应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统

摘要

本发明公开了一种应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，包括浮标、控制室和围隔；控制室设置于浮标上，围隔设置于水底；围隔内设置有密封舱、加热设备、注液设备和滑轨；密封舱内设置有传感器组和阀组，控制室内设置有主控模块、升降控制装置及可控硅模块；主控模块根据环境数据产生升降控制信号、电压控制信号及注液控制信号；电压控制信号用于控制可控硅模块的输出电压大小，进一步控制加热设备的工作功率，调控围隔内的温度；升降控制装置在升降控制信号的作用下控制密封舱在围隔内上下移动。能够在水下形成低氧环境，并对低氧环境进行长期连续自动化监测与调控。

说明书

技术领域

本发明涉及缺氧环境研究技术领域，特别是涉及一种应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统。

背景技术

受人类行为的影响，全球缺氧海域的规模在不断扩大，缺氧产生了广泛的影响，包括对生物个体、海洋生态系统以及生物地球化学循环等方面，而且，随着海洋酸化、海洋变暖问题的加剧，缺氧环境与这两种环境问题耦合对海洋生态系统产生影响，其中的原因和演变过程尚不明确。对缺氧环境的研究往往采用现场采水调查和浮标监测的方法，但是这些方法分别存在获取数据有限以及调查范围有限的问题。考虑到缺氧问题研究的必要性以及现存研究方法的不足，需要设计一种新型的研究工具帮助开展对缺氧环境的监测和调查。围隔是一种设计用来模拟自然环境并能够实现环境因素可调控、可监测的设备，被广泛应用于海洋领域的研究。据了解，已有的围隔实验都是在水面开展的，目前在水下设立围隔以及用水下围隔研究缺氧机制及缺氧与海洋变暖、海洋酸化共同影响的研究工作还处于空缺状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，以解决上述现有技术存在的问题，该围隔系统能够在水下形成低氧环境，并对该低氧环境进行长期连续自动化监测与调控，以增强对缺氧环境的了解并采取有效措施减缓缺氧带来的负面影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，包括浮标、控制室和围隔；

其中，所述控制室设置于所述浮标上，所述围隔设置于水底；

所述围隔内设置有密封舱、加热设备、注液设备和滑轨；所述滑轨沿轴向设置于所述围隔的内壁上，所述密封舱通过滑块与所述滑轨连接，所述密封舱内设置有传感器组和阀组，所述加热设备设置于所述密封舱的外侧壁上，所述注液设备设置于所述密封舱外侧的底部；所述传感器组用于采集周围水体的环境数据；

所述控制室通过脐带缆与所述密封舱设置的所述加热设备、所述传感器组、所述阀组和所述注液设备连接，所述脐带缆包含电力线、信号线和注液软管，能够实现电力供应，信号传输以及液体输送；

所述控制室内设置有主控模块、升降控制装置及可控硅模块；

所述主控模块分别与所述传感器组、所述阀组、所述升降控制装置及所述可控硅模块连接，所述主控模块用于根据所述环境数据产生升降控制信号、电压控制信号及注液控制信号，并将所述升降控制信号发送至所述升降控制装置，将所述电压控制信号发送至所述可控硅模块，将所述注液控制信号发送至所述阀组；

所述升降控制装置用于在所述升降控制信号的作用下，控制所述密封舱在所述围隔内上下移动；

所述可控硅模块与所述加热设备连接；所述电压控制信号用于控制所述可控硅模块的输出电压大小，以控制加热设备的工作功率，调控围隔内的温度。

优选地，所述浮标通过三根锚绳与水底连接。

优选地，所述环境数据包括温度、酸碱度、营养盐浓度及溶解氧含量；所述传感器组包括温度传感器、酸碱度传感器、营养盐浓度传感器、溶解氧传感器及深度传感器；所述温度传感器用于检测围隔内的温度；所述酸碱度传感器用于检测围隔内的酸碱度；所述营养盐浓度传感器用于检测围隔内的营养盐浓度；所述溶解氧传感器用于检测围隔内的溶解氧含量；所述深度传感器用于检测密封舱的当前深度；

所述阀组包括流量计和电磁阀；所述流量计用于检测围隔内溶液的注入量；

所述主控模块根据围隔内的温度产生电压控制信号，根据酸碱度、营养盐浓度、溶解氧含量及溶液的注入量产生注液控制信号；

所述电磁阀与所述主控模块连接，所述电磁阀用于在所述注液控制信号的作用下，控制围隔内溶液的通断。

优选地，所述加热设备为加热棒，所述加热棒通过脐带缆与所述控制室内的可控硅模块连接；

所述注液设备为一盘状的渗水管，所述渗水管的管壁密布小孔；

所述控制室内还设置有液压源模块；所述液压源模块通过所述脐带缆中的注液软管往所述围隔内注入溶液，溶液通过所述渗水管被均匀喷洒在所述围隔内，与周围的海水充分混合。

优选地，所述升降控制装置为一电动绞车，所述电动绞车通过绞绳连接所述密封舱。

优选地，所述滑轨的顶端凸出于所述围隔的内壁。

优选地，所述围隔包括围隔体和底座；所述围隔体包括吊装用吊环、玻璃钢筒壁和围隔体拉环，所述吊环和所述围隔体拉环均设置于所述玻璃钢筒壁的外侧；所述底座包括套设于所述围隔体底部的水泥套筒、中空六边形水泥底座、底座拉环、连接水泥套筒和中空六边形水泥底座的横杆和连接围隔体拉环和底座拉环的拉绳；所述水泥套筒外部呈六边形，内部呈圆形，内部有一个凸出筒底的凸台。

优选地，还包括用于承载采水装置的引导笼和引导绳，所述引导绳设置于所述围隔底部与所述浮标之间，所述引导绳用于引导所述引导笼滑入围隔中采集水样。

优选地，所述控制室内还设置有能源模块；所述能源模块分别与所述主控模块、所述传感器组及所述升降控制装置连接，所述能源模块用于为所述主控模块、所述升降控制装置和所述传感器组供电。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，该系统提出水下围隔的新概念，为水下缺氧问题研究提供了新的研究工具；相较于实验室实验，水下围隔系统在真实海洋环境中运行，获得的数据更有说服力；系统实现水下缺氧环境自动化监测与调控，无需人力过多干涉；系统通过太阳能和蓄电池组合供电，可实现海底长时自主运行，连续观测水下环境参数的变换规律；围隔中可布放多种仪器，满足多学科研究需求，有利于学科交叉研究使用。综上所述，水下围隔的新概念及其在海底缺氧问题的研究上有增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统的结构示意图；

图2为本发明中围隔的主视图；

图3为本发明中围隔的俯视图；

图4为本发明中围隔的剖面图；

图5为本发明中密封舱的结构示意图；

图6为本发明中引导笼的结构示意图；

图7为本发明中的水下围隔系统的控制原理图；

图中：1、控制室；2、引导绳；3、围隔；31、围隔体；311、吊环；312、筒壁；313、围隔体拉环；32、底座；321、水泥套筒；322、中空六边形水泥底座；323、底座拉环；324、横杆；325、拉绳；3211、凸台；4、密封舱；5、滑块；6、滑轨；7、脐带缆；8、绞绳；9、锚绳；10、浮标；11、加热棒；12、渗水管；13、阀组；14、传感器组；141、温度传感器；142、pH传感器；143、营养盐浓度传感器；144、溶解氧传感器；145、深度传感器；15、主控模块；16、电动绞车；17、可控硅模块；18、电磁阀；19、能源模块；191、太阳能板；192、太阳能控制器；193、蓄电池；194、逆变器；20、液压源模块；21、可编程逻辑控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的应用于水体缺氧环境自动化监测与调控的水下围隔系统，如图1所示，包括浮标10、控制室1和围隔3；

其中，控制室1设置于浮标10上，围隔3设置于水底；

围隔3内设置有密封舱4、加热设备、注液设备和滑轨6；滑轨6沿轴向设置于围隔3的内壁上，密封舱4通过滑块5与滑轨6连接，密封舱4内设置有传感器组14和阀组13，加热设备设置于密封舱4的外侧壁上，注液设备设置于密封舱4外侧的底部；传感器组14用于采集周围水体的环境数据。

控制室1通过脐带缆7与密封舱4设置的加热设备、传感器组14、阀组13和注液设备连接，脐带缆7包含电力线、信号线和注液软管，能够实现电力供应，信号传输以及液体输送。

控制室1内设置有主控模块15、升降控制装置及可控硅模块17。于本具体实施例中，主控模块15为主控制器。

如图7所示，主控模块15分别与所述传感器组14、阀组13、升降控制装置及可控硅模块17连接，主控模块15用于根据环境数据产生升降控制信号、电压控制信号及注液控制信号，并将升降控制信号发送至升降控制装置，将电压控制信号发送至可控硅模块17，将注液控制信号发送至阀组13；

升降控制装置用于在升降控制信号的作用下，控制密封舱4在围隔3内上下移动；

可控硅模块17与加热设备连接；电压控制信号用于控制可控硅模块17的输出电压大小，进一步控制加热设备的工作功率，调控围隔内的温度。

于本具体实施例中，控制室1内还设置有能源模块19。能源模块19分别与主控模块15、传感器组14及升降控制装置连接，能源模块19用于为主控模块15、升降控制装置和传感器组14供电。

具体地，能源模块19包括：太阳能板191、蓄电池193、太阳能控制器192及逆变器194。

太阳能板191用于将太阳能转换为电能。

太阳能控制器192分别与太阳能板191及蓄电池193连接，太阳能控制器192用于控制太阳能板191为蓄电池193充电，以及为系统中的直流负载供电。

蓄电池193分别与主控模块15及传感器组14连接，蓄电池193用于为主控模块15及传感器组14供电。

逆变器194分别与蓄电池193及升降控制装置连接，逆变器194用于将蓄电池193的直流电转换为交流电，为升降控制装置及系统中的交流负载供电。

日照不足(如夜间、阴雨雪天等)时，由蓄电池193提供负荷工作所需电能；日照充足时，由太阳能板191直接为负荷供电，并同时为蓄电池193充电。

于本具体实施例中，控制室1内还设置有PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，可编程逻辑控制器21与升降控制装置连接。通过可编程逻辑控制器21控制升降控制装置收放绞绳，带动密封舱4在围隔3内上下移动。

于本具体实施例中，控制室内1还设置有GPRS(General packet radio service，通用分组无线服务)模块。通过通用同步异步收发器(USART)接口连接GPRS模块，将数据发送至服务器。

于本具体实施例中，浮标10采用三点系泊方法，即浮标10通过三根锚绳9与水底连接；浮标10用于搭载控制室1及其内部设备，固定水下引导绳2，标示围隔3位置以及警示过往船只。浮标10采用三点锚定，限制浮标10扭转幅度，防止连接浮标10上设备和围隔3主体内设备的绞绳8和脐带缆7发生扭转。

于本具体实施例中，环境数据包括温度、酸碱度、营养盐浓度及溶解氧含量。传感器组14包括温度传感器141、酸碱度传感器142、营养盐浓度传感器143、溶解氧传感器144及深度传感器145；温度传感器141用于检测围隔内的温度；酸碱度传感器142用于检测围隔内的酸碱度；营养盐浓度传感器143用于检测围隔内的营养盐浓度；溶解氧传感器144用于检测围隔内的溶解氧含量。所述深度传感器145用于检测密封舱4的当前深度。

阀组13包括流量计和电磁阀17。流量计用于检测围隔内溶液的注入量。

主控模块15根据围隔3内的温度产生电压控制信号，根据酸碱度、营养盐浓度、溶解氧含量及溶液的注入量产生注液控制信号。在进行温度调控时，传感器组14内的温度传感器141实时测量周围水体的温度并发送给主控制器，主控制器运行温度控制算法，计算出可控硅模块17的输出电压值，可控硅模块17通过输出的电压控制加热棒11的加热功率，加热周围水体，温度传感器141将实时测得的温度值传回主控制器，主控制器运行温度控制算法，通过闭环控制实现围隔定深温度调节，并稳定维持设定时长。

电磁阀18与主控模块15连接，电磁阀18用于在注液控制信号的作用下，控制围隔3内溶液的通断。

于本具体实施例中，控制室1内还设置有液压源模块20。通过液压源模块20、流量计以及电磁阀18控制注入围隔3内溶液的量，达到准确稳定的pH和营养盐浓度调控。主控模块15还用于控制液压源模块20通过脐带缆7中的软管往围隔主体内输送溶液。通过控制输送入围隔3内的溶液量实现围隔内相关参数的调控。

如图5所示，加热设备为加热棒11，加热棒11通过脐带缆7与控制室1内的可控硅模块连接；注液设备为一盘状的渗水管12，渗水管12的管壁密布小孔。控制室1内还设置有液压源模块20；液压源模块通过脐带缆7中的注液软管往围隔3内注入溶液，溶液通过渗水管12被均匀喷洒在围隔3内，与周围的海水充分混合。

通过往围隔3内注入二氧化碳与海水充分混合的溶液以及营养盐溶液，分别实现酸碱度和营养盐浓度调控。在进行溶液量调控时，传感器组14内的pH传感器142和营养盐传感器143实时测量周围水体的pH值和营养盐浓度并发送给主控制器，主控制器运行注液控制算法，计算注液量。控制室1内的液压源模块20通过脐带缆7中的软管往围隔3内注入溶液，溶液通过注液设备被均匀喷洒在围隔3内，与周围的海水充分混合。溶液的注入量通过密封舱4内的流量计计量，达到注液量后，主控制器控制电磁阀18关断注液口。注液过程中，传感器组14中的pH传感器142和营养盐浓度传感器143将实时测得的pH值和营养盐浓度值传回主控制器，主控制器运行注液控制算法，通过闭环控制实现围隔定深pH值和营养盐浓度调节，并稳定维持设定时长。

水下围隔可依据用户需求设定数据采集类型和采集频率，采集模式可分为剖面数据采集和定深数据采集。在进行数据采集时，首先设定好数据采集模式、开始时间以及采样频率，到达采样时间后RTC(Real_Time Clock，实时时钟)通过串行外设接口(SPI接口)唤醒主控制器，主控制器接通能源模块，能源模块开始为PLC、电动绞车和传感器组供电。PLC控制电动绞车牵引绞绳8，缓慢拉动密封舱4沿着滑轨6向围隔顶部移动。

当进行剖面数据采集时，PLC控制电动绞车将密封舱4从围隔主体底部拉到顶部，完成一次剖面数据采集工作。当进行定深数据采集时，主控制器通过实时读取深度传感器145信息计算当前位置，到达指定深度后就停止电动绞车，开始数据采集工作。主控制器接收完传感器组14传回的数据后，将数据通过串口USART连接的GPRS模块发往服务器并将数据备份到SD(Secure Digital Memory Card，安全数码卡)卡中，服务器收到数据后对数据进行筛选、处理并存入云端，用户可以通过移动端软件访问/下载数据。主控制器完成数据存储转发后，PLC控制电动绞车反转，缓缓放松绞绳，让密封舱4在自重下落回滑轨6的底部，然后主控模块控制能源模块断开，系统掉电，进入停机模式，只留下RTC的电源保持接通，等待下一次采集时刻的到来。

于本具体实施例中，升降控制装置为一电动绞车，电动绞车通过绞绳8连接密封舱4；滑轨6材质为PE，电动绞车通过尼龙材质绞绳8拖拉密封舱4在滑轨6上移动；绳子收紧，密封舱4顺着滑轨6往围隔3顶部移动，绳子放松，密封舱4在自重下往围隔3底部移动，为了防止将滑块5拉脱出滑轨6，滑轨6的长度设置超出围隔3围隔体31一定高度，即滑轨6的顶端凸出于围隔3的内壁。

如图2-4所示，围隔3包括围隔体31和底座32；围隔体31包括吊装用吊环311、玻璃钢筒壁312和围隔体拉环313，吊环311和围隔体拉环313均设置于玻璃钢筒壁312的外侧；底座32包括套设于围隔体31底部的水泥套筒321、中空六边形水泥底座322、底座拉环323、连接水泥套筒321和中空六边形水泥底座322的横杆324和连接围隔体拉环313和底座拉环323的拉绳325；水泥套筒321外部呈六边形，内部呈圆形，内部有一个凸出筒底的凸台3211；采用圆柱型围隔体31主要考虑到它结构简单、制作方便。底座32设计成中空样式，既可以在装置入水时减少迎流面积，还可以减轻围隔3整体的重量，防止因质量过重陷入底泥。为了满足对生物、化学过程的研究，围隔3主体尽量减少金属材质的使用，围隔体31选择聚氯乙烯(PVC)，底座32采用水泥材质，既耐腐蚀又能够避开金属污染，围隔体31的PVC材料相对底座32的水泥质地较轻，降低了围隔3的重心位置，提高了装置的稳定性。

本实施例中，还包括用于承载采水装置的引导笼(如图6所示)和引导绳2，引导绳2设置于围隔3底部与浮标10之间，引导绳2用于引导引导笼滑入围隔3中采集水样；采水时将采水器放入上下开口的引导笼，取下水面浮标10上的引导绳2，将笼子穿入引导绳2，采水装置沿着引导绳2进入围隔3，采集完水样后通过栓系在笼子上的牵引绳将笼子和里面的装置拉回水面，其中装载采水器的笼子设计为上宽下窄的结构，这种结构有利于笼子碰到围隔3主体上边沿时顺利滑入围隔3。

本实施例中，脐带缆7从距离水面一定高度的位置(略大于围隔3主体高度)开始，将脐带缆7和绞绳8每隔一定距离用轧带固定，轧带固定能防止绞绳8与脐带缆7在水流和波浪作用下发生缠绕，从距离水面一定距离开始固定保证电动绞车收回绞绳8的过程中脐带缆7不会卷入电动绞车，保证固定点间脐带缆7长度略大于绞绳8长度，防止脐带缆7因长时间受到重力发生变形。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。