CN108414687A - 实时在线监测水生生物co2排泄率的装置及水环境监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置及水环境监测方法，本发明装置包括呼吸室、三通阀、液流泵、数字控制器、环境信号检测装置、CO2浓度检测装置、数据采集器以及计算机，为提高测量的精确度，本发明还设置了气液分离器、硅胶干燥管和聚四氟乙烯过滤器将水中的气体分离干燥后再测量CO2的浓度，并且本发明的检测装置能实时在线长期监测。同时本发明提出了一种应用此装置监测水环境的方法，分别采集CO2浓度、大气气压、温度、盐度等指标，将检测到的数据处理获得在线监测水生生物CO2排泄率，达到监测水环境的效果。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置及水环境监测方法。
背景技术
水环境的好坏直接影响水生生物的新陈代谢，通过测量水生生物的CO2的排泄率可以评价水环境的好坏。现有的CO2测定技术多用于大气环境的监测以及温室植物的培育，并没有可以用于水环境实时在线监测水生生物CO2排泄率的技术。
现有技术中对水中溶解的CO2测定技术多采用化学法进行监测，水中含有各种干扰离子，其中水的PH值对测量的结果影响很大，使得测量结果不准确，并且无法实时连续的进行监测，更无法长期进行监测。另外，一方面现有技术中对水生生物的新陈代谢产生的CO2的检测是在流动的待测水中取样，测量结果不精确；另一方面测量过程中未考虑环境因素的影响，影响水生生物新陈代谢的环境因素包括温度、盐度、大气气压等，例如当温度不同时即使水生生物的其他生活条件相同，水生生物的新陈代谢也是不同的，不考虑环境因素的影响的测量是不精确的，并不能真实反映水环境的变化。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置及应用此装置监测水环境方法，本发明检测CO2浓度时将水中溶解的CO2分离出来，测量气体中CO2的浓度，大大提高了数据测量的精确性。
本发明的所采用的技术方案如下：
一种实时在线监测水生生物CO2排泄率的装置，包括：设置于水箱内的呼吸室，水箱内注入一定量的水，所述呼吸室的出口通过阀门与液流泵、气液分离器的入口依次相连，所述气液分离器的液体出口通过液流泵与呼吸室的入口相连，液流泵为水的流动提供动力，水生生物放置于注满水的呼吸室中，水经液流泵进入气液分离器，气液分离器将水中的气体分离出来，所述气液分离器的液体出口通过管道连接液流泵，所述气液分离器的气体出口连接硅胶干燥管，所述硅胶干燥管连接聚四氟乙烯过滤器，硅胶干燥管和聚四氟乙烯过滤器将分离出的气体干燥，干燥气体进入CO2浓度检测装置，检测出CO2的浓度。
进一步的，所述阀门为三通阀，三通阀的其中一个入口与呼吸室出口相连，所述三通阀的另一入口与水箱相连，所述呼吸室和水箱之间设置连通机构，连通机构为压力不平衡时自动动作的机构，所述连通机构优选为为弹性膜片或压力开关。
进一步的，本装置还包括：数字采集器和计算机，所述CO2浓度检测装置与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。
进一步的，所述水箱内或水箱周围设置环境信号检测装置，环境信号检测装置可以根据需要设置各种传感器,对水生生物的影响较大的因素主要为温度、大气气压和水中的盐度，优选设置压力传感器、温度传感器和盐度传感器，温度传感器和盐度传感器设置于水箱内，压力传感器设置在水箱周围任意一点用于检测大气气压，环境信号检测装置的所有传感器通过数据传输线连接到所述数字采集器将检测到的数据传输到数据采集器。
进一步的，本装置中还设置了数字控制器，数字控制器分别与三通阀、数据采集器相连，数字控制器接收数据采集器的数据控制三通阀的两个入口以设定的时间交替工作。装置中的呼吸室与水箱的连接结构的设置以及三通阀的工作模式的变化使水箱中的水能够替换呼吸室内的水，从而保证呼吸室中的生物有足够的溶解氧,使水生生物长期存活。
进一步的，所述呼吸室大小可以根据水生生物的大小进行调节，以适应不同大小的水生生物。
进一步的，所述CO2浓度检测装置可以选用CO2传感器，也可以选用CO2分析仪，CO2浓度度检测装置气体出口连接所述气液分离器。
数据采集器将采集到的数据进行处理，将数据以数字化的形式传输给计算机，计算机将接收到的数据以文本文档的格式输出，并将数据利用SPSS软件或Matlab软件进行分析处理。
所述水箱中注入的水优选为曝气水，曝气水经过曝氧除氯后水质更适合水生生物生存，水生生物的存活时间长，从而达到长期监测。
进一步的，采用上述实时在线监测水生生物CO2排泄率装置监测水环境方法，包括以下步骤：
(1)各指标数据的采集：采用所述实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，设置空白组和实验组进行对比实验，空白组在的水箱中注入没有被污染的水,实验组加入要检测的采样水，将水生生物放置于注满水的呼吸室中,分别采集空白组和实验组的温度、盐度、大气气压环境参数和CO2浓度，使两组实验在相同的环境条件下进行，并将采集到的数据以数字化的形式传输至计算机。
(2)数据的处理：计算机接收数据采集器的数据并将采集到的数据以文本文档的格式输出，在相同的环境参数下，根据测得空白组和实验组的CO2的浓度值计算获得水生生物CO2排泄率图像，并将图像输出。
CO2分析仪直接测得的是水中溶解的二氧化碳的浓度，水生生物的CO2排泄率是指单位时间内单位质量的水生生物的CO2排泄的变化量，表示的是因水生生物的作用水中溶解的二氧化碳的变化趋势，计算公式如下：
其中t＝t2-t1；
VCO2为二氧化碳排泄率，DCO0是t2时刻检测的二氧化碳的浓度,DCOi是t1时刻检测的二氧化碳的浓度,Vr呼吸室的体积,Va水生生物的体积,m水生生物质量,t测量间隔时间。
(3)利用水生生物CO2排泄率监测水环境：对比实验组与空白组的输出拟合图像的差异，若有差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率产生了不良的影响，说明水环境被污染；若无差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率无影响或影响甚微，说明水环境良好。
本发明的有益效果为：
1、测量CO2的浓度时将水中溶解的CO2分离出来，测量气体中CO2的浓度，大大提高了数据测量的精确性。
2、监测水环境变化充分考虑了环境因素对水生生物的影响，考虑了其他环境因素影响的前提下进行对比试验，判断水环境是否被污染的判断结果比较准确。
3、能够将信息技术应用于生物监测，形成数字化、智能化的信息发生系统，实现连续、实时的在线监测，并且能够长期地自动测量。将各参数以数字的形式直接输出，使实验研究更加快速便捷，实验数据更加准确、稳定。对水生生物进行测量的密闭的呼吸室可大可小，适用于不同体型的水生生物。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是CO2排泄率测定装置结构图；
图2是短期监测结果图；
图3是长期监测结果图；
图中，1、呼吸室，2、液流泵，3、气液分离器，4、硅胶干燥管，5、聚四氟乙烯过滤器，6、CO2分析仪，7、数据采集器，8、计算机，9、温度传感器，10、盐度传感器，11、压力传感器，12、三通阀，13、数字控制器。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种在线监测水生生物CO2排泄率的方法，该方法所用测定装置，由呼吸室1，液流泵2，气液分离器3，硅胶干燥管4，聚四氟乙烯过滤器5，CO2分析仪6，数据采集器7，计算机8，温度传感器9，盐度传感器10，压力传感器11，三通阀12，数字控制器13组成。
呼吸室1设置于水箱中，呼吸室1的大小可以调节，在水箱中注入一定量的曝气水,将水生生物放置于注满水的呼吸室1中,所述呼吸室1的出口通过三通阀12与液流泵2、气液分离器3的入口依次相连，所述气液分离器3的液体出口通过液流泵2与呼吸室1的入口相连，液流泵2为水的流动提供动力。气液分离器3的气体出口连接硅胶干燥管4，硅胶干燥管4连接聚四氟乙烯过滤器5，聚四氟乙烯过滤器5气体出口连接CO2分析仪6，CO2分析仪6的气体出口连接气液分离器3。气液分离器3将从液流泵2流过来的水中的气体分离出来，分离出的气体通过硅胶干燥管4、聚四氟乙烯过滤器5气体中含有的水汽去除得到干燥的气体。CO2分析仪6聚四氟乙烯过滤器5相连，CO2分析仪6通过CO2对一定波长的吸光度，测量从水中分离出的CO2的浓度，监测水中CO2含量变化。CO2分析仪6的气体出口连接气液分离器3，气体回到气液分离器3和分离气体后的水融合后经液流泵2流回呼吸室1，实现水的循环。
数字控制器13接收数据采集器7的数据控制三通阀12的工作状态，三通阀12有两个入口一个出口，其中一个入口连接呼吸室1，另一入口连接水箱。所述三通阀12的其中一个工作状态为三通阀12连通呼吸室1和液流泵2，水从呼吸室1流入液流泵2，另一工作状态为三通阀12连通水箱和液流泵2，水从水箱流入液流泵2。
本实施例的装置通过控制三通阀12的工作状态有两种工作模式：循环模式和冲刷模式。所述循环模式具体为：三通阀12连通呼吸室1和液流泵2，呼吸室1里的水通过三通阀12流入液流泵2，经液流泵2流入气液分离器3，气液分离器3将水中的气体分离，分离后的气体经过硅胶干燥管4和聚四氟乙烯过滤器5过滤干燥进入CO2分析仪6，CO2分析仪6检测CO2浓度后气体回到气液分离器3，在气液分离器3中与分离气体后的水融合，融合后的水经液流泵2流回呼吸室1。所述冲刷模式具体为：三通阀12连通水箱和液流泵2，水箱里的水通过三通阀12流入液流泵2，经液流泵2流入气液分离器3，气液分离器3将水中的气体分离，分离后的气体经过硅胶干燥管4和聚四氟乙烯过滤器5过滤干燥进入CO2分析仪6，CO2分析仪6检测CO2浓度后气体进入气液分离器3，在气液分离器3中与分离气体后的水融合，经气液分离器3融合后的水经液流泵2流回呼吸室1使呼吸室1里的水压变大，在水压的作用下呼吸室1与水箱的连通机构打开，此时水箱和呼吸室1相通，所述呼吸室1和水箱的连通机构为弹性膜片或者为压力开关，水箱中有饱和溶解氧的水进入呼吸室1中，把呼吸室1中的水替换出来，从而保证呼吸室1中的生物有足够的溶解氧可以被利用。冲刷模式和循环模式的时间可以根据需要通过计算机设置，设定好的时间数据通过数据采集器7输入到数字控制器13，本实施例设置循环模式时间为300秒，冲刷模式时间设置为150秒。
环境信号检测装置可设置多个传感器，本实施例中设置的温度传感器9与盐度传感器10直接放置在水箱中，分别监测水的温度和盐度，压力传感器11能够直接测量气压。
环境信号检测装置的所有传感器、CO2分析仪6都与数据采集器7相连接，数据采集器7采集数据后将数据处理为数字化数据传输至计算机8，计算机8将数据以文本文档的格式输出，通过数据分析软件SPSS软件或Matlab软件对数据进行分析。
呼吸室1的大小可根据水生生物的大小进行调节，以适应不同大小的水生生物。待测水的流速可通过液流泵2进行调节。
所采用的传感器较高的耐冲击性，机械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀，各传感器反应灵敏，精准度高。
CO2分析仪直接测得的是水中溶解的二氧化碳的浓度，水生生物的CO2排泄率是指单位时间内单位质量的水生生物的CO2排泄的变化量，表示的是因水生生物的作用水中溶解的二氧化碳的变化趋势，计算公式如下：
其中t＝t2-t1；
VCO2为二氧化碳排泄率，DCO0是t2时刻检测的二氧化碳的浓度,DCOi是t1时刻检测的二氧化碳的浓度,Vr呼吸室的体积,Va水生生物的体积,m水生生物质量,t测量间隔时间。
如图2和3所示，是利用实时在线监测斑马鱼CO2排泄率装置的实验结果图，图2为短期监测，图3为长期监测，此装置既可以短期实时在线监测水生生物CO2排泄率，又可以长期实时在线监测水生生物CO2排泄率。
一种通过在线监测水生生物CO2排泄率监测水环境的方法，包括以下步骤：
(1)各指标数据的采集：采用所述实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，设置空白组和实验组进行对比实验，空白组在的水箱中注入没有被污染的水,实验组加入要检测的采样水，将水生生物放置于注满水的呼吸室中,分别采集空白组和实验组的温度、盐度、大气气压环境参数和CO2浓度，使两组实验在相同的环境条件下进行，并将采集到的数据以数字化的形式传输至计算机。
(2)数据的处理：计算机接收数据采集器的数据并将采集到的数据以文本文档的格式输出，在相同的环境参数下，根据测得空白组和实验组的CO2的浓度值计算获得水生生物CO2排泄率图像，并将图像输出。
(3)利用水生生物CO2排泄率监测水环境：对比实验组与空白组的输出拟合图像的差异，若有差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率产生了不良的影响，说明水环境被污染；若无差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率无影响或影响甚微，说明水环境良好。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种实时在线监测水生生物CO2排泄率的装置，其特征在于：包括设置于水箱内的呼吸室，所述呼吸室的出口通过阀门与液流泵、气液分离器的入口依次相连，所述气液分离器的出口通过液流泵与呼吸室的入口相连，所述气液分离器的气体出口连接硅胶干燥管，所述硅胶干燥管连接聚四氟乙烯过滤器，所述聚四氟乙烯过滤器气体出口连接CO2浓度检测装置；气液分离器将从呼吸室流出的水中的气体分离出来，硅胶干燥管和聚四氟乙烯过滤器将分离出的气体干燥，干燥气体进入CO2浓度检测装置，检测出CO2的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，其特征在于：所述阀门为三通阀，所述三通阀的其中一个入口与呼吸室出口相连，所述三通阀的另一入口与水箱相连，所述呼吸室和水箱之间设置连通机构。
3.根据权利要求2所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置,其特征在于所述连通机构为弹性膜片或压力开关。
4.根据权利要求2所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，其特征在于，还包括：数字采集器和计算机，所述CO2浓度检测装置与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。
5.根据权利要求4所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置,其特征在于，还包括：环境信号检测装置,所述环境信号采集装置与数据采集器相连。
6.根据权利要求5所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置,其特征在于，所述环境信号检测装置包括压力传感器、温度传感器和盐度传感器，温度传感器和盐度传感器设置于水箱内，压力传感器检测大气气压。
7.根据权利要求4所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置,其特征在于，还包括：数字控制器，数字控制器分别与三通阀、数据采集器相连，数字控制器接收数据采集器的数据控制三通阀的两个入口以设定的时间交替工作。
8.根据权利要求1所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，其特征在于:所述呼吸室大小根据水生生物的大小调节。
9.根据权利要求1所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，其特征在于：CO2浓度检测装置为CO2传感器或CO2分析仪，CO2浓度检测装置气体出口连接所述气液分离器。
10.采用权利要求3-9任意一项所述的一种实时在线监测水生生物CO2排泄率装置监测水环境方法，包括以下步骤：
(1)各指标数据的采集：采用所述实时在线监测水生生物CO2排泄率装置，设置空白组和实验组进行对比实验，空白组在的水箱中注入没有被污染的水,实验组加入要检测的采样水，将水生生物放置于注满水的呼吸室中,将两组实验控制在相同的温度、大气气压和盐度条件下，采集空白组和实验组的温度、盐度、大气气压环境参数和CO2浓度，并将采集到的数据以数字化的形式传输至计算机；
(2)数据的处理：计算机接收数据采集器的数据并将采集到的数据以文本文档的格式输出，在相同的环境参数下，根据测得空白组和实验组的CO2的浓度值计算获得水生生物CO2排泄率图像，并将图像输出；
(3)利用水生生物CO2排泄率监测水环境：对比实验组与空白组的输出拟合图像的差异，若有差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率产生了不良的影响，说明水环境被污染；若无差异，则证明水环境对水生生物的CO2排泄率无影响或影响甚微，说明水环境良好。
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