溫度對(duì)在線溶解氧儀測(cè)定地表水中溶解氧的探討

駱禹廷 湛江市生態(tài)環(huán)境局吳川分局環(huán)境監(jiān)測(cè)站

一、引言

當(dāng)前，用于確定水體中溶解氧的常用方法包括碘量法和氧棒電極法。碘量法具有很高的測(cè)量精度，但是既費(fèi)時(shí)又麻煩。繼而，覆膜電極溶解氧計(jì)（溶解氧計(jì)）由于其快速、簡(jiǎn)單和便攜式的測(cè)量而變得越來(lái)越流行。通常，純凈度較高的地表水體中的溶解氧趨近于飽和狀態(tài)，但是由于水體中植物的光合反應(yīng)，溶解氧的含量也可能存在過(guò)飽和現(xiàn)象。在正常條件下，空氣中氧氣的分壓變化不大，水溫作為另一個(gè)影響要素成為水中溶解氧含量變化的主要原因。

二、溶氧儀的溫度補(bǔ)償

要了解溶解氧計(jì)中溫度補(bǔ)償?shù)脑恚仨毷紫攘私馊芙庋鯗y(cè)量過(guò)程。關(guān)鍵是要掌握設(shè)計(jì)溶解氧儀的原理：（1）該儀器直接測(cè)量氧氣分壓，而不是氧氣濃度。（2）氣液平衡時(shí)，地表水中的氧分壓與空氣中氧分壓相同。（3）氣液平衡時(shí)，地表水體中溶解氧的濃度與氧分壓關(guān)系為

式中：P—氧分壓；C—溶氧溶度；H—Henry系數(shù)，它受溶液溫度、鹽度等因素的影響。

（一）溫度補(bǔ)償

使用在線溶解氧儀的儀器測(cè)量時(shí)，其他不變條件的情況下，得到的信號(hào)數(shù)據(jù)將隨溫度的變化而變化（溫度漂移），為了限制這種現(xiàn)象，采用了特定的補(bǔ)償算法，對(duì)該算法輸出結(jié)果進(jìn)行校正達(dá)到消除溫度變化對(duì)輸出信號(hào)影響的目的，此方法稱為電子設(shè)備溫度補(bǔ)償。電子測(cè)量系統(tǒng)一般包含檢測(cè)、信號(hào)處理、信息傳輸和控制器四種功能的架構(gòu)。傳感器是一種傳感設(shè)備，可將應(yīng)變信號(hào)、壓力信號(hào)、溫度信號(hào)和被測(cè)物體的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他根據(jù)特定規(guī)則便于測(cè)量的信號(hào)，并將其反饋給信號(hào)處理器，與溫度的相關(guān)性較高。

（二）熒光法溶氧儀的溫度補(bǔ)償

地表水中的溶解氧含量會(huì)根據(jù)溫度的變化而變化。因?yàn)闊o(wú)法確定與水溫的關(guān)系，所以將每個(gè)溶液的相位差值代入公式（2.2）中，以查看其是否與部件溫度相關(guān)?？梢詫⑾到y(tǒng)中的熒光膜、光路和光電二極管視為將水中溶解氧含量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。敏感的傳感器元件通常與環(huán)境與溫度密切相關(guān)，因?yàn)闊晒饽づc水直接接觸。因此，應(yīng)檢查熒光材料的自身特性是否受到溫度的影響。

熒光材料由于受到入射光激發(fā)而發(fā)光，在此過(guò)程中，會(huì)縮短激發(fā)態(tài)的壽命。 當(dāng)然，熒光膜的溫度特性也受到其他條件的影響，例如熒光的量子產(chǎn)率和吸收光譜的變化。上面的分析表明，通過(guò)溶解氧儀測(cè)量地表水中的溶解氧含量時(shí)必須同時(shí)檢測(cè)溫度，因?yàn)槿芙庋跆筋^中使用的熒光膜會(huì)受到溫度變化的影響，不能確定熒光壽命值τ0和Stern-Volmer常數(shù)Ksv為不變的常數(shù)，否則將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償將通過(guò)軟件算法完成。一旦找到τ0、Ksv和溫度之間的關(guān)系，就將其代入Stern-Volmer方程進(jìn)行求解。

三、溶氧儀溫度補(bǔ)償?shù)臋z定方法

（一）驗(yàn)證亨利的溫度補(bǔ)償系數(shù)

在20°C校準(zhǔn)溶解氧儀后，將電極置于20°C的水蒸氣飽和的空氣中并使其平衡（以確保相同的輸出電流），讀取溶解氧值C0，然后手動(dòng)將儀器調(diào)整為指示溫度為10℃和30℃，分別讀取溶解氧的CT值，可以計(jì)算出溫度補(bǔ)償?shù)暮嗬禂?shù)：

結(jié)合實(shí)際溫度α的值（在2 0℃，α=1.91%），可以計(jì)算出亨利溫度補(bǔ)償?shù)恼`差Δα。

（二）驗(yàn)證擴(kuò)散系數(shù)的溫度補(bǔ)償

由于空氣中的氧氣分壓在0℃～30℃的溫度下基本不會(huì)變化，因此可以在20℃校準(zhǔn)溶解氧計(jì)并將電極分成兩部分放在10°C和30°C的飽含蒸汽的空氣，手動(dòng)將溫度表設(shè)置為20°C的校準(zhǔn)溫度（以確保亨利系數(shù)相同）并相應(yīng)地讀取溶解氧測(cè)量值C，并獲得β值

應(yīng)當(dāng)將測(cè)得的β值與儀器制造設(shè)計(jì)的β值進(jìn)行比較，以評(píng)估擴(kuò)散系數(shù)誤差的大小。因此，制造商必須提供溶解氧計(jì)的β值。同時(shí)，為了使用時(shí)的便捷性考量，需要溶解氧儀的工藝結(jié)構(gòu)和β值誤差既定。

結(jié)語(yǔ)：溶解氧計(jì)測(cè)量的影響因素有很多，其中溫度對(duì)飽和蒸氣壓的影響可以歸類為對(duì)氧分壓的影響，在校準(zhǔn)過(guò)程中可以忽略。因此，溶解氧儀測(cè)量地表水的溶氧量時(shí)的溫度補(bǔ)償主要由兩部分組成，即亨利溫度補(bǔ)償和擴(kuò)散因子溫度補(bǔ)償。這將有助于改善和保證溶解氧儀的測(cè)量精度。