多通道溶解氧传感器校准自动控制系统

唐国栋，张 军，蔡文郁

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

海水中溶解的氧气含量是进行与海洋有关学科研究的重要指标。市场上常用的有基于Clark电极法的溶解氧传感器、基于荧光淬灭原理的光学溶解氧传感器。目前对溶解氧传感器进行标定的国际公认标准化方法是Winkler滴定法[1]。该方法虽然精度较高，但是存在着耗时耗力、只能离线操作且无法连续测量等缺点，如何对溶解氧气体传感器进行在线连续测量标定是需要解决的问题。

目前，一些学者对溶解氧传感器的校准方法进行了研究。H.C.Bittig等[2]设计了一套基于法拉第电解反应原理的溶解氧传感器实验室校准装置，在完全控制温度、溶液流速和电解电流的情况下，氧的生成量被控制在±0.5 μmol/L内，该校准装置可以对传感器进行有效校准并达到较高精度；S.M.Bushinsky等[3]设计了一套可在浮标系统中应用的溶解氧传感器自动校准装置，取得了不错的效果。郑旻辉等[4]使用能够精确控制水体温度的自制校准装置，通过改变通入容器的氧气和氮气比例来控制容器内的溶解氧含量，在4个温度下分别测定至少10组水体温度值、传感器相位值和Winkler法测定值数据，使用回归分析进行多项式拟合获取传感器校准系数。秦宏鹏等[5]对Clark溶解氧传感器的补偿校正检测技术进行研究，补偿后的溶解氧传感器与碘量法相比，测量值的相对误差小于1%。

对于实验室溶解氧传感器的校准而言，实验室科研人员常用的方法是对标实验，即以基准传感器为标准，将被校准传感器在不同温度不同溶解氧含量下的数据与基准传感器进行比较，得到数据偏差曲线并进行补偿。和滴定法相比，该方法校准精度稍有下降，但便于操作，且可在线连续标定。但是，该方法需要对水体环境变量进行手动调整，需要两三天才能完成一次完整的校准流程。为了减少实验室溶解氧传感器的校准时间，提高效率，本文设计一种多通道溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)传感器校准自动控制系统，为溶解氧气传感器的实验室标定校准方法提供一个自动化的控制工作流程。

1 系统整体框架

对于校准装置控制系统来说，需要提供以下功能：(1)对水体温度以及溶解氧含量等环境因素进行精准控制；(2)对多路传感器进行监测；(3)实时显示传感器监测情况；(4)对重要的数据进行记录，需要时进行复现。为此，本系统设计了能够有效控制环境因素的下位机系统，对传感器数据进行自动化校准以及记录分析重要数据的上位机系统。校准装置控制系统通过上位机软件设置校准流程，将测量到的实时数据进行图形化显示并存储，通过下位机控制加热设备、制冷设备和多路质量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)来改变测量水体环境中的温度及溶解氧含量。

多通道溶解氧传感器校准自动控制系统由测量环境控制系统、数据测量分析系统组成。测量环境控制系统包括加热、制冷、水循环、温度测量和气体质量流量控制。数据测量分析系统硬件由工控主板、气体传感器和外围设备构成，软件部分由操作系统和上位机软件组成，上位机软件完成串口通信、数据测量分析、数据存储和图形化显示、传感器自动化校准流程等。系统总体设计如图1所示。

多通道溶解氧传感器校准自动控制系统的硬件设计分为测量环境控制系统硬件电路设计和数据测量分析系统电路设计，总体设计方案如图2所示。测量环境控制系统的硬件主要由电源电路、MCU主控电路、显示电路、串行通讯电路、加热设备控制电路、制冷设备控制电路、温度采集电路、IO控制、多路MFC、显示电路等模块组成。电源电路由工频变压器和开关电源组成，MCU主控采用STM32F103C8T6微处理器，加热设备采用电磁加热设备，由双向可控硅电路驱动，制冷设备采用压缩机制冷方案，由继电器驱动，测温设备选择Pt1000，温度采集电路由运放电路放大Pt1000的毫伏级电压信号。气体质量流量控制由2路MFC控制，分别控制氧气和氮气的流入。数据测量分析系统的硬件设备主要由工控主板、各类标准气体传感器、需校准的气体传感器和外围设备构成。其中，外围设备包括鼠标、键盘、显示器等。

测量环境控制系统主要实现对水体温度控制和气体质量流量的控制。由于在溶解氧传感器标定上需要对不同温度下的溶解氧传感器数据和基准传感器进行比较，建立修正曲线进行补偿，因此温度的精准控制尤为关键，本系统采用模糊PID算法实现水体精准温控。

图2 系统硬件设计

2 系统软件设计

2.1 测量环境控制系统软件

测量环境控制系统软件框架如图3所示，系统基于RT-Thread实时操作系统进行设计，各种任务通过多线程实现，包括实时温度获取、温度控制、警报处理、按键读取、串口数据收发、MFC串口数据处理。

图3 测量环境控制系统软件框架

为了提高温控系统的稳定性，利用模糊控制理论对PID控制器的kp，ki和kd进行自整定，搭建模糊PID温度控制器。和传统的PID控制相比，模糊PID控制加入模糊控制器。模糊控制器的输入变量是误差e和误差变化ec，输出为PID控制器kp，ki和kd参数的调整量Δkp，Δki和Δkd。将实际变量模糊化后分为7个模糊等级即{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，使用模糊数据库即隶属度函数确定模糊论域中语言变量与模糊子集的关系，将实际量化过的输入参数模糊化。本系统采用文献[6]的构造方法，使用三角隶属函数，模糊控制器采用二维的Mamdani控制器，模糊控制决策采用Max-Min，去模糊采用重心法。模糊控制最重要的是制定模糊控制规则表，规则表主要根据实际应用中解决经验制定，模糊化后的输入变量通过规则表得出模糊化的输出变量，不同的控制系统需要根据实际情况采用不同的规则表，本系统采用文献[6]提供的kp，ki和kd的模糊控制规则表。

模糊控制器搭建好后，模糊PID控制系统根据输入偏差即可获得kp，ki和kd的修正参数Δkp，Δki和Δkd，并根据对应的修正参数将kp，ki和kd进行修正，实现PID控制的在线调参，其修正公式如下：

kp=k′p+Δkp

(1)

ki=k′i+Δki

(2)

kd=k′d+Δkd

(3)

图4 传统PID温度控制和模糊PID温度控制性能比较

式中，k′为初始值，Δk为修正值。

通过MATLAB中的Simulink工具搭建模糊PID温度控制系统，以温度上升1 ℃进行仿真，对比传统PID温度控制器和模糊PID温度控制器的性能，得出仿真结果如图4所示。

对传统PID温度控制器和模糊PID温度控制器的调整时间、上升时间、超调量、静态误差进行对比分析，结果如表1所示。

表1 性能参数对比

图5 实测温度控制变化曲线

从仿真结果可以看出：传统PID的超调量比模糊PID小，但是在调整时间、上升时间以及静态误差上，模糊PID优于传统PID。实际测量的温度控制变化曲线如图5所示，实测温度从40 ℃稳定变化到45 ℃，达到稳态后在45 ℃附近微小的波动，满足测量环境控制系统对温度控制的精度和稳定性要求。

2.2 数据测量分析系统软件

数据测量分析系统是在跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架Qt上进行开发的，主要实现对溶解氧传感器数据的采集和处理分析，提供自动校准功能，图形化显示实时数据并将数据存到log文件中供实验人员后期分析，当测量稳定后将各通道传感器的关键数据存至.csv文件，为实验人员提供筛选后的基本数据，有利于传感器的校准。对于自动校准功能，按照实验室校准的一系列标准流程。以4个测量温度、10个对标浓度测量点为例，温度从高到低降温控制，先通氧气升高溶解氧浓度，再通氮气降低溶解氧浓度。系统采用有限状态机的方式来实现校准流程的控制，校准状态如图6所示。

图6 自动校准流程状态图

3 系统测试结果

图7 系统总体实物图

对多通道溶解氧传感器校准自动控制系统进行对比测试。使用两通道DO传感器，其中CH0为基准DO传感器，CH1为被测DO传感器，MFC1控制通入水体的氧气量，用于提高水中溶解氧含量，MFC2控制通入水体的氮气量，用于降低水中溶解氧含量。基准传感器选择荧光猝灭法溶解氧传感器，该基准传感器精度高，稳定性强，大气压以及盐度对其影响较小，在稳定的水体环境中可得到精准的数据，可作为基准。不同水源对被测传感器的精度存在影响，为了模拟海洋的实际环境，实验水源为加了35%盐度的自来水。系统总体实物如图7所示。

由于自动校准流程需要控制测量环境到达多个不同的温度，并且在每个不同温度下改变溶解氧浓度，测量出被测DO传感器和基准DO传感器的数据，整个流程时间过长，因此本次测试采用手动操作的方式进行实验，只对温度进行两次控制，在不同温度下控制MFC改变测量水体的溶解氧浓度，测试不同控制情形下基准传感器和被校准传感器的数据变化情况，共进行大约150 min实验，为了体现温控对测量结果的影响，本次实验中在温度调节完毕后便关闭了温度控制的功能。操作时间点及操作内容如表2所示。

表2 手动操作流程

图8 传感器测量值变化曲线图

通过对记录实时数据的log文件进行复现可以得出基准传感器和被校准传感器的DO测量值变化曲线如图8所示。

令基准通道DO传感器测量值为α，被校准通道DO传感器测量值为β，将基准通道DO传感器测量值和被校准通道DO传感器测量值按式(4)计算得到基准通道DO传感器测量值和被校准通道DO传感器测量值的偏差百分比，并绘制成偏差曲线。

(4)

当被测传感器的偏差值大于15%的时候，认定被测传感器存在较大的性能问题，系统给出指示并且记录传感器数据偏差异常的具体信息。对于记录下来的数据，将异常数据剔除得到温度曲线，结果如图9所示。实线为校准DO传感器数据和基准DO传感器数据的偏差曲线，虚线为温度变化曲线。

从偏差曲线可以看出：基准通道DO测量值与被校准通道DO测量值的偏差在15%以内；溶解氧含量趋近饱和，当温度达到稳态时，偏差近似于线性误差且基本保持稳定，当温度自然散热缓慢变化时，偏差和温度呈线性关系。因此，通过本系统对水体温度进行精准控制，在不同温度下分别控制不同的溶解氧气体含量，将被校准的传感器和基准传感器比较，对不同温度下的传感器误差进行线性拟合，最终达到对溶解氧气体传感器进行校准的目的。

假设被测溶解氧传感器的测量值为Dm，基准溶解氧传感器的测量值为Db，传感器的偏差为EDO。则在不同温度下，有：

EDO=Dm-Db=f(T)

(5)

Db=Dm-f(T)

(6)

式中，f(T)为不同温度下的传感器偏差函数，该偏差函数通过大量实验数据拟合得出。最后，通过该偏差函数对被测溶解氧传感器数据进行修正，实现对被测溶解氧传感器的校准。

4 结束语

本文设计的溶解氧气体传感器校准装置控制系统实现了对水体溶解氧传感器测量环境的控制以及自动校准，减少了人力，提高了校准效率，为溶解氧气体传感器的校准提供了便利。根据不同水溶性气体传感器的校准方式，下一步将对系统进行改良，以适用更多种类水溶性气体的校准。