基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中不同溶解氧傳感器應(yīng)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(xué)和光學(xué)溶解氧傳感器分別集成在基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，并應(yīng)用于長時間監(jiān)測海水養(yǎng)殖場的溶解氧，結(jié)果表明：兩種傳感器都能在一定時間內(nèi)正常監(jiān)測水體中的溶解氧，但基于傳統(tǒng)原電池法的電化學(xué)溶解氧傳感器在海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測中穩(wěn)定性較差，維護復(fù)雜；而基于動態(tài)熒光淬滅的光學(xué)溶解氧傳感器監(jiān)測值相對比較穩(wěn)定，且維護簡單。本研究在實際應(yīng)用層面上為兩種類型溶解氧傳感器的使用提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖場；水質(zhì)監(jiān)測；電化學(xué)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(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正處于轉(zhuǎn)型期，精細化管理越來越受到管理者的重視。水質(zhì)環(huán)境是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因素，在精細化養(yǎng)殖中，水質(zhì)環(huán)境的重要性更加突出。小型太陽能浮標式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是采用太陽能供電，運用現(xiàn)代傳感器、自動測量、自動控制、計算機等高新技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)組成的一套綜合性的水質(zhì)在線自動監(jiān)測體系。該系統(tǒng)體現(xiàn)了先進性、穩(wěn)定性、可靠性、準確性、安全性以及運行的經(jīng)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(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息，及時獲取異常報警信息及水質(zhì)預(yù)警信息，并可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，實時調(diào)控設(shè)備；另一方面，通過采用水質(zhì)信息智能感知、可靠傳輸、智能信息處理、智能控制等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對水產(chǎn)品養(yǎng)殖全過程的自動監(jiān)控與精細管理，有效增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，提高水產(chǎn)品質(zhì)量，減少養(yǎng)殖風險，降低生產(chǎn)成本，減輕勞動強度，擴大生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖與管理，最終實現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、增產(chǎn)增收的目標。

水體溶解氧是水質(zhì)評價、影響?zhàn)B殖生物健康狀況的重要參數(shù)，因此，將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溶解氧監(jiān)測結(jié)合起來而形成的監(jiān)測系統(tǒng)對水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有較為重要的意義。在小型太陽能浮標式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，常用的溶解氧智能傳感器有兩種，一種是傳統(tǒng)的基于電化學(xué)法的溶解氧傳感器，另一種是基于光學(xué)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(yǎng)殖場中的實際應(yīng)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(shù)字信號輸出傳感器，采用標準Modbus協(xié)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(tài)熒光淬滅法的第二代光學(xué)溶解氧傳感器中內(nèi)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(xué)法溶解氧傳感器采用的是原電池和極譜法測量技術(shù)，同樣內(nèi)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(xué)法 溶解氧電化學(xué)探頭是一個用選擇性薄膜封閉的小室，室內(nèi)有兩個金屬電極并充有電解質(zhì)，氧分子和一定數(shù)量的其他氣體和親液物質(zhì)可透過這層薄膜，而水和其他可溶性物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生的電流與穿過薄膜和電解質(zhì)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(tài)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(xué)技術(shù)，能提供非常穩(wěn)定精確的結(jié)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(fā)出紅色的光子。RDO能測量反射信號的相位（延遲），再和發(fā)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(fā)生偏移，反射信號通過光電二極管探測到。測量到藍色發(fā)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(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，對不同測定原理的溶解氧傳感器的應(yīng)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(chǎn)有限公司的浮標監(jiān)測系統(tǒng)（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(jiān)測系統(tǒng)（B）搭載了一套RDO-PRO-X型基于熒光淬滅法的光學(xué)溶解氧傳感器。兩者均監(jiān)測水深50～60cm處的溶解氧數(shù)值。試驗點及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)情況見表1。

2 結(jié)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(nèi)容包括對監(jiān)測數(shù)據(jù)的跟蹤、日常比對和設(shè)備維護，最終選取具有代表性的9、10月份數(shù)據(jù)進行分析研究，比較兩種溶解氧傳感器在海水養(yǎng)殖環(huán)境中應(yīng)用的實際效果。所有圖表中引用的數(shù)據(jù)均可通過水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)平臺中心網(wǎng)址鏈接進行追溯。

2.1 電化學(xué)溶解氧傳感器的監(jiān)測結(jié)果

整體來看（圖3），9月1～17日養(yǎng)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(jīng)9月18日校正維護后，溶解氧數(shù)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(jīng)9月28日零點校正后，溶解氧數(shù)值處于相對穩(wěn)定水平，但10月11～15日，數(shù)值又呈現(xiàn)下降趨勢，經(jīng)10月15日校準后又處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

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

2.2 光學(xué)溶解氧傳感器的監(jiān)測結(jié)果

從整體上看，基于熒光淬滅的光學(xué)溶解氧傳感器監(jiān)測的溶解氧數(shù)值（圖5）9月1～22日處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，最低值出現(xiàn)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(jīng)10月11日下午簡單清洗傳感器后，溶解氧數(shù)值迅速上升。

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

3 結(jié)論與討論

3.1 電化學(xué)溶解氧傳感器實際應(yīng)用效果

本試驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)原電池法溶解氧傳感器在一定時間內(nèi)測定的數(shù)值較穩(wěn)定，但7～10天后，數(shù)據(jù)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(xiàn)“突越”，測定數(shù)值恢復(fù)到正常水平。結(jié)合傳統(tǒng)原電池傳感器的測量原理與實際維護現(xiàn)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(nèi)部電解液消耗對測定結(jié)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(fù)雜，花費時間長，且維護頻率高。

目前，由北京市物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)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(jié)構(gòu)，免維護周期是傳統(tǒng)原電池電極的3倍多，且快速脈沖極譜法的應(yīng)用使得傳感器的漂移速度遠小于傳統(tǒng)原電池電極。在海水養(yǎng)殖環(huán)境下，該新型傳感器一年內(nèi)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(xué)溶解氧傳感器的實際應(yīng)用效果

本試驗所用的In-Situ RDO光學(xué)溶解氧傳感器測定的數(shù)值在20天內(nèi)較為穩(wěn)定，20天后數(shù)值開始慢慢漂移、下降。在實際維護過程中發(fā)現(xiàn)，將傳感器上的附著物清洗干凈后，所測定數(shù)值即可恢復(fù)到正常水平，無需重新校正。可見，光學(xué)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(nèi)正常監(jiān)測水體中的溶解氧，監(jiān)測結(jié)果符合池塘水體的溶解氧晝夜變化規(guī)律。但兩者在使用上要區(qū)別對待，及時維護。

電化學(xué)溶解氧傳感器在海水池塘養(yǎng)殖環(huán)境中，需要頻繁更換隔膜與填充溶液，維護技術(shù)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(guī)模養(yǎng)殖廠，可培養(yǎng)設(shè)備維護和養(yǎng)殖技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)人員或建立第三方專業(yè)運營維護機構(gòu)，以保證電化學(xué)溶解氧傳感器能夠正常發(fā)揮作用。

光學(xué)溶解氧傳感器在海水池塘養(yǎng)殖環(huán)境中，具有穩(wěn)定、維護量低、無需進行頻繁校正和經(jīng)常更換耗材的特點，監(jiān)測值主要受附著物的影響，維護技術(shù)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(yè)人員進行技術(shù)培訓(xùn)和維護。