基于物聯網技術的水質監測系統中不同溶解氧傳感器應用效果初探

房景輝　鄒健　劉毅　汪水吉　徐松華

摘要：將測量原理不同的電化學和光學溶解氧傳感器分別集成在基于物聯網的水質在線監測系統中，并應用于長時間監測海水養殖場的溶解氧，結果表明：兩種傳感器都能在一定時間內正常監測水體中的溶解氧，但基于傳統原電池法的電化學溶解氧傳感器在海水養殖水質監測中穩定性較差，維護復雜；而基于動態熒光淬滅的光學溶解氧傳感器監測值相對比較穩定，且維護簡單。本研究在實際應用層面上為兩種類型溶解氧傳感器的使用提供了技術參考。

關鍵詞：海水養殖場；水質監測；電化學法；熒光法；溶解氧

中圖分類號：S126 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0134-05

我國的水產養殖產業正處于轉型期，精細化管理越來越受到管理者的重視。水質環境是水產養殖的關鍵因素，在精細化養殖中，水質環境的重要性更加突出。小型太陽能浮標式水質監測系統是采用太陽能供電，運用現代傳感器、自動測量、自動控制、計算機等高新技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡組成的一套綜合性的水質在線自動監測體系。該系統體現了先進性、穩定性、可靠性、準確性、安全性以及運行的經濟性。在其功能上，一方面，用戶可以通過手機、電腦等終端實時查看養殖水質環境信息，及時獲取異常報警信息及水質預警信息，并可以根據水質監測結果，實時調控設備；另一方面，通過采用水質信息智能感知、可靠傳輸、智能信息處理、智能控制等物聯網技術，實現對水產品養殖全過程的自動監控與精細管理，有效增加水產品產量，提高水產品質量，減少養殖風險，降低生產成本，減輕勞動強度，擴大生產規模，實現科學養殖與管理，最終實現節能降耗、綠色環保、增產增收的目標。

水體溶解氧是水質評價、影響養殖生物健康狀況的重要參數，因此，將先進的物聯網技術與溶解氧監測結合起來而形成的監測系統對水產養殖產業發展具有較為重要的意義。在小型太陽能浮標式水質監測系統中，常用的溶解氧智能傳感器有兩種，一種是傳統的基于電化學法的溶解氧傳感器，另一種是基于光學法的溶解氧傳感器，本研究重點對這兩種不同測定原理的溶解氧傳感器在海水養殖場中的實際應用效果進行探究。

1 材料與方法

1.1 溶解氧智能傳感器描述

本試驗所用的數字信號輸出傳感器，采用標準Modbus協議，可進行雙向通訊，可集成到PLC或SCADA，并能夠通過指令對傳感器進行反控。其中，基于動態熒光淬滅法的第二代光學溶解氧傳感器中內置鹽度校準程序，可通過手動輸入海水鹽度值，對其進行鹽度補償；具有溫度傳感器，可自動實時進行溫度補償。電化學法溶解氧傳感器采用的是原電池和極譜法測量技術，同樣內置了溫度傳感器，也可自動實時進行溫度補償。

1.2 測定原理

1.2.1 電化學法 溶解氧電化學探頭是一個用選擇性薄膜封閉的小室，室內有兩個金屬電極并充有電解質，氧分子和一定數量的其他氣體和親液物質可透過這層薄膜，而水和其他可溶性物質的離子幾乎不能透過這層膜。將探頭浸沒到水中測定溶解氧時，由于電池或其他外加電壓作用在兩個電極間產生電位差，使金屬離子在陽極進入溶液，同時氧氣通過薄膜擴散在陽極獲得電子被還原，產生的電流與穿過薄膜和電解質層的氧的傳遞速度成正比，即在一定溫度下該電流與水中氧的分壓（或濃度）成正比（圖1）。

1.2.2 熒光淬滅法 In-Situ RDO傳感器利用動態熒光淬滅原理測量溶解氧。這種低維護傳感器使用了有生命周期的光學技術，能提供非常穩定精確的結果。當被藍光照射時，浸在能穿透氣體傳感金屬箔中的劑量片發出紅色的光子。RDO能測量反射信號的相位（延遲），再和發射信號相比較。劑量片中氧的存在能熄滅熒光，使反射信號的相位發生偏移，反射信號通過光電二極管探測到。測量到藍色發射光和紅色反射光的相位差，就能用來定量DO（圖2）。

1.3 實地試驗

采用攜帶不同溶解氧傳感器的小型太陽能供電浮標式水質監測系統，對不同測定原理的溶解氧傳感器的應用效果進行探究。該浮標投放于山東省海陽市，其中：海陽市千湖島水產有限公司的浮標監測系統（A）采用了DO-680P型原電池法的溶解氧傳感器；海陽港1號浮標監測系統（B）搭載了一套RDO-PRO-X型基于熒光淬滅法的光學溶解氧傳感器。兩者均監測水深50～60cm處的溶解氧數值。試驗點及水質監測系統情況見表1。

2 結果與分析

本試驗于2015年7月份開始進行，測試周期為半年，主要內容包括對監測數據的跟蹤、日常比對和設備維護，最終選取具有代表性的9、10月份數據進行分析研究，比較兩種溶解氧傳感器在海水養殖環境中應用的實際效果。所有圖表中引用的數據均可通過水產養殖數據平臺中心網址鏈接進行追溯。

2.1 電化學溶解氧傳感器的監測結果

整體來看（圖3），9月1～17日養殖場海水中的溶解氧含量呈明顯下滑趨勢，9月1日溶解氧白天峰值為6.85mg/L，晚上低谷值為5.18mg/L，到9月17日，峰值為3.04mg/L，低谷值為1.94mg/L。經9月18日校正維護后，溶解氧數值又升到較高水平，由維護前的2.34mg/L（18：00前）升至6.09mg/L（19：00）。每次維護工作時間為2～3 h。9月18～28日，曲線仍呈整體向下漂移趨勢，經9月28日零點校正后，溶解氧數值處于相對穩定水平，但10月11～15日，數值又呈現下降趨勢，經10月15日校準后又處于相對穩定狀態。

溶解氧峰值和低谷值變化具有晝夜規律性，9月1～3日期間，溶解氧的峰值均出現在下午15：00～16：00，而低谷值出現在凌晨4：00～5：00（圖4）。

2.2 光學溶解氧傳感器的監測結果

從整體上看，基于熒光淬滅的光學溶解氧傳感器監測的溶解氧數值（圖5）9月1～22日處于相對平穩狀態，最低值出現在9月12日凌晨5：00，為4.72mg/L；9月23日凌晨至10月10日呈下降趨勢，且峰值和低谷值問差值減小。但經10月11日下午簡單清洗傳感器后，溶解氧數值迅速上升。

光學溶解氧傳感器測定的溶解氧數值也具有晝夜變化規律性，9月1～3日的檢測結果（圖6）顯示，溶解氧的峰值出現在下午15：00～16：00，低谷值出現在凌晨4：00～5：00。

3 結論與討論

3.1 電化學溶解氧傳感器實際應用效果

本試驗結果表明，傳統原電池法溶解氧傳感器在一定時間內測定的數值較穩定，但7～10天后，數據會逐漸漂移、降低，需要進行零點和飽和點校正，校準后，曲線會出現“突越”，測定數值恢復到正常水平。結合傳統原電池傳感器的測量原理與實際維護現狀來看，隨著使用時間的延長，原電池溶解氧傳感器本身信號漂移及內部電解液消耗對測定結果的影響較大，需要定期進行校正，并定期更換填充液和膜片，維護相對較復雜，花費時間長，且維護頻率高。

目前，由北京市物聯網工程技術研究中心李道亮教授團隊研制的新型極譜法溶解氧電極，由于采用了特殊的重金屬防護電極結構，免維護周期是傳統原電池電極的3倍多，且快速脈沖極譜法的應用使得傳感器的漂移速度遠小于傳統原電池電極。在海水養殖環境下，該新型傳感器一年內無需更換電解液和溶氧膜片，使用壽命和測量精度接近于熒光法溶解氧傳感器。

3.2 光學溶解氧傳感器的實際應用效果

本試驗所用的In-Situ RDO光學溶解氧傳感器測定的數值在20天內較為穩定，20天后數值開始慢慢漂移、下降。在實際維護過程中發現，將傳感器上的附著物清洗干凈后，所測定數值即可恢復到正常水平，無需重新校正。可見，光學溶解氧傳感器維護簡單，耗時短。

3.3 兩種傳感器的使用方法建議

本試驗所用兩種不同原理的溶解氧傳感器均可在一定時間內正常監測水體中的溶解氧，監測結果符合池塘水體的溶解氧晝夜變化規律。但兩者在使用上要區別對待，及時維護。

電化學溶解氧傳感器在海水池塘養殖環境中，需要頻繁更換隔膜與填充溶液，維護技術要求高。建議夏季1～2周進行校正維護一次，1～2個月更換一次填充液。在大規模養殖廠，可培養設備維護和養殖技術相結合的技術人員或建立第三方專業運營維護機構，以保證電化學溶解氧傳感器能夠正常發揮作用。

光學溶解氧傳感器在海水池塘養殖環境中，具有穩定、維護量低、無需進行頻繁校正和經常更換耗材的特點，監測值主要受附著物的影響，維護技術水平要求低。建議夏季水溫25～30℃時，15～20天清洗一次附著物，冬季水溫10℃以下時，可30～45天清洗一次。無需安排專業人員進行技術培訓和維護。