CN111077920A - 湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统，包括PLC控制装置和至少一组培养单元；所述一组培养单元包括：培养柱、pH检测探头、溶氧检测探头、供气管路、供液管路和电磁阀；所述pH检测探头、溶氧检测探头通入培养柱的上覆水层中，将检测信号反馈至PLC控制装置，PLC控制装置根据测定值，控制电磁阀经供气管路或供液管路向上覆水层通入对应的气体或酸碱，实现溶解氧和pH的自动控制。本发明的湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统可以准确控制上覆水的溶解氧和pH水平，波动幅度在0.5以内，并能通过温控装置，控制沉积物‑水系统的培养温度，对于研究沉积物的内源释放机制及其对藻类生长的影响具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统。
背景技术
湖泊富营养化是我国当前水环境面临的主要问题之一。由于氮、磷等营养盐的过量输入，会导致水体藻类迅速生长繁殖，使清澈碧绿的水质变得混浊不堪，颜色各异，甚至出现水华现象(Water bloom)，破坏水生态，影响饮用水源地供水安全。外源污染进入湖泊后很大一部分沉积到湖泊沉积物当中，这些积累的营养盐在合适的条件下会再次释放出来供给藻类生长，形成内源污染。研究湖泊的内源释放条件及其对藻类生长的影响是当前湖泊富营养化治理的重要内容。影响湖泊沉积物营养盐内源释放的主要因素是水体的温度、溶解氧和pH。富营养化化湖泊水体由于藻类的光合作用和呼吸作用，水体有机物的合成与降解等因素，水体的溶解氧和pH经常处于波动之中，因此很难定量研究湖泊沉积物内源释放的环境条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统，包括PLC控制装置和至少一组培养单元；所述一组培养单元包括：培养柱、pH检测探头、溶氧检测探头、供气管路、供液管路和电磁阀；
所述pH检测探头、溶氧检测探头通入培养柱的上覆水层中，将检测信号反馈至PLC控制装置，PLC控制装置根据测定值，控制电磁阀经供气管路或供液管路向上覆水层通入对应的气体或酸碱。
作为本发明的进一步改进，所述培养柱顶部通过封盖封闭；封盖上开设若干贯通孔，pH检测探头、溶氧检测探头、供气软管路和供液管路分别穿过所述贯通孔通入上覆水。进一步的，所述封盖侧面设有两道环形凹槽，所述环形凹槽上装有硅胶圈。靠硅胶圈的弹性，封盖可以与柱体紧密结合，密封。
作为本发明的进一步改进，所述系统还包括搅拌器，所述搅拌器一端连接PLC控制装置，另一端通入上覆水中。采用搅拌器搅拌上覆水，使得培养柱中水体混合均匀。
作为本发明的进一步改进，所述供气管路、供液管路由软管和软管管头处连接的金属管组成，金属管穿过贯通孔通入上覆水。进一步的，所述金属管与封盖连接处密封；优选采用橡胶带密封。
作为本发明的进一步改进，所述供气管路通过气泵连接气瓶；气泵的控制端连接电磁泵；供气管路上设有气体流量计，所述气体流量计连接PLC控制装置。
作为本发明的进一步改进，所述供液管路通过蠕动泵连接酸缸/碱缸；蠕动泵的控制端连接电磁泵。蠕动泵可以控制液体流速和流量。
作为本发明的进一步改进，所述系统还包括温控装置，用于控制培养柱温度；优选所述温控装置为水浴槽。进一步的，所述水浴槽通过金属盖封闭，所述金属盖上开设至少一个与培养柱外径适配的贯通孔，用于容纳培养柱。
作为本发明的进一步改进，还包括排气管，所述排气管穿过所述贯通孔与培养管内气体连通。
作为本发明的进一步改进，还包括排水装置；所述排水装置包括排水管、压力阀和储水装置，所述排水管连接培养柱，液体超过液位后，进入排水管冲开压力阀进入储水装置，以将上覆水的液位控制在一定范围内。
作为本发明的进一步改进，所述封盖上设有柱状凹槽，柱状凹槽内表面有螺纹，可结合螺杆取下封盖。
本发明的方法，所述PLC控制装置的控制流程为：
（1）打开气阀使供气管路中充满气体；设定pH标准值、溶氧标准值、pH标准值偏差、溶氧标准值偏差及探头采样间隔；
（2）接收pH检测探头、溶氧检测探头发送的检测信号，并分别与标准值比对；
（3）溶氧检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的电磁泵，通入氦气或氧气，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差；pH检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的电磁泵，通入酸或碱，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差。
进一步的，还包括：在电磁泵启动时，启动搅拌器。
进一步的，所述步骤（1）中，分时段设定不同的溶解氧标准值和pH标准值。控制不同时段溶氧和pH，以模拟白天因光合作用溶解氧和pH高，晚上因呼吸作用溶解氧低的昼夜变化节律。
进一步的，PLC控制装置根据检测值和标准值的差值范围，控制气体流量计，蠕动泵调节气体、酸碱进入上覆水的流速，当检测值和标准值的差过大时，增加流速，以快速恢复溶氧、pH水平。
本发明的湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统可以准确控制上覆水的溶解氧和pH水平，波动幅度在0.5以内，并能通过温控装置，控制沉积物-水系统的培养温度，对于研究沉积物的内源释放机制及其对藻类生长的影响具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例1的系统装置结构示意图。
图2是软管和培养柱连接处结构示意图。
图3是封盖的环形凹槽和柱状凹槽结构示意图。
图4是本发明实施例2的系统装置结构示意图。
图5是水浴槽俯视结构示意图。
图6是本发明实施例3的系统装置结构示意图。
图7是软件流程控制前面板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步阐述。
实施例1
如图1-3所示的湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统，包括PLC控制装置3和至少一组培养单元；
所述一组培养单元包括：
培养柱，由柱体1和封盖2组成；柱体内从下至上依次为沉积物、上覆水和气体；柱体1上端通过封盖2封闭，封盖2上开设若干贯通孔，pH检测探头5、溶氧检测探头6、第一供气管路7、第二供气管路8、第一供液管路9和第二供液管路10分别穿过贯通孔通入上覆水。排气管16穿过贯通孔与培养管内气体连通。每个管路通过独立的贯通孔连接培养柱1。
第一供气管路7、第二供气管路8分别通过第一气泵71、第二气泵81的进气口连接氧气钢瓶72和氦气钢瓶82；第一气泵71、第二气泵81的控制端连接第一电磁泵11；第一供液管路9、第二供液管路10分别通过第一蠕动泵91、第二蠕动泵101的进液口连接酸缸92（内为盐酸）和碱缸102（内为氢氧化钠）；第一液泵91、第二液泵101连接的控制端连接第二电磁泵12；第一供气管路7、第二供气管路8上设有气体流量计73，83，pH检测探头5、溶氧检测探头6、第一电磁泵11、第二电磁泵12、流量计73，83分别连接至PLC控制装置3。
第一供气管路7、第二供气管路8、第一供液管路9和第二供液管路10由软管和管头处连接的金属管14组成，金属管14穿过贯通孔通入上覆水。金属管14与封盖2连接处密封；本实施例中采用橡胶带15密封。金属管14为刚性管，易于连接封盖或取出，金属管采用不锈钢管，耐酸碱腐蚀。
本实施例的系统还包括搅拌器13，搅拌器一端连接PLC控制装置，另一端通过贯通孔通入上覆水中。
如图3所示封盖2侧面设有两道环形凹槽21，环形凹槽21上装有硅胶圈，靠硅胶圈的弹性，封盖2可以与培养柱1柱体紧密结合，密封。为便于取下封盖2，所述封盖2上还设有柱状凹槽20。
本发明的PLC控制装置的控制流程基于LabVIEW实现，通过OPC通讯协议与上位机中的LabVIEW控制程序通信，实现软件控制。
本实施例中PLC控制装置的控制流程为：
（1）打开气阀使第一供气软管7、第二供气软管8中充满气体；设定pH标准值、溶氧标准值、pH标准值偏差、溶氧标准值偏差及探头采样间隔；
本实施例中，分时段设定pH标准值、溶氧标准值，设置2-12个小时为一个周期，以2小时的间隔任意调节。
（2）接收pH检测探头5、溶氧检测探头6发送的检测信号，并分别与标准值比对；
（3）溶氧检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的第一电磁泵11，通入氦气或氧气，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差；pH检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的第二电磁泵12，通入酸或碱，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差。在第一电磁泵11或第二电磁泵12启动时，启动搅拌器13。
PLC控制装置根据检测值和标准值的差值范围，控制气体流量计，蠕动泵调节气体、酸碱进入上覆水的流速，当检测值和标准值的差过大时，增加流速，以快速恢复溶氧、pH水平。
本实施例中，还基于软件设定数据存储间隔，将数据以EXCEL格式保存至本地数据库，用于后续研究。
本实施例的湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统可以准确控制上覆水的溶解氧和pH水平，波动幅度在0.5以内。
实施例2
如图4-5所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括温控装置4，用于控制培养柱中沉积物-水系统的培养温度；本实施例所述的温控装置为水浴槽，水浴槽液面与培养柱内上覆水液面平齐。
所述水浴槽通过金属盖41封闭，所述金属盖41上开设至少一个与培养柱外径适配的贯通孔42，用于容纳培养柱。图5所示为系统包含12个培养单元的情形，12个贯通孔42呈阵列形式均匀分布，容纳12个培养柱。
实施例3
如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括排水装置，所述排水装置包括排水管17、压力阀18和储水容器19。排水管17可通过封盖2通入上覆水，或在培养柱1柱身开排水孔，与排水管17连接，压力阀18为溢流阀，在液位超过一定高度后，压力阀18开启，排出多余的水，维持培养体系中的上覆水量。
Claims (10)
1.一种湖泊沉积物上覆水溶解氧和pH自动控制系统，其特征在于，包括PLC控制装置（3）和至少一组培养单元；所述一组培养单元包括：培养柱（1）、pH检测探头（5）、溶氧检测探头（6）、供气管路（7，8）、供液管路（9，10）和电磁阀；
所述pH检测探头（5）、溶氧检测探头（6）通入培养柱（1）的上覆水层中，将检测信号反馈至PLC控制装置（3），PLC控制装置（3）根据测定值，控制电磁阀经供气管路（7，8）或供液管路（9，10）向上覆水层通入对应的气体或酸碱。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述培养柱顶部通过封盖（2）封闭；封盖上开设若干贯通孔，pH检测探头（5）、溶氧检测探头（6）、供气软管路（7，8）和供液管路（9，10）分别穿过所述贯通孔通入上覆水。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括搅拌器（13），所述搅拌器一端连接PLC控制装置，另一端通入上覆水中。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述供气管路、供液管路由软管和软管管头处连接的金属管（14）组成，金属管穿过贯通孔通入上覆水；所述金属管（14）与封盖（2）连接处密封；优选采用橡胶带（15）密封。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供气管路通过气泵连接气瓶；气泵的控制端连接电磁泵（11）；供气管路（7，8）上设有气体流量计（73，83），所述气体流量计连接PLC控制装置。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供液管路通过蠕动泵（91，101）连接酸缸/碱缸；蠕动泵的控制端连接电磁泵（12）。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括温控装置（4），用于控制培养柱温度；优选所述温控装置为水浴槽；所述水浴槽通过金属盖（41）封闭，所述金属盖上开设至少一个与培养柱外径适配的贯通孔（42），用于容纳培养柱。
8.根据权利要求1~7任一项所述的系统，其特征在于，所述PLC控制装置的控制流程为：
（1）打开气阀使供气管路中充满气体；设定pH标准值、溶氧标准值、pH标准值偏差、溶氧标准值偏差及探头采样间隔；
（2）接收pH检测探头（5）、溶氧检测探头（6）发送的检测信号，并分别与标准值比对；
（3）溶氧检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的电磁泵（11），通入氦气或氧气，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差；pH检测值与标准值的差的绝对值大于标准值偏差时，打开对应的电磁泵（12），通入酸或碱，直至检测值和标准值的差的绝对值小于标准值偏差。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：在电磁泵（11，12）启动时，启动搅拌器（13）。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述步骤（1）中，分时段设定不同的溶解氧标准值和pH标准值。
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