Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li og Xu Zhang
Móttekið: 1. október 2015;Samþykkt: 1. desember 2015;Birt: 9. desember 2015
Akademískur ritstjóri: Frances S. Ligler
College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, 17 Tsinghua East Road,
Beijing 100083, China; lifm@cau.edu.cn (F.L.); chyingyi@126.com (Y.C.); dliangl@cau.edu.cn (D.L.);
zhangxu_zx888@sina.com (X.Z.)
*Correspondence: weiyaoguang@gmail.com; Tel.: +86-10-6273-6764; Fax: +86-10-6273-7741
Ágrip:Uppleyst súrefni (DO) er lykilþáttur sem hefur áhrif á heilbrigðan vöxt fiska í fiskeldi.Innihald DO breytist með vatnsumhverfinu og ætti því að fylgjast með því á netinu.Hins vegar henta hefðbundnar mælingaraðferðir, eins og joðmælingar og aðrar efnagreiningaraðferðir, ekki til eftirlits á netinu.Clark aðferðin er ekki nógu stöðug fyrir langvarandi eftirlit.Til að leysa þessi vandamál leggur þessi grein til snjöllu DO mælingaraðferð sem byggir á flúrljómun slökkvibúnaði. Mælikerfið samanstendur af flúrljómandi slökkviskynjun, merkjameðferð, greindri vinnslu og aflgjafaeiningum.Sjónneminn notar flúrljómandi slökkvibúnað til að greina DO innihaldið og leysa vandamálið, en hefðbundnar efnafræðilegar aðferðir eru auðveldlega fyrir áhrifum frá umhverfinu.Sjónneminn inniheldur hitamæli og tvöfalda örvunargjafa til að einangra sýnilegt ljós af sníkjudýrum og framkvæma uppbótarstefnu.Snjalla vinnslueiningin samþykkir IEEE 1451.2 staðalinn og gerir sér grein fyrir greindar bætur.Tilraunaniðurstöður sýna að sjónmælingaraðferðin er stöðug, nákvæm og hentug fyrir DO vöktun á netinu í fiskeldisforritum.
1. Inngangur
Uppleyst súrefni (DO) vísar til súrefnissameindanna sem eru leystar upp í vatni og er nauðsynlegt til að viðhalda lífi manna og dýra.Súrefni er mikilvægt greiniefni vegna lykilhlutverks þess í lífvísindum, líftækni, læknisfræði og fiskeldisiðnaði.DO innihald í vatni er vísbending um vatnsgæði og vandað eftirlit með súrefnismagni er mikilvægt í sjálfshreinsunarferli frárennslisvatns [1,2].Vatnsgæði eru nátengd mengunarefnum sem eru í vatni, svo sem H2S, NO2, NH4+ og lífrænum efnum.Eiginleikar frárennslisvatns, þar á meðal litur, efnafræðileg súrefnisþörf (COD) og líffræðileg súrefnisþörf (BOD), gefa sérstaklega til kynna magn mengunarefna í iðnaðarafrennsli [3].Á sama tíma gegnir DO mjög mikilvægu hlutverki í heilsu og vexti vatnalífvera [4,5].Innihald DO sem er minna en 2 mg/L í ákveðinn fjölda klukkustunda veldur köfnun og dauða vatnalífvera [6].Fyrir menn ætti DO innihald drykkjarvatns ekki að vera minna en 6 mg/L.Þar af leiðandi er ákvörðun súrefnisstyrks mjög mikilvæg í fiskeldisiðnaðinum og í daglegu lífi.Hins vegar er erfitt að fylgjast með DO innihaldinu með öllum ytri áhrifaþáttum þess, eins og hitastigi, þrýstingi og seltu.Til að fá nákvæmt DO innihald ætti uppgötvunaraðferðin að útfæra greindar bætur.Almennt er hægt að nota þrjár aðferðir til að greina DO innihald: joðmælingar, rafefnafræðilegar og ljósfræðilegar aðferðir [7,8].
Joðmælingaaðferðin [9,10] er vinsæl og nákvæm aðferð til að greina DO innihald í vatni.Þetta er örugg aðferð en hefur flókið greiningarferli og er ekki hægt að nota það til að greina vatnsgæði á netinu.Þessi aðferð er aðallega notuð sem viðmið í rannsóknarstofuumhverfi (off-line).Rafefnafræðilega aðferðin [11–14] notar rafskaut til að greina strauminn sem myndast með redoxhvörfum við rafskautin.Þessa aðferð er hægt að flokka sem skautagerð eða galvanísk frumugerð byggt á uppgötvunarreglunni.Rafefnafræðilega aðferðin á sér langa sögu við að greina DO innihald;fyrsta svokallaða Clark polarographic aðferðin var hönnuð af Clark hjá YSI Company árið 1956 [12].Öfugt við joðmælingar fylgist rafefnafræðilega aðferðin með DO innihaldi með oxunar-afoxunarviðbrögðum sem eiga sér stað milli rafskautsins og DO sameindanna og eyðir súrefni í greiningarferlinu.Í ljósi þess að tækjadrif er óhjákvæmilegt með þeim mikla fjölda þátta sem taka þátt í að ákvarða niðurstöðu niðurstöðunnar, þurfa rafefnafræðilegir skynjarar reglulega kvörðun og endurnýjun.Optískir DO skynjarar [15,16] eru meira aðlaðandi en joðmælingar og rafefnafræðilegar aðferðir vegna þess að þeir hafa hraðan viðbragðstíma, neyta ekki súrefnis, hafa lítið rek með tímanum, hafa getu til að standast utanaðkomandi truflanir og þurfa jaðarkvörðun.Uppgötvunarreglan sjónræna DO skynjara byggir á flúrljómun, þar með talið líftímaskynjun flúrljómunar og greiningu flúrljómunarstyrks.Hægt er að ná styrkleikagreiningu með ljósdíóðunni, ólíkt líftíma, sem ætti að greina út frá fasaskiptingu [17].Þessi rannsókn þróar greindar sjónmælingaraðferð sem byggir á flúrljómandi slökkvibúnaði.
Áðurnefndar aðferðir hafa nokkra kosti og galla sem gera þær óhentugar fyrir fiskeldisiðnaðinn í Kína.Í fyrsta lagi er uppgötvun á DO innihaldi erfið fyrir vatnafræðinginn sem þarf að takast á við fjölmarga þætti sem hafa áhrif á fiskeldisiðnaðinn.Samanburður á þessum þremur aðferðum sýnir að rafefnafræðilega aðferðin er ekki góður kostur vegna veikra truflanavarna.Í öðru lagi er DO innihaldið ekki stöðugt og ófullnægjandi styrkur í náttúrulegu vatni leiðir til dauða fiska.Þess vegna er mjög mikilvægt að greina DO efni í rauntíma.Hins vegar verður að prófa vatnssýni með joðmælingaraðferð á rannsóknarstofunni, sem gerir þessa aðferð óhentuga til að fylgjast með lífverum í raunverulegri framleiðslu af þessum sökum.
Að lokum hafa hefðbundnir sjónskynjarar nokkra ókosti, þar á meðal næmi fyrir breytingum á ytra hitastigi, þrýstingi og seltu og deyfingu ljósgjafa og reks vegna niðurbrots eða útskolunar litarefnisins.Hægt er að draga úr áhrifum frá öllum þessum þáttum með því að bæta við snjöllum vinnslueiningum.Hefðbundinn optíski DO skynjari sem kynntur er erlendis frá er dýr og hefur ekki mikla nákvæmni þegar hann er notaður í fiskeldisiðnaði.Þess vegna er nauðsynlegt að hanna og þróa ódýran og snjöllan sérstakan optískan DO skynjara. Þessi rannsókn leggur til og þróar greindar DO mælingaraðferð sem byggir á flúrljómandi slökkvibúnaði.Skynjarinn inniheldur fjórar einingar: flúrljómandi slökkviskynjun, merkjaskilyrði, skynsamlega vinnslu og aflgjafaeiningar.Skynjarinn sem byggir á flúrljómun hefur nokkra kosti: minni orkunotkun, minni stærð, meiri nákvæmni og sterkari truflunareiginleika en joðmælingar eða rafefnafræðilegir skynjarar.
2. Efni og aðferðir
2.1.Heildarhönnun optísks uppleysts súrefnisskynjara
Í ljósi þess að óstöðugir áhrifaþættir eru til staðar, notar skynjarinn sjónskynjara sem byggir á slökkvi flúrljómunar.Í samanburði við hefðbundna DO skynjara hefur snjall sjón DO skynjari sem lagt er til í þessari rannsókn aukna rannsakanda uppbyggingu og viðbótar greindar vinnslueiningu.Þessar kvörðunarfæribreytur eru geymdar í minni rafrænna gagnablaðs (TEDS) transducer.Mynd 1 sýnir að flúrljómandi slökkviskynjun, merkjaskilyrði, skynsamleg vinnsla og aflgjafaeiningar eru innifalin í greindu skynjaranum.Flúrljómandi slökkvigreiningareiningin inniheldur hitamæli og DO nema.Hitamælirinn er ábyrgur fyrir því að safna vatnshitamerkjunum og DO neminn er ábyrgur fyrir því að safna DO merkjunum.Upprunalega inntaksmerkið er hægt að breyta í 0–2,5 V spennumerki með merkjameðferðarrásunum.MSP430 örstýringin, sem er kjarninn í snjöllu vinnslueiningunni, er tengdur við merkjameðferðarrásir, TEDS minni og raðviðmót [18].Safnaða gögnin eru blönduð í gegnum multi-probe gagnasamrunatækni og DO gildið sem fæst er flutt í gegnum samhæft RS485 tengi eftir að hafa verið unnið og greind af örstýringunni.RS485 viðmótið gerir örstýringunni kleift að eiga samskipti við efri tölvuna.Skynjarinn er knúinn af aflgjafa sem er kveikt og slökkt, sem einnig er stjórnað af MSP430 örstýringunni.
2.2.Hönnun flúrljómandi slökkvigreiningareiningarinnar
Skýringarmynd flúrljómandi slökkvandi greiningareiningarinnar er sýnd á mynd 2. Nefndin er um það bil 16 cm lengd og 4 cm í þvermál.Fyrirferðarlítil uppsetning rannsakans er notuð til að samhæfa kröfur fiskeldisiðnaðarins.Eins og sýnt er á mynd 2, inniheldur DO rannsakandinn tvöfalda bláa ljósdíóða með háum birtu, sól-gel filmu, glerrennibraut, rauða ljóssíu, bláan ljóssíupappír og sílikonljósdíóða.Þessi eining inniheldur einnig platínuviðnám til að fylgjast með umhverfishita meðan á mælingum stendur.Flúrljómunarstyrkur og hitastig eru unnin í hugbúnaðinum fyrir hitakvörðun.
Bláu ljósdíóða með tvöföldu hárbirtu (LA470-02) eru mótuð á sömu tíðni, þannig að hægt er að nota viðmiðunarljósdíóða til að bæta upp örvunarljósdíóða vegna þess að ljósstyrkstap bláu ljósdíóða er nákvæmlega það sama.Á sömu tíðni getur ljósdíóðan dregið úr bakgrunnsgeislun vegna umhverfisljóss í mæliumhverfinu og forðast örvun hvers kyns flúrljómandi efnis.Að auki er styrkleiki ljósdíóða minnkaður í lágt stig þar sem ljósbleiking fyrirbæri litarefnisins hefur litlar líkur á að eiga sér stað [19].Miðbylgjulengd bláu örvunarljósdíóðunnar er um 465 nm, sem er fisíuð með bláum bandpass fifilter pappír til að skima út ljós annarra bylgjulengda.Tilraunaniðurstöðurnar sýna að bláa ljósið getur fengið viðkvæma himnuna til að gefa frá sér flúrljómun við 650 nm.Til að draga úr áhrifum sníkjuljóss er rannsakandinn búinn bláum bandpass fifilter pappírum (OF1 og OF2) fyrir framan ljósdíóða og rauða hápass fifilter (OF3) fyrir framan sílikon ljósdíóðuna.Kísillljósdíóða (OPT 301) er notuð til að taka á móti flúrljómuninni sem gefin er út frá sol-gel filmunni og bláu ljósi frá viðmiðunarljósinu.Bláa örvunarljósdíóðan og bláa viðmiðunarljósdíóðan eru aðskilin á sitthvorum hliðum rauðu hárásarsíunnar, sem er gagnlegt til að skera burt sníkjuljós og tryggja nákvæmni ljósmerkjaskynjunar. DO skynjari og frammistaða hans hefur veruleg áhrif á nákvæmni, skilvirkni og stöðugleika skynjarans.Vísindamenn hafa framkvæmt nokkrar rannsóknir á flúrljómunarvísum [20-22] og komist að því að algengustu flúrljómunarvísarnir innihalda málmporfýrínfléttur, lífræn fjölhringlaga arómatísk kolvetni og umbreytingarmálmfléttur [23].Ru(bpy)3Cl2 hefur verið valið sem flúrljómunarvísir í þessari rannsókn vegna mjög losandi málm-til-bindils hleðsluflutningsástands, langan líftíma og sterkrar frásogs á blágræna svæði litrófsins, sem er samhæft við bláa ljósdíóðan með mikilli birtu [20].Litarefnið er innilokað í gljúpri og vatnsfælinum sol-gel filmu sem er um það bil 0,04 mm.Sol-gel filman er fest á yfirborð glerrennunnar, sem ætti að vera gegnsætt til að örvun og ljómi komist í gegn.Fifilman ætti einnig að vera í formi boga og halda stöðugri stærð;bogayfirborðið er hannað til að auka snertiflöturinn og forðast yfirborðsbólur.Starfsregla skynjarans er byggð á flúrljómandi slökkvibúnaði.Slökkviferli flúrljómandi er lýst með Stern-Volmer jöfnunni [24–26].
Birtingartími: 26. mars 2022