海底水体耗氧过程原位培养装置的研制

殷建军，岳建行，倪晓波，王 奎，曾定勇，陈建芳，王 斌

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)



海底水体耗氧过程原位培养装置的研制

殷建军1，岳建行1，倪晓波2,3，王 奎3，曾定勇2,3，陈建芳2,3，王 斌3

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

由于国内对海水中有机质耗氧过程的观测,大多局限于实验室模拟培养实验，尚缺乏进行现场培养实验的手段.为此，自主研发了一种海底水体溶解氧消耗过程原位培养装置.该装置集成了包括电子控制模块、电机、培养容器与海水测量传感器等在内的电控处理模块和机械结构框架于一体，并讨论了其电控处理模块的详细设计，给出了实物样机在象山港海域所进行的性能测试结果.结果表明：设计的现场培养装置具备对海底水体的溶解氧耗氧过程进行现场培养和观测的功能，对于国内开展底层水体缺氧区观测和了解当地生态环境状况具有重要意义.

原位培养装置；机电控制；溶解氧；耗氧过程；沉积物-水界面

近几十年，长江流域伴随其经济快速发展的同时，江水所携带的各类营养盐浓度也上升了几十倍，这使得长江口海域的富营养化程度越来越严重.水体富营养化改变了本海域生产力的结构，导致赤潮频繁且大面积的爆发，继而引起夏季底层水体缺氧现象的常态化出现，对我国东海渔业造成了威胁[1-3]，因此对长江口海底水体缺氧过程的监测和评价研究具有重要的意义.事实上，开展长江口溶解氧的季节性大面站测量工作已有数十年历史，是帮助了解域内瞬时缺氧状态的重要基础观测[4-7]，海床基和浮标方式的连续观测，可展现缺氧发生、发展和消亡的完整过程[8].发生缺氧现象的主要原因，是底层水体溶解氧被有机质分解所消耗并且得不到有效补充，通过大面站、海床基和浮标等，观测水体中溶解氧在各种环境因素综合作用下的即时浓度，即可反映有机质分解耗氧和垂向混合补氧之间的平衡关系，进而如果能得到不同环境条件下耗氧和补氧过程和速率，那就可以掌握和预测水体缺氧的程度和变化了，这对长江口海域生态系统研究具有重要的意义.

国际上对海底水体溶解氧消耗过程的原位培养观测研究，已经开展了30多年[9-10]，我国由于海洋观测技术研究的基础弱、起步晚，对于海底水体有机质耗氧过程的观测还仅限于实验室模拟培养实验[11-14]，尽管模拟实验尽量保持与现场相同的环境，包括温度、盐度和光线，但是想要精确重现现场的自然环境，是几乎不可能的，所以耗氧过程的原位现场观测研究显得迫切而有意义.因此，提出了一种海底水体溶解氧耗氧过程的原位培养装置的整体框架，介绍了其工作流程与机械结构实物样机，讨论了电控处理模块的详细设计，并给出了实物样机在象山港海域所进行的性能测试，通过对测试结果分析，检验了该装置的功能可行性.

1 海底水体耗氧过程原位培养装置设计

海底水体耗氧过程原位培养装置是一套自动化观测与培养设备，它集成电子控制模块、电机、培养容器、海水测量传感器和其他机械结构模块为一体，通过自身重力降落到海底，培养容器与海底沉积物界面形成密闭空间，位于容器内的传感器连续测量溶解氧和环境参数数据，位于容器外的传感器同时连续测量外部水体溶解氧和环境参数数据；水样采集器通过机电装置向培养容器内注入预设浓度值的有机质溶液(也可以选择不注入任何溶液，单纯培养水体本身的耗氧过程)，间隔固定时间后水样采集器从培养容器内抽取固定体积的水样，用以最后回收后分析营养盐等参数.原位培养实验可以从几小时到几天不等，培养容器内外水体溶解氧都会有一个时间变化过程，结合其他环境参数数据从而了解现场环境下水体的耗氧过程.设计的原位培养装置实物图如图1所示，主要包括电控处理模块和机械框架模块.

1—电控处理模块；2—RBR-XR420水质仪；3—注射器释放机构；4，8—步进电机；5—培养容室；6—注射器；7—搅拌电机；9—搅拌叶轮图1 原位培养装置实物图Fig.1 The image of in-situ cultivating equipment

机械结构框架包括培养容器模块和水样采集模块，如图2所示.培养容器模块由培养容器、传感器和辅助配件组成，培养容器为圆筒状，直径38 cm，内高40 cm，下底为空，顶端封闭，测量传感器和直流搅拌电机固定于顶端内部，容器外部也安装测量传感器，内外测量传感器均采用RBR-XR420多参数水质仪，配置有温度、盐度、深度、溶解氧和浊度5个参数.培养容器内置于培养装置的底板，容器底端低于底板底面10 cm，底板静止于海底，从而控制培养容器插入海底沉积物的深度为10 cm左右.水样采集模块由注射器、控制机构和辅助配件组成，它用于定时向培养容器内注射溶液或采集培养容器内的海水.注射器通过专用橡胶管与培养容器相连，步进电机通过机械机构控制注射器的抽拉，从而实现对水样的注入和采集.水样采集模块有两组，每组配置5个容量为60 mL的注射器，可进行1次注入和9次抽吸水样工作.

图2 海底原位培养装置整体框架示意图Fig.2 Framework of benthic in-situ lander system

工作流程：海底水体耗氧过程原位培养装置先布放到海底，培养容器底端插入海底，与沉积物界面形成密闭空间，位于容器内的传感器连续测量溶解氧和环境参数，位于容器外的传感器同时连续测量外部水体溶解氧和环境参数；培养容器稳定一定时间后，步进电机控制释放机关开启第一个注射器向培养容器内注入预设浓度的溶液水样，然后容器内直流电机进行搅拌使容器内水体混合均匀；间隔设定时间后，容器内直流电机进行搅拌使容器内水体混合均匀，然后步进电机控制释放机关开启第二个注射器从培养容器内抽取水样，如此循环，直到最后一个注射器抽取水样，工作完成后回收培养装置，装置回收完毕后尽快将注射器中的水样按顺序进行采集用以营养盐及其他化学成分的分析.

2 电控处理模块设计

电控处理模块主要分为处理器模块、两相混合式步进电机控制模块、直流搅拌电机控制模块和电源模块.

2.1 处理器模块

处理器采用的是NXP公司的LPC1125芯片，设计中信息传输需要用到3路串口，LPC1125可以满足要求，由于电路板空间有限，器件体积要求尽可能小，LPC1125的48引脚封装既符合体积小的要求，也能达到所需引脚功能.并且LPC1125是专门针对8/16 bit微控制器应用市场专门设计的一款芯片，简单易用，功耗低，满足设计中电池供电的要求，市场价格只需10元左右，性价比较高.

2.2 步进电机控制电路

步进电机用来控制注射器向密闭培养容室中注入溶液水样和抽取培养容室中的海水水样，两相混合式步进电机控制电路包括三部分：逻辑电平转换电路、电机电流采样和恒流控制电路以及全桥驱动电路[15-17].电平转换电路采用ON半导体公司的NLSX4104芯片，电流采样和恒流控制芯片采用ST公司的L6506芯片，全桥采用ST公司的L6205芯片.

NLSX4014可将VL端的低逻辑电压转换成VCC端的高逻辑电压，提高处理器的电机驱动能力.NLSX4014是4位可配置的双电源双向电平转换器，没有方向控制引脚.I/O VCC和I/O VL端口具有跟踪电源轨迹的作用，VCC和VL各自供电.VCC的供电电压可配置成从1.3～4.9 V,然而VL的供电电压可配置为0.9 V到(VCC-0.4 V).当电机不需要工作时，可控制EN引脚将芯片关闭，降低功耗.

L6506芯片是专门的线性集成电路，用来采样和控制步进电机的电流.L6506和L6205配套使用时，可以恒流控制电感性负载(例如电机).引脚1连接RC电路，RC振荡电路用来为L6506提供频率；引脚Vref连接VAR变位器，引脚电压的大小控制后端电机电流大小，电机电流通过采用电阻输入到引脚Vsense，如图3所示.

图3 电流采样电路Fig.3 Current sampling circuit

L6205芯片是DMOS双桥驱动电路芯片，应用在电机控制中，芯片采用了BCD工艺制造，将孤立的DMOS结构晶体管、CMOS和双极性电路集成在同一芯片中.引脚SENSEA和SENSEB各并联三个0.5 Ω的采用电阻，采样电流转换成电压后经RC滤波电路输入到前端L6506芯片的Vsense引脚；芯片内部集成了两个全桥电路，桥路的导通电压要大于供电电压，因此需要将电压升高，VCP和VBOOT引脚连接的电路构成电容式电荷泵，电荷泵电路将电源电压升高大于12 V，提供所需的高电压，如图4所示.

图4 步进电机驱动电路Fig.4 Stepping motor driving circuit

2.3 直流电机控制模块

直流电机用于将密闭培养容室中的海水搅拌均匀，所需扭矩较大，所以直流电机要经过减速机构将转速降低来达到增大扭矩的效果.电机控制采用宏发公司生产的双向继电器HFKA-0122ZSPT，专门用于控制直流电机的正反转，12 V供电,电机的堵转电流最大25 A,线圈绝缘等级H(180 ℃).电机的正反转通过三极管导通来控制，控制信号控制三极管导通后，继电器中的对应线包产生吸力，将继电器中的触点与电源接通,电机转动;导通后的电机可能会发生堵转，出现过流现象，所以电流需要经过电流采样模块[17-18]采样，电流经过采样电阻R16采样，经RC滤波电路后与后端的运算放大器的参考电压比较，若电流过大，运算放大器输出高电平，处理器根据高电平信号将前端控制端RELAY1或RELAY2关闭，防止电机过流烧坏，如图5所示.

图5 直流电机控制电路Fig.5 DC motor driving circuit

2.4 电源管理模块

海洋仪器的工作环境决定了电源供电只能采用电池供电，原位培养装置设计采用12 V锂电池供电，由于工作时间长，电池电流有限，所以低功耗的设计是必须需要考虑的.低功耗控制不仅需要通过处理器控制芯片的工作模式，而且还要通过选用低功耗的电源模块达到.电源模块采用两级降压，得到所需的5 V和3.3 V电压，前级降压选用TI公司的TPS5405芯片得到5 V电压，后级降压选用TI公司的TPS62056芯片得到3.3 V电压.

TPS5405是一款具有宽运行输入电压范围(6.5～28 V)的单片非同步降压稳压器，固定5 V输出.此器件执行内部斜率补偿的电流模式控制来减少组件数量.TPS5405还特有一个轻负载脉冲跳跃模式，此特性可在轻负载时减少为系统供电的输入电源的功率损失.可使用一个外部电阻器将此转换器的开关频率设定在50 kHz至1.1 MHz之间，引入了频率展频操作以减少EMI，并且添加了LX抗振铃来解决高频EMI问题.具有频率折返功能的逐周期电流限制在过载情况下保护集成电路(IC)，脉冲跳跃模式可在轻负载时实现高效率,10 mA负载时效率超过80%.如图6所示.

图6 12 V转5 V电路Fig.6 12 V to 5 V converting circuit

TPS62056电压转换芯片是TPS6205X系列高效率同步直流电压转换芯片的一种，固定3.3 V输出，特别适合于电池供电的系统，最高效率可达95%，静态电流只有12 μA，在省电模式下在某一宽范围内仍然具有很高的效率,如图7所示.LBI引脚检测输入端压降，正常输入5 V电压情况下，经电阻R45和R50分压后输入端引脚LBI的电压大约2.2 V,若电压低于某一值，经反馈处理仍然能保证输出固定的3.3 V电压.

图7 5 V转3.3 V电路Fig.7 5 V to 3.3 V converting circuit

3 性能测试结果与分析

3.1 测试海域

2016年1月14日到15日在象山港潮滩海域(29°39.35′N，121°47.01′E)进行了两次性能测试，测试期间潮水较大，测试点潮滩有海水覆盖时间约为6 h，白天覆盖期约为10:00—16:00.

3.2 性能测试过程

海底水体耗氧过程原位培养装置是否能成功工作取决于3个条件：1) 培养容器的密封性是否足够好，必须保证容器内外不会发生水体交换；2) 直流电机的搅拌功能是否发生作用；3) 注射器是否能正常采集水样.根据以上3个条件，对装置进行了两次性能测试.

3.2.1 培养容器密封性能测试

培养装置入水时不将培养容器内的空气排出，培养装置着底后培养容器内存有足够的空气，使海水不会没到测量传感器，在培养容器内外有压力差的条件下进行一段时间的测试.位于容器内的传感器连续测量溶解氧和环境参数(温度、盐度、深度和浊度)，位于容器外的传感器同时连续测量外部水体溶解氧和环境参数(温度、盐度、深度和浊度)；通过容器内外传感器测量数据比较来分析容器密封性能情况.

3.2.2搅拌和采水功能测试

培养装置入水时将培养容器内的空气排尽，培养装置着底后，位于容器内的传感器连续测量溶解氧和环境参数(温度、盐度、深度和浊度)，位于容器外的传感器同时连续测量外部水体溶解氧和环境参数(温度、盐度、深度和浊度)；培养容器着底稳定10 min后，步进电机控制释放机关开启第1个注射器向培养容器内注入预设盐度为30PSU的标准海水，然后容器内直流电机进行搅拌使容器内水体混合均匀；间隔25 min后，容器内直流电机进行搅拌使容器内水体混合均匀，然后步进电机控制释放机关开启第2个注射器从培养容器内抽取水样，如此循环，直到最后一个注射器抽取水样，之后25 min后再进行一次直流电机搅拌工作，其中第5个和第6个注射器采水工作间隔设置为50 min，工作完成后回收培养装置，回收完毕后将注射器中的水样按顺序进行采集用以营养盐含量的分析.

3.3 性能测试结果与分析

3.3.1 培养容器密封性能测试结果与分析

培养容器内外由传感器测得的各参数的变化曲线，如图8所示.从图8中深度参数可以看出：由于外部水压导致培养容器内空气被压缩形成一定的压力，压力的变化与潮水涨落变化一致，而且在4个多小时的测试过程中盐度的测量值一直保持零值，光学浊度仪的测量值也保持了平稳的低测量值，同时容器外盐度和浊度值显示为当地海水的特征值并具有显著的时间变化，说明在此次测试过程中，培养容器的密封性能良好，在具有内外压力差的情况，没有发生容器漏气现象.

图8 培养容器内外各水质参数的变化曲线Fig.8 Temporal variation of all parameters inside and outside lander system

3.3.2 搅拌和采水功能测试结果与分析

培养容器内外由传感器测得的各参数的变化曲线如图9所示，通过比较容器内外的数据可以发现，容器外传感器测量数据具有显著的随当地潮水波动的变化特征，而容器内温、盐度数据表明培养容器内环境相对稳定.容器内温度、盐度、溶解氧和浊度数据显示，直流电机搅拌时各参数数据都发生显著的波动，而且每次波动特征都相似；从波动次数和间隔周期可以看出，直流电机的搅拌工作准确地按设定程序进行，并明显起到了混合容器内水体的作用.

图9 培养容器内外各水质参数的变化曲线Fig.9 Temporal variation of all parameters inside and outside lander system

步进电机控制注射器向培养容器内注水和采水，从10:20时刻左右盐度数据变化可以看到搅拌后容器内盐度值较之前略微升高，这是因为第1个注射器注入的较高盐度值水样发生了作用，说明注射器注水功能正常.培养装置回收后，我们检查了其他9个注射器采水情况，结果显示它们都工作正常，采集的水样进行了硝酸盐的分析，数据结果如表1所示.

表1 培养容器内硝酸盐质量浓度变化

Table 1 Mass concentration variation of nitrates in cultivating vessel

时刻10：4511：1511：4512：1512：4513：1513：4514：1515：45质量浓度/(mg·L-1)53．5654．0755．3355．9556．7355．8555．4354．9252．06

4 结 论

基于底层水体溶解氧消耗过程实验室模拟实验的限制，设计了一种海底水体耗氧过程原位培养装置，装置在象山港海域进行了性能测试，通过分析获取的海水环境参数数据表明：培养装置中培养容器的密封性能良好，密闭容器内外没有发生水体交换，避免了水体交换带来的测量影响；培养容器内直流电机的搅拌功能作用明显，可以在每次采水前有效混合容器内的水体；步进电机控制的注射器可以正常向培养容器内注入有机质溶液和采集密闭容器内海水水样.设计的原位培养装置基本具备在我国近海海底进行水体溶解氧消耗过程培养实验，特别是在长江口缺氧区开展此类观测对了解当地生态环境状况有着重要意义.

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(责任编辑：刘 岩)

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

国家海洋公益性行业科研专项项目(201205015)

殷建军(1967—)，男，浙江诸暨人，副教授，研究方向为检测与控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

P756.6

A

1006-4303(2016)06-0689-06