唐國棟，張 軍，蔡文郁

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

海水中溶解的氧氣含量是進(jìn)行與海洋有關(guān)學(xué)科研究的重要指標(biāo)。市場上常用的有基于Clark電極法的溶解氧傳感器、基于熒光淬滅原理的光學(xué)溶解氧傳感器。目前對溶解氧傳感器進(jìn)行標(biāo)定的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)化方法是Winkler滴定法[1]。該方法雖然精度較高，但是存在著耗時耗力、只能離線操作且無法連續(xù)測量等缺點，如何對溶解氧氣體傳感器進(jìn)行在線連續(xù)測量標(biāo)定是需要解決的問題。

目前，一些學(xué)者對溶解氧傳感器的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究。H.C.Bittig等[2]設(shè)計了一套基于法拉第電解反應(yīng)原理的溶解氧傳感器實驗室校準(zhǔn)裝置，在完全控制溫度、溶液流速和電解電流的情況下，氧的生成量被控制在±0.5 μmol/L內(nèi)，該校準(zhǔn)裝置可以對傳感器進(jìn)行有效校準(zhǔn)并達(dá)到較高精度；S.M.Bushinsky等[3]設(shè)計了一套可在浮標(biāo)系統(tǒng)中應(yīng)用的溶解氧傳感器自動校準(zhǔn)裝置，取得了不錯的效果。鄭旻輝等[4]使用能夠精確控制水體溫度的自制校準(zhǔn)裝置，通過改變通入容器的氧氣和氮氣比例來控制容器內(nèi)的溶解氧含量，在4個溫度下分別測定至少10組水體溫度值、傳感器相位值和Winkler法測定值數(shù)據(jù)，使用回歸分析進(jìn)行多項式擬合獲取傳感器校準(zhǔn)系數(shù)。秦宏鵬等[5]對Clark溶解氧傳感器的補償校正檢測技術(shù)進(jìn)行研究，補償后的溶解氧傳感器與碘量法相比，測量值的相對誤差小于1%。

對于實驗室溶解氧傳感器的校準(zhǔn)而言，實驗室科研人員常用的方法是對標(biāo)實驗，即以基準(zhǔn)傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，將被校準(zhǔn)傳感器在不同溫度不同溶解氧含量下的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)傳感器進(jìn)行比較，得到數(shù)據(jù)偏差曲線并進(jìn)行補償。和滴定法相比，該方法校準(zhǔn)精度稍有下降，但便于操作，且可在線連續(xù)標(biāo)定。但是，該方法需要對水體環(huán)境變量進(jìn)行手動調(diào)整，需要兩三天才能完成一次完整的校準(zhǔn)流程。為了減少實驗室溶解氧傳感器的校準(zhǔn)時間，提高效率，本文設(shè)計一種多通道溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)傳感器校準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)，為溶解氧氣傳感器的實驗室標(biāo)定校準(zhǔn)方法提供一個自動化的控制工作流程。

1 系統(tǒng)整體框架

對于校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)來說，需要提供以下功能：(1)對水體溫度以及溶解氧含量等環(huán)境因素進(jìn)行精準(zhǔn)控制；(2)對多路傳感器進(jìn)行監(jiān)測；(3)實時顯示傳感器監(jiān)測情況；(4)對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，需要時進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。為此，本系統(tǒng)設(shè)計了能夠有效控制環(huán)境因素的下位機系統(tǒng)，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化校準(zhǔn)以及記錄分析重要數(shù)據(jù)的上位機系統(tǒng)。校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)通過上位機軟件設(shè)置校準(zhǔn)流程，將測量到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示并存儲，通過下位機控制加熱設(shè)備、制冷設(shè)備和多路質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)來改變測量水體環(huán)境中的溫度及溶解氧含量。

多通道溶解氧傳感器校準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)由測量環(huán)境控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)組成。測量環(huán)境控制系統(tǒng)包括加熱、制冷、水循環(huán)、溫度測量和氣體質(zhì)量流量控制。數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)硬件由工控主板、氣體傳感器和外圍設(shè)備構(gòu)成，軟件部分由操作系統(tǒng)和上位機軟件組成，上位機軟件完成串口通信、數(shù)據(jù)測量分析、數(shù)據(jù)存儲和圖形化顯示、傳感器自動化校準(zhǔn)流程等。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

多通道溶解氧傳感器校準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為測量環(huán)境控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)電路設(shè)計，總體設(shè)計方案如圖2所示。測量環(huán)境控制系統(tǒng)的硬件主要由電源電路、MCU主控電路、顯示電路、串行通訊電路、加熱設(shè)備控制電路、制冷設(shè)備控制電路、溫度采集電路、IO控制、多路MFC、顯示電路等模塊組成。電源電路由工頻變壓器和開關(guān)電源組成，MCU主控采用STM32F103C8T6微處理器，加熱設(shè)備采用電磁加熱設(shè)備，由雙向可控硅電路驅(qū)動，制冷設(shè)備采用壓縮機制冷方案，由繼電器驅(qū)動，測溫設(shè)備選擇Pt1000，溫度采集電路由運放電路放大Pt1000的毫伏級電壓信號。氣體質(zhì)量流量控制由2路MFC控制，分別控制氧氣和氮氣的流入。數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由工控主板、各類標(biāo)準(zhǔn)氣體傳感器、需校準(zhǔn)的氣體傳感器和外圍設(shè)備構(gòu)成。其中，外圍設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器等。

測量環(huán)境控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對水體溫度控制和氣體質(zhì)量流量的控制。由于在溶解氧傳感器標(biāo)定上需要對不同溫度下的溶解氧傳感器數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)傳感器進(jìn)行比較，建立修正曲線進(jìn)行補償，因此溫度的精準(zhǔn)控制尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用模糊PID算法實現(xiàn)水體精準(zhǔn)溫控。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 測量環(huán)境控制系統(tǒng)軟件

測量環(huán)境控制系統(tǒng)軟件框架如圖3所示，系統(tǒng)基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，各種任務(wù)通過多線程實現(xiàn)，包括實時溫度獲取、溫度控制、警報處理、按鍵讀取、串口數(shù)據(jù)收發(fā)、MFC串口數(shù)據(jù)處理。

圖3 測量環(huán)境控制系統(tǒng)軟件框架

為了提高溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用模糊控制理論對PID控制器的kp，ki和kd進(jìn)行自整定，搭建模糊PID溫度控制器。和傳統(tǒng)的PID控制相比，模糊PID控制加入模糊控制器。模糊控制器的輸入變量是誤差e和誤差變化ec，輸出為PID控制器kp，ki和kd參數(shù)的調(diào)整量Δkp，Δki和Δkd。將實際變量模糊化后分為7個模糊等級即{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，使用模糊數(shù)據(jù)庫即隸屬度函數(shù)確定模糊論域中語言變量與模糊子集的關(guān)系，將實際量化過的輸入?yún)?shù)模糊化。本系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[6]的構(gòu)造方法，使用三角隸屬函數(shù)，模糊控制器采用二維的Mamdani控制器，模糊控制決策采用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規(guī)則表，規(guī)則表主要根據(jù)實際應(yīng)用中解決經(jīng)驗制定，模糊化后的輸入變量通過規(guī)則表得出模糊化的輸出變量，不同的控制系統(tǒng)需要根據(jù)實際情況采用不同的規(guī)則表，本系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[6]提供的kp，ki和kd的模糊控制規(guī)則表。

模糊控制器搭建好后，模糊PID控制系統(tǒng)根據(jù)輸入偏差即可獲得kp，ki和kd的修正參數(shù)Δkp，Δki和Δkd，并根據(jù)對應(yīng)的修正參數(shù)將kp，ki和kd進(jìn)行修正，實現(xiàn)PID控制的在線調(diào)參，其修正公式如下：

kp=k′p+Δkp

(1)

ki=k′i+Δki

(2)

kd=k′d+Δkd

(3)

圖4 傳統(tǒng)PID溫度控制和模糊PID溫度控制性能比較

式中，k′為初始值，Δk為修正值。

通過MATLAB中的Simulink工具搭建模糊PID溫度控制系統(tǒng)，以溫度上升1 ℃進(jìn)行仿真，對比傳統(tǒng)PID溫度控制器和模糊PID溫度控制器的性能，得出仿真結(jié)果如圖4所示。

對傳統(tǒng)PID溫度控制器和模糊PID溫度控制器的調(diào)整時間、上升時間、超調(diào)量、靜態(tài)誤差進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 性能參數(shù)對比

圖5 實測溫度控制變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出：傳統(tǒng)PID的超調(diào)量比模糊PID小，但是在調(diào)整時間、上升時間以及靜態(tài)誤差上，模糊PID優(yōu)于傳統(tǒng)PID。實際測量的溫度控制變化曲線如圖5所示，實測溫度從40 ℃穩(wěn)定變化到45 ℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后在45 ℃附近微小的波動，滿足測量環(huán)境控制系統(tǒng)對溫度控制的精度和穩(wěn)定性要求。

2.2 數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)測量分析系統(tǒng)是在跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt上進(jìn)行開發(fā)的，主要實現(xiàn)對溶解氧傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理分析，提供自動校準(zhǔn)功能，圖形化顯示實時數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存到log文件中供實驗人員后期分析，當(dāng)測量穩(wěn)定后將各通道傳感器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存至.csv文件，為實驗人員提供篩選后的基本數(shù)據(jù)，有利于傳感器的校準(zhǔn)。對于自動校準(zhǔn)功能，按照實驗室校準(zhǔn)的一系列標(biāo)準(zhǔn)流程。以4個測量溫度、10個對標(biāo)濃度測量點為例，溫度從高到低降溫控制，先通氧氣升高溶解氧濃度，再通氮氣降低溶解氧濃度。系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機的方式來實現(xiàn)校準(zhǔn)流程的控制，校準(zhǔn)狀態(tài)如圖6所示。

圖6 自動校準(zhǔn)流程狀態(tài)圖

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖7 系統(tǒng)總體實物圖

對多通道溶解氧傳感器校準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行對比測試。使用兩通道DO傳感器，其中CH0為基準(zhǔn)DO傳感器，CH1為被測DO傳感器，MFC1控制通入水體的氧氣量，用于提高水中溶解氧含量，MFC2控制通入水體的氮氣量，用于降低水中溶解氧含量?；鶞?zhǔn)傳感器選擇熒光猝滅法溶解氧傳感器，該基準(zhǔn)傳感器精度高，穩(wěn)定性強，大氣壓以及鹽度對其影響較小，在穩(wěn)定的水體環(huán)境中可得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，可作為基準(zhǔn)。不同水源對被測傳感器的精度存在影響，為了模擬海洋的實際環(huán)境，實驗水源為加了35%鹽度的自來水。系統(tǒng)總體實物如圖7所示。

由于自動校準(zhǔn)流程需要控制測量環(huán)境到達(dá)多個不同的溫度，并且在每個不同溫度下改變?nèi)芙庋鯘舛龋瑴y量出被測DO傳感器和基準(zhǔn)DO傳感器的數(shù)據(jù)，整個流程時間過長，因此本次測試采用手動操作的方式進(jìn)行實驗，只對溫度進(jìn)行兩次控制，在不同溫度下控制MFC改變測量水體的溶解氧濃度，測試不同控制情形下基準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)變化情況，共進(jìn)行大約150 min實驗，為了體現(xiàn)溫控對測量結(jié)果的影響，本次實驗中在溫度調(diào)節(jié)完畢后便關(guān)閉了溫度控制的功能。操作時間點及操作內(nèi)容如表2所示。

表2 手動操作流程

圖8 傳感器測量值變化曲線圖

通過對記錄實時數(shù)據(jù)的log文件進(jìn)行復(fù)現(xiàn)可以得出基準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)傳感器的DO測量值變化曲線如圖8所示。

令基準(zhǔn)通道DO傳感器測量值為α，被校準(zhǔn)通道DO傳感器測量值為β，將基準(zhǔn)通道DO傳感器測量值和被校準(zhǔn)通道DO傳感器測量值按式(4)計算得到基準(zhǔn)通道DO傳感器測量值和被校準(zhǔn)通道DO傳感器測量值的偏差百分比，并繪制成偏差曲線。

(4)

當(dāng)被測傳感器的偏差值大于15%的時候，認(rèn)定被測傳感器存在較大的性能問題，系統(tǒng)給出指示并且記錄傳感器數(shù)據(jù)偏差異常的具體信息。對于記錄下來的數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)剔除得到溫度曲線，結(jié)果如圖9所示。實線為校準(zhǔn)DO傳感器數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)DO傳感器數(shù)據(jù)的偏差曲線，虛線為溫度變化曲線。

從偏差曲線可以看出：基準(zhǔn)通道DO測量值與被校準(zhǔn)通道DO測量值的偏差在15%以內(nèi)；溶解氧含量趨近飽和，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，偏差近似于線性誤差且基本保持穩(wěn)定，當(dāng)溫度自然散熱緩慢變化時，偏差和溫度呈線性關(guān)系。因此，通過本系統(tǒng)對水體溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，在不同溫度下分別控制不同的溶解氧氣體含量，將被校準(zhǔn)的傳感器和基準(zhǔn)傳感器比較，對不同溫度下的傳感器誤差進(jìn)行線性擬合，最終達(dá)到對溶解氧氣體傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。

假設(shè)被測溶解氧傳感器的測量值為Dm，基準(zhǔn)溶解氧傳感器的測量值為Db，傳感器的偏差為EDO。則在不同溫度下，有：

EDO=Dm-Db=f(T)

(5)

Db=Dm-f(T)

(6)

式中，f(T)為不同溫度下的傳感器偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合得出。最后，通過該偏差函數(shù)對被測溶解氧傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實現(xiàn)對被測溶解氧傳感器的校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的溶解氧氣體傳感器校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對水體溶解氧傳感器測量環(huán)境的控制以及自動校準(zhǔn)，減少了人力，提高了校準(zhǔn)效率，為溶解氧氣體傳感器的校準(zhǔn)提供了便利。根據(jù)不同水溶性氣體傳感器的校準(zhǔn)方式，下一步將對系統(tǒng)進(jìn)行改良，以適用更多種類水溶性氣體的校準(zhǔn)。