溶解氧测定仪自动校准装置的研制

杨银银，丁 斌，何飞飞

（南通市计量检定测试所，江苏南通226000）

0 引言

溶解氧浓度是衡量水体质量的重要指标，对环境保护、水资源配置、水产养殖等领域具有重要意义，也是水工环文地质调查中水质测量的必测指标，因此实现水中溶解氧的准确测量即保证溶解氧测定仪的准确度是十分必要的［1］。溶解氧测定仪主要有覆膜电极溶解氧测定仪和荧光法溶解氧测定仪［2］。

国家质量监督检验检疫总局最新颁布的JJG291—2018《溶解氧测定仪检定规程》，规程中溶解氧测定仪的检定条件包括：恒温水浴环境的保证、无氧水的制备、饱和溶氧水的制备以及大气压数值的测量等。溶解氧浓度的最终测定结果与检定时的温度、大气压以及水中的含盐量有关［3］。目前，在实际溶解氧设备检定过程中，检定员需要按规程分别进行上述操作，且最终检定结果需通过查表计算后获取，整个检定流程较为复杂且效率低。为解决传统溶解氧测定仪校准效率低、稳定性差和准确度低的问题，本文设计了一套通用型多功能溶解氧测试仪校准装置。

1 装置整体构造示意图及技术指标

1.1 溶解氧测定仪自动校准装置整体构造

溶解氧测定仪自动校准装置整体构造示意图如图1所示。

该套装置在硬件上不仅能够通过预设条件来满足特定的检定环境要求，同时可制备饱和溶氧水等标准水溶液，且设备内置大气压监测装置，同步完成大气压数据的监测和记录。另外，在软件上设计数据收集模块、数据分析和计算模块等，利用系统的优势，对检定过程中多次收集的所有数据进行分析，完成异常数据的剔除、误差分析、趋势分析等，并通过提前导入系统内的《氧在不同水温、大气压的水中饱和浓度值表》来完成最终检定结果的输出，保证检定结果的准确性。且该检定装置能够同时满足电化学探头法和荧光法溶解氧测定仪的检定要求。

图1 整体构造示意

1.2 技术指标

（1）制备的饱和溶解氧质量浓度误差不超过±0.1 mg/L。（2）恒温水浴温度范围：0～80 ℃，温度波动不大于0.01 ℃，温度均匀度不大于0.01 ℃。（3）内置气压表最大误差不超过±2.5 hPa。

2 硬件系统

2.1 恒温水浴装置

以恒温水浴装置为主标准器，温控系统采用高精度数字温控仪，PID 控制，显示分辨率0.001 ℃，升降温速率快，稳定时间短，方便溶解氧测定仪检定环境10 ℃，20 ℃，30 ℃的快速切换，大大提高了检测效率。控温系统预留485 通信接口，直接与软件系统连接。控温传感器选用精密AA级四线制Pt100铂电阻。

2.2 数字式大气压力计

配备的大气压力计选用数字型大气压力计，监测大气压的同时可监测环境的温湿度，主标准器预留大气压力表的安装位置及数据传输接口。监测的大气压结果用于标准饱和氧的计算，环境温湿度值可直接传输至软件系统用于记录环境的原始温湿度。

2.3 鼓泡装置

槽体工作区配高溶氧鼓泡装置，采用纳米气盘打出的气泡，更多气体与水面积接触更广，使得溶氧量更大，高密度气孔雾化效果，出泡均匀细腻，溶氧量高。平面设计冒泡面更大，气泡大小可以调节。

3 软件系统

通用型多功能溶解氧测试仪校准软件系统通过温度控制模块控制恒温水槽达到指定温度，然后通过数据采集模块获取当前温度标准值、大气压标准值，多次采集，并对多次采集的数据进行异常数据的剔除、误差分析、趋势分析等，并通过提前导入系统内的《氧在不同水温、大气压的水中饱和浓度值表》来完成最终检定结果的输出；通过对视频传感器采集到的待检设备显示屏上的图像数据进行算法分析，获取待检设备当前的溶解氧和温度数据得到测试值；并将溶解氧、温度、大气压的标准值和测试值以及其他相关信息上传至基石系统，通过仪器连接模块生成原始记录。

3.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括大气压传感器、温度传感器以及视频传感器的数据采集，并将采集的数据传回服务器。其中大气压传感器和温度传感器数据根据硬件供应商提供的RS232通信协议进行采集。

被检溶解氧测定仪的显示结果，包括溶解氧浓度值和温度值，视频传感器通过UVC（全称为：USB video class 或USB video device class）协议进行图像数据采集。数据采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程

3.2 仪表识别算法

本算法采用基于视频的数字仪表示数识别算法，包括图像采集和预处理模块、数字区域定位于倾斜校正模块、数字字符分割与归一化模块、数字字符识别模块以及识别结果输出模块。

基于视频的数字仪表示数识别算法中视频图像的采集是算法识别的第一步，本算法采用USB高清摄像机采集仪表图像，图像分辨率1 280×1 024，帧率为15帧/秒。采集到原始视频帧需要先做图像预处理采集进行后期的识别。图像预处理之后，图像数据经过灰度化、均衡化、去噪和二值化，最终得到数字仪表示数的二值化图像，在识别之前还需要定位数字仪表示数区域，并对图像进行矫正处理。

根据前面的处理，已经获得了精确定位并矫正后的数字仪表示数区域的二值化图像。接下来就要对数字字符进行分割和归一化处理，以方便后期进行特征提取和识别。

数字仪表示数图像的识别包括两大部分：第一部分是仪表图像的特征提取，即对归一化数字字符提取有效的特征；第二部分是图像的识别，利用提取到的数字字符特征，采用相应的字符识别系统，对图像进行识别。图像采集算法流程如图3所示。

图3 图像采集算法流程

3.3 数据处理模块

在恒温水槽达到特定检定环境时，对检定过程中多次采集的所有数据进行分析，完成异常数据的剔除、误差分析、趋势分析以及待检设备数字仪表识别等，并通过提前导入系统内的《氧在不同水温、大气压的水中饱和浓度值表》，该表由JJG291—2018《溶解氧测定仪检定规程》附录C 提供，表中未列出的水中饱和氧浓度通过内插法计算得到［4］，并完成最终检定结果的输出。

3.4 温度控制模块

通过温度调节器厂家提供的RS485协议，系统可以控制恒温水槽达到指定的温度，满足特定的检定环境要求。

3.5 仪器连接模块

数据分析得到结果以及采集到的环境温湿度值，通过仪器连接模块接入基石系统，生成原始记录，并最终生成证书。

3.6 软件操作界面

软件操作界面如图4所示。

4 结语

本文针对传统溶解氧测定仪校准效率低、稳定性差和准确度低的问题，设计了一套溶解氧测定仪自动校准装置。恒温水浴装置温度的升降温速率、稳定性、均匀性极大地提高了校验过程的效率和稳定性。软件系统的自动控温、自动采集数据、自动计算结果，实现了检测过程的自动化，且该系统能够实现与本所基石系统的无缝对接，实现原始记录和证书的自动生成，真正实现检测过程的优化。

图4 软件操作界面