CN113040084A - 一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，包括绝缘水箱，所述绝缘水箱中设置有绝缘网框，所述绝缘水箱侧壁上设置有对棒电极，所述对棒电极包括两个以绝缘水箱的中心轴对称设置的棒电极。能形成电流密度梯度降落的水域电流场环境，且大电流密度区域出现在鱼在绕壁游泳过程中会大概率经过的位置上，能同时观测存在不同电流密度的情况下鱼个体的活动情况。可通过控制加在对棒电极上的电压，控制电流大小，以实现对绝缘水箱内各处电场大小的控制。绝缘水箱内各点的电流密度都可通过计算得到。
Description
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置。
背景技术
随着现代用电需求的增加，电网稳定性和输送功率都需要提升，区域联网可以实现功率的调配优化和稳定性的提高。在跨海地区联网的情况下，在送端和受端均需要设置接地极，在双极运行的情况下允许不平衡电流流通，在一条线路故障时允许单极运行传输一半的功率。另一方面，随着清洁能源的推广，海上风电也随之兴起，海上风电场电力输送也需要跨海传输，其送端和受端有人需要设置接地极。海洋直流接地极溢出电流在其周围会产生电场，电场对附近游动的鱼类等生物均会产生影响。现行对海洋接地极电场对海洋生物的影响以及其限值的研究大多为视频实地记录底栖生物情况，海床采样等方式，没有具体的实验装置。
由于目前海上风电蓬勃发展，以及跨海输电工程的建设，通过海底电缆输电的情况越来越多，对于直流输电，需要在送端和受端设置海洋接地极，若采用单极-大地运行的方式，额定电流将会入地，而入地电流是否会对周围水域内或者海洋中的水生生物产生影响时需要确定的。工程项目的建设常常因为无法解决环保部门的担忧而延迟。在瑞典和波兰的Sewpol跨海输电工程建设时就由于当地居民的反对修改了建设的路线。因此有必要提出一种电流场对鱼类行为影响研究的方法和实验装置对该问题进行量化分析。
在海洋直流接地极生物影响的电场限值方面，CIGRE和IEC的标准均有限值的描述。然而在限值确定以及接地极产生电场对生物影响的研究方面，目前研究方式只要为实地视频记录分析和海床采样分析等方法，但是方法不确定性因素太大，得到的结果不准确。对于电场对鱼类行为有影响的研究，应该采用个体实验的方法。在对鱼类的诱捕方面，有相关的电场发生装置。对于目前针对电流场对鱼类行为影响的试验装，有学者在实验过程中使用的实验装置为圆柱形容器，在容器中间位置设置平行相对的方形电极板，通电时可在电极板之间产生均匀大小相等的电场，由视频录制的方式对鱼个体活动进行录制。也有学者在实验过程中使用的实验装置由圆柱形容器和一对偶极子组成，偶极子安置在圆柱形容器边缘上的一点，可形成偶极子电场分布。对于平行电极板，产生的是均匀电场，对于偶极子，产生的对电场在空间上有一定的抵消。以上研究装置产生的电场在海洋接地极的研究中不适用，不能准确模拟海洋接地极的电场分布，海洋接地极产生的电场为向外围减小的电场。因此需要一种能准确模拟海洋接地极的电场分布的实验装置来研究接地极附近电场对鱼类行为的影响。
发明内容
为了实现对海洋中鱼类受电场影响的行为进行分析，本发明提出一种研究电场对鱼行为产生影响的试验装置，在装置内不同位置可产生不同大小的电流密度，实现对电流密度单一变量的研究。
为达到上述目的，本发明所述一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，包括绝缘水箱，所述绝缘水箱中设置有绝缘网框，所述绝缘水箱侧壁上设置有对棒电极，所述对棒电极包括两个关于绝缘水箱的中心轴对称设置的棒电极。
进一步的，对棒电极为石墨对电极。
进一步的，绝缘水箱和绝缘网框均设置在隔音罩中。
进一步的，隔音罩由不透光材料制成，所述绝缘水箱底部设置有发光背景板。
进一步的，发光背景板为LED光源，光背景板上配置有均匀散光膜。
进一步的，绝缘水箱外设置有支架，所述支架上安装有用于拍摄绝缘网框图像的摄像机。
进一步的，绝缘网框由四块依次首尾连接的尼龙网布组成。
进一步的，绝缘网框和棒电极之间的间隙宽度为d，d为棒电极产生的电场衰减到50％的位置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本装置能形成电流密度梯度降落的水域电流场环境，且大电流密度区域出现在鱼在绕壁游泳过程中会大概率经过的位置上，能同时观测存在不同电流密度的情况下鱼个体的活动情况。可通过控制加在对棒电极上的电压，控制电流大小，以实现对绝缘水箱内各处电场大小的控制。绝缘水箱内各点的电流密度都可通过计算得到。
进一步的，装置能通过发光背景板来控制光照强度，以进行不同光照强度下的试验，或保证在相同的光照条件下进行不同电流密度下的试验。
进一步的，通过隔音罩限制外界声响，避免实验过程中外部噪声干扰对实验造成的影响。
进一步的，电极采用石墨电极，防止电极溶解，防止电极掉落颗粒进入实验水域影响水质来排除若干因素对实验的干扰，保证只有电流密度的单一变量。
进一步的，支架上固定的摄像机对鱼的活动信息进行记录。
附图说明
图1为本发明整体示意图；
图2为本发明去除隔音罩的内部装置图；
图3为角度可调俯拍三角支架结构图；
图4为绝缘网框结构图；
图5为绝缘网框和棒电极位置示意图；
图6为电场中鱼类行为分析流程图。
附图中：1、棒电极，2、绝缘网框，3、绝缘水箱，4、发光背景板，5、摄像机，6、支架，7、隔音罩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1和图2，一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，包括绝缘水箱3、对棒电极、发光背景板4、绝缘网框2、可伸缩调整高度和角度的支架6、摄像机5和隔音罩7，对棒电极包括两个棒电极1。装置能实现对光照强度，噪声，水质的变量控制，实现对电流密度单一变量的研究。
绝缘水箱3、发光背景板4、支架6和摄像机5均设置在隔音罩7中，绝缘水箱3设置在发光背景板4上，绝缘水箱3内设置有绝缘网框2，绝缘水箱3的两个相对的侧壁开设有相对设置的凹槽，两侧凹槽中安装有石墨对棒电极或石墨对板电极，安装石墨对棒电极时，通电流时可在绝缘网框2中产生不均匀的电流密度分布，各处电流密度均可计算得知。通过视频记录和视频分析可实现对鱼在不同电场中行为影响的分析。
发光背景板4，水平放置在隔音罩7的底板上，绝缘水箱3放置在发光背景板4上。发光背景板4为LED光源，配置均匀散光膜，可调节亮度，满足实验水域内光照强度的均匀和恒定，排除光照干扰因素的影响。
最外侧不透光的隔音罩7，材质为泡沫，可覆盖摄像机5，发光背景板4和绝缘水箱3全部部件，可吸收外部声响，避免实验过程中外部噪声干扰对实验造成的影响。由于内部配置无线传输的摄像机5，可通过外部电子设备，如手机或电脑，实时观察到内部情况。
绝缘水箱3，绝缘水箱3外壁为绝缘塑料，绝缘水箱3两个相对的侧壁内侧均开设有可嵌入棒电极的凹槽或平行极板，实现对棒电极的不均匀场和平行板电极的均匀场之间的转换。
绝缘水箱3中部为绝缘网框2，支架的支腿为细亚力克棒，参照图4，绝缘网框2四个侧壁为尼龙网布，网布可将实验鱼游行范围限制在绝缘网框2内部，保证游动范围四周材料一致，不会对鱼体造成影响。同时尼龙网布可挡住通电过程中石墨电极造成的浮渣等，保证研究范围内水质不会影响实验鱼的行为，但不影响电流的流通，能保证电流场的形成。
绝缘水箱3两侧对中位置棒电极为圆柱形的石墨棒，其中一个棒电极连接电源的正极，另一个棒电极连接电源的负极，比矩形的绝缘水箱3侧壁稍矮，嵌入绝缘水箱3两侧的凹槽内。将两侧棒电极更换为石墨板电极在绝缘水箱3内的水域内形成均匀电流场。采用石墨材料可避免直流电流下阳极的溶解，造成阳极附近铁离子浓度的上升，并向外扩散可能会对实验鱼的行为造成影响。
绝缘水箱3外侧为一个可伸缩调整高度和角度的支架6，支架6包括四个支腿，四个支腿顶部均与调节部铰接，调节部上安装有圆盘，支架6中部可通过旋钮松紧调节支架高度，顶部圆盘上安装有横杆，可通过旋钮调节横杆上下倾斜角度，使摄像机能完整捕捉到容器内绝缘网框内实验鱼游行的俯视画面。
参照图3，支架6横杆端一端设置有用于固定摄像机5的螺纹，使用时通过摄像机底部的通用固定摄像螺孔将摄像机旋入横杆上，实现拍摄时的固定。
参照图6，当用本发明提供的装置进行实验时，先向绝缘水箱3中注入水，使其没过棒电极或板电极。再将实验鱼个体放入绝缘网框2内的水中，待其均匀绕绝缘网框2四周游行后，可在棒电极或板电极间施加电压，形成电流场。
由于有限体积的实验容器，和实际中海洋的近乎无限大的体积不同。在有限体积的容器中，鱼的游行行为并非随机分布，而是大多数时间在均匀的绕容器边缘游行，因此将棒电极设置在绝缘水箱3边缘是为了其形成的较大场强区域出现在绕壁行为经常出现的位置。
考虑到绝缘网框的作用为排除石墨电极溶解颗粒对水质的影响，在设置其长度时可按需要保留网框边界与电极之间的间隙，当绝缘网框2紧挨电极时能利用到电极产生的最大电场，若无需考虑过大的电场，则边框边界和电极直接的间隙可以拉大。
在棒电极附近可近似认为产生的电场分布与无限长圆柱形导体相同，对于无限长圆柱形导体，距离其中心r处的电场E强度为：
其中，E为距离棒电极r处的电场强度；I为电源、两个棒电极以及水形成的回路的电流，可由电流表测得；γ为水的电导率。在施加电压一定的情况下，I和γ为定值，可以得到棒电极附近的电场近似值。参照图5，选择电场衰减到50％的距离作为绝缘网框2和棒电极1之间的间隙宽度d。由于在较近距离内棒电极电场在很小距离内衰减很快，该距离比试验鱼体长度小很多，在进行行为分析时很难将鱼体在电极附近的位置和具体的电场强度值对应，因此选择在电场衰减50％后衰减更为平缓的区域作为试验网框的边界区域。
棒电极形成的空间电流密度分布为极不均匀场，在电极附近电流密度较大，向外衰减很快，在绝缘水箱3中部区域电流密度近乎为均匀场。由于在水箱中形成了不同电流密度大小的区域，因此可以研究实验鱼样本对这些不同大小电流密度区域的选择性。通过摄像机5拍摄的视频分析可得知游动速度，加速度，轨迹，避让阈值等特征量。在改变施加电流大小的情况下还能产生分布大小不同的电场，实现对最大电流密度以及各点电场的控制。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，包括绝缘水箱(3)，所述绝缘水箱(3)中设置有绝缘网框(2)，所述绝缘水箱(3)侧壁上设置有对棒电极，所述对棒电极包括两个关于绝缘水箱(3)的中心轴对称设置的棒电极(1)。
2.根据权利要求1所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述对棒电极为石墨对电极。
3.根据权利要求1所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述绝缘水箱(3)和绝缘网框(2)均设置在隔音罩(7)中。
4.根据权利要求3所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述隔音罩(7)由不透光材料制成，所述绝缘水箱(3)底部设置有发光背景板(4)。
5.根据权利要求4所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述发光背景板(4)为LED光源，光背景板(4)上配置有均匀散光膜。
6.根据权利要求1所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述绝缘水箱(3)外设置有支架(6)，所述支架(6)上安装有用于拍摄绝缘网框(2)图像的摄像机(5)。
7.根据权利要求1所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述绝缘网框(2)由四块依次首尾连接的尼龙网布组成。
8.根据权利要求1所述的一种分析水中电流场对鱼类行为影响的实验装置，其特征在于，所述绝缘网框(2)和棒电极(1)之间的间隙宽度为d，d为棒电极(1)产生的电场衰减到50％的位置。
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