海底水體耗氧過程原位培養裝置的研制

殷建軍，岳建行，倪曉波，王 奎，曾定勇，陳建芳，王 斌

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

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海底水體耗氧過程原位培養裝置的研制

殷建軍1，岳建行1，倪曉波2,3，王 奎3，曾定勇2,3，陳建芳2,3，王 斌3

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

由于國內對海水中有機質耗氧過程的觀測,大多局限于實驗室模擬培養實驗，尚缺乏進行現場培養實驗的手段.為此，自主研發了一種海底水體溶解氧消耗過程原位培養裝置.該裝置集成了包括電子控制模塊、電機、培養容器與海水測量傳感器等在內的電控處理模塊和機械結構框架于一體，并討論了其電控處理模塊的詳細設計，給出了實物樣機在象山港海域所進行的性能測試結果.結果表明：設計的現場培養裝置具備對海底水體的溶解氧耗氧過程進行現場培養和觀測的功能，對于國內開展底層水體缺氧區觀測和了解當地生態環境狀況具有重要意義.

原位培養裝置；機電控制；溶解氧；耗氧過程；沉積物-水界面

近幾十年，長江流域伴隨其經濟快速發展的同時，江水所攜帶的各類營養鹽濃度也上升了幾十倍，這使得長江口海域的富營養化程度越來越嚴重.水體富營養化改變了本海域生產力的結構，導致赤潮頻繁且大面積的爆發，繼而引起夏季底層水體缺氧現象的常態化出現，對我國東海漁業造成了威脅[1-3]，因此對長江口海底水體缺氧過程的監測和評價研究具有重要的意義.事實上，開展長江口溶解氧的季節性大面站測量工作已有數十年歷史，是幫助了解域內瞬時缺氧狀態的重要基礎觀測[4-7]，海床基和浮標方式的連續觀測，可展現缺氧發生、發展和消亡的完整過程[8].發生缺氧現象的主要原因，是底層水體溶解氧被有機質分解所消耗并且得不到有效補充，通過大面站、海床基和浮標等，觀測水體中溶解氧在各種環境因素綜合作用下的即時濃度，即可反映有機質分解耗氧和垂向混合補氧之間的平衡關系，進而如果能得到不同環境條件下耗氧和補氧過程和速率，那就可以掌握和預測水體缺氧的程度和變化了，這對長江口海域生態系統研究具有重要的意義.

國際上對海底水體溶解氧消耗過程的原位培養觀測研究，已經開展了30多年[9-10]，我國由于海洋觀測技術研究的基礎弱、起步晚，對于海底水體有機質耗氧過程的觀測還僅限于實驗室模擬培養實驗[11-14]，盡管模擬實驗盡量保持與現場相同的環境，包括溫度、鹽度和光線，但是想要精確重現現場的自然環境，是幾乎不可能的，所以耗氧過程的原位現場觀測研究顯得迫切而有意義.因此，提出了一種海底水體溶解氧耗氧過程的原位培養裝置的整體框架，介紹了其工作流程與機械結構實物樣機，討論了電控處理模塊的詳細設計，并給出了實物樣機在象山港海域所進行的性能測試，通過對測試結果分析，檢驗了該裝置的功能可行性.

1 海底水體耗氧過程原位培養裝置設計

海底水體耗氧過程原位培養裝置是一套自動化觀測與培養設備，它集成電子控制模塊、電機、培養容器、海水測量傳感器和其他機械結構模塊為一體，通過自身重力降落到海底，培養容器與海底沉積物界面形成密閉空間，位于容器內的傳感器連續測量溶解氧和環境參數數據，位于容器外的傳感器同時連續測量外部水體溶解氧和環境參數數據；水樣采集器通過機電裝置向培養容器內注入預設濃度值的有機質溶液(也可以選擇不注入任何溶液，單純培養水體本身的耗氧過程)，間隔固定時間后水樣采集器從培養容器內抽取固定體積的水樣，用以最后回收后分析營養鹽等參數.原位培養實驗可以從幾小時到幾天不等，培養容器內外水體溶解氧都會有一個時間變化過程，結合其他環境參數數據從而了解現場環境下水體的耗氧過程.設計的原位培養裝置實物圖如圖1所示，主要包括電控處理模塊和機械框架模塊.

1—電控處理模塊；2—RBR-XR420水質儀；3—注射器釋放機構；4，8—步進電機；5—培養容室；6—注射器；7—攪拌電機；9—攪拌葉輪圖1 原位培養裝置實物圖Fig.1 The image of in-situ cultivating equipment

機械結構框架包括培養容器模塊和水樣采集模塊，如圖2所示.培養容器模塊由培養容器、傳感器和輔助配件組成，培養容器為圓筒狀，直徑38 cm，內高40 cm，下底為空，頂端封閉，測量傳感器和直流攪拌電機固定于頂端內部，容器外部也安裝測量傳感器，內外測量傳感器均采用RBR-XR420多參數水質儀，配置有溫度、鹽度、深度、溶解氧和濁度5個參數.培養容器內置于培養裝置的底板，容器底端低于底板底面10 cm，底板靜止于海底，從而控制培養容器插入海底沉積物的深度為10 cm左右.水樣采集模塊由注射器、控制機構和輔助配件組成，它用于定時向培養容器內注射溶液或采集培養容器內的海水.注射器通過專用橡膠管與培養容器相連，步進電機通過機械機構控制注射器的抽拉，從而實現對水樣的注入和采集.水樣采集模塊有兩組，每組配置5個容量為60 mL的注射器，可進行1次注入和9次抽吸水樣工作.

圖2 海底原位培養裝置整體框架示意圖Fig.2 Framework of benthic in-situ lander system

工作流程：海底水體耗氧過程原位培養裝置先布放到海底，培養容器底端插入海底，與沉積物界面形成密閉空間，位于容器內的傳感器連續測量溶解氧和環境參數，位于容器外的傳感器同時連續測量外部水體溶解氧和環境參數；培養容器穩定一定時間后，步進電機控制釋放機關開啟第一個注射器向培養容器內注入預設濃度的溶液水樣，然后容器內直流電機進行攪拌使容器內水體混合均勻；間隔設定時間后，容器內直流電機進行攪拌使容器內水體混合均勻，然后步進電機控制釋放機關開啟第二個注射器從培養容器內抽取水樣，如此循環，直到最后一個注射器抽取水樣，工作完成后回收培養裝置，裝置回收完畢后盡快將注射器中的水樣按順序進行采集用以營養鹽及其他化學成分的分析.

2 電控處理模塊設計

電控處理模塊主要分為處理器模塊、兩相混合式步進電機控制模塊、直流攪拌電機控制模塊和電源模塊.

2.1 處理器模塊

處理器采用的是NXP公司的LPC1125芯片，設計中信息傳輸需要用到3路串口，LPC1125可以滿足要求，由于電路板空間有限，器件體積要求盡可能小，LPC1125的48引腳封裝既符合體積小的要求，也能達到所需引腳功能.并且LPC1125是專門針對8/16 bit微控制器應用市場專門設計的一款芯片，簡單易用，功耗低，滿足設計中電池供電的要求，市場價格只需10元左右，性價比較高.

2.2 步進電機控制電路

步進電機用來控制注射器向密閉培養容室中注入溶液水樣和抽取培養容室中的海水水樣，兩相混合式步進電機控制電路包括三部分：邏輯電平轉換電路、電機電流采樣和恒流控制電路以及全橋驅動電路[15-17].電平轉換電路采用ON半導體公司的NLSX4104芯片，電流采樣和恒流控制芯片采用ST公司的L6506芯片，全橋采用ST公司的L6205芯片.

NLSX4014可將VL端的低邏輯電壓轉換成VCC端的高邏輯電壓，提高處理器的電機驅動能力.NLSX4014是4位可配置的雙電源雙向電平轉換器，沒有方向控制引腳.I/O VCC和I/O VL端口具有跟蹤電源軌跡的作用，VCC和VL各自供電.VCC的供電電壓可配置成從1.3～4.9 V,然而VL的供電電壓可配置為0.9 V到(VCC-0.4 V).當電機不需要工作時，可控制EN引腳將芯片關閉，降低功耗.

L6506芯片是專門的線性集成電路，用來采樣和控制步進電機的電流.L6506和L6205配套使用時，可以恒流控制電感性負載(例如電機).引腳1連接RC電路，RC振蕩電路用來為L6506提供頻率；引腳Vref連接VAR變位器，引腳電壓的大小控制后端電機電流大小，電機電流通過采用電阻輸入到引腳Vsense，如圖3所示.

圖3 電流采樣電路Fig.3 Current sampling circuit

L6205芯片是DMOS雙橋驅動電路芯片，應用在電機控制中，芯片采用了BCD工藝制造，將孤立的DMOS結構晶體管、CMOS和雙極性電路集成在同一芯片中.引腳SENSEA和SENSEB各并聯三個0.5 Ω的采用電阻，采樣電流轉換成電壓后經RC濾波電路輸入到前端L6506芯片的Vsense引腳；芯片內部集成了兩個全橋電路，橋路的導通電壓要大于供電電壓，因此需要將電壓升高，VCP和VBOOT引腳連接的電路構成電容式電荷泵，電荷泵電路將電源電壓升高大于12 V，提供所需的高電壓，如圖4所示.

圖4 步進電機驅動電路Fig.4 Stepping motor driving circuit

2.3 直流電機控制模塊

直流電機用于將密閉培養容室中的海水攪拌均勻，所需扭矩較大，所以直流電機要經過減速機構將轉速降低來達到增大扭矩的效果.電機控制采用宏發公司生產的雙向繼電器HFKA-0122ZSPT，專門用于控制直流電機的正反轉，12 V供電,電機的堵轉電流最大25 A,線圈絕緣等級H(180 ℃).電機的正反轉通過三極管導通來控制，控制信號控制三極管導通后，繼電器中的對應線包產生吸力，將繼電器中的觸點與電源接通,電機轉動;導通后的電機可能會發生堵轉，出現過流現象，所以電流需要經過電流采樣模塊[17-18]采樣，電流經過采樣電阻R16采樣，經RC濾波電路后與后端的運算放大器的參考電壓比較，若電流過大，運算放大器輸出高電平，處理器根據高電平信號將前端控制端RELAY1或RELAY2關閉，防止電機過流燒壞，如圖5所示.

圖5 直流電機控制電路Fig.5 DC motor driving circuit

2.4 電源管理模塊

海洋儀器的工作環境決定了電源供電只能采用電池供電，原位培養裝置設計采用12 V鋰電池供電，由于工作時間長，電池電流有限，所以低功耗的設計是必須需要考慮的.低功耗控制不僅需要通過處理器控制芯片的工作模式，而且還要通過選用低功耗的電源模塊達到.電源模塊采用兩級降壓，得到所需的5 V和3.3 V電壓，前級降壓選用TI公司的TPS5405芯片得到5 V電壓，后級降壓選用TI公司的TPS62056芯片得到3.3 V電壓.

TPS5405是一款具有寬運行輸入電壓范圍(6.5～28 V)的單片非同步降壓穩壓器，固定5 V輸出.此器件執行內部斜率補償的電流模式控制來減少組件數量.TPS5405還特有一個輕負載脈沖跳躍模式，此特性可在輕負載時減少為系統供電的輸入電源的功率損失.可使用一個外部電阻器將此轉換器的開關頻率設定在50 kHz至1.1 MHz之間，引入了頻率展頻操作以減少EMI，并且添加了LX抗振鈴來解決高頻EMI問題.具有頻率折返功能的逐周期電流限制在過載情況下保護集成電路(IC)，脈沖跳躍模式可在輕負載時實現高效率,10 mA負載時效率超過80%.如圖6所示.

圖6 12 V轉5 V電路Fig.6 12 V to 5 V converting circuit

TPS62056電壓轉換芯片是TPS6205X系列高效率同步直流電壓轉換芯片的一種，固定3.3 V輸出，特別適合于電池供電的系統，最高效率可達95%，靜態電流只有12 μA，在省電模式下在某一寬范圍內仍然具有很高的效率,如圖7所示.LBI引腳檢測輸入端壓降，正常輸入5 V電壓情況下，經電阻R45和R50分壓后輸入端引腳LBI的電壓大約2.2 V,若電壓低于某一值，經反饋處理仍然能保證輸出固定的3.3 V電壓.

圖7 5 V轉3.3 V電路Fig.7 5 V to 3.3 V converting circuit

3 性能測試結果與分析

3.1 測試海域

2016年1月14日到15日在象山港潮灘海域(29°39.35′N，121°47.01′E)進行了兩次性能測試，測試期間潮水較大，測試點潮灘有海水覆蓋時間約為6 h，白天覆蓋期約為10:00—16:00.

3.2 性能測試過程

海底水體耗氧過程原位培養裝置是否能成功工作取決于3個條件：1) 培養容器的密封性是否足夠好，必須保證容器內外不會發生水體交換；2) 直流電機的攪拌功能是否發生作用；3) 注射器是否能正常采集水樣.根據以上3個條件，對裝置進行了兩次性能測試.

3.2.1 培養容器密封性能測試

培養裝置入水時不將培養容器內的空氣排出，培養裝置著底后培養容器內存有足夠的空氣，使海水不會沒到測量傳感器，在培養容器內外有壓力差的條件下進行一段時間的測試.位于容器內的傳感器連續測量溶解氧和環境參數(溫度、鹽度、深度和濁度)，位于容器外的傳感器同時連續測量外部水體溶解氧和環境參數(溫度、鹽度、深度和濁度)；通過容器內外傳感器測量數據比較來分析容器密封性能情況.

3.2.2攪拌和采水功能測試

培養裝置入水時將培養容器內的空氣排盡，培養裝置著底后，位于容器內的傳感器連續測量溶解氧和環境參數(溫度、鹽度、深度和濁度)，位于容器外的傳感器同時連續測量外部水體溶解氧和環境參數(溫度、鹽度、深度和濁度)；培養容器著底穩定10 min后，步進電機控制釋放機關開啟第1個注射器向培養容器內注入預設鹽度為30PSU的標準海水，然后容器內直流電機進行攪拌使容器內水體混合均勻；間隔25 min后，容器內直流電機進行攪拌使容器內水體混合均勻，然后步進電機控制釋放機關開啟第2個注射器從培養容器內抽取水樣，如此循環，直到最后一個注射器抽取水樣，之后25 min后再進行一次直流電機攪拌工作，其中第5個和第6個注射器采水工作間隔設置為50 min，工作完成后回收培養裝置，回收完畢后將注射器中的水樣按順序進行采集用以營養鹽含量的分析.

3.3 性能測試結果與分析

3.3.1 培養容器密封性能測試結果與分析

培養容器內外由傳感器測得的各參數的變化曲線，如圖8所示.從圖8中深度參數可以看出：由于外部水壓導致培養容器內空氣被壓縮形成一定的壓力，壓力的變化與潮水漲落變化一致，而且在4個多小時的測試過程中鹽度的測量值一直保持零值，光學濁度儀的測量值也保持了平穩的低測量值，同時容器外鹽度和濁度值顯示為當地海水的特征值并具有顯著的時間變化，說明在此次測試過程中，培養容器的密封性能良好，在具有內外壓力差的情況，沒有發生容器漏氣現象.

圖8 培養容器內外各水質參數的變化曲線Fig.8 Temporal variation of all parameters inside and outside lander system

3.3.2 攪拌和采水功能測試結果與分析

培養容器內外由傳感器測得的各參數的變化曲線如圖9所示，通過比較容器內外的數據可以發現，容器外傳感器測量數據具有顯著的隨當地潮水波動的變化特征，而容器內溫、鹽度數據表明培養容器內環境相對穩定.容器內溫度、鹽度、溶解氧和濁度數據顯示，直流電機攪拌時各參數數據都發生顯著的波動，而且每次波動特征都相似；從波動次數和間隔周期可以看出，直流電機的攪拌工作準確地按設定程序進行，并明顯起到了混合容器內水體的作用.

圖9 培養容器內外各水質參數的變化曲線Fig.9 Temporal variation of all parameters inside and outside lander system

步進電機控制注射器向培養容器內注水和采水，從10:20時刻左右鹽度數據變化可以看到攪拌后容器內鹽度值較之前略微升高，這是因為第1個注射器注入的較高鹽度值水樣發生了作用，說明注射器注水功能正常.培養裝置回收后，我們檢查了其他9個注射器采水情況，結果顯示它們都工作正常，采集的水樣進行了硝酸鹽的分析，數據結果如表1所示.

表1 培養容器內硝酸鹽質量濃度變化

Table 1 Mass concentration variation of nitrates in cultivating vessel

時刻10：4511：1511：4512：1512：4513：1513：4514：1515：45質量濃度/(mg·L-1)53．5654．0755．3355．9556．7355．8555．4354．9252．06

4 結 論

基于底層水體溶解氧消耗過程實驗室模擬實驗的限制，設計了一種海底水體耗氧過程原位培養裝置，裝置在象山港海域進行了性能測試，通過分析獲取的海水環境參數數據表明：培養裝置中培養容器的密封性能良好，密閉容器內外沒有發生水體交換，避免了水體交換帶來的測量影響；培養容器內直流電機的攪拌功能作用明顯，可以在每次采水前有效混合容器內的水體；步進電機控制的注射器可以正常向培養容器內注入有機質溶液和采集密閉容器內海水水樣.設計的原位培養裝置基本具備在我國近海海底進行水體溶解氧消耗過程培養實驗，特別是在長江口缺氧區開展此類觀測對了解當地生態環境狀況有著重要意義.

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(責任編輯：劉 巖)

Development of in-situ cultivating equipment for benthic oxygen consumption process

YIN Jianjun1, YUE Jianhang1, NI Xiaobo2,3, WANG Kui3, ZENG Dingyong2,3, CHEN Jianfang2,3, WANG Bin3

(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Hangzhou 310012, China；3.Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

The domestic observation of dissolved oxygen consumption process of organic matter in seawater is mainly limited to the laboratory simulation experiment and lack in-situ cultivating experiment platform. In order to solve this problem an in-situ cultivating equipment for benthic oxygen consumption process is designed in this paper. The equipment is comprised of cultivating vessel, electronic control module, underwater motor, seawater measuring sensors and mechanical structure module, which has functions of observing dissolved oxygen consumption process and in-situ cultivation .The paper expounds the integral frame of the device, and discusses electronic controling and processing module.The performance test results of the prototype is given in the Xiangshan harbour. The function and feasibility of the device are analyzed and tested.

in-situ equipment；electromechanical control；dissolved oxygen；oxygen consumption process；sediment-water interface

2016-01-26

國家海洋公益性行業科研專項項目(201205015)

殷建軍(1967—)，男，浙江諸暨人，副教授，研究方向為檢測與控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

P756.6

A

1006-4303(2016)06-0689-06