可安全采集水生生物样本的设备及采集方法
【专利摘要】本发明涉及一种可安全采集水生生物样本的设备及采集方法，中央处理器CPU分接分频比较模块IC3、16位高精度数据采集卡DAQ、数字显示模块IC4、电压电平比较模块IC6，分频比较模块IC3、发光二极管LED4和LED5、喇叭Y，分频比较模块IC3接光电耦合电路模块IC5，光电耦合电路模块IC5接磁场转换单元模块MT、电感L1、监测开关K8，监测开关K8接水下输出负载电阻Z1。采集时，确定设备的携带方式，采集水生生物样本的种类、数量，预设网具；进而确定输出电磁场强度范围；输出电极放入水中；启动设备，电极周围的水域产生脉冲电磁场；水生生物样本运动至预设网具位置，进行捞取。本发明重量轻,方便携带；水生生物样本完整，使用安全；采集率高，可获得有效群体数据。
【专利说明】可安全采集水生生物样本的设备及采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可安全采集水生生物样本的设备及采集方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国各流域水生态均面临多种胁迫因素，如:水电开发、湖泊控制性工程如河闸等、堤防修建等工程因素；过度捕捞、水域污染和湖泊富营养化、航道运输、河道采砂等其他胁迫因素。
[0003]针对国内流域水生态面临的多种问题，需要从水生生物渔业资源状况、河湖生态健康状况、胁迫因素的作用机制及其影响程度大小等多个方面开展水生态监测、评价。这就需要大量采集目标流域内的水生生物样本进行统计分析等科研工作，但传统的商业捕捞调查方法是请专业渔民捕捞船(如长江流域常用的网具为三层流刺网、小钩等)进行调查，不但费时费力、消耗大量科研经费，在一些偏远山区的激流险滩处还容易造成人员伤亡事故，得请当地人代为采集，有时一个流域内的采样可能要花上几年的时间，这些问题消耗了大量的人力、物力，占用了研究人员大量的时间，极大的增加了科研成本，影响了工作的效率；而且采集样本本身也可能各种原因，有不同程度的损伤而失去研究价值。
[0004]近年来，随着人们对生态环境保护的认识和要求不断提高，国家加大对水生态资源保护的力度和投入，各大流域相继开展河、湖、水库鱼类资源监测和研究工作，旨在对河流的健康进行评价。国外发达国家采集水生生物样本技术多样，科研用的脉冲采样设备被广泛应用，如:美国地质调查局(USGS)在国家水质量评估项目(NAWQA)的藻类、无脊椎动物和鱼类群落采样方案中推荐使用脉冲电采样方案。但由于USGS只推荐本国产品和使用方法，其价格昂贵且大量参数不对外公开
[0005]我国还没有建立起完整的生物完整性指数(IBI)评价方法，主要原因是缺乏能安全采集水生生物样本的设备对其进行支撑，无法取得有效群体数据。
[0006]本 申请人:通过大量实验，发现水生生物处在匀和直流脉冲电磁场中所呈现的定向反应。其原理是带有脉冲电的两个(或多个)电极在水里面会形成圆形的脉冲电磁场，当不同的采样对象遇到相应的电磁场时，其身体会在电磁场的作用下顺着电磁场方向本能地弯曲，并不断的往水面方向作出盘旋式的上浮运动。上浮的程度和效果根据不同的物种有所差异，如:在电压50?600V、20?80Hz,幅度2?12ms的脉冲磁场条件下,鱼类样本的定向反应效果明显，样本的外观及内脏均保持健康；在电压500?990V、60?120Hz，幅度6?20ms的脉冲电磁场条件下浮游藻类和大型底栖动物才会产生反应并开始定向运动，其中浮游藻类上浮的程度较大，而大型底栖动物由于自身特性上浮程度较小且运动缓慢。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于针对目前水生态环境保护领域急需解决前期水生生物样本采样的难度大、成本高的难题，旨在提供一种能够在淡水和海水等不同水质水质条件下快速获取健康水生生物样本；适应范围广、效率高、性能可靠、采集安全的可安全采集水生生物样本的设备。
[0008]本发明目的的实现方式为，可安全采集水生生物样本的设备，12V直流电通过转换升压后分档输出，对缓冲储能电容Cl充电，分频比较模块IC3发出触发启动信号，经过三极管BGl放大后送至光电耦合电路模块IC5，光电耦合电路模块IC5产生脉冲触发信号将高精度脉冲磁场转换单元MT模块触发导通，MT模块接电感L1、监测开关K8 ;监测开关K8接继电器Jl，继电器Jl通过三极管BG6接电压电平比较模块IC6，分频比较模块IC3、电压电平比较模块IC6相应频率、电压、电流信号送至16位高精度数据采集卡DAQ进行D/A转换后传给中央处理器CPU分析判断，信号送数字显示模块IC4显示；水下输出负载电阻Zl通过监测开关K8接入继电器J2、三极管BG4的偏置电路，继电器J2接中央处理器CPU，中央处理器CPU接发光二极管LED4、LED5、喇叭Y。
[0009]用可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，具体步骤如下:
[0010]I)对水域水质污染情况进行评估，确定采集水生生物样本的种类、数量；
[0011]2)根据采集水生生物样本的水域，确定设备的携带方式；携带方式有肩背式，放置在手摇船或机动船上的方式；
[0012]3)将网具放置在预定位置，根据采集水生生物样本对象确定输出电磁场强度范围；然后将输出电极根据不同水深放入水中；由操作员启动设备开始工作；
[0013]4)正常启动后从16位高精度数据采集卡DAQ获得的采样数据对设备的电压、电流、频率的数据进行监控，数字显示模块IC4显示，电极周围的水域产生脉冲电磁场；
[0014]5)所需水生生物样本向脉冲电磁场定向运动至事先预设网具的相应位置，进行捞取。
[0015]本发明有以下优点:
[0016]1、选择可控高精度脉冲发生方法，使用光电耦合电路IC5模块代替传统的脉冲变压器，分立元件少，重量轻，方便携带，减轻野外采样人员的负担；
[0017]2、利用采样对象在脉冲电磁场中的定向反应，对其可实现高效安全采样，采样人员和采样对象都安全；
[0018]3、可在水域复杂，深水情况下使用，水生生物上浮到采样设备附近水面后，用辅助工具收集，对其外观和内部不造成损害，不影响样本的生长和繁殖；
[0019]4、大功率、低耗电，水生生物样本采集率可达98%以上，可获得有效群体数据；
[0020]5、有快速过载保护，输出短路保护，电源反接保护功能，确保低频电场输出，水域
安全可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明电原理图；
[0022]图2是本发明操作流程图，
[0023]图3是本发明设备的外形结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]参照图1，12V直流电通过转换升压后分档输出，对缓冲储能电容Cl充电，分频比较模块IC3(ADC0808)发出触发启动信号，经过三极管BGl放大后送至光电耦合电路模块IC5 (4N26743Q)，光电耦合电路模块IC5产生脉冲触发信号将高精度脉冲磁场转换单元MT模块(MTQ100-16)触发导通，MT模块接电感L1、监测开关K8 ;监测开关K8接继电器Jl，继电器Jl通过三极管BG6接电压电平比较模块IC6 (LM339N)，分频比较模块IC3、电压电平比较模块IC6相应频率、电压、电流等信号送至16位高精度数据采集卡DAQ(PCI6034)，进行D/A转换后传给中央处理器CPU(PCF8591)分析判断，信号送数字显示模块IC4 (IXD1602)显示模块显示；水下输出负载电阻Zl通过监测开关K8接入继电器J2、三极管BG4的偏置电路，继电器J2接中央处理器CPU接发光二极管LED4、LED5、喇叭Y。
[0025]参照图3，本发明设备的壳体面板上有数字显示模块IC40XD1602)显示模块的显示屏1、中央处理器CPU(PCF8591)的控制键盘2，有监测开关K8的开关钮3，喇叭发生口 4，指示灯5 ;壳体有主机箱8，可拆卸绝缘背带套6。有供采样人员将背在肩上的背带7。
[0026]可安全采集水生生物样本的设备的工作原理为，将普通的12V直流电通过转换升压后分档输出，先对缓冲储能电容Cl充电，再通过分频比较模块IC3(ADC0808)发出触发启动信号，经过BGl放大后送至光电耦合电路模块IC5 (4N26743Q)，由IC5产生脉冲触发信号将高精度脉冲磁场转换单元MT模块(MTQ100-16)触发导通，使得Cl储存能量LI限流振荡后瞬间释放。当Cl释放完全后，MT模块因输入输出两端电压达到平衡而自行关断，系统重新对Cl充电，重复上述过程，在输出端形成高电压低电流匀和脉冲电磁场。
[0027]输出的电压、电流等数据通过监测开关K8接继电器Jl，再由Jl接入BG6的偏置电路将信号送至电压电平比较模块IC6 (LM339N)，分频比较模块IC3和电压电平比较模块IC6将相应频率、电压、电流等信号送至16位高精度数据采集卡DAQ(PCI6034)进行D/A转换后传给CPU(PCF8591)分析判断，根据不同情况选择送数字显示模块IC4(IXD1602)显示模块显不或者声光报警。
[0028]主电路的水下输出负载电阻Zl通过监测开关K8接入三极管BG4的偏置电路。当电路发生故障时，三极管BG4截止，继电器J2释放，触发电路停止工作，主电路自行关断，信号传回中央处理器CPU(PCF8591)，由中央处理器CPU(PCF8591)自动恢复或发出报警信号使继电器的常闭触点J2-3接通，LED灯LED5亮起并导通喇叭Y发出报警声。根据故障的不同，LED5和Y会分别发出不同频率的警报。水下输出一旦正常，三极管BG4立即导通，继电器吸合，触发电路工作，设备自动恢复正常运行。
[0029]本发明通过对中央处理器CPU的软件编程合理选择可控高精度脉冲发生方法，使用光电耦合电路IC5模块代替传统的脉冲变压器，省去大量分立元件，缓冲储能电容Cl采用大容量，耐高压的无极性油浸纸介电容，使得设备重量轻，方便携带，减轻野外采样人员的负担，省时省力。大功率、低耗电，水生生物样本采集率可达98%以上。对所采集水生生物样本损伤小，可以快速无偏差取样以获得有效群体数据，同时提高采样的效率和完整性。
[0030]可安全采集水生生物样本的设备输出匀和低频直流脉冲电磁场，利用采样对象在脉冲电磁场中的定向反应，对其可实现高效安全采样，对采样人员和采样对象都安全。水生生物上浮到采样设备附近水面后，用辅助工具收集。对其外观和内部不造成损害，不影响样本的生长和繁殖。
[0031]由中央处理器CPU、分频比较模块IC3、电压电平比较模块IC6以及16位DAQ构成的输出脉冲调节系统可以自动对输出脉冲的技术指标进行有效调节，经过调制后的脉冲信号通过IC5脉冲转换模块成为MT模块的触发脉冲信号，MT模块接收到触发信号后开始工作，其输出在水中形成低频匀和直流脉冲电磁场；并通过IC4数字显示模块使设备的主要参数通过智能显示系统实现系统的数字化、可视化。
[0032]用可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，具体步骤如下:
[0033]I)对水域水质污染情况进行评估，确定采集水生生物样本的种类、数量；
[0034]2)根据采集水生生物样本的水域，确定设备的携带方式；携带方式有肩背式，放置在手摇船或机动船上的方式。
[0035]采样地点在溪流浅滩采用肩背式，由采样人员将脉冲设备背在肩上使用；采样地点为河流或湖泊，则根据水深将设备放置在手摇船或机动船上。
[0036]3)将网具放置在预定位置，根据采集水生生物样本对象确定输出电磁场强度范围；然后将输出电极根据不同水深放入水中；由操作员启动设备开始工作。
[0037]采集水生生物样本为鱼类，输出电磁场强度设定:电压50~600V、20~80Hz，幅度2~12ms ;米集水生生物样本为浮游藻类时,输出电磁场强度设定:电压500~750V、60 ~IOOHz,幅度 8 ~15ms ；
[0038]采集水生生物样本为底栖无脊椎动物或底栖浮游藻类，输出电磁场强度设定:电压 700 ~990V、80 ~120Hz,幅度 10 ~20ms。
[0039]4)正常启动后从16位高精度数据采集卡DAQ获得的采样数据对设备的电压、电流、频率的数据进行监控，数字显示模块IC4显示，电极周围的水域产生脉冲电磁场；
[0040]5)脉冲电磁场引导所需水生生物样本向发射极所在位置运动，从而进入相应预设网具，进行捞取。
[0041]中上层鱼类和藻类使用手网或抄网捞取；对中底层浮游藻类和鱼类用拖网捞取。对大型底栖无脊椎动物和底栖浮游`藻类采用将脉冲电设备电磁场发射极分别与抄网、踢网或带采集器筛网等绑定的方法，引导采集对象向发射极所在位置运动，从而进入预设网具，再进行采集。
[0042]参照图2，本发明的具体操作流程为:
[0043]1、接通设备电源后，通过设备的控制键盘发出启动控制软件命令；
[0044]2、软件在中央处理器CPU与数据采集卡DAQ之间设置约定控制码以配置串口通?目;
[0045]3、通过发送单字节验证控制键盘、CPU和DAQ之间通信是否正常，如果通信不正常则重新配置串口；
[0046]4、如果通彳目正常，则向DAQ发送系统启动控制命令；
[0047]5、启动监测软件，通过中央处理器CPU与数据采集卡DAQ之间的数据传输对设备是否正常工作进行实时监测；
[0048]6、判断系统知否正常启动，未启动则进行电路检测，判断是否硬件故障；
[0049]7、若系统正常启动，则根据从DAQ获得的采样数据对设备的电压、电流、频率的数据进行监控；如数据不正常则进行电路检测，判断数据传输线路是否正常；
[0050]8、若数据正常，则送显示屏显示；
[0051]9、判断显示数据是否正常，不正常则进行电路检测，判断显示数据传输是否正常、显示屏是否有硬件故障等；
[0052]10、若显示正常，则判断是否收到结束监测指令。如果没有收到，则继续系统监测工作；
[0053]11、若收到结束指令，则发送系统停机控制指令；
[0054]12、判断系统是否正常停止工作。如果没有停止，则进行电路检测，判断是否硬件故障；
[0055]13、电路检测主要通过检测各模块间的传输数据信号是否正常以及监测数据与操作员设定参数是否一致等来完成检测工作。
[0056]14、检测中，需判断故障是否已恢复正常，如果已修复，则继续系统监测工作；
[0057]15、若故障未恢复,则根据故障的位置传送相应的故障信号给CPU,启动声光报警。
[0058]16、若系统正常停机，软件运行结束。
【权利要求】
1.可安全采集水生生物样本的设备，其特征在于12V直流电通过转换升压后分档输出，对缓冲储能电容Cl充电，分频比较模块IC3发出触发启动信号，经过三极管BGl放大后送至光电耦合电路模块IC5，光电耦合电路模块IC5产生脉冲触发信号将高精度脉冲磁场转换单元MT模块触发导通，MT模块接电感L1、监测开关K8;监测开关K8接继电器J1，继电器Jl通过三极管BG6接电压电平比较模块IC6，分频比较模块IC3、电压电平比较模块IC6相应频率、电压、电流信号送至16位高精度数据采集卡DAQ进行D/A转换后传给中央处理器CPU分析判断，信号送数字显示模块IC4显示；水下输出负载电阻Zl通过监测开关K8接入继电器J2、三极管BG4的偏置电路，继电器J2接中央处理器CPU，中央处理器CPU接发光二极管 LED4、LED5、喇叭 Y。
2.根据权利要求1所述的可安全采集水生生物样本的设备，其特征在于缓冲储能电容Cl采用大容量，耐高压的无极性油浸纸介电容。
3.用权利要求1所述的可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，其特征在于具体步骤如下: 1)对水域水质污染情况进行评估，确定采集水生生物样本的种类、数量； 2)根据采集水生生物样本的水域，确定设备的携带方式；携带方式有肩背式，放置在手摇船或机动船上的方式； 3)将网具放置在预定位置，根据采集水生生物样本对象确定输出电磁场强度范围；然后将输出电极根据不同水深放入水中；由操作员启动设备开始工作； 4)正常启动后从16位高精度数据采集卡DAQ获得的采样数据对设备的电压、电流、频率的数据进行监控，数字显示模块IC4显示，电极周围的水域产生脉冲电磁场； 5)所需水生生物样本向脉冲电磁场定向运动至事先预设网具的相应位置，进行捞取。
4.根据权利要求2所述的用权利要求1所述的可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，其特征在于采集水生生物样本为鱼类时，输出电磁场强度设定:电压50?600V、20?80Hz，幅度2?12ms ;采集水生生物样本为浮游藻类时，输出电磁场强度设定:电压500?750V、60?100Hz，幅度8?15ms ;采集水生生物样本为底栖无脊椎动物或底栖浮游藻类时，输出电磁场强度设定:电压700?990V、80?120Hz，幅度10?20ms。
5.根据权利要求2所述的用权利要求1所述的可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，其特征在于当采样对象在脉冲电磁场中产生定向反应后，中上层鱼类和藻类使用手网或抄网捞取；对中底层浮游藻类和鱼类用拖网捞取。
6.根据权利要求2所述的用权利要求1所述的可安全采集水生生物样本的设备采集水生生物样本的方法，其特征在于对大型底栖无脊椎动物和底栖浮游藻类采用将脉冲电设备电磁场发射极分别与抄网、踢网或带采集器筛网等绑定的方法，引导采集对象向发射极所在位置运动，从而进入预设网具，再进行采集。
【文档编号】A01K79/02GK103630419SQ201310711450
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】常剑波, 周峥, 周迪华 申请人:水利部中国科学院水工程生态研究所