海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

?

海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)對(duì)海水中有機(jī)質(zhì)耗氧過程的觀測(cè),大多局限于實(shí)驗(yàn)室模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，尚缺乏進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的手段.為此，自主研發(fā)了一種海底水體溶解氧消耗過程原位培養(yǎng)裝置.該裝置集成了包括電子控制模塊、電機(jī)、培養(yǎng)容器與海水測(cè)量傳感器等在內(nèi)的電控處理模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)框架于一體，并討論了其電控處理模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，給出了實(shí)物樣機(jī)在象山港海域所進(jìn)行的性能測(cè)試結(jié)果.結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)裝置具備對(duì)海底水體的溶解氧耗氧過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)和觀測(cè)的功能，對(duì)于國內(nèi)開展底層水體缺氧區(qū)觀測(cè)和了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況具有重要意義.

原位培養(yǎng)裝置；機(jī)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(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，江水所攜帶的各類營養(yǎng)鹽濃度也上升了幾十倍，這使得長江口海域的富營養(yǎng)化程度越來越嚴(yán)重.水體富營養(yǎng)化改變了本海域生產(chǎn)力的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致赤潮頻繁且大面積的爆發(fā)，繼而引起夏季底層水體缺氧現(xiàn)象的常態(tài)化出現(xiàn)，對(duì)我國東海漁業(yè)造成了威脅[1-3]，因此對(duì)長江口海底水體缺氧過程的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)研究具有重要的意義.事實(shí)上，開展長江口溶解氧的季節(jié)性大面站測(cè)量工作已有數(shù)十年歷史，是幫助了解域內(nèi)瞬時(shí)缺氧狀態(tài)的重要基礎(chǔ)觀測(cè)[4-7]，海床基和浮標(biāo)方式的連續(xù)觀測(cè)，可展現(xiàn)缺氧發(fā)生、發(fā)展和消亡的完整過程[8].發(fā)生缺氧現(xiàn)象的主要原因，是底層水體溶解氧被有機(jī)質(zhì)分解所消耗并且得不到有效補(bǔ)充，通過大面站、海床基和浮標(biāo)等，觀測(cè)水體中溶解氧在各種環(huán)境因素綜合作用下的即時(shí)濃度，即可反映有機(jī)質(zhì)分解耗氧和垂向混合補(bǔ)氧之間的平衡關(guān)系，進(jìn)而如果能得到不同環(huán)境條件下耗氧和補(bǔ)氧過程和速率，那就可以掌握和預(yù)測(cè)水體缺氧的程度和變化了，這對(duì)長江口海域生態(tài)系統(tǒng)研究具有重要的意義.

國際上對(duì)海底水體溶解氧消耗過程的原位培養(yǎng)觀測(cè)研究，已經(jīng)開展了30多年[9-10]，我國由于海洋觀測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)弱、起步晚，對(duì)于海底水體有機(jī)質(zhì)耗氧過程的觀測(cè)還僅限于實(shí)驗(yàn)室模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[11-14]，盡管模擬實(shí)驗(yàn)盡量保持與現(xiàn)場(chǎng)相同的環(huán)境，包括溫度、鹽度和光線，但是想要精確重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的自然環(huán)境，是幾乎不可能的，所以耗氧過程的原位現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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(yǎng)裝置的整體框架，介紹了其工作流程與機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)，討論了電控處理模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)物樣機(jī)在象山港海域所進(jìn)行的性能測(cè)試，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，檢驗(yàn)了該裝置的功能可行性.

1 海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)裝置設(shè)計(jì)

海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)裝置是一套自動(dòng)化觀測(cè)與培養(yǎng)設(shè)備，它集成電子控制模塊、電機(jī)、培養(yǎng)容器、海水測(cè)量傳感器和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊為一體，通過自身重力降落到海底，培養(yǎng)容器與海底沉積物界面形成密閉空間，位于容器內(nèi)的傳感器連續(xù)測(cè)量溶解氧和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，位于容器外的傳感器同時(shí)連續(xù)測(cè)量外部水體溶解氧和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；水樣采集器通過機(jī)電裝置向培養(yǎng)容器內(nèi)注入預(yù)設(shè)濃度值的有機(jī)質(zhì)溶液(也可以選擇不注入任何溶液，單純培養(yǎng)水體本身的耗氧過程)，間隔固定時(shí)間后水樣采集器從培養(yǎng)容器內(nèi)抽取固定體積的水樣，用以最后回收后分析營養(yǎng)鹽等參數(shù).原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)可以從幾小時(shí)到幾天不等，培養(yǎng)容器內(nèi)外水體溶解氧都會(huì)有一個(gè)時(shí)間變化過程，結(jié)合其他環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)從而了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下水體的耗氧過程.設(shè)計(jì)的原位培養(yǎng)裝置實(shí)物圖如圖1所示，主要包括電控處理模塊和機(jī)械框架模塊.

1—電控處理模塊；2—RBR-XR420水質(zhì)儀；3—注射器釋放機(jī)構(gòu)；4，8—步進(jìn)電機(jī)；5—培養(yǎng)容室；6—注射器；7—攪拌電機(jī)；9—攪拌葉輪圖1 原位培養(yǎng)裝置實(shí)物圖Fig.1 The image of in-situ cultivating equipment

機(jī)械結(jié)構(gòu)框架包括培養(yǎng)容器模塊和水樣采集模塊，如圖2所示.培養(yǎng)容器模塊由培養(yǎng)容器、傳感器和輔助配件組成，培養(yǎng)容器為圓筒狀，直徑38 cm，內(nèi)高40 cm，下底為空，頂端封閉，測(cè)量傳感器和直流攪拌電機(jī)固定于頂端內(nèi)部，容器外部也安裝測(cè)量傳感器，內(nèi)外測(cè)量傳感器均采用RBR-XR420多參數(shù)水質(zhì)儀，配置有溫度、鹽度、深度、溶解氧和濁度5個(gè)參數(shù).培養(yǎng)容器內(nèi)置于培養(yǎng)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(yǎng)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(jī)構(gòu)和輔助配件組成，它用于定時(shí)向培養(yǎng)容器內(nèi)注射溶液或采集培養(yǎng)容器內(nèi)的海水.注射器通過專用橡膠管與培養(yǎng)容器相連，步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)控制注射器的抽拉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣的注入和采集.水樣采集模塊有兩組，每組配置5個(gè)容量為60 mL的注射器，可進(jìn)行1次注入和9次抽吸水樣工作.

圖2 海底原位培養(yǎng)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(yǎng)裝置先布放到海底，培養(yǎng)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(nèi)的傳感器連續(xù)測(cè)量溶解氧和環(huán)境參數(shù)，位于容器外的傳感器同時(shí)連續(xù)測(cè)量外部水體溶解氧和環(huán)境參數(shù)；培養(yǎng)容器穩(wěn)定一定時(shí)間后，步進(jìn)電機(jī)控制釋放機(jī)關(guān)開啟第一個(gè)注射器向培養(yǎng)容器內(nèi)注入預(yù)設(shè)濃度的溶液水樣，然后容器內(nèi)直流電機(jī)進(jìn)行攪拌使容器內(nèi)水體混合均勻；間隔設(shè)定時(shí)間后，容器內(nèi)直流電機(jī)進(jìn)行攪拌使容器內(nèi)水體混合均勻，然后步進(jìn)電機(jī)控制釋放機(jī)關(guān)開啟第二個(gè)注射器從培養(yǎng)容器內(nèi)抽取水樣，如此循環(huán)，直到最后一個(gè)注射器抽取水樣，工作完成后回收培養(yǎng)裝置，裝置回收完畢后盡快將注射器中的水樣按順序進(jìn)行采集用以營養(yǎng)鹽及其他化學(xué)成分的分析.

2 電控處理模塊設(shè)計(jì)

電控處理模塊主要分為處理器模塊、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)控制模塊、直流攪拌電機(jī)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(shè)計(jì)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(dá)到所需引腳功能.并且LPC1125是專門針對(duì)8/16 bit微控制器應(yīng)用市場(chǎng)專門設(shè)計(jì)的一款芯片，簡單易用，功耗低，滿足設(shè)計(jì)中電池供電的要求，市場(chǎng)價(jià)格只需10元左右，性價(jià)比較高.

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路

步進(jìn)電機(jī)用來控制注射器向密閉培養(yǎng)容室中注入溶液水樣和抽取培養(yǎng)容室中的海水水樣，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)控制電路包括三部分：邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)電流采樣和恒流控制電路以及全橋驅(qū)動(dòng)電路[15-17].電平轉(zhuǎn)換電路采用ON半導(dǎo)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(zhuǎn)換成VCC端的高邏輯電壓，提高處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力.NLSX4014是4位可配置的雙電源雙向電平轉(zhuǎn)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(dāng)電機(jī)不需要工作時(shí)，可控制EN引腳將芯片關(guān)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(jìn)電機(jī)的電流.L6506和L6205配套使用時(shí)，可以恒流控制電感性負(fù)載(例如電機(jī)).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(jī)電流大小，電機(jī)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(qū)動(dòng)電路芯片，應(yīng)用在電機(jī)控制中，芯片采用了BCD工藝制造，將孤立的DMOS結(jié)構(gòu)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(lián)三個(gè)0.5 Ω的采用電阻，采樣電流轉(zhuǎn)換成電壓后經(jīng)RC濾波電路輸入到前端L6506芯片的Vsense引腳；芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)全橋電路，橋路的導(dǎo)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(gòu)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Stepping motor driving circuit

2.3 直流電機(jī)控制模塊

直流電機(jī)用于將密閉培養(yǎng)容室中的海水?dāng)嚢杈鶆颍枧ぞ剌^大，所以直流電機(jī)要經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)速降低來達(dá)到增大扭矩的效果.電機(jī)控制采用宏發(fā)公司生產(chǎn)的雙向繼電器HFKA-0122ZSPT，專門用于控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，12 V供電,電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流最大25 A,線圈絕緣等級(jí)H(180 ℃).電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過三極管導(dǎo)通來控制，控制信號(hào)控制三極管導(dǎo)通后，繼電器中的對(duì)應(yīng)線包產(chǎn)生吸力，將繼電器中的觸點(diǎn)與電源接通,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);導(dǎo)通后的電機(jī)可能會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，出現(xiàn)過流現(xiàn)象，所以電流需要經(jīng)過電流采樣模塊[17-18]采樣，電流經(jīng)過采樣電阻R16采樣，經(jīng)RC濾波電路后與后端的運(yùn)算放大器的參考電壓比較，若電流過大，運(yùn)算放大器輸出高電平，處理器根據(jù)高電平信號(hào)將前端控制端RELAY1或RELAY2關(guān)閉，防止電機(jī)過流燒壞，如圖5所示.

圖5 直流電機(jī)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(huán)境決定了電源供電只能采用電池供電，原位培養(yǎng)裝置設(shè)計(jì)采用12 V鋰電池供電，由于工作時(shí)間長，電池電流有限，所以低功耗的設(shè)計(jì)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(dá)到.電源模塊采用兩級(jí)降壓，得到所需的5 V和3.3 V電壓，前級(jí)降壓選用TI公司的TPS5405芯片得到5 V電壓，后級(jí)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(yùn)行輸入電壓范圍(6.5～28 V)的單片非同步降壓穩(wěn)壓器，固定5 V輸出.此器件執(zhí)行內(nèi)部斜率補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ娇刂苼頊p少組件數(shù)量.TPS5405還特有一個(gè)輕負(fù)載脈沖跳躍模式，此特性可在輕負(fù)載時(shí)減少為系統(tǒng)供電的輸入電源的功率損失.可使用一個(gè)外部電阻器將此轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率設(shè)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(hù)集成電路(IC)，脈沖跳躍模式可在輕負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率,10 mA負(fù)載時(shí)效率超過80%.如圖6所示.

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

TPS62056電壓轉(zhuǎn)換芯片是TPS6205X系列高效率同步直流電壓轉(zhuǎn)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(tǒng)，最高效率可達(dá)95%，靜態(tài)電流只有12 μA，在省電模式下在某一寬范圍內(nèi)仍然具有很高的效率,如圖7所示.LBI引腳檢測(cè)輸入端壓降，正常輸入5 V電壓情況下，經(jīng)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(jīng)反饋處理仍然能保證輸出固定的3.3 V電壓.

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

3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)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(jìn)行了兩次性能測(cè)試，測(cè)試期間潮水較大，測(cè)試點(diǎn)潮灘有海水覆蓋時(shí)間約為6 h，白天覆蓋期約為10:00—16:00.

3.2 性能測(cè)試過程

海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)裝置是否能成功工作取決于3個(gè)條件：1) 培養(yǎng)容器的密封性是否足夠好，必須保證容器內(nèi)外不會(huì)發(fā)生水體交換；2) 直流電機(jī)的攪拌功能是否發(fā)生作用；3) 注射器是否能正常采集水樣.根據(jù)以上3個(gè)條件，對(duì)裝置進(jìn)行了兩次性能測(cè)試.

3.2.1 培養(yǎng)容器密封性能測(cè)試

培養(yǎng)裝置入水時(shí)不將培養(yǎng)容器內(nèi)的空氣排出，培養(yǎng)裝置著底后培養(yǎng)容器內(nèi)存有足夠的空氣，使海水不會(huì)沒到測(cè)量傳感器，在培養(yǎng)容器內(nèi)外有壓力差的條件下進(jìn)行一段時(shí)間的測(cè)試.位于容器內(nèi)的傳感器連續(xù)測(cè)量溶解氧和環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度和濁度)，位于容器外的傳感器同時(shí)連續(xù)測(cè)量外部水體溶解氧和環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度和濁度)；通過容器內(nèi)外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)比較來分析容器密封性能情況.

3.2.2攪拌和采水功能測(cè)試

培養(yǎng)裝置入水時(shí)將培養(yǎng)容器內(nèi)的空氣排盡，培養(yǎng)裝置著底后，位于容器內(nèi)的傳感器連續(xù)測(cè)量溶解氧和環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度和濁度)，位于容器外的傳感器同時(shí)連續(xù)測(cè)量外部水體溶解氧和環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度和濁度)；培養(yǎng)容器著底穩(wěn)定10 min后，步進(jìn)電機(jī)控制釋放機(jī)關(guān)開啟第1個(gè)注射器向培養(yǎng)容器內(nèi)注入預(yù)設(shè)鹽度為30PSU的標(biāo)準(zhǔn)海水，然后容器內(nèi)直流電機(jī)進(jìn)行攪拌使容器內(nèi)水體混合均勻；間隔25 min后，容器內(nèi)直流電機(jī)進(jìn)行攪拌使容器內(nèi)水體混合均勻，然后步進(jìn)電機(jī)控制釋放機(jī)關(guān)開啟第2個(gè)注射器從培養(yǎng)容器內(nèi)抽取水樣，如此循環(huán)，直到最后一個(gè)注射器抽取水樣，之后25 min后再進(jìn)行一次直流電機(jī)攪拌工作，其中第5個(gè)和第6個(gè)注射器采水工作間隔設(shè)置為50 min，工作完成后回收培養(yǎng)裝置，回收完畢后將注射器中的水樣按順序進(jìn)行采集用以營養(yǎng)鹽含量的分析.

3.3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

3.3.1 培養(yǎng)容器密封性能測(cè)試結(jié)果與分析

培養(yǎng)容器內(nèi)外由傳感器測(cè)得的各參數(shù)的變化曲線，如圖8所示.從圖8中深度參數(shù)可以看出：由于外部水壓導(dǎo)致培養(yǎng)容器內(nèi)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(gè)多小時(shí)的測(cè)試過程中鹽度的測(cè)量值一直保持零值，光學(xué)濁度儀的測(cè)量值也保持了平穩(wěn)的低測(cè)量值，同時(shí)容器外鹽度和濁度值顯示為當(dāng)?shù)睾Ｋ奶卣髦挡⒕哂酗@著的時(shí)間變化，說明在此次測(cè)試過程中，培養(yǎng)容器的密封性能良好，在具有內(nèi)外壓力差的情況，沒有發(fā)生容器漏氣現(xiàn)象.

圖8 培養(yǎng)容器內(nèi)外各水質(zhì)參數(shù)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(cè)試結(jié)果與分析

培養(yǎng)容器內(nèi)外由傳感器測(cè)得的各參數(shù)的變化曲線如圖9所示，通過比較容器內(nèi)外的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，容器外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)具有顯著的隨當(dāng)?shù)爻彼▌?dòng)的變化特征，而容器內(nèi)溫、鹽度數(shù)據(jù)表明培養(yǎng)容器內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定.容器內(nèi)溫度、鹽度、溶解氧和濁度數(shù)據(jù)顯示，直流電機(jī)攪拌時(shí)各參數(shù)數(shù)據(jù)都發(fā)生顯著的波動(dòng)，而且每次波動(dòng)特征都相似；從波動(dòng)次數(shù)和間隔周期可以看出，直流電機(jī)的攪拌工作準(zhǔn)確地按設(shè)定程序進(jìn)行，并明顯起到了混合容器內(nèi)水體的作用.

圖9 培養(yǎng)容器內(nèi)外各水質(zhì)參數(shù)的變化曲線Fig.9 Temporal variation of all parameters inside and outside lander system

步進(jìn)電機(jī)控制注射器向培養(yǎng)容器內(nèi)注水和采水，從10:20時(shí)刻左右鹽度數(shù)據(jù)變化可以看到攪拌后容器內(nèi)鹽度值較之前略微升高，這是因?yàn)榈?個(gè)注射器注入的較高鹽度值水樣發(fā)生了作用，說明注射器注水功能正常.培養(yǎng)裝置回收后，我們檢查了其他9個(gè)注射器采水情況，結(jié)果顯示它們都工作正常，采集的水樣進(jìn)行了硝酸鹽的分析，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示.

表1 培養(yǎng)容器內(nèi)硝酸鹽質(zhì)量濃度變化

Table 1 Mass concentration variation of nitrates in cultivating vessel

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

4 結(jié) 論

基于底層水體溶解氧消耗過程實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)的限制，設(shè)計(jì)了一種海底水體耗氧過程原位培養(yǎng)裝置，裝置在象山港海域進(jìn)行了性能測(cè)試，通過分析獲取的海水環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)表明：培養(yǎng)裝置中培養(yǎng)容器的密封性能良好，密閉容器內(nèi)外沒有發(fā)生水體交換，避免了水體交換帶來的測(cè)量影響；培養(yǎng)容器內(nèi)直流電機(jī)的攪拌功能作用明顯，可以在每次采水前有效混合容器內(nèi)的水體；步進(jìn)電機(jī)控制的注射器可以正常向培養(yǎng)容器內(nèi)注入有機(jī)質(zhì)溶液和采集密閉容器內(nèi)海水水樣.設(shè)計(jì)的原位培養(yǎng)裝置基本具備在我國近海海底進(jìn)行水體溶解氧消耗過程培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，特別是在長江口缺氧區(qū)開展此類觀測(cè)對(duì)了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況有著重要意義.

[1] ZHANG Jing, GILBERT A J, GOODAY L, et al. Natural and human-induced hypoxia and consequences for coastal areas: synthesis and future development[J]. Biogeosciences,2010,7(5):1443-1467.

[2] NING X R, LIN C, SU J, et al. Long-term changes of dissolved oxygen, hypoxia, and the responses of the ecosystems in the East China Sea from 1975 to 1995[J]. Journal of oceanography,2011,67(1):59-75.

[3] ROBERT J, DIAZ R J, ROSENBERG R. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems[J]. Science,2008,321:926-929.

[4] 顧宏堪.黃海溶解氧垂直分布中的最大值[J].海洋學(xué)報(bào),1980,2(2):70-79.

[5] LI Daoji, ZHANG Jing, HUANG Daji, et al. Oxygen deficit out of the changjiang estuary[J]. Science in China, series D: earth sciences,2002,32(8):686-694.

[6] ZHOU Feng, XUAN Jiliang, NI Xiaobo, et al. A preliminary study of variations of the changjiang diluted water between august of 1999 and 2006[J]. Acta oceanologica sinica,2009,28(6):1-11.

[7] WANG Bin, CHEN Jianfang, JIN Haiyan, et al. Inorganic carbon parameters responding to summer hypoxia outside the changjiang estuary and the related implications[J]. Oceanic and coastal sea research,2013,12(4):568-576.

[8] NI Xiaobo, HUANG Daji, ZENG Dingyong, et al. The impact of wind mixing on variation of bottom dissolved oxygen off the changjiang estuary in summer[J]. Journal of marine system,2016,154:122-130.

[9] TENGBERG A, DE BOVEE F, Hall P, et al. Benthic chamber and profiling landers in oceanography-a review of design, technical solutions and functioning[J]. Progress in oceanography,1995,35(3):253-294.

[10] TENGBERG A, STAHL H, GUST G, et al. Intercalibration of benthic flux chambers I. Accuracy of flux measurements and influence of chamber hydrodynamics[J]. Progress in oceanography,2004,60(1):1-28.

[11] 朱卓毅,張經(jīng)，吳瑩，等.長江口外顆粒有機(jī)碳及光合色素在不同溶解氧水平下早期降解速率研究[J].海洋與湖沼,2013,44(1):1-8.

[12] 高小豐，吳瑩，朱卓毅.長江口外浮游植物死亡釋放溶解有機(jī)質(zhì)的降解及其溶氧消耗[J].海洋與湖沼,2015,46(5):1010-1017.

[13] 李棟,姜子可,于新生,等.生物擾動(dòng)下海底沉積物-水界面溶解氧二維觀測(cè)方法[R].青島：中國海洋大學(xué),2013.

[14] 孫剛,盛連喜,千賀裕太郎.生物擾動(dòng)在水層-底棲界面耦合中的作用[J].生態(tài)環(huán)境，2006,15(5):1106-1110.

[15] 王志超，林巖，李大慶.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)[J].信息與電子工程，2008,6(6):457-460.

[16] 王帥夫，劉景林，楊士河，等.基于DSP的步進(jìn)電機(jī)多軸控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(1):95-98.

[17] 殷建軍,趙子儀,項(xiàng)祖豐,等.基于LPC1768的高精度溶解氧測(cè)量儀的設(shè)計(jì)[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,43(4):405-411.

[17] 李本斌.基于LPC2148的無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[D].西安:西安工業(yè)大學(xué)控制工程系，2015.

[18] 宋洪寧.電動(dòng)汽車無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2014.

(責(zé)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(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201205015)

殷建軍(1967—)，男，浙江諸暨人，副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)與控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

P756.6

A

1006-4303(2016)06-0689-06