Фенгмей Ли, Яогуанг Вей *, Инги Чен, Даолян Ли һәм Сю Чжан
Кабул ителде: 1 октябрь 2015;Кабул ителде: 1 декабрь 2015;Басылган: 2015 елның 9 декабре
Академик редактор: Фрэнсис С. Лиглер
Мәгълүмати һәм электротехник колледжы, Кытай авыл хуҗалыгы университеты, 17 ingинхуа Көнчыгыш юлы,
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
Аннотация:Эретелгән кислород (DO) - су бакчасында бишлекнең сәламәт үсүенә тәэсир итүче төп фактор.DO эчтәлеге су мохите белән үзгәрә, шуңа күрә он-лайн күзәтелергә тиеш.Ләкин, традицион үлчәү ысуллары, йодометрия һәм башка химик анализ ысуллары, онлайн мониторинг өчен яраксыз.Кларк методы озак вакыт мониторинг өчен тотрыклы түгел.Бу проблемаларны чишү өчен, бу кәгазь флуоресцентны сүндерү механизмына нигезләнгән акыллы DO үлчәү ысулын тәкъдим итә. Measлчәү системасы флуоресцентны сүндерүне ачыклау, сигнал кондиционеры, акыллы эшкәртү һәм электр белән тәэмин итү модулларыннан тора.Оптик тикшерү DO эчтәлеген ачыклау һәм проблеманы чишү өчен флуоресцент сүндерү механизмын кабул итә, ә традицион химик ысуллар әйләнә-тирә мохиткә җиңел йогынты ясыйлар.Оптик зонада термистор һәм икеләтә дулкынлану чыганаклары бар, күренгән паразитик яктылыкны изоляцияләү һәм компенсация стратегиясен башкару.Интеллектуаль эшкәртү модуле IEEE 1451.2 стандартын кабул итә һәм акыллы компенсацияне тормышка ашыра.Эксперименталь нәтиҗәләр шуны күрсәтә: оптик үлчәү ысулы тотрыклы, төгәл, һәм бакчачылык кушымталарында онлайн DO мониторингы өчен яраклы.
1. Кереш
Эретелгән кислород (DO) суда эрелгән кислород молекулаларын аңлата һәм кеше һәм хайван тормышын саклап калу өчен бик кирәк.Кислород мөһим аналитик, чөнки аның тормыш фәнендә, биотехнологиядә, медицинада һәм су-бакчасында төп роле бар.Судагы DO эчтәлеге су сыйфатын күрсәтә, һәм суларның үз-үзен чистарту процессында кислород дәрәҗәсен сакчыл контрольдә тоту мөһим [1,2].Суның сыйфаты H2S, NO2, NH4 + һәм органик матдәләр кебек суда булган пычраткыч матдәләр белән тыгыз бәйләнгән.Чиста суларның характеристикалары, шул исәптән төс, химик кислородка ихтыяҗ (COD), һәм биологик кислородка ихтыяҗ (BOD), сәнәгать суларындагы пычраткыч матдәләрне күрсәтәләр [3].Шул ук вакытта, су организмнарының сәламәтлегендә һәм үсешендә DO бик мөһим роль уйный [4,5].Билгеле берничә сәгать эчендә 2 мг / Лдан аз булган DO эчтәлеге су организмнарының сулышына һәм үлеменә китерә [6].Кешеләр өчен эчәргә яраклы су күләме 6 мг / Лдан ким булмаска тиеш.Димәк, кислород концентрациясен билгеләү су-культура сәнәгатендә һәм көндәлек тормышта зур әһәмияткә ия.Ләкин, температураның, басымның, тозлылыкның барлык тышкы йогынты ясаучы факторлары белән DO эчтәлеген мониторинглау диффектив.Төгәл DO эчтәлеген алу өчен, ачыклау ысулы акыллы компенсация кертергә тиеш.Гомумән, DO эчтәлеген ачыклау өчен өч ысул кулланылырга мөмкин: йодометрик, электрохимик һәм оптик ысуллар [7,8].
Йодометрик ысул [9,10] - суда DO эчтәлеген ачыклауның популяр һәм төгәл ысулы.Бу бишенче ысул, ләкин катлаулы ачыклау процессы бар һәм су сыйфатын он-лайн рәвештә табу өчен кулланып булмый.Бу ысул, нигездә, лаборатория мохитендә эскәмия буларак кулланыла.Электрохимик ысул [11–14] электродларда редокс реакцияләре җитештергән токны ачыклау өчен электродлар куллана.Бу ысулны ачыклау принцибы нигезендә поларографик тип яки гальваник күзәнәк тибы дип классификацияләргә мөмкин.Электрохимик ысул DO эчтәлеген ачыклауда озын тарихка ия;Кларк поларографик ысулы дип аталган бишенче ысул 1956-нчы елда YSI компаниясе Кларк тарафыннан эшләнгән [12].Йодометриядән аермалы буларак, электрохимик ысул электрод һәм DO молекулалары арасында булган һәм ачыклау процессында кислород кулланган оксидлашу-киметү реакциясе буенча DO эчтәлеген күзәтә.Ачыклау нәтиҗәләрен билгеләүдә катнашучы күп санлы факторлар белән инструменталь дрифтның котылгысыз булуын исәпкә алып, электрохимик сенсорлар регуляр калибрлау һәм алыштыруны таләп итәләр.Оптик DO сенсорлары [15,16] йодометрия һәм электрохимик ысулларга караганда җәлеп итүчән, чөнки аларның тиз җавап бирү вакыты бар, кислород кулланмыйлар, вакыт узу белән кечкенә хәрәкәтләнәләр, тышкы тәртип бозуларга каршы торырга һәм маргиналь калибрлау таләп итәләр.Оптик DO сенсорларын ачыклау принцибы флуоресцент сүндерүгә нигезләнә, шул исәптән флуоресцент гомерен ачыклау һәм флуоресцент интенсивлыкны ачыклау.Интенсивлыкны ачыклау фотодиод аша, гомердән аермалы буларак, фаза сменасы нигезендә ачыкланырга тиеш [17].Бу тикшеренү флуоресцентны сүндерү механизмына нигезләнеп интеллектуаль оптик үлчәү ысулын эшләп чыгара.
Methodsгарыда телгә алынган ысулларның кайбер өстенлекләре һәм кимчелекләре бар, аларны Кытайдагы бакчачылык тармагына яраксыз итәләр.Беренчедән, DO эчтәлеген ачыклау аквариум өчен диффикульт, ул су-бакчасы сәнәгатенә йогынты ясаучы күп факторлар белән эш итәргә тиеш.Өч ысулны чагыштыру шуны күрсәтә: электрохимик ысул начар анти-интерфейс үзенчәлекләре аркасында яхшы сайлау түгел.Икенчедән, DO эчтәлеге даими түгел, һәм табигый судагы концентрация бишенче үлемгә китерә.Шулай итеп, реаль вакытта DO эчтәлеген табу бик мөһим.Ләкин, йодометрия ысулы белән су үрнәкләре лабораториядә сыналырга тиеш, бу ысулны организмны мониторинглау өчен яраксыз итеп күрсәтәләр.
Ниһаять, традицион оптик сенсорларның берничә җитешсезлеге бар, шул исәптән тышкы температураның үзгәрүенә сизгерлек, басым, тозлы булу, буяуның деградациясе яки агып китүе аркасында яктылык чыганагы һәм дрифт.Акыллы эшкәртү модулларын өстәп, бу факторларның барысы да кимергә мөмкин.Чит илләрдән кертелгән гадәти оптик DO сенсоры кыйммәт, һәм бакчачылык тармагында кулланылганда югары төгәллеккә ия түгел.Шулай итеп, арзан һәм интеллектуаль оптик DO сенсорын проектлау һәм үстерү кирәк. Бу тикшерү флуоресцентны сүндерү механизмы нигезендә акыллы DO үлчәү ысулын тәкъдим итә һәм эшләп чыгара.Сенсорда дүрт модуль бар: флуоресцент сүндерүне ачыклау, сигнал кондиционеры, акыллы эшкәртү һәм электр белән тәэмин итү модуллары.Флуоресцент сүндерүгә нигезләнгән сенсорның берничә өстенлекле ягы бар: түбән энергия куллану, кечерәк зурлык, төгәллек һәм йодометрия яки электрохимик сенсорларга караганда көчлерәк анти-интерфейс үзенчәлекләре.
2. Материаллар һәм ысуллар
2.1.Оптик эретелгән кислород сенсорының гомуми дизайны
Тотрыксыз йогынты ясау факторларының булуын исәпкә алып, сенсор флуоресцентны сүндерү нигезендә оптик зонаны кабул итә.Традицион DO сенсоры белән чагыштырганда, бу тикшеренүдә тәкъдим ителгән интеллектуаль оптик DO сенсоры көчәйтелгән тикшерү структурасына һәм өстәмә акыллы эшкәртү модулына ия.Бу калибрлау параметрлары трансдуктер электрон мәгълүмат таблицасында (TEDS) хәтердә саклана.1 нче рәсемдә флуоресцент сүндерүне ачыклау, сигнал кондиционеры, акыллы эшкәртү һәм электр белән тәэмин итү модуллары интеллектуаль сенсорга кертелгәнлеге күрсәтелә.Флуоресцент сүндерүне ачыклау модулында температура зонасы һәм DO зонасы бар.Температура зонасы су температурасы сигналларын җыю өчен, һәм DO зонасы DO сигналларын җыю өчен җаваплы.Оригиналь кертү сигналын сигнал кондиционеры схемалары белән 0–2.5 В көчәнеш сигналына әйләндерергә мөмкин.Интеллектуаль эшкәртү модулының үзәге булган MSP430 микроконтроль сигнал кондиционеры схемаларына, TEDS хәтеренә һәм серия интерфейсына тоташтырылган [18].Collectedыелган мәгълүматлар күп продуктлы мәгълүматларны берләштерү технологиясе ярдәмендә кушылалар, һәм алынган DO кыйммәте микроконтроль белән эшкәртелгәннән һәм анализланганнан соң RS485 интерфейсы аша күчерелә.RS485 интерфейсы микроконтрольга югары компьютер белән аралашырга мөмкинлек бирә.Сенсор сүндерелгән электр белән тәэмин ителә, ул шулай ук MSP430 микроконтроль белән идарә ителә.
2.2.Флуоресцент сүндерүне ачыклау модулының дизайны
Флуоресцентны сүндерүне ачыклау модулының схемасы 2 нче рәсемдә күрсәтелгән, якынча 16 см, диаметры 4 см.Компакт зонасы конфигурациясе су-культура таләпләренә туры килү өчен кулланыла.2-нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, DO зонасында икеләтә югары яктылыклы зәңгәр светофор, сель-гель филильм, пыяла слайд, кызыл оптик филилтер, зәңгәр оптик филилтер кәгазе һәм кремний фотодиод бар.Бу модуль шулай ук үлчәү вакытында әйләнә-тирә температураны күзәтү өчен платина каршылыгын үз эченә ала.Флюоресцент интенсивлык һәм температура температураны калибрлау өчен программа тәэминатында эшкәртелә.
Ике югары яктылыклы зәңгәр светофорлар (LA470-02) бер ешлыкта модуляцияләнәләр, шуңа күрә белешмә LED дулкынландыргыч LED компенсациясен куллану өчен кулланыла ала, чөнки зәңгәр LEDларның яктылык интенсивлыгы югалуы бер үк.Шул ук ешлыкта, фотодиод үлчәү мохитендәге тирә яктылык аркасында фон нурланышын киметә һәм теләсә нинди флуоресцент материалның дулкынлануыннан саклый ала.Моннан тыш, яктырткычларның интенсивлыгы түбән дәрәҗәгә кадәр кими, буяуның фотоблечинг феномены килеп чыгу ихтималы бик аз [19].Зәңгәр дулкынландыргыч LED-ның үзәк дулкын озынлыгы якынча 465 нм, ул башка дулкын озынлыкларын яктырту өчен зәңгәр полоса кәгазе белән чистартылган.Эксперименталь нәтиҗәләр шуны күрсәтә: зәңгәр нур сизгер мембрананы 650 нм тизлектә флуоресенция чыгарырга этәрә ала.Паразитик яктылыкның тәэсирен киметү өчен, зонд зәңгәр полосадан торган бишенче кәгазь (OF1 һәм OF2) белән яктыртылган, кремний фотодиоды алдында кызыл югары пассажир (OF3).Кремний фотодиоды (OPT 301) сель-гельдән флуоресцентны һәм LED яктылыгыннан зәңгәр яктылыкны алу өчен кулланыла.Зәңгәр дулкынландыргыч LED һәм зәңгәр белешмә LED кызыл югары пассажирның төрле ягында аерылган, бу паразитик яктылыкны кисүдә һәм оптик сигналны ачыклауның төгәллеген гарантияләүдә файдалы. DO сенсоры һәм аның эшләве сенсорның төгәллегенә, эффективлыгына һәм тотрыклылыгына зур йогынты ясый.Тикшерүчеләр флуоресцентлык күрсәткечләре буенча берничә тикшеренүләр үткәрделәр һәм иң еш очрый торган флуоресцент күрсәткечләрдә металл порфирин комплекслары, органик полициклы хуш исле углеводородлар һәм металл комплекслар бар [23].Ru (bpy) 3Cl2 бу тикшеренүдә флуоресцент индикаторы итеп сайланган, чөнки металлдан-лиганга корылма-күчерү торышы, озын гомер, һәм спектрның зәңгәр-яшел төбәгендә көчле үзләштерү. югары яктылык зәңгәр LED [20].Буяу якынча 0,04 мм булган күзәнәкле һәм гидрофобик эремчеккә салынган.Сель-гель филильм пыяла слайд өслегенә куелган, дулкынлану һәм люминесценция үтеп керү өчен ачык булырга тиеш.Фильм шулай ук дуга формасында булырга һәм тотрыклы зурлыкны сакларга тиеш;дуга өслеге контакт өлкәсен арттыру һәм өслек күпереннән саклану өчен эшләнгән.Сенсорның эш принцибы флуоресцентны сүндерү механизмына нигезләнгән.Флуоресцентны сүндерү процессы Стерн-Волмер тигезләмәсе белән сурәтләнә [24–26].
Пост вакыты: 26-2022 март