解氧分析仪等[1],但其测量速度和精度与国外的还有一定的差距。该溶解氧测量仪采用极谱型薄膜传感器对水中的氧气进行测量,以MSP430单片机为主控制芯片[2]。测量仪具有温度补偿功能,能够快速准确连续地测量水中的溶解氧,并且配备有RS-485通讯接口可以进行远距离多点测量。

　　1　溶解氧电极的工作原理

　　溶解氧测量仪采用的传感器是按照ClarK原理制作的极谱型薄膜传感器,传感器部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液以及氧扩散膜组成,氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。极谱型电极的工作原理如图1所示[3]。

　　当给电极加上0·68 V的极化电压时,氧通过膜扩散阴极释放电子阳极接受电子产生电流,整个反应过程为:

　　阳极: 4Ag+4CL→4AgCL+4e-

　　阴极:O2+2H2O+4e→4OH-

　　根据法拉第定律:流过电极的电流和氧分压成正比,在温度不变时,电极的输出电流和氧浓度之间呈线性关系。这样就可以根据电极输出电流的大小计算出溶液中的氧浓度。

　　2　溶解氧电极的温度特性及其补偿

　　在温度不变的情况下,溶解氧电极的输出电流和溶液中的氧分压成正比,但是随着溶液温度的变化,有很多因素影响电极的输出电流,主要是由于温度的变化引起膜的氧穿透系数增加和氧在电解质溶液中的扩散系数增大。温度升高,氧电极的输出电流相应增加。温度对膜的影响可以用膜的扩散系数与溶解度的阿仑尼乌斯定律来估计[3-5]:

式中: IT为电极稳态响应电流; I0为氧分压为零时的电极响应电流,一般很小接近于0 nA;pO2为被测介质中氧分压;T为透氧膜工作温度;α和A为与电极材料和结构有关的2个常数。由式(1)可知,由于电极的本身特性,温度升高,氧电极的扩散电流相应增加。这不符合溶解氧含量随温度升高而下降的变化规律,因此必须对温度引起的测量误差进行补偿。该溶解氧测量仪温度补偿方法采用软件温度补偿[6],即在氧饱和的纯净水中,测量出溶氧电极在不同温度下的输出电流,从而计算出不同温度下电极的温度系数K,测量时可以根据当前的溶液温度值查表对测量结果进行补偿。这种补偿方法精度高,可以弥补传统的硬件温度补偿所带来补偿范围和补偿精度受到限制的缺点。