海珍品养殖水质微机自动监测系统.pdf

第2 0 卷第2 期2 0 0 1 年6 月海洋技术0 C E A NT E C H N O I。o G YV 0 1 2 0，N o 2J u n e，2 0 0 1海珍品养殖水质微机自动监测系统陈芙蓉赵宇梅钱小军张海军(国家海洋局海洋技术研究所，天津3 0 0 1 1 1)摘要化学传感器用于海洋增养殖业水质环境监测领域，它与传统的物理传感器相比具有许多不便之处。如易漂移、难校准、受环境影响大等问题。因此在现场测量和实现长期连续监测方面受到了限制。文中主要介绍了海珍品养殖水质自动监测系统利用先进的电化学传感器技术(8 6 3 8 1 8 一0 1-0 1 课题研究成果)与计算机技术相结合，实现了海珍品养殖中必须监测的常规化学要素的现场定点长期连续监测，为水产养殖业提供实时的数据服务。关键词：海珍品养殖传感器计算机长期连续监测中图分类号：Q 1 7 8 5 3，T H 7 6 6 5 1文献标识码：B一1 j o1刖吾海洋增养殖业是当今社会新的经济增长点。在海水养殖业中，海水的水质化学状况左右着鱼、虾、贝类以及其它养殖种类的亲体饲养、产卵、孵化及生长。如p H 是海水水质的重要化学参数之一，鱼虾最适宜的p H 值为7 0 8 5，超出这个范围会使鱼虾受害。p H 值高于8 5，时间超过2 4 h，会使鱼鳃组织因受腐蚀而患烂鳃病；低于7 0 会使鱼虾血液循环受阻，酸性增加降低载氧能力，造成因缺氧、消化力差而出现浮头病。由于水质环境对增养殖业的重要性，人们迫切需要海水水质化学要素的自动监测手段，减少失误及投资风险，海水养殖水质环境监测装置就是为此研制的，它将养殖业必测的海水水质化学要素p H、D O、T 的监测功能集为一体，与现代微处理器技术相结合，使水质监测自动化程度大大提高，成为增养殖业的重要水质监测手段。适用于海珍品育苗、养殖业的水质自动监测系统现已成为世界各海洋国家增养殖业中水质监测的发展方向。这不仅是因为它可以取代人工完成养殖环境的水质监测，关键是它能够获得长期水质参数收稿日期：2 0 0 1 0 5 2 0的监测数据，这种数据的价值远远超出间断的不连续监测数据。目前世界上只有少数几个国家推出具有自动监测功能水质监测系统，如挪威、美国、日本实现科学研制均建立了海洋养殖服务的水质自动监测系统，取得了较好的经济效益。现有美国Y S I公司在国内设有代理商推销产品，但其售价远远超出用户的承受能力，国内对于海水水质要素的测量还只是以便携式单机为主。特别是针对海珍品养殖成功的水质自动监测系统还未见报道。海珍品养殖水质微机自动监测系统利用了先进的计算机自动控制技术和自动数据采集功能，借鉴和吸收了近年来化学传感器及先进的现场测量技术，将各分立的化学传感器模块化并集成为一整体，通过电缆与计算机连接组成自动监测系统安装在增养殖区、育苗场或中心控制实验室，自动提供现场实时水质监测数据。2 系统组成及工作原理海珍品养殖水质微机自动监测系统可分为两部分：水上机和水下机。水上机包括计算机、打印机、A D 转换电路、系统软件。水下机包括电缆、水密接插件、水下传感器(三电极复合探头)、直流泵。系统的原理构成如图1 所示。万方数据3 4海洋技术第2 0 卷围1系统原理构成图在系统中，三个传感器与相应的信号转换电路复合成水下机，实际应用时，水下机置于被测水体，三个传感器的敏感部分将不同的化学信号经各自的放大电路处理后变成模拟量，电缆将这些模拟量传输给水上机的A D 转换模块后，由微机水处理系统，自动完成数据采集和处理。计算机显示屏直接给出被测水体的温度、溶解氧及p H 值。系统设计了存储打印平台，可随时调用、察看、打印前期所测数据。在无人值守的情况下系统可自动、连续运行。本传感器系统具有五大特点：(1)系统的最大特点是可定点、实时、同步测量被测水体的参数；(2)现场校准方法简单；(3)系统显示界面友好，易懂易操作；(4)能够实现长期、连续、监测；(5)系统水下机可与数据处理终端相距较远。3 水下机部分3 1水下传感器的组成及设计水下传感器是水下机的主要组成部分。其外形采用圆标准结构设计，利用不锈钢作水下传感器的外壳材料，以防锈蚀对被测水质产生影响。温度、p H、溶解氧三电极均匀的分布在水下传感器的圆形剖面上，三电极的敏感部分用不锈钢罩保护，同时在其底部设有一直流泵，工作时，直流泵使被测水样在水下传感器的敏感部位作恒速流动，其作用是使各电极时间响应加快，提高溶解氧的测量准确度，同时起到电极的自清洁作用，微生物及其它悬浮物不易附着在电极上，确保水下机处在良好的工作状态。3 1 1 溶解氧传感器此传感器依据原电池测氧的方式设计。由四个基本单元构成：正极、负极、电解质溶液，以及把原电池室与被测水样隔开的半透膜。当这种组合的原电池式电极在两极加上适当的取样电阻后，在正、负两极将产生自发的氧化一还原反应，回路中将产生电流，这个电流的大小与被测溶液中的溶解氧成正比。适用于本系统的溶解氧传感器经校准后，在相当长的工作时间内测量准确度需保持在较高的范围内，为实现这一目标提高传感器的长期稳定性是极为重要的。因此氧电极的结构设计采用了如下方案：(1)氧电极的正、负两极引线各自走不同的通路，防止在长期的工作中由于极间电阻下降引起电极性能的漂移。(2)电极的离子通路设计成半封闭式结构，限制电极腔内外O：的相互扩散干扰，利于电极输出信号稳定。(3)电解质溶液中加入适当的络合剂，阻止电极反应生成物的沉积。(4)电极膜选择适当的厚度，利于长期工作。在溶解氧测量中环境温度、盐度的影响需进行补偿。已知氧在水中的溶解度是氧分压、温度、盐度的函数，而氧电极只对氧分压敏感，我们的目的是为了测量氧的溶解度，因此温度、盐度对水下溶解度的影响必须进行补偿。系统采用的是覆膜传感器，而传感器膜的渗透率受温度和压力的影响，这个影响也必须进行补偿。上述两方面的影响，在系统研制过程中，实际操作时采用了综合处理的方案。在通常的氧传感器的补偿中，是用热敏电阻和相应的复杂电路来完成的。这种方式工作量大，线路复杂很难达到较高的精度。在此项目研究中充分利用了计算机的优势，依据氧电极的各方面因素对其影响的电极特性曲线做出数学模型，用回归的办法得到覆膜氧传感器的拟合公式。氧溶解度的计算公式为：D O=-D O c V D e x f(t)c y 厂()一(S S 标)D o S(1)其中：厂()一A+Q 2+D f 3 为温度补偿函数y 胁一传感器测量电压值D 0 一待测的氧浓度D O c 一定标时用碘量法确定的氧浓度y 胁一定标时传感器电压测值 万方数据第2 期海珍品养殖水质微机自动监测系统3 5厂()c 一定标温度下的温补函数值S 一为盐度值S 标一定标时的盐度值编制软件储存于计算机的数据处理系统，通过微机计算完成补偿达到准确测氧的目的。由此处理过的溶解氧电极，在测量前定标，可连续工作较长时间。3 1 2p H 传感器p H 值是由测量电池的电动势得到的。当p H 敏感电极和参比电极浸入被测溶液时，敏感电极、参比电极与被测溶液组成了一个化学电池，这个电池的电动势与溶液中氢离子活度的关系符合电化学理论中的能斯特方程式：E E。+(2 3 0 3 R T F)l g a【，+(2)式中：尺气体常数，8 3 1 4 焦耳KF 法拉第常数，9 6 5 0 0 厍仑克丁绝对温度根据p H 的定义，p H=一l g a H+，(2)式可写成如下形式：E E o+(2 3 0 3 R T F)p H在p H 实际测量中，采用外加一“定位”信号的方法，通过各种补偿，使(2)式简化为E=S。p H，成了简单的线性关系，这就是p H 测量原理。一般的p H 传感器也同样存在一个不能长期使用的问题，在每次测量时均需定标。在该系统中创新之处在于采用低漂移可长期使用的参比电极和双高阻转换电路、三电极测试体系，提高p H 传感器的抗干扰能力以利长期使用。p H 与溶解氧也是温度的函数，p H 传感器只对水中的氢离子，反映水中的p H 需要对p H 传感器在数据处理中进行温度补偿，通过理论分析和试验研究，根据p H 传感器各特性随温度变化规律，建立的p H 传感器温度响应的数学表达式为：p H 一(以o+A l t+A 2 t 2)+(B o+B l t+B 2 t 2)V p H+(c o+c l t+C 2 t 2)y 函+M(3)式中：p H 水体的p H 值y，H 传感器的p H 电压输出现场温度(由温度传感器测得)M 漂移修正值A o、A l、A 2、B o、B l、B 2、C o、C l、C 2 温度系数将传感器置于监测点的水体中，通过编制的“数据监测”来自动采集数据。这种数据处理方法使得本传感器的技术指标达到较高水平。测量范围：2 1 0测量准确度：0 2分辨率：0。0 1针对在线自动测量所作的设计，使得p H 传感器具有无需零点调整、温度可以自动补偿、长期稳定性好等优点，因而适合于本系统的现场在线自动测量。将p H 传感器温度响应的数学表达式编制软件储存于微机系统，通过微机计算完成补偿达到准确测量目的。由此处理过的p H 传感器，只需在系统开始使用测量时定标，在以后的连续测量中不用随时定标。3 1 3 温度传感器温度传感器由热敏电阻作为感温组件，同与其相匹配的温度测量电路完成对现场水温的测量。同时此温度传感器的温度测值又用于p H、溶解氧传感器测量中的温度补偿。3 2 信号转换电路共地设计p H 电极是高阻器件，约1 0 9 Q，要求与之相应的测量电路输入阻抗应大于电极阻抗的一至二个数量级，约为1 0 1 1 Q，这样才能保证玻璃电极的正常工作。但这也使p H 传感器极易受到外部的干扰和影响，特别当p H 传感器与其它传感器共同组成一个系统时，即使很微弱的电流通过海水也能影响到高阻抗的p H 传感器，使其偏离测量值。所以p H 传感器与系统的共地、共电源是个较复杂的问题。在本课题中采用双高阻转换电路设计，同时引入第三电极的测试方案，提高p H 传感器的抗干扰能力。图2是系统中p H 传感器的共地接法。图2p H 传感器测量部分的信号转换框图 万方数据3 6海洋技术第2 0 卷3 3 软件系统该系统控制分析处理电路的核心是中泰计算机技术研究所生产的P C 一6 3 3 1 输入输出接口卡。此卡适用于具有I S A 总线的P C 系列微机。输入信号范围：o 1 0 V，输入阻抗：1 0 M E I，A D 转换分辨率：1 2 位，A D 转换速率：1 0-s，输入通道允许采用1 6 路单端输入方式，满足对多个池水的同时监控的需要。A D 转换板采用的是1 2 位逐次逼近式A D 转换器A D l 6 7 4 片内自带精密基准源，并经激光修调，具有较高的转换速率和转换精度。海珍品养殖水质自动监测系统的软件系统是采用V B 语言编程，分为以下几个功能。3 3 1 数据监测模块软件系统为满足更多用户需求，专门设立参数设定功能，如图3 所示。正如绪论所讲，不同种类、不同时期的海珍品对水质中的温度、溶解氧及p H值有不同的要求，软件系统设置一个小型的专家系统，由有经验的养殖专家来设定三参数的上下限指标，一旦发生水质变化可及时显示越限，达到预警、报警的目的。实现传统经验与自动监测相结合的科学喂养。数据监测是通过A D 转换探头测试值，对监测数据进行滤波、标度变换后，送显示。对水质实现长期自动监测。数据监测对话框见图4。监测时间、日期、池号及监测水质的三要素：温度、溶解氧、p H 值皆一目了然。3 3 2 数据查询模块软件系统将监测数据自动存储，存储数据的时间间隔由用户在参数设定中自行设定。在需要时可随时调出任意时间测得的数据，实现养殖过程的全程监控，为养殖水平的提高提供一个数据基础。必要时使用打印功能将数据打印出来以便互相对照。数据查询对话框如图4 所示。图3 传感器数据监测界面围4 传感器的数据查询界面 万方数据第2 期海珍品养殖水质微机自动监测系统3 73 3 3 传感器定标模块溶解氧定标：本系统的溶解氧传感器经校准后，能正常工作相当长时间，测量准确度在较高的范围内。系统仍设有定标功能的目的是为防止人为损坏或长期使用一段时间内传感器产生漂移时设立的功能，用饱和溶解氧水依据定标对话框进行定标即可。p H 值定标：酸度定标的目的与溶解氧相同，长期使用一段时间内传感器产生漂移时设立的功能，用p H。的标准缓冲溶液依据定标对话框进行定标即可(如图5 所示)。图5 传感器的标定界面由溶解氧、酸度、温度三个测量参数组成的海珍品养殖水质微机监测系统，实现了水质长期自动监测，为水产养殖、水质污染提供可靠、实时、数据，同时为实现其它化学要素现场连续测量积累了经验。A nA u t o m a t i cW a t e rQ u a l i t yM o n i t o r i n gS y s t e mf o rC h o i c eS e a f o o dA q u i c u h u r eC h e nF u r o n gZ h a oY u m e iQ i a nX i a o j u nZ h a n gH a i j u n(I n s t i t u t eo fO c e a nT e c h n o l o g y，S O A，T i a n j i n3 0 0 111)A b s t r a c tC o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lp h y s i c a ls e n s o r s，c h e m i c a ls e n s o r su s e df o rs e a f o o da q u i c u l t u r ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gh a v em a n yi n c o n v e n i e n c e ss u c ha se a s yt Oh a p p e nz e r op o i n td r i f t，d i f f i c u l tt Oc o r r e c t，s e n s i t i v et oe n v i r o n m e n te t c A na u t o m a t i cw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rc h o i c es e a f o o da q u i c u h u r ec o m b i n e da d v a n c ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rt e c h n o l o g yw i t hc o m p u t e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r T h es y s t e mr e a l i z e si n s i t u，l o n g t i m ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n gt Or e g u l a rc h e m i c a li t e m st h a tm u s tb em o n i t o r e di nc h o i c es e a f o o da q u i c u h u r ea r e a，a n dc a np r o v i d er e a l t i m ed a t as e r v i c et oa q u i c u l t u r e K e yw o r d sc h o i c es e a f o o da q u i c u h u r e，e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r，i n s i t um o n i t o r i n g，c o n t i n u o u sm o n i t o r i n g 万方数据海珍品养殖水质微机自动监测系统海珍品养殖水质微机自动监测系统作者：陈芙蓉，赵宇梅，钱小军，张海军，Chen Furong，Zhao Yumei，Qian Xiaojun，Zhang Haijun作者单位：国家海洋局海洋技术研究所,天津,300111刊名：海洋技术英文刊名：OCEAN TECHNOLOGY年，卷(期)：2001,20(2)被引用次数：4次 本文读者也读过(9条)本文读者也读过(9条)1.王波.孙丕喜.张朝晖.马强.张春艳.刘光穆.张春利 中间球海胆生产性育苗高产试验期刊论文-中国水产2004(z1)2.马从国.倪伟.MA Cong-guo.NI Wei 基于PLC工厂化水产养殖监控系统的设计期刊论文-工业仪表与自动化装置2005(2)3.宋德敬.陈庆生.薛正锐.孙慧玲.张建伟 海水工厂化养鱼多点在线水质监测系统的研究期刊论文-海洋水产研究2002,23(4)4.薛岚.雷莹.XUE Lan.LEI Ying 三都澳水质状况与水产养殖关系的探讨期刊论文-宁德师专学报（自然科学版）2006,18(2)5.高艳萍.于红.崔新忠.GAO Yan-ping.YU Hong.CUI Xin-zhong 基于优化BP网络的工厂化水产养殖水质预测模型的实现期刊论文-大连水产学院学报2008,23(3)6.渔业科技入户主推技术水产养殖水质综合调控技术期刊论文-海洋与渔业2009(3)7.2006农业部主推技术之水产养殖水质调控技术期刊论文-中国水产2006(6)8.关长涛.来琦芳 以色列集约化水产养殖方式与装备介绍期刊论文-渔业现代化2006(3)9.宋瑜清 水产养殖自动监控系统期刊论文-现代农业装备2003(3)引证文献(4条)引证文献(4条)1.刘兴国.刘兆普.王鹏祥.苗雷 基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用期刊论文-农业工程学报2009(6)2.关君.李秀辰.刘辉 计算机监控技术在水产养殖中的应用期刊论文-渔业现代化 2007(1)3.杜治国.胡大辉 工厂化水产养殖远程测控系统研究期刊论文-农机化研究 2011(3)4.黄云峰.冯佳和.吕建明.周小壮 渔业环境自动监控预警系统建设期刊论文-安徽农业科学 2011(35)本文链接：http:/