[发明专利]一种BOD测量智能传感器

说明书

本发明涉及一种BOD测量智能传感器，属于微生物电化学领域，包括阳极室、阴极室、底座；所述阳极室、阴极室均设置在底座上；所述阳极室上设有阳极换液孔、阳极导热柱；所述阴极室上设有阴极换液孔、阴极导热柱；所述底座内设置热交换系统和温控系统；所述阳极导热柱及所述阴极导热柱连接至热交换系统，所述温控系统检测并调节热交换系统的换热。本发明不需外部恒温箱，通过所述温控系统和热交换系统，实现精确的温度控制，使得传感器工作在库伦效率最佳的温控点，建立库伦效率温度特性曲线结合精确计算模型消除不同传感器测量差异，提高测量准确度和一致性。

技术领域

本发明属于微生物电化学领域，涉及一种BOD测量智能传感器。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是将废水中蕴含的有机物化学能转化为电能的装置。现有基于微 生物燃料电池的BOD测量仪器其工作过程可概括为:阳极有机物在微生物的氧化分解作用下， 产生质子和电子，电子通过胞外电子传递机制到达阳极，经外电路到达阴极，同时电解液中 的质子受电场力和浓度差的驱动从阳极室传递到阴极；电子和质子在阴极与电子受体发生还 原反应。这种BOD测量原理就是设计外电路，连接阳极和阴极，获取电信号，包括电压、电 流、电量等随待测物质组分或其浓度规律响应的关系，对水质的BOD指标进行定量或定性分 析。实验表明在20℃～40℃区间，温度越高，电活性微生物产电效果越好，在一定范围内提高 工作温度对于电活性微生物产电有促进作用。现有仪器都是将微生物燃料电池置于恒温箱内， 通过改变恒温箱温度，设定工作温度，由外部信号采集器连接计算机，构成测量系统。微生 物燃料电池装置阳极电活性微生物处于由非金属材料构成的封闭式厌氧容器之中，温箱的热 交换系统主要是通过温箱温控系统和热交换器与内部空气进行热交换，温箱内部空气再与装 置外壳传递到内部进行换热，效率很低，与温箱内的温度存在较大的温差，目前所有BOD测 量仪器均未实现对装置的阳极电活性微生物内环境温度进行精确测量和控制。为了提高测量 的通量，一般会增加多个微生物燃料电池，对恒温箱空间要求更大，采用功率较大的恒温系 统对整个内部空间进行温度控制，通过内部的空气传热，能源利用效率很低，进一步增加温 箱的能耗、体积和重量，不便于携带。以个四通道的测量系统为例，总质量超过10Kg。这种 方式的仪器一旦定型后，由于温箱的限制，不能根据需要灵活配置更多的装置进行测量，不 利于对水质BOD分布式多点原位测量。另一方面，现有的基于微生物燃料电池的BOD测试仪 器，在同一个恒温箱内设置多个微生物燃料电池，其差异在于每个阳极的微生物电活性微生 物种群构成、形成的生物膜的厚度和代谢情况不同，同时电子和质子的迁移扩散速率也受温 度影响，表现为电池的内阻(活化内阻、欧姆内阻和浓差内阻)不同且随温度变化明显，其 库伦效率和最佳工作温度也有差异，而现有的测量仪器或系统并没考虑库伦效率和温度的影 响因素。

本发明专利为克服上述问题，设计一种集成恒温功能、信号采集处理和无线传输于一体 的BOD测量智能传感器，实现对电活性微生物内环境的恒温控制，由于是针对单个装置进行 控制，单个装置的热容量很小，热惯性低，通过采用高效传热设计，能源利用效率大大提高， 大幅度降低能源消耗，减小系统体积和质量，实现测量系统的传感器化。通过对电活性微生 物内环境温度的精确控制，进一步提高阳极微生物的库伦效率，阳极内环境温控精度和准确 度提高，可以建立库伦效率与温度因子相关的准确的计算模型，对不同传感器设定不同的最 佳温度工作点，通过补偿计算模型实现更高准确度的测量，并提高不同传感器测量一致性； 将数据采集和传输功能集成，可实现数据采集和无线传输，其低功耗、高集成度、小体积和 智能化更有利于便携和分布式测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种BOD测量智能传感器，不需要外部的恒温箱，自 带内环境热交换和温控系统，通过温控系统精确测控制阳极碳布上的电活性微生物内环境温 度，减小体积、降低能耗；建立库伦效率与温度因子相关的准确的计算模型，对不同传感器 设定不同的最佳温度工作点，通过补偿计算模型实现更高准确度的测量，并提高不同传感器 测量一致性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：