一种新型溶解氧浓度测量仪的设计

　　1　引　言

　　在废水处理、污水曝气、环境水质监测、锅炉用水的脱氧、发酵工业的溶氧控制、金属元素提炼等领域,水中溶氧是一个重要的水质参数;在海水及淡水养殖业中,溶氧浓度直接关系到水生物的生长状况,也是水生物生长环境所需要控制的一个重要参数[5]。因此,解决水溶氧浓度的测量问题具有重要的实际意义。

　　目前国内使用的溶氧测量装置大都依赖进口,价格较高,探头更换等售后服务也难以保证。同时国内对溶氧测量的研究虽然已经取得了一定的进展,但是仍未完善。所设计的溶氧测量系统采用原电池式氧传感器来测量水中溶氧浓度。该系统以单片机为处理核心,具有温度自校准、探头自动清洁、盐度及大气压自动补偿功能,测量准确,响应速度快,稳定性好,可长期可靠地工作。同时系统还配有简捷方便的人机交互界面,使得该系统使用起来方便快捷。

　　2　溶解氧浓度传感器工作原理

　　系统使用覆膜酸性胶体电解质原电池式氧传感器实现水中溶氧(DO)浓度的测量。覆膜原电池式氧传感器的结构[3]如图1所示。传感器由一小室构成,室内有两个金属电极,其阴极采用银电极,阳极为适当的金属。室内充有电解质,用选择性渗透性薄膜(如聚四氯乙烯)将小室封闭住,与外界隔,水和可溶解物质离子不能透过渗透膜,而氧和一定数量的其他气体及水性物质可透过这层薄膜。

　　因原电池作用或外加电压使电极间产生电位差,由于这种电位差,使阳极金属离子进入溶液,如果负极有氧存在,则发生还原反应产生电流。电流的大小与一定条件下水中氧的分压有关,而水中氧的分压与水中溶解氧的浓度成正比[2],当氧气分压变化时,渗进膜内的氧气量也相应调整,探头电流也按比例改变,所以传感器的输出电流反映了水中溶解氧的浓度。对于氧传感器,如果采用的是碱性电解质,二氧化碳与电解质作用,消耗电解质,且与电池反应生成的铅离子形成碳酸铅和碱式碳酸铅,在阴极表面及周围沉淀,影响传感器的性能和寿命。如果采用水溶液作电解质,由于水通过透气膜向外蒸发,形成气泡在电池腔内游动,撞击阴极和阳极,可能引起测量结果的不稳定[4]。所以系统采用酸性胶体电解质,以保证系统能够长期稳定工作。原电池内部化学反应如下:

　　覆膜原电池式氧传感器是一种电流型测量器件,可用扩散电流模型来描述。

式中:n为反应电子数;F为法拉第常数;A为阴极表面积;D为氧扩散系数;l为透气膜外表至阴极表面的距离;c为溶氧浓度。当电池的材料、结构确定时,在一定温度下,式(1)可简化为