数字式微量溶解氧分析仪的研究

　　0　引　　言

　　微量μg/L级溶氧检测仪主要应用于火力发电厂、石油、化工等大型企业自备电厂及热电厂等[1]。在火力发电厂中,锅炉给水和凝结水中的含氧量具有极大的活性,极易与由铁为材料的炉壁发生化学反应,生成Fe3O4,即铁锈[2]。铁锈容易使炉壁的薄厚不均,致使受力不均,情况严重的会造成锅炉的爆炸[3]。所以准确、快速、高精度的检测锅炉水中的含氧量有着非常重要的经济和社会效益[4]。传统的检测是用手工取样化学方法,工作效率低、测量速度慢,且误差大(可达到±20%),容易造成安全隐患。

　　为此,价格低廉、测试精度高的溶解氧检测仪成了现代化电厂的急需产品[5]。该检测仪采用极谱式薄膜氧传感器来测量水中溶解氧浓度。以单片机为处理核心,具有温度自动补偿、探头自动清洗等功能,测量准确、响应速度快和稳定性好,可长期可靠工作[6]。同时,系统还配有简洁方便的人机交互界面,使得该系统使用更加快捷方便。

　　1　溶解氧传感器的工作原理

　　系统采用极谱式氧电极法检测水中溶解氧浓度。溶解氧传感器如图1所示。

　　传感器由金阴极和银阳极构成,电极浸在传感器内的电解液中,由透气膜和电解液薄层将电极与所测介质分开,并允许溶解氧透过。当对电极施加直流极化电压时,氧在阴极上发生氧化-还原反应产生扩散电流。扩散电流的大小与水中溶解氧的浓度成正比,化学反应如下:

　　当对传感器两电极施加稳定极化电压时,水中溶解氧透过薄膜,产生稳定的扩散电流。

　　2　二次仪表的研究设计

　　极谱式溶解氧传感器的内阻较大,易受温度、大气压等参数变化的影响,需要对其输出信号进行进一步的变换和处理,最终获得准确的水溶氧的浓度。

　　2.1　极化电压电路设计

　　由溶解氧电极的测氧原理可知,当给电极加上一个0.6~0.8 V的极化电压,在特定的温度下,阳极的输出电流和溶液中的氧分压成正比。如何产生准确的极化电压也是非常重要的。电路设计如图2所示。

　　在图2中,当一个5 V的电压经过一个2.5 V的电压基准,然后加到一个和固定电阻串联的电位器一端,调节电位器就可以得到一个电压输出,然后通过一个电压跟随器加到溶解氧电极的两端。

　　2.2　仪表的信号采集电路设计

　　系统采用两级放大、滤波。第一级采用了高阻放大器,来耦合内阻比较大的氧电极。根据溶解氧的浓度高低,变换不同的放大倍数,实现宽范围的线性放大。溶解氧传感器输出的是电流信号,把电流信号转化为电压信号并且进行放大,适合A/D转换的要求。电路如图3所示。溶解氧传感器输出的信号(μA级)首先经过双运算放大器TLC272的第一级反向放大,放大倍数为106。然后经过低功耗运算放大器TLC271的第二级反向放大,放大倍数为20。为了克服放大器的零点漂移,在第二级放大器之前加负电压,可以保证最终的输出电压大于零。