CN113916849B - 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置 - Google Patents

一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113916849B
CN113916849B CN202111063004.0A CN202111063004A CN113916849B CN 113916849 B CN113916849 B CN 113916849B CN 202111063004 A CN202111063004 A CN 202111063004A CN 113916849 B CN113916849 B CN 113916849B
Authority
CN
China
Prior art keywords
dissolved oxygen
air
sensor
temperature
tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111063004.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113916849A (zh
Inventor
张颖颖
高顺
袁达
张云燕
吴丙伟
冯现东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences filed Critical Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Priority to CN202111063004.0A priority Critical patent/CN113916849B/zh
Priority to EP21956558.7A priority patent/EP4257956A1/en
Priority to PCT/CN2021/128294 priority patent/WO2023035386A1/zh
Publication of CN113916849A publication Critical patent/CN113916849A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113916849B publication Critical patent/CN113916849B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N21/643—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" non-biological material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0006—Calibrating gas analysers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N2021/6432—Quenching
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water
    • G01N33/1886—Water using probes, e.g. submersible probes, buoys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/20—Controlling water pollution; Waste water treatment

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置，所述校准装置包括用于封装光学溶解氧传感器的密封罐、调节罐体内温度的恒温水槽、为密封罐充气的空气瓶和氮气瓶、检测密封罐内温度、压力、湿度的传感器模组以及数据采集与控制单元等，为被测介质中溶解氧含量的原位检测和校准作业提供了硬件支持。所述校准方法包括建立误差模型和校准两个阶段，不仅能够判别出光学溶解氧传感器是否出现数据漂移问题，而且能够对发生漂移的光学溶解氧传感器所检测到的溶解氧浓度进行校准，实现了被测介质溶解氧浓度的准确获取。

Description

一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置
技术领域
本发明属于测量仪器校准技术领域，具体地说，是涉及一种用于对发生数据漂移的光学溶解氧传感器进行校准的方法及装置。
背景技术
溶解氧是衡量海水水质优劣、水体被污染程度的重要指标，是除了温度、盐度以外，海水中最重要的监测指标。海水中的溶解氧含量对于海洋生命活动以及海水养殖业会产生重要的影响，是进行海洋生态环境评估和海洋科学实验的重要依据。
目前，用于测量分析海水中溶解氧含量的方法一般包括碘量法、电极法、光学溶解氧传感器测量法等。其中，基于荧光猝灭原理的光学溶解氧传感器凭借其响应速度快、不消耗水体中的氧气、寿命长、周围环境对其影响小等优势，已经成为目前国际上开展海水溶解氧自动监测研究领域最受关注的测量方式。
基于荧光猝灭原理的光学传感器虽然适合溶解氧的长期原位监测，但是，其在定标后至投放前的贮存期内以及实际应用过程中不可避免地会发生“贮存漂移”和“测量漂移”等问题，继而导致测量数据准确度和可信度大大降低，因此，需要对已发生数据漂移的传感器进行校准。然而，目前的主流校准方法往往集中在实验室进行，该方法由于需要将溶解氧传感器从现场取回到陆地实验室，因此需要消耗大量的时间和金钱，最重要的是切断了监测数据的连续性，无法满足溶解氧传感器在海洋监测过程中自动进行原位校准的迫切需求。因此，作为保障溶解氧原位监测可靠性和稳定性最主要的手段，非常有必要开展溶解氧传感器原位自校准方法的研究，这对于提升溶解氧传感器原位监测的数据质量，延长原位免维护运行的时间具有重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光学溶解氧传感器的校准方法，旨在解决光学溶解氧传感器在发生数据漂移后，其测量数据的校准问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
在一个方面，本发明公开了一种光学溶解氧传感器校准方法，包括两个过程：
其一，利用准确的光学溶解氧传感器建立误差模型，其包括：
将标准的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下；
获取不同温度t条件下，所述标准的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure GDA0003688405300000023
以及所述充满空气的密闭气体环境中氧气的理论分压值
Figure GDA0003688405300000024
建立误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C；其中，A、B、C为系数，根据
Figure GDA0003688405300000021
和温度t确定其取值；
其二，利用校准模型，对实际应用的光学溶解氧传感器检测到的被测介质中的溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor进行校准，其包括：
将实际应用的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下，获取所述实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 100％air,sensor；
将实际应用的光学溶解氧传感器置于无氧气的密闭气体环境下，获取所述实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 0％air,sensor；
利用以下校准模型，对所述溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor进行校准，以生成溶解氧浓度校准值O2 corr：
其中，
Figure GDA0003688405300000025
Y1＝Y1(t0)＝At02+Bt0+C；t0为被测介质的温度。
在另一个方面，本发明还公开了一种光学溶解氧传感器校准装置，包括：
密封罐，其罐体上设置有进水口、出水口、进气口和出气口，罐体中用于容纳光学溶解氧传感器；
恒温水槽，其槽内装有液体，所述密封罐完全浸入所述液体中；
空气瓶，其通过空气管线连接所述密封罐的进气口，用于向密封罐的罐体中充入饱和空气；
氮气瓶，其通过氮气管线连接所述密封罐的进气口，用于向密封罐的罐体内充入氮气；
传感器模组，其内置于所述密封罐的罐体内，用于检测罐体内的温度、压力和湿度；
数据采集与控制单元，其执行以下数据采集及控制过程：
控制空气瓶向密封罐充气，使罐体内充满饱和空气；
采集传感器模组检测到的罐体内温度t0以及容纳于罐体内的实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 100％air,sensor，换算溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure GDA0003688405300000033
；
计算Y1＝Y1(t0)＝At02+Bt0+C；其中，A、B、C为常数系数；
计算Y1与
Figure GDA0003688405300000031
的差值，在所述差值超过设定的误差范围时，判定所述实际应用的光学溶解氧传感器发生数据漂移；其中，
Figure GDA0003688405300000032
为温度t 0时密封罐内饱和空气中氧气的理论分压值；
打开密封罐的进水口和出气口，向罐体内注满被测水体；
采集实际应用的光学溶解氧传感器检测到的被测水体的溶解氧浓度O2 sea,sensor；
若实际应用的光学溶解氧传感器已发生数据漂移，则执行以下校准过程：
关闭密封罐的进水口和出气口，打开密封罐的出水口和进气口，控制氮气瓶向密封罐充气，使罐体内充满氮气，并排空被测水体；
采集实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 0％air,sensor；
利用校准模型，对被测水体的溶解氧浓度O2 sea,sensor进行校准，生成溶解氧浓度校准值O2 corr：
其中，
Figure GDA0003688405300000041
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用气体校准代替溶液校准的方式，为光学溶解氧传感器创建无氧及饱和空气两种纯气体环境，通过检测光学溶解氧传感器在两种纯气体环境下的溶解氧数值、温度、压力和湿度参数，并结合构建出的误差模型和校准模型，不仅能够判别出光学溶解氧传感器是否出现数据漂移问题，而且能够对发生漂移的光学溶解氧传感器所检测到的溶解氧浓度进行校准，实现了被测介质溶解氧浓度的准确获取。由于纯气体环境可以保持氧气浓度的稳定性，因此，采用气体校准方式比采用溶液校准方式所获得的溶解氧测量数据校正值，其准确度更高。此外，在校准过程中，采用饱和空气和高纯氮气作为校准气体，无需配比获得100％氧饱和溶液和无氧水，因此，相比溶液校准方式操作更加简单，并且校准气体即便扩散到空气中也不会对大气造成污染，洁净环保。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的光学溶解氧传感器校准装置的一种实施例的总体结构示意图；
图2是本发明所提出的光学溶解氧传感器校准方法中误差模型建立阶段的一种实施例的流程图；
图3是本发明所提出的光学溶解氧传感器校准方法中校准阶段的一种实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例基于光学溶解氧传感器在气体和液体这两种介质中会表现出不同的响应特性，但在气体环境下构建的校准模型同样适用于液体环境的规律，采用气体校准代替溶液校准，构建误差模型和校准模型，以对光学溶解氧传感器是否发生数据漂移实现自动检测，并发生漂移的测量数据实现自动校准。
为了对使用过程中的光学溶解氧传感器实现原位校准，本实施例首先提出了一种光学溶解氧传感器校准装置的结构设计，如图1所示，包括密封罐10、恒温水槽20、空气瓶30、氮气瓶40、数据采集与控制单元50等主要组成部分。
其中，密封罐10优选采用导热快、密封性能好的材料制成，例如不锈钢等。密封罐10上设置有进水口11、出水口12、进气口13、14和出气口15等。
其中，进水口11用于将被测水体注入到密封罐10的罐体内，优选设置在罐体的侧壁上，且靠近密封罐10顶部的位置处，以便于在密封罐10中注满被测水体。在本实施例中，所述进水口11外接进水管线111，在进水管线111的端部安装有过滤装置114，通过过滤装置114将被测水体中的杂质滤除后再进入到进水管线111中。在进水管线111中还可以进一步设置进水电磁阀113和循环水泵112，以实现进水过程的自动控制。
出水口12用于排出罐体内的液体，优选设置在密封罐10的底部，以方便液体全部排出。作为一种优选实施例，可以将密封罐10的底部设计成碗状，将出水口12布设在碗底的正中附近，以便于罐体内的被测水体排净，尽量减少残存液体对原位校准结果的影响。在本实施例中，所述出水口12外接出水管线121，在出水管线121中可以设置出水电磁阀122，以实现出水过程的自动控制。在出水管线121的端部可以安装过滤装置123，利用过滤装置123对使用后的被测水体进行杂质滤除后再排放到外界，由此可以避免对外界环境造成污染。
进气口13、14用于向罐体内注入气体，优选布设在密封罐10的底部。在本实施例中，所述进气口13、14优选布设两个，一个为空气进气口13，通过空气管线131连接空气瓶30，用于向罐体内注入饱和空气；另一个为氮气进气口14，通过氮气管线141连接氮气瓶40，用于向罐体内注入高纯氮气。当然，也可以采用其他非氧气的高纯气体代替氮气，同样可以用于光学溶解氧传感器的校准过程。优选在所述空气管线131和氮气管线141上对应安装空气电磁阀132和氮气电磁阀142，以实现进气过程的自动控制。
出气口15用于将罐体内的气体排出，优选布设在密封罐10的顶部，外接出气管线151。在所述出气管线151上可以安装出气电磁阀152，以实现出气过程的自动控制。
在密封罐10的罐体内可以放置光学溶解氧传感器16和用于检测罐体内温度、压力、湿度等参数的传感器模组，例如CTD温盐深仪17、湿度传感器18等，利用CTD温盐深仪17检测罐体内的温度和气体压力(气压)，利用湿度传感器18检测罐体内的气体湿度。将连接光学溶解氧传感器16和传感器模组的线缆19穿出罐体，连接至数据采集与控制单元50，以向数据采集与控制单元50上传采集到的溶解氧浓度、温度、压力、湿度等测量数据。
将密封罐10置于恒温水槽20中，恒温水槽20中盛有纯净水21，纯净水21将密封罐10完全淹没，恒温水槽20通过改变纯净水21的温度，可以实现对密封罐10的罐体内温度的调节。为了保证密封罐10的密封性能，可以在密封罐10的顶部预留水密件，通过水密件连接线缆19，以防止纯净水21通过线缆穿孔进入罐体。密封罐10上的其他开口(例如进水口11、出水口12、进气口13、14和出气口15等)可以采用橡胶垫密封。
数据采集与控制单元50可以对空气瓶30、氮气瓶40、循环水泵112和各路电磁阀113、122、132、142、152的开关状态进行控制，以使装置可以自动完成进水、排水、进气、排气过程。
下面结合图1所示的光学溶解氧传感器校准装置，对本实施例的光学溶解氧传感器校准方法进行详细阐述。
本实施例的光学溶解氧传感器校准方法包括两个阶段：误差模型建立阶段和校准阶段。其中，误差模型建立阶段可以在实验室内完成，生成误差模型的数学表达式；校准阶段可以在实际应用过程原位进行，以满足海洋观测领域对海水中的溶解氧含量实现长期、连续观测的需求。
(一)误差模型建立阶段
在此阶段，可以将光学溶解氧传感器校准装置放置于实验室中，并将标准的光学溶解氧传感器(准确的、无漂移的光学溶解氧传感器)内置于密封罐10中，利用准确的光学溶解氧传感器建立误差模型。其过程如图2所示，具体包括：
S11、将标准的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下。
在本实施例中，为了获得充满空气的密闭气体环境，可以采用以下方式建立：
利用数据采集与控制单元50控制进水电磁阀113和出气电磁阀152打开，其余电磁阀关闭，启动循环水泵112向密封罐10注水，直到罐体内注满水，使罐体内的气体经过出气管线151由出气口153完全排出；然后，关闭进水电磁阀113、出气电磁阀152和循环水泵112。
打开空气瓶30、空气电磁阀132和出水电磁阀122，向密封罐10中注入饱和空气。进入密封罐10中的饱和空气将罐体内的水通过出水管线121排出，待水全部排出后，持续通气一段时间，关闭空气瓶30、空气电磁阀132和出水电磁阀122，此时罐体内充满饱和空气，使标准的光学溶解氧传感器被置于充满空气的密闭气体环境下。
S12、调节恒温水槽20的温度，以控制罐体内饱和空气的温度t。
在本实施例中，可以通过调节恒温水槽20内纯净水21的温度，来达到调节罐体内饱和空气温度t的目的。
具体而言，可以根据被测水体的年际温度变化区间确定出一个温度范围，例如，当被测水体为海水时，可以根据待测海水所在地的年际温度变化情况确定出一个合适的温度范围。然后，在此温度范围内按照梯度方式选取足量的温度点(例如N个温度点)，控制恒温水槽20从温度范围的最低温度开始调节槽内纯净水21的温度。
S13、获取温度t条件下，标准的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure GDA0003688405300000081
以及所述充满空气的密闭气体环境中氧气的理论分压值
Figure GDA0003688405300000082
在本实施例中，可以利用内置于密封罐10中的CTD温盐深仪17和湿度传感器18检测罐内饱和空气的温度t、压力和湿度，利用标准的光学溶解氧传感器检测罐内饱和空气的溶解氧浓度。作为一种优选实施例，当CTD温盐深仪17所采集到的温度值的变化范围在±0.01℃内，标准的光学溶解氧传感器采集到的溶解氧浓度的变化范围在±0.01μmol/L内时，视为密封罐10内空气环境达到稳定状态，此时，数据采集与控制单元50记录采集数据，包括：密封罐10内饱和气体的温度t(单位为℃)、温度为t℃时的气压Air(t)(即，所述充满空气的密闭气体环境的气压，单位为百帕hPa)、湿度RH以及溶解氧浓度。根据所述溶解氧浓度换算出其对应的氧分压值
Figure GDA0003688405300000083
单位为百帕hPa。
利用以下公式计算出温度为t℃时，密封罐10内饱和气体中氧气的理论分压值
Figure GDA0003688405300000084
(即，所述充满空气的密闭气体环境中氧气的理论分压值，单位为百帕hPa)：
Figure GDA0003688405300000091
Figure GDA0003688405300000092
式中，T为温度t的热力学温度，单位为开尔文K，即T＝t+273.15℃；EXP表示指数函数；
Figure GDA0003688405300000093
为密封罐10内饱和空气的相对湿度；
Figure GDA0003688405300000094
为氧气的摩尔分数。
S14、调节恒温水槽20的温度到达下一温度点，向密封罐10内注水，将密封罐10内的气体排出。
在本实施例中，可以在恒温水槽20内的纯净水21的温度到达下一温度点时，打开进水电磁阀113、出气电磁阀152和循环水泵112，向密封罐10内注水，以将罐体内的饱和空气通过出气口153排出，直到罐体内注满水，罐体内的饱和空气全部排净后，可以打开出水电磁阀122，使罐体内的水循环一段时间后，关闭进水电磁阀113、出气电磁阀152和循环水泵112。
S15、再次将标准的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下。
打开空气瓶30、空气电磁阀132和出水电磁阀122，再次向密封罐10中注入饱和空气。进入密封罐10中的饱和空气将罐体内的水通过出水管线121排出，待水全部排出后，持续通气一段时间，关闭空气瓶30、空气电磁阀132和出水电磁阀122，此时罐体内充满饱和空气，使标准的光学溶解氧传感器被置于充满空气的密闭气体环境下。
S16、返回过程S13重复执行，直到N个温度点的数据采集任务全部完成。
此时，便得到了N个
Figure GDA0003688405300000095
和N个
Figure GDA0003688405300000096
S17、建立误差模型。
在本实施例中，所建立的误差模型为：
Y1(t)＝At2+Bt+C (公式3)；
式中，A、B、C为常数系数，
Figure GDA0003688405300000097
可以根据不同的温度点t以及Y1(t)确定出所述系数A、B、C的取值。具体过程为：
将N个温度点ti(i＝1,2,……，N)及N个Y1(ti)值对应代入误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C，计算出多组A、B、C值(通常情况下是N-3组A、B、C值)；
对所得到的多个A值、多个B值、多个C值分别进行拟合，以确定出系数A、B、C的最终取值。
在本实施例中，所述N优选取大于等于10的整数，N越大，建立的误差模型越准确。
建立完误差模型后，将所述误差模型保存至数据采集与控制单元50中。
(二)校准阶段
对光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度数据进行校准的过程，可以在实验室内进行，也可以在实际监测现场原位进行。
针对被测介质为海水的情况，优选将本实施例的光学溶解氧传感器校准装置搭载在海洋自主观测平台上，在对海水中的溶解氧浓度进行监测的期间，可以周期性地对光学溶解氧传感器是否发生数据漂移进行自动判别，并针对出现数据漂移问题的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度(测量数据)进行自动校准，以保证监测结果的准确性。
本实施例的校准阶段，就是利用校准模型，对实际应用的光学溶解氧传感器检测到的被测介质中的溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor进行校准的过程。其过程如图3所示，具体包括：
S21、利用实际应用的光学溶解氧传感器对被测介质中的溶解氧浓度进行检测，获得溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor。
针对被测介质为海水的情况，可以将实际应用的光学溶解氧传感器16置于密封罐10中，整套光学溶解氧传感器校准装置搭载在海洋自主观测平台上，以用于对海水的溶解氧浓度进行原位检测和校准。
在此过程中，可以首先打开进水电磁阀113、出水电磁阀122和循环水泵112，通过循环水泵112原位抽取海水，并通过过滤装置114滤除掉其中的杂质后，经由进水管线111注入到密封罐10中，罐体中的部分海水经由排水管线121和过滤装置123排回大海，形成海水循环状态。在罐体内充满海水后，关闭所有的电磁阀和循环水泵112，数据采集与控制单元50采集密封罐10中的光学溶解氧传感器16检测到的溶解氧浓度，形成溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor。
S22、将实际应用的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下。
在此过程中，可以打开空气电磁阀132、出水电磁阀122和空气瓶30，将饱和空气通过空气管线131注入到密封罐10中。密封罐10中的海水被进入罐体的饱和空气压出密封罐10，经由出水管线121排放回大海。待罐体内的海水完全排出后，再继续通气一段时间，以避免罐体内残余海水对光学溶解氧传感器16是否发生数据漂移问题的判别结果造成影响。之后，关闭空气电磁阀132、出水电磁阀122和空气瓶30，在密封罐10中形成一个完全密闭的空间，即，将实际应用的光学溶解氧传感器16置于了一个充满空气的密闭气体环境下。
S23、采集实际应用的光学溶解氧传感器所处的环境温度t0以及其检测到的溶解氧浓度O2 100％air,sensor。
在本实施例中，待密封罐10内的气体环境稳定后，数据采集与控制单元50采集密封罐10中的CTD温盐深仪17检测到的罐体内温度t0、气压Air(t0)、湿度RH以及容纳于罐体内的实际应用的光学溶解氧传感器16检测到的溶解氧浓度O2 100％air,sensor，并将所述溶解氧浓度O2 100％air,sensor换算成其所对应的氧分压值
Figure GDA0003688405300000111
S24、利用误差模型判别所述实际应用的光学溶解氧传感器是否发生数据漂移；若未发生数据漂移，则直接将溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor作为最终结果；若发生了数据漂移，则执行后续的校准过程。
在本实施例中，可以将检测到的罐体内温度t0代入误差模型(公式3)，计算出Y1值，即：Y1＝Y1(t0)＝At02+Bt0+C；同时，结合上述公式1和公式2计算
Figure GDA0003688405300000112
然后，计算Y1与
Figure GDA0003688405300000113
的差值，其中，
Figure GDA0003688405300000114
为温度t0时密封罐10内饱和空气中氧气的理论分压值，可以利用公式1和公式2计算获得。
当所述差值在设定的误差范围内(例如可设定±5％的误差范围)时，则判定所述实际应用的光学溶解氧传感器16未发生数据漂移；反之，当所述差值超过设定的误差范围时，判定所述实际应用的光学溶解氧传感器16发生了数据漂移。
S25、将实际应用的光学溶解氧传感器置于无氧气的密闭气体环境下，获取所述实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 0％air,sensor。
在本实施例中，可以首先打开进水电磁阀113、出气电磁阀152和循环水泵112，向密封罐10内注入海水，利用进入罐体内的海水将密封罐10内的饱和空气通过出气管线151排出。直到罐体内充满海水后，关闭出气电磁阀152，打开出水电磁阀122，让罐体内的海水循环一段时间后，关闭进水电磁阀113和循环水泵112，打开氮气电磁阀142和氮气瓶40，经由氮气管线141向密封罐10内注入氮气。进入罐体内的氮气挤压罐体内的海水，使其经由出水管线121排放回大海。待罐体内的海水全部排出后，继续通入氮气一段时间，然后关闭出水电磁阀122、氮气电磁阀142和氮气瓶40。此时，密封罐10内充满了高纯的氮气，使实际应用的光学溶解氧传感器16置于了一种无氧气的密闭气体环境下。
待密封罐10内的气体环境稳定后，数据采集与控制单元50采集密封罐10中实际应用的光学溶解氧传感器16检测到的溶解氧浓度O2 0％air,sensor。
S26、利用校准模型，对溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor进行校准，以生成溶解氧浓度校准值O2 corr。
在本实施例中，可以采用以下校准模型对溶解氧浓度实测值O2 sea,sensor进行校准：
其中，
Figure GDA0003688405300000121
式中，表示溶解氧浓度的各参数的单位均为μmol/L。
由此，便完成的被测介质中溶解氧浓度的校准过程。
本实施例的光学溶解氧校准方法及装置可以应用在各种自主观测平台上，对被测介质中的溶解氧含量实现长期、连续、自动监测，使所获得的测量数据可以保持连续性和准确性，尤其适用于海洋环境监测领域。
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学溶解氧传感器校准方法，其特征在于，
利用准确的光学溶解氧传感器建立误差模型，其包括：
将标准的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下；
获取不同温度t条件下，所述标准的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure FDA0003688405290000011
以及所述充满空气的密闭气体环境中氧气的理论分压值
Figure FDA0003688405290000012
建立误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C；其中，A、B、C为系数，根据
Figure FDA0003688405290000013
和温度t确定其取值；
利用校准模型，对实际应用的光学溶解氧传感器检测到的被测介质中的溶解氧浓度实测值O2 sea，sensor进行校准，其包括：
将实际应用的光学溶解氧传感器置于充满空气的密闭气体环境下，获取所述实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 100％air，sensor；
将实际应用的光学溶解氧传感器置于无氧气的密闭气体环境下，获取所述实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度o2 0％air，sensor；
利用以下校准模型，对所述溶解氧浓度实测值O2 sea，sensor进行校准，以生成溶解氧浓度校准值O2 corr：
O2 corr＝D+E×O2 sea，sensor；
其中，D＝-E×O2 0％air，sensor；
E＝Y2/(O2 100％air，sensor-O2 0％air，sensor)；
Figure FDA0003688405290000014
Y1＝Y1(t0)＝At02+Bt0+C；
式中，t0为被测介质的温度。
2.根据权利要求1所述的光学溶解氧传感器校准方法，其特征在于，所述系数A、B、C的取值方法为：
在选定的温度区间内，确定出N个温度点ti，i＝1，2，......，N；
计算N个温度点ti的Y1(ti)值：
Figure FDA0003688405290000021
将N个温度点ti及N个Y1(ti)值对应代入误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C，计算出多组A、B、C值；
分别对多个A值、多个B值、多个C值进行拟合，确定出系数A、B、C的最终取值。
3.根据权利要求2所述的光学溶解氧传感器校准方法，其特征在于，所述温度区间根据实际应用的光学溶解氧传感器所要检测的被测介质的年际温度变化范围确定；所述N≥10。
4.根据权利要求1所述的光学溶解氧传感器校准方法，其特征在于，所述氧气的理论分压值
Figure FDA0003688405290000022
通过以下公式计算获得：
Figure FDA0003688405290000023
Figure FDA0003688405290000024
其中，T为温度t所对应的热力学温度，单位为开尔文K；t的单位为℃；
Figure FDA0003688405290000025
为所述充满空气的密闭气体环境中的相对湿度；
Figure FDA0003688405290000026
为氧气的摩尔分数；Air(t)为在温度t时所述充满空气的密闭气体环境的气压。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学溶解氧传感器校准方法，其特征在于，
所述充满空气的密闭气体环境采用在密封罐中充满饱和空气的方式创建；
所述无氧气的密闭气体环境采用在密封罐中充满氮气的方式创建。
6.一种光学溶解氧传感器校准装置，其特征在于，包括：
密封罐，其罐体上设置有进水口、出水口、进气口和出气口，罐体中用于容纳光学溶解氧传感器；
恒温水槽，其槽内装有液体，所述密封罐完全浸入所述液体中；
空气瓶，其通过空气管线连接所述密封罐的进气口，用于向密封罐的罐体中充入饱和空气；
氮气瓶，其通过氮气管线连接所述密封罐的进气口，用于向密封罐的罐体内充入氮气；
传感器模组，其内置于所述密封罐的罐体内，用于检测罐体内的温度、压力和湿度；
数据采集与控制单元，其执行以下数据采集及控制过程：
控制空气瓶向密封罐充气，使罐体内充满饱和空气；
采集传感器模组检测到的罐体内温度t0以及容纳于罐体内的实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 100％air，sensor，换算溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure FDA0003688405290000031
计算Y1＝Y1(t0)＝At02+Bt0+C；其中，A、B、C为常数系数；
计算Y1与
Figure FDA0003688405290000032
的差值，在所述差值超过设定的误差范围时，判定所述实际应用的光学溶解氧传感器发生数据漂移；其中，
Figure FDA0003688405290000033
为温度t0时密封罐内饱和空气中氧气的理论分压值；
打开密封罐的进水口和出气口，向罐体内注满被测水体；
采集实际应用的光学溶解氧传感器检测到的被测水体的溶解氧浓度O2 sea，sensor；
若实际应用的光学溶解氧传感器已发生数据漂移，则执行以下校准过程：
关闭密封罐的进水口和出气口，打开密封罐的出水口和进气口，控制氮气瓶向密封罐充气，使罐体内充满氮气，并排空被测水体；
采集实际应用的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度O2 0％air，sensor；
利用校准模型，对被测水体的溶解氧浓度O2 sea，sensor进行校准，生成溶解氧浓度校准值O2 corr：
O2 corr＝D+E×O2 sea，sensor；
其中，D＝-E×O2 0％air，sensor；
E＝Y2/(O2 100％air，sensor-O20％air，sensor)；
Figure FDA0003688405290000034
7.根据权利要求6所述的光学溶解氧传感器校准装置，其特征在于，所述数据采集与控制单元在误差模型创建阶段，执行以下数据采集及控制过程：
控制空气瓶向密封罐充气，使罐体内充满饱和空气；
调节恒温水槽的温度，采集传感器模组在不同温度条件下检测到的罐体内的温度t、气压Air(t)、湿度RH，以及容纳在密封罐中的标准的光学溶解氧传感器检测到的溶解氧浓度所对应的氧分压值
Figure FDA0003688405290000041
建立误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C，根据
Figure FDA0003688405290000042
和温度t确定系数A、B、C的取值；
其中，
Figure FDA0003688405290000043
为温度t时密封罐内饱和空气中氧气的理论分压值，通过以下公式计算获得：
Figure FDA0003688405290000044
Figure FDA0003688405290000045
其中，T为温度t所对应的热力学温度，单位为开尔文K；t的单位为℃；
Figure FDA0003688405290000046
为氧气的摩尔分数。
8.根据权利要求7所述的光学溶解氧传感器校准装置，其特征在于，所述数据采集与控制单元采用以下方式确定常数系数A、B、C的取值：
根据被测水体的年际温度变化范围确定温度区间，在所述温度区间内按照设定的温度梯度确定出N个温度点；
调节恒温水槽的温度，使其依次稳定在所述N个温度点；
采集每一个温度点时密封罐中的饱和空气温度ti，i＝1，2，……，N；
根据公式
Figure FDA0003688405290000047
计算出N个Y1(ti)值；
将N个饱和空气温度ti与N个Y1(ti)值对应代入误差模型Y1(t)＝At2+Bt+C，计算出多组A、B、C值；
分别对多个A值、多个B值、多个C值进行拟合，确定出常数系数A、B、C的最终取值。
9.根据权利要求6所述的光学溶解氧传感器校准装置，其特征在于，所述数据采集与控制单元在控制空气瓶向密封罐充气前，首先执行进水过程，将水注满所述密封罐，然后打开进气口和排水口，控制空气瓶向密封罐充气，利用注入到罐体的饱和空气将罐体内的被测水体排净后，关闭进气口和排水口，使罐体内充满饱和空气。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的光学溶解氧传感器校准装置，其特征在于，
所述进水口设置在密封罐的侧壁且靠近罐体顶部的位置处，连接进水管线，在所述进水管线上设置有过滤装置、进水电磁阀和循环水泵；
所述出水口设置在密封罐的底部，连接出水管线，在所述出水管线上设置有过滤装置和出水电磁阀；
所述出气口设置在密封罐的顶部，连接出气管线，在所述出气管线上设置有出气电磁阀；
所述进气口设置在密封罐的底部，包括：
空气进气口，其连接所述空气管线，在所述空气管线上设置有空气电磁阀；
氮气进气口，其连接所述氮气管线，在所述氮气管线上设置有氮气电磁阀；
其中，所述数据采集与控制单元通过控制各电磁阀的开关状态以及所述循环水泵的工作状态，自动完成进水、排水、进气、排气过程。
CN202111063004.0A 2021-09-10 2021-09-10 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置 Active CN113916849B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111063004.0A CN113916849B (zh) 2021-09-10 2021-09-10 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置
EP21956558.7A EP4257956A1 (en) 2021-09-10 2021-11-03 Method and apparatus for calibrating optical dissolved oxygen sensor
PCT/CN2021/128294 WO2023035386A1 (zh) 2021-09-10 2021-11-03 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111063004.0A CN113916849B (zh) 2021-09-10 2021-09-10 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113916849A CN113916849A (zh) 2022-01-11
CN113916849B true CN113916849B (zh) 2022-07-29

Family

ID=79234677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111063004.0A Active CN113916849B (zh) 2021-09-10 2021-09-10 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4257956A1 (zh)
CN (1) CN113916849B (zh)
WO (1) WO2023035386A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117686139B (zh) * 2024-01-31 2024-04-16 江西中发天信航空发动机科技有限公司 一种压力传感器的压力检测准确性的检测***及检测方法
CN117725344B (zh) * 2024-02-07 2024-05-28 杭州柔谷科技有限公司 基于误差的氧分压优化拟合方法、电子设备及存储介质

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5963567A (ja) * 1982-10-05 1984-04-11 Toshiba Corp 酸素利用速度測定方法およびその装置
WO2015025724A1 (ja) * 2013-08-22 2015-02-26 株式会社堀場アドバンスドテクノ 溶存酸素計測システム及び溶存酸素計の校正方法
CN103616481B (zh) * 2013-12-03 2015-10-07 南京南瑞集团公司 溶解氧传感器的标定方法及装置
CN104515761B (zh) * 2014-12-20 2017-05-17 国家***第二海洋研究所 光学溶解氧传感器高精度标定方法及装置
JP6731172B2 (ja) * 2015-05-12 2020-07-29 横河電機株式会社 溶存酸素センサの校正方法
CN105973954A (zh) * 2016-07-20 2016-09-28 力合科技（湖南）股份有限公司 一种氧含量校准气体采样装置及氧含量在线校准方法
CN107202763B (zh) * 2017-06-17 2023-07-21 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 光学溶解氧传感器温盐修正算法及新型标定装置
CN206930616U (zh) * 2017-07-03 2018-01-26 广东普标技术研究有限公司 一种覆膜电极溶解氧测定仪在线校准装置
CN207114535U (zh) * 2017-09-05 2018-03-16 杭州遥测物联网技术有限公司 自动校正型在线溶解氧分析仪
CN108663347B (zh) * 2018-07-09 2023-09-22 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 光学溶解氧传感器多参数干扰补偿校正***及方法
CN108680551B (zh) * 2018-07-09 2023-08-11 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 光学溶解氧传感器原位自校准装置及方法
CN108776124A (zh) * 2018-08-03 2018-11-09 江苏中农物联网科技有限公司 一种光学溶解氧传感器用校准装置
CN109816094A (zh) * 2019-01-03 2019-05-28 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 基于神经网络l-m算法的光学溶解氧传感器非线性温度补偿方法
CN111089845A (zh) * 2019-07-19 2020-05-01 苏州复氧环保科技有限公司 一种光学溶解氧传感器的快速校准方法
US12031941B2 (en) * 2019-08-12 2024-07-09 Emd Millipore Corporation Methods to automatically calibrate pH sensors without sampling
CN210834877U (zh) * 2019-09-19 2020-06-23 自然资源部第二海洋研究所 一种海水溶解氧传感器标定控制装置
CN110687266A (zh) * 2019-11-11 2020-01-14 广东省计量科学研究院 一种用于溶解氧测试仪校准的检定装置及其工作方法
CN111239091A (zh) * 2020-02-23 2020-06-05 江苏省农业科学院 一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器标定装置及标定方法
CN111337463B (zh) * 2020-02-25 2023-01-17 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 基于机器学习的光学溶解氧传感器的标定方法
CN111537487B (zh) * 2020-05-25 2021-04-02 清华大学 一种光学氧传感器的温度补偿方法及装置
CN111596026A (zh) * 2020-06-11 2020-08-28 厦门斯坦道科学仪器股份有限公司 溶解氧传感器标定装置及溶解氧传感器标定方法
CN111812181A (zh) * 2020-07-21 2020-10-23 艾感科技(广东)有限公司 一种气体传感器的远程校准方法及***

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023035386A1 (zh) 2023-03-16
EP4257956A1 (en) 2023-10-11
CN113916849A (zh) 2022-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113916849B (zh) 一种光学溶解氧传感器校准方法及校准装置
CN108663347B (zh) 光学溶解氧传感器多参数干扰补偿校正***及方法
CN107202763B (zh) 光学溶解氧传感器温盐修正算法及新型标定装置
CN108680551B (zh) 光学溶解氧传感器原位自校准装置及方法
US6763714B2 (en) Method and apparatus for controlling the level of liquids
US11561158B2 (en) Measuring device and method for gas solubility in natural gas hydrate solution system
CN108827853B (zh) 基于核磁共振的致密储层岩电测量装置及测量方法
CN101482482A (zh) 一种海洋腐蚀模拟加速试验装置
CN207036693U (zh) 一种光学溶解氧传感器新型标定装置
CN113155903A (zh) 一种海洋电极式电导率传感器稳定性评估方法
CN109659587A (zh) 液流电池容量衰减控制***及方法
CN114034629B (zh) 化学腐蚀环境下的岩体干湿循环损伤监测***与方法
CN113702266A (zh) 常水头渗透测量***及利用其测量渗透系数的方法
CN111307793B (zh) 一种用于深海溶解态锰原位检测的仪器及检测方法
CN211527944U (zh) 水质监测预处理装置及水质监测***
US9116143B2 (en) System for measuring or monitoring the quality of a liquid medium with low energy consumption
CN209784105U (zh) 一种含四氢呋喃水合物土持水性参数测试装置
CN218584594U (zh) 一种土样渗透试验装置
CN112067682A (zh) 一种在线溶解氧表零点校准***及方法
RU2798692C1 (ru) Стационарная потоковая камера для отбора газов на границе вода-атмосфера
CN105784561A (zh) 一种多孔材料多场耦合渗透率测量装置及其测量方法
CN217688410U (zh) 高温高压可视化渗吸装置
CN108956497A (zh) 一种极地溶解氧观测与校正的方法
CN116448972B (zh) 一种临界压力式水中溶解氧检测装置及方法
CN220525600U (zh) 一种影像法远距渗透采集装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant