Обоснование разработки продукта
Крупные водоемы по всему миру — океаны и озера — сталкиваются с загрязнением в различной степени. Это в значительной мере обусловлено тем, что люди переоценили способность этих обширных водных систем к самоочищению, что привело к незаконным сбросам, вызванным ложным чувством безопасности. В последние годы типичные кризисы загрязнения воды происходили часто на каждом из крупных континентов.
Австралия — Большой Барьерный риф: экологические обследования 2025 года выявили тяжелую эвтрофикацию. Уровни питательных солей, таких как азот и фосфор, достигли критически высоких значений, вызывая повторяющиеся случаи обесцвечивания кораллов и вспышки звездных рыб. Коралловые сообщества на морском дне понесли масштабные повреждения.
Нигерия – дельта реки Нигер: загрязнение нефтью и тяжёлыми металлами привело к массовому отмиранию мангровых лесов. Национальное рыболовство практически рухнуло, а уровень заболеваемости раком среди местного населения значительно возрос.
Европа – Балтийское море: загрязнение азотом и фосфором вызывает почти ежегодно масштабные цветения водорослей, серьёзно подрывающие рыболовную промышленность. При этом сброс сточных вод из прилегающих городов остаётся неконтролируемым.
В Китае крупные водоёмы, такие как озеро Дяньчи, озеро Тайху и озеро Хунху, все пережили цветения водорослей, вызванные эвтрофикацией. Южно-Китайское море и Восточно-Китайское море также подверглись серьезному загрязнению в результате сброса сточных вод и разливов нефти, что привело к не поддающимся количественной оценке экономическим потерям в рыболовной отрасли, экосистемах и туристической индустрии.
В ответ на растущий спрос на мониторинг крупных водоемов компания JIDE разработала многопараметрическую онлайн-сенсорную систему, специально предназначенную для океанов и озер. Учитывая существующие технологические ограничения, такие параметры, как общее содержание фосфора и общее содержание азота, по-прежнему сложно измерять непосредственно с помощью датчиков. Поэтому на открытых океанах и в центре крупных озер система устанавливается на больших буйковых станциях.
Система позволяет измерять ключевые параметры, включая:
• Температуру
• pH
• ОВП (окислительно-восстановительный потенциал)
• Электропроводность/общее содержание растворенных твердых веществ (TDS)
• Растворенный кислород
• Мутность/взвешенные вещества (SS)
• Хлорофилл
• Сине-зеленые водоросли
• Ион калия (K⁺)
• Ион аммония (NH₄⁺)
• Ион нитрата (NO₃⁻)
• Ион хлорида (Cl⁻)
• Ион фторида (F⁻)
Эти измерения обеспечивают мониторинг в реальном времени и функции раннего предупреждения о чрезмерном содержании питательных веществ, эвтрофикации, цветении водорослей и снижении уровня кислорода.
JDMPA-6S — максимальная конфигурация
Модель JDMPA-6S является максимальной конфигурацией в серии. Основной блок может размещать до семи датчиков. Датчики работают на основе электрохимических, оптических и физических принципов обнаружения для измерения соответствующих параметров.
Все порты датчиков на основном блоке используют универсальный интерфейс. Датчики можно устанавливать в любой порт, а основной блок автоматически распознаёт тип датчика. Основной блок JDMPA-6S может считывать данные с датчиков, настраивать параметры датчиков и выполнять калибровку. В зависимости от пользовательских настроек он может сохранять данные локально, передавать их на платформу сбора данных или отправлять напрямую на ПК или мобильный телефон. Обмен данными поддерживается как по проводной линии связи, так и по беспроводной технологии Bluetooth.
Принципы измерения каждого параметра
1. Глубина
JIDE использует датчик давления — пьезорезистивный чувствительный элемент, изолированный гофрированной диафрагмой из нержавеющей стали, — для измерения глубины воды. Одна сторона датчика обращена к воде, а другая — к вакууму, чтобы измерять давление. Глубина рассчитывается путём вычитания атмосферного давления из гидростатического давления.
Факторы, влияющие на измерение глубины, включают атмосферное давление, плотность воды и температуру. Проведение калибровки «нуля» в воздухе обеспечивает опорное значение относительно местного атмосферного давления.
2. Электропроводность
JIDE использует четыре графитовых электрода для измерения электропроводности раствора. Два электрода измеряют ток, а два других — напряжение; электропроводность рассчитывается на основе этих измерений. Полученное значение электропроводности умножается на константу ячейки (в 1/см) для перевода в единицы электропроводности — миллисименсы на сантиметр (мСм/см).
Каждый датчик оснащён встроенным температурным датчиком. Однако значение температуры, измеренное этим датчиком, не регистрируется и не отображается; оно используется исключительно для компенсации показаний датчика. Калибровка температурных значений выполняется относительно температурного датчика, установленного на зонде электропроводности.
3. Растворённый кислород
Оптический датчик растворённого кислорода JIDE основан на принципе тушения флуоресценции. Синий свет определённой длины волны направляется на флуоресцентный материал, закреплённый на стеклянной подложке, вызывая его флуоресцентное свечение. При отсутствии кислорода продолжительность флуоресценции максимальна. При наличии кислорода на мембране датчика продолжительность флуоресценции сокращается.
Для обеспечения точности и стабильности при каждом цикле измерения в качестве эталонного сигнала к флуоресцентному материалу излучается красный свет, позволяющий определить продолжительность флуоресценции.
Концентрация кислорода обратно пропорциональна продолжительности флуоресценции. Эта зависимость количественно описывается уравнением Штерна — Фольмера:
((T₀/T) – 1) в зависимости от парциального давления O₂.
Это не строго линейная зависимость (особенно при повышенных давлениях кислорода); для анализа соответствующих данных требуется полиномиальный нелинейный регрессионный анализ. Эта нелинейная характеристика со временем не изменяется существенно и в течение длительного времени не будет влиять на точность измерений.
4. pH / ORP / AMMO (аммоний) — опционально
Система состоит из электрода pH и модуля переднего конца схемы для измерения кислотности/щелочности воды или из электрода ORP и модуля переднего конца схемы для измерения окислительно-восстановительного потенциала. ORP — это нехимическое измерение, отражающее суммарный потенциал всех растворённых веществ в среде.
В качестве альтернативы может быть выбран датчик аммония (NH₄⁺). Он состоит из аммоний-электрода и модуля переднего конца схемы. При совместном использовании аммоний-электрода и электрода сравнения измеряется напряжение в милливольтах, которое затем преобразуется в значение концентрации ионов с помощью специального расчётного метода.
Для облегчения технического обслуживания датчик оснащён уникальной конструкцией, позволяющей заменять электрод или мембранную крышку непосредственно на месте эксплуатации. Разъём расположен между верхним модулем схемы и электродом. Для замены электрода достаточно просто отвинтить старый электрод и установить новый — дополнительные операции не требуются.
5. Мутность
Мутность — это косвенное измерение концентрации взвешенных твёрдых частиц в воде. Датчик мутности испускает инфракрасный свет в пробу и измеряет свет, рассеянный частицами в воде. Мутность является как важным показателем качества воды, так и базовым параметром для оценки экологических изменений. Взвешенные твёрдые частицы в природных водоёмах поступают из широкого спектра неопределённых источников (например, из ила, глины, осадочных пород, водорослей и органических веществ), однако все частицы влияют на пропускание света и генерируют сигнал мутности.
6. Общее содержание водорослей
Общий датчик водорослей использует двухдлинноволновое возбуждение для одновременного измерения концентраций хлорофилла и сине-зелёных водорослей.
• Молекулы хлорофилла флуоресцируют при облучении синим светом; интенсивность флуоресценции используется для расчёта концентрации хлорофилла.
• Фикоцианин (пигмент, содержащийся в сине-зелёных водорослях) флуоресцирует при облучении оранжевым светом; интенсивность флуоресценции используется для расчёта концентрации сине-зелёных водорослей.
Применение на местах
Серия онлайн-анализаторов JDMPA компании JIDE сегодня широко применяется в океанах и крупных озёрах по всей Китаю. Инженеры ценят прочный и долговечный корпус, открытый протокол связи MODBUS, обеспечивающий лёгкую интеграцию в сети, а также модульную конструкцию, удобную в обслуживании и позволяющую легко заменять отдельные модули. Благодаря этим особенностям серия JDMPA стала предпочтительным выбором специалистов в данной области.
EN
