介绍了氨氮传感器的检测原理，介绍了智能氨氮传感器电路的结构设计和设计方法，氨气传感器的标定算法和传感器重点介绍了铵离子的组成和多传感器数据融合算法，并对其性能进行了测试和分析。
氮传感器是一种复合传感器，结合了氨气，铵离子和pH传感探头，可用于就地快速检测水中的氨氮含量。中的氨含量是游离NH3和NH4 铵离子形式的结合氮总量，是水污染的重要指标。有大量氨氮的废水被释放到河流和湖泊中，不仅造成天然水体富营养化，水体缺乏氧气，有害水生生物，导致鱼类死亡，但也使生活用水和工业用水的处理复杂化。其是游离氨氮在一定浓度下对水生生物具有显着的毒性作用：例如，当游离氨氮为0.02 mg / L时，大多数鱼类都会中毒。中的氨取决于温度和pH值：pH值越高，游离氨的比例越高，否则铵离子的比例越高。
许多测量水中氨氮含量的方法，包括蒸馏后滴定法，Nessler分光光度法，苯酚次氯酸盐（或水杨酸次氯酸盐）。光光度法，恒温阀芯电极法，光纤荧光法和光谱分析法。如，滴定法的灵敏度不够高，分光光度法中化学试剂的数量很重要，步骤很复杂，铵电极的方法对来自单价阳离子和氨气传感器水样的pH值必须调整。于超过11个人来说，光纤荧光技术还不成熟，光谱分析设备的成本也很昂贵等等。以满足高频现场检测的需求。年来，随着传感技术，计算机技术和通信技术的发展，具有相对简单功能的传感器发射机已逐渐具备一定的数据处理能力，能够提供自识别，自校准和自补偿的智能网络功能传感器。文描述的智能氨氮传感器采用四电极复合结构：对氨气，铵离子，pH和温度敏感。需要化学试剂。适用于快速原位检测水体中氨氮含量。据融合处理提高了测量精度。中氨和铵离子的浓度与离子产物Kw的常数和离解常数碱性NH3，kb的水量有关，但与离子产物的常数Kw和离解常数碱性NH3的程度有关。
在不同的温度下会变化。水样品的pH值升高到11以上时，NH3 H2ONH4 OH-的反应向右移动，这可以将铵盐转化为气态氨。水样品的pH值小于7时，反应向左移动，氨氮全部耗尽。离子存在。此，使用氨气传感器，铵离子，pH和温度探头可以在同一水体中测量NH3浓度，NH4 浓度，pH和温度时间，我们可以计算出水体中当前的氨氮含量。了快速就地测量水中的氨氮，本文档（图1）中提供了一个集成的氨氮传感器（图1），其中包括一个氨检测电极，一个铵离子，pH和温度探头，过滤器，防护罩，外壳底座，传感器外壳，密封件，垫片和印刷电路板。感器与外壳底座的连接和连接采用国际市场上使用的PG13.5螺纹，以使其具有良好的互换性。于整个传感器都浸在水中并且需要严格的密封要求，因此我们为所有螺纹连接设计了硅胶垫片。缆通过防水连接器连接，从而提供IP68防护等级。外，考虑到传感器必须长时间在线运行，因此在探头外部安装了过滤器和保护盖，以方便清洁和维护传感器。2显示了智能氨氮传感器的示意图。能氨氮传感器包括氨气传感器，铵离子传感器，pH和温度传感器，信号处理模块，铁电存储器，MSP430微控制器，总线接口模块和电源管理模块。于pH电极，铵离子选择电极和氨气检测电极的输出阻抗特别高，因此放大器电路的第一级必须使用高阻抗运算放大器。于阻抗匹配的输入。外，测试表明，50 Hz的工频信号很容易干扰电极探头的输出信号。此，在信号调节模块中增加了一个低通滤波链路，以提高其操作稳定性。文使用四个探针，使用两种方法来检测水中的氨氮。先是测量水的温度，pH和离子铵以获得氨氮含量。二步是测量水的温度，pH和游离氨，以获得另一种氨氮含量，然后与pH值和温度合并以获得最终氨氮含量。方法无需使用化学试剂对水样品进行预处理即可提供更准确的水中氨氮含量。了执行智能氨氮传感器的即插即用和自动补偿功能，本文参考IEEE1451设计了传感器TEDS表格，其中包含传感器，通道和补偿参数信息。准，然后存储在外部铁电存储器中。样，可以通过I2C总线读取或修改内容。据公式（1），水中氨和铵离子的浓度与离子产物常数Kw和碱态NH3解离度Kb有关，而pKw和pKb与水的温度有关。了测试游离氨与pH和温度之间的关系，配置了以下氨氮标准溶液：10 mg / L，1 mg / L，0.1 mg / L和0.01 mg / L，然后从烧杯中取出每种标准溶液50 ml。将其放在恒温水箱中，每5至35°C记录氨气检测电极的测量输出，并用1摩尔的NaOH溶液调节pH值。L使样品溶液的pH值稳定在pH =7。H = 8，pH = 9，pH = 10和pH =11。用80组实验，游离氨水随pH的变化曲线。得pH和温度。3示出了氨检测电极的输出电压与pH和温度的关系曲线，该氨检测电极的输出电压为10mg / L的氨氮溶液。pH下变送器的输出电压与理论计算值相同，但温度对输出电压的影响不明显，与理论分析有所不同。此，恒温阀芯为了简化处理，将测量值5取平均值作为室温下发射极的输出电压，以关注pH对其的影响。过简化处理，将80组测试数据合并为20组，得到氨气传感器输出电压随pH值的变化曲线，如图4所示。图4中，对于不同的样品浓度，输出电压随着相同的pH而变化，这与理论分析是一致的。5以对数刻度显示了氨气敏感输出电压和氨氮浓度之间的关系。5显示，在恒定pH条件下，变送器的输出电压与氨氮浓度的对数呈线性关系。pH值越高，线性越好，但是不同pH值的回归方程不同，系数也不同。果氨氮浓度的log ln [NH3-N]是自变量x，则可以将公式（4）的形式简化如下：U = Ax B。虑系数A和A的变化。B与pH值有关。6显示了氨敏感性相对于pH的回归方程的系数A曲线。
以看出，氨气A的灵敏度回归系数与pH值之间的关系与游离氨和pH的理论曲线一致，即系数A的变化。氨态氮中游离氨的比例的对数呈线性关系。中，当常数△* = 9.65时，调节效果最佳。7显示了氨气灵敏度随pH值的回归方程的系数B的变化曲线，其R2 = 0.998。离子电极，我们可以获得两种水平的氨氮[NH3-N]和[NH4 -N]，根据当前情况，传感器的最终氨氮含量是上述两个值的融合水。了提高整个氨氮传感器的检测精度，该文件根据不同的水质条件为[NH3-N]和[NH4 -N]分配了不同的权重，然后执行加权平均值。当水体的pH值较低时，[NH 4 -N]的重量较高，并且铵离子电极为主要成分，该电极氨气检测是辅助的。气检测电极是主电极，铵离子电极是辅助电极。算[NH3-N]的重量WNH3，然后计算出[NH4 -N]的重量WNH4 = 1-WNH3。前几部分的基础上，我们设计了一个带有氨氮传感器的智能工作流程，如图8所示。达到采样时间时，系统将退出状态低能耗并首先为pH传输电路供电。
传感器稳定一段时间后，激活微控制器的模数转换并读取pH和温度的初始值。于pH电极的输出对各种信号干扰敏感，因此本文基于硬件过滤和软件过滤。
体方法如下：首先取255个连续样本，按照中位数对采样结果进行排序和滤波，然后重复上述过程50次，取中值滤波后的结果取平均值。术上该算法具有抑制脉冲信号干扰，减少随机信号干扰的优点，即使信号变化快或信号变化慢，也可以获得较好的滤波效果。过数字滤波后，获得更稳定的pH和温度初始电压值，然后读取pH传感器的TEDS校准参数，计算出当前pH和水体的水温，保持供以后使用，并关闭pH传输电路。开对氨气敏感的传输电路，并准备读取和计算[NH3-N]浓度。理过程如下：当电源达到氨传感器的稳定时间时，启用A / D转换，连续读取其初始电压值，并进行数字滤波；根据pH的当前值和公式（7）计算氨气的灵敏度。录电极测量的水体中氨氮含量[NH3-N]，同时断开氨检测传输的电源，接通铵离子传输电路的电源，并准备[NH4-N]浓度的读取和计算。理过程类似于[NH3-N]：当电源达到铵离子传感器的稳定时间时，将激活A / D转换，连续读取原始电压值，然后执行数字滤波；根据当前的pH值和公式（8）进行计算。离子电极测得的铵态氮含量[NH4-N]已被存储。后，执行数据融合。决于pH值和水的温度，使用式（9）计算[NH3-N] WNH3的重量和[NH4-N] WNH4的重量。
用公式（11）。存氨气[NH3]和铵盐[NH4 ]，关闭电源转换和模数转换模块，测量氨氮浓度，将系统转移到功耗低，请等待下一个闹钟。了验证智能氨氮传感器的检测精度，我们在室温（20）下用0.01 mg / L，0.1 mg / L的氨氮标准溶液对传感器进行了测试， 1 mg / L和10 mg / L。体方法：将探针以0.01 mg / L，0.1 mg / L，1 mg / L和10 mg / L的标准溶液放置，并仔细调节用1 mol / L NaOH溶液调节pH值以获得样品溶液的pH值。值在pH = 7，pH = 8，pH = 9，pH = 10和pH = 11时稳定，然后读取并记录其[NH3-N]，[NH4-N]和[NHx-N]。果示于图9中。图9中可以看出，数据融化之后的氨氮的测量结果明显优于氨气传感器或收集器。离子。过平均不同pH值的测量结果，然后列出并绘制绝对和相对误差，可以更清楚地看到合并数据对检测结果的影响。2列出了氨氮传感器的检测精度表。前的测试表明，数据融合后，氨氮的绝对和相对测量误差大大降低。
对误差小于0.5 mg / L，相对误差小于8％（0.01 mg / L除外）。线满足水产养殖的需求。
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