本實用新型涉及海洋環(huán)境模擬領(lǐng)域，具體地說是一種海洋酸化和低氧模擬裝置。

背景技術(shù)：

全球氣候變化及近岸富營養(yǎng)化等人類活動的加劇，導(dǎo)致海洋酸化和低氧等現(xiàn)象往往同時發(fā)生。此類現(xiàn)象在我國近海環(huán)境中屢有報道，對海洋生物和海洋生態(tài)環(huán)境安全帶來了巨大威脅。目前，多數(shù)研究采用單獨酸化或低氧的方式開展相關(guān)脅迫實驗，關(guān)于酸化和低氧協(xié)同影響的研究亟需開展。因此，研發(fā)能夠精確模擬海洋酸化和低氧的裝置可為開展可控模擬實驗，探討海洋酸化和低氧對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要的意義。

國內(nèi)外現(xiàn)有的海洋酸化和低氧的模擬方法，主要有：

1)經(jīng)驗控制法：對海水水體進(jìn)行CO₂、N₂的單獨曝氣或聯(lián)合曝氣，待海水pH和溶氧穩(wěn)定后，放入海洋生物進(jìn)行實驗；此種裝置根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先設(shè)定好了CO₂、N₂的曝氣量，在海洋生物呼吸干擾下，溶氧和pH極不穩(wěn)定；此種方法使用范圍受限，實驗結(jié)果難以重復(fù)。

2)電磁閥控制法：通過檢測海水中pH和溶氧，使用電磁閥控制CO₂和N₂的通入，以達(dá)到設(shè)置的pH和溶氧。此種方法僅能簡單控制氣體的通入與否，而不能調(diào)整氣體的配比，因此曝氣不穩(wěn)定，曝氣量及曝氣周期變化明顯，不能進(jìn)行精確控制。此外，氣體的通入時有時無，對海洋生物行為產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種海洋酸化和低氧模擬裝置，通過實時監(jiān)測海水溶氧，進(jìn)行水體溶氧和pH精確同步調(diào)節(jié)。

本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：

一種海洋酸化和低氧模擬裝置，

空氣氣源通過空氣通路后接入到空氣質(zhì)量流量控制器6的輸入端，空氣質(zhì)量流量控制器6的輸出端連接到排氣電磁閥12，將流量控制后的空氣與氮氣、二氧化碳?xì)怏w混合；

經(jīng)過減壓后的氮氣通入到氮氣質(zhì)量流量控制器7的輸入端，氮氣質(zhì)量流量控制器7的輸出端連接到排氣電磁閥12，將流量控制后的氮氣與空氣、二氧化碳?xì)怏w混合；

經(jīng)過減壓后的二氧化碳?xì)怏w通入到二氧化碳質(zhì)量流量控制器8的輸入端，二氧化碳質(zhì)量流量控制器8的輸出端連接到排氣電磁閥12，將流量控制后的二氧化碳?xì)怏w與空氣、氮氣混合；

排氣電磁閥12連通曝氣閥組13，控制混合后的氣體通入曝氣閥組13，曝氣閥組13與曝氣環(huán)14連通，使氣體通過曝氣環(huán)14對水體進(jìn)行曝氣；

采集控制器9連接溶氧測量傳感器10和pH測量傳感器11，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器9連接空氣質(zhì)量流量控制器6、氮氣質(zhì)量流量控制器7、二氧化碳質(zhì)量流量控制器8、空氣通路和排氣電磁閥12，對其發(fā)送控制信號，并同時采集空氣質(zhì)量流量控制器6、氮氣質(zhì)量流量控制器7和二氧化碳質(zhì)量流量控制器8的反饋信號，檢測裝置工作狀態(tài)。

所述空氣通路包括空氣干燥過濾減壓器1通過電磁閥3連接到干燥過濾器5的輸入端，空氣氣源通過空氣干燥過濾減壓器1進(jìn)行干燥及顆粒過濾，并對壓力進(jìn)行調(diào)整后將氣體通過電磁閥3后進(jìn)入干燥過濾器5。

還包括在電磁閥3和干燥過濾器5之間設(shè)置二氧化碳過濾管4，電磁閥3控制輸出的空氣通過二氧化碳過濾管4濾除二氧化碳后再通入干燥過濾器5。

所述空氣干燥過濾減壓器1通過備用安全電磁閥2連接曝氣環(huán)14，采集控制器9連接備用安全電磁閥2，當(dāng)系統(tǒng)上電后未按設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行控制或出現(xiàn)故障時，控制備用安全電磁閥2打開，向水體曝空氣。

所述曝氣閥組13包括一組溶解氧傳感器和pH測量傳感器插入1個水體中，該水體通過蠕動泵15串聯(lián)若干個水體，每個水體中插入一路曝氣環(huán)14。

所述若干個水體為1～6個水體。

本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.本實用新型的基于PID的海洋酸化和低氧模擬裝置，采用雙增量式PID控制算法，可以根據(jù)pH和溶氧的實測值與用戶設(shè)定值的差異，實時確定合適的曝氣比例；相比較采用電磁閥開關(guān)的調(diào)節(jié)方式，PID算法不僅調(diào)節(jié)速度快，而且pH和溶氧穩(wěn)態(tài)的保持效果，遠(yuǎn)勝于電磁閥調(diào)控方式；

2.本實用新型的基于PID的海洋酸化和低氧模擬裝置及其控制算法，氣體總流量可調(diào)，便于對不同溫度和體積的海水進(jìn)行pH和溶氧的同步調(diào)整，且pH和溶氧可以任意設(shè)定，克服了調(diào)整pH及溶氧相互影響的缺點；

3.本實用新型的基于PID的海洋酸化和低氧模擬裝置及其控制算法，在有海洋生物呼吸干擾的水體中，仍能實現(xiàn)pH和溶氧的穩(wěn)定控制，因而在海洋酸化和低氧脅迫下的海洋生物生理和行為響應(yīng)等科研工作具有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本實用新型的硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實用新型的方法原理圖；

圖3是本實用新型的控制流程；

圖4是本實用新型的曝氣水體串聯(lián)示意圖；

其中，1為空氣干燥過濾減壓器，2為備用安全電磁閥，3為三通電磁閥，4為二氧化碳過濾管，5為干燥過濾器，6為空氣質(zhì)量流量控制器，7為N₂質(zhì)量流量控制器，8為CO₂質(zhì)量流量控制器，9為采集控制器，10為溶氧測量傳感器，11為pH測量傳感器，12為排氣電磁閥，13為曝氣閥組，14為曝氣環(huán)，15為蠕動泵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

所述海洋酸化和低氧模擬裝置中三路氣源分別為：空氣、N₂、CO₂。壓縮空氣經(jīng)過空氣干燥過濾減壓器1進(jìn)行干燥及顆粒過濾，并將壓力調(diào)整為0.2-0.5Mpa；之后氣體通過三通電磁閥3，若需要提高pH，則經(jīng)過CO₂過濾管4除去空氣中CO₂再進(jìn)入干燥過濾器5，反之，直接進(jìn)入干燥過濾器5；干燥的氣體進(jìn)入空氣質(zhì)量流量控制器6；空氣質(zhì)量流量控制器6可根據(jù)采集控制器9輸入的模擬或數(shù)字信號精確調(diào)整空氣的流量，進(jìn)入排氣電磁閥12并與氮氣、CO₂氣體混合，經(jīng)曝氣閥組13，曝氣環(huán)14對水體進(jìn)行曝氣?？諝赓|(zhì)量流量控制器應(yīng)大于10L/min；N₂質(zhì)量流量控制器應(yīng)大于10L/min；CO₂質(zhì)量流量控制器應(yīng)大于0.1L/min。

空氣氣路依次經(jīng)過空氣干燥過濾減壓器、CO₂過濾器、干燥過濾器、空氣質(zhì)量流量控制器、排氣閥組進(jìn)入實驗水體；N₂氣路依次經(jīng)N₂質(zhì)量流量控制器、排氣閥組進(jìn)入實驗水體；CO₂氣路依次經(jīng)過CO₂質(zhì)量流量控制器、排氣閥組進(jìn)入實驗水體。

CO₂過濾及干燥裝置，應(yīng)包含3通電磁閥、CO₂過濾器；三通電磁閥用于在CO₂過濾和不過濾兩個氣路間進(jìn)行切換。

氮氣使用標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)由減壓器接入，接入氣體壓力為0.2-0.5Mpa，氮氣進(jìn)入氮氣質(zhì)量流量控制器7，并根據(jù)輸入的模擬或數(shù)字信號精確調(diào)整N₂的流量，進(jìn)入排氣電磁閥12與空氣、CO₂氣體混合，經(jīng)曝氣閥組13，曝氣環(huán)14對水體進(jìn)行曝氣。

CO₂使用標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)由減壓器接入，接入氣體壓力為0.2-0.5Mpa，氮氣進(jìn)入CO₂質(zhì)量流量控制器8，并根據(jù)輸入的模擬或數(shù)字信號精確調(diào)整氮氣的流量，進(jìn)入排氣電磁閥12與空氣、氮氣混合，經(jīng)曝氣閥組13，曝氣環(huán)14對水體進(jìn)行曝氣。

所述裝置包括一路備用氣路，由空氣干燥過濾減壓器1出來的氣體除了可進(jìn)入三通電磁閥3，也可進(jìn)入備用安全電磁閥2；當(dāng)系統(tǒng)上電或出現(xiàn)故障時，備用安全電磁閥2打開，向水體曝空氣。

所述裝置的采集控制器9具有采集、計算、控制、驅(qū)動功能，是裝置的核心設(shè)備。采集控制器9采集溶氧測量傳感器10測得的溶解氧以及pH測量傳感器測定的pH，經(jīng)過PID及預(yù)測控制算法后，控制三通電磁閥3及質(zhì)量流量控制器6、7、8及排氣電磁閥12；同時采集質(zhì)量流量控制計6、7、8反饋信號，及時判斷裝置的工作狀況。采集控制器具有兼容各種pH及溶解氧傳感器的接口。為了快速精確控制海水中的溶氧含量及pH，系統(tǒng)采用了雙PID及預(yù)測控制算法，可精確控制氣體的流量和配比。

所述裝置的采集控制器9控制原理如圖2；用戶設(shè)定pH及溶氧目標(biāo)曲線后，系統(tǒng)讀取當(dāng)前目標(biāo)值，開始進(jìn)行控制；溶氧傳感器及pH傳感器實時測量當(dāng)前水體中溶氧及pH，系統(tǒng)讀取后與目標(biāo)值進(jìn)行比對，計算出誤差，并得到控制周期內(nèi)的誤差變化量。在經(jīng)過PID主控回路和PID控制輔助回路，得到氣體的精確配比；將氣體的配比轉(zhuǎn)換為氣體流量對應(yīng)的數(shù)字控制信號或模擬信號，驅(qū)動質(zhì)量流量控制器，實時更改氣體流量。

所述裝置的采集控制器9控制流程如圖3，系統(tǒng)上電后，根據(jù)用戶操作指令執(zhí)行控制流程，檢測是否到測量周期，如果到測量周期，采集傳感器測量值并顯示記錄；之后檢測是否到控制周期，如果到控制周期，執(zhí)行預(yù)測及PID算法，計算得到各組分氣體流量；控制電磁閥，并將各組分氣體流量轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬控制信號輸出；此時系統(tǒng)檢測質(zhì)量流量計輸出，如果流量計輸出與控制輸出不符的話，系統(tǒng)停止自動控制，打開備用安全閥，并發(fā)出報警信息。

所述裝置的曝氣閥組13，可實現(xiàn)1-6容器的水體的酸化及低氧的聯(lián)動控制。如圖4所示，只需一組溶氧及pH測量傳感器，可串聯(lián)控制1-6個水體，每個水體可接曝氣閥組13的一路曝氣頭；每個水體互相通過蠕動泵15連接，以保證水體循環(huán)流動。通過蠕動泵及排氣閥組，即可實現(xiàn)采用一組pH及溶氧傳感器同步控制多個暫養(yǎng)水體的pH和溶氧。

一種海洋酸化和低氧模擬裝置及控制算法，包括以下步驟：

第一步：系統(tǒng)讀取當(dāng)前溶氧目標(biāo)值、采集溶氧傳感器值，計算出誤差，并根據(jù)控制周期內(nèi)的誤差變化量，經(jīng)主控PID算法，得到空氣理論比例。

主PID算法采用增量式PID控制算法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中[ΔAIR％]為當(dāng)前控制周期內(nèi)空氣流量比例的變化量；KP、KI、KD分別為空氣流量比例算子、空氣流量積分算子、空氣流量微分算子，doerr_n為當(dāng)前n時刻溶氧誤差，doerr_n-1為n-1時刻溶氧誤差、doerr_n-2為n-2時刻溶氧誤差。KP、KI、KD算子的整定，根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間、容積大小，對PID參數(shù)推理實驗，得到一個二維數(shù)組，PID[2][3]＝{{2,100,100},{0.5,1,100},{0.5,10,10}}，數(shù)組的值分別為KP、KI、KD的值；當(dāng)前n時刻溶氧誤差大于2mg/L時，KP、KI、KD值分別為{2,100,100},以縮短控制的時間；當(dāng)前n時刻溶氧誤差大于0.8mg/L，小于2mg/L時，KP、KI、KD值分別為{0.5,1,100}；當(dāng)前n時刻溶氧誤差小于0.8mg/L，KP、KI、KD值分別為{0.5,10,10}。

計算空氣占總氣體流量的比例：

[AIR％]_n＝[AIR％]_n-1+[ΔAIR％]，其中[AIR％]_n為當(dāng)前n時刻空氣流量比例，式中[AIR％]_n-1為n-1時刻空氣流量比例。

計算空氣氣體流量：

[AIR]_n＝[all]×[AIR％]_n，其中[AIR]_n為當(dāng)前n時刻空氣的流量，[all]為總氣體流量，總氣體流量由操作人員設(shè)定，范圍為10L/min-50L/min。

第二步：系統(tǒng)讀取當(dāng)前pH目標(biāo)值、采集pH傳感器值，計算出誤差，并根據(jù)控制周期內(nèi)的誤差變化量，經(jīng)輔助PID控制算法，得到CO₂氣體的理論流量。輔助PID算法同樣采用增量式PID控制算法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中[ΔCO₂]為當(dāng)前CO₂氣體流量變化量，KP_f、KI_f、KD_f分別為CO₂氣體流量比例算子、積分算子、微分算子；pherr_n為當(dāng)前n時刻pH誤差，pherr_n-1為n-1時刻pH誤差、pherr_n-2為n-2時刻pH誤差；根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間、容積大小，對PID參數(shù)推理實驗，KP_f、KI_f、KD_f值分別是{0.5,5,5}。

計算所需CO₂氣體的理論流量：

[CO₂]_n＝[CO₂]_n-1+[ΔCO₂]

其中[CO₂]_n-1為n-1時刻CO₂氣體的流量。

計算CO₂氣體質(zhì)量流量控制器應(yīng)輸出流量：

[MFC_CO₂]_n＝[CO₂]_n-[AIR]_n×0.03％

其中[MFC_CO₂]_n為CO₂氣體質(zhì)量流量控制器應(yīng)輸出流量，如果此值小于0，需打開CO₂過濾閥，過濾空氣中的CO₂。0.03％為CO₂在空氣中的比例，用于補(bǔ)充空氣進(jìn)氣量變動帶來的CO₂流量變動。

計算N₂氣體質(zhì)量流量器應(yīng)輸出流量：

[N₂]_n＝[all]×(1-[AIR％]_n)-[CO₂]_n+[AIR]_n×0.03％

第三步：將氣體流量轉(zhuǎn)成數(shù)字或模擬電壓信號，控制質(zhì)量流量控制器精確輸出氣體流量。在一個控制周期內(nèi)，精確控制質(zhì)量流量控制器的氣體流量；同時采集質(zhì)量流量控制器反饋信號，實時得到實際氣體流量，當(dāng)實際流量與應(yīng)輸出流量相差較大時，實時調(diào)整或發(fā)出報警信息。

至此，酸化和低氧模擬裝置成為一個閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，具有較好的控制性能，在環(huán)境條件變動及有生物暫養(yǎng)的耗氧環(huán)境下仍可精確控制。