Fengmei Li, Yaoguang Wei*, Yingyi Chen, Daoliang Li et Xu Zhang
Reçu : 1er octobre 2015 ;Accepté : 1er décembre 2015 ;Publié : 9 décembre 2015
Éditeur académique : Frances S. Ligler
Collège d'information et de génie électrique, Université agricole de Chine, 17 Tsinghua East Road,
Beijing 100083, China; lifm@cau.edu.cn (F.L.); chyingyi@126.com (Y.C.); dliangl@cau.edu.cn (D.L.);
zhangxu_zx888@sina.com (X.Z.)
*Correspondence: weiyaoguang@gmail.com; Tel.: +86-10-6273-6764; Fax: +86-10-6273-7741
Résumé:L'oxygène dissous (OD) est un facteur clé qui influence la croissance saine des poissons en aquaculture.La teneur en OD change avec le milieu aquatique et doit donc être surveillée en ligne.Cependant, les méthodes de mesure traditionnelles, telles que l'iodométrie et d'autres méthodes d'analyse chimique, ne conviennent pas à la surveillance en ligne.La méthode de Clark n'est pas suffisamment stable pour de longues périodes de surveillance.Pour résoudre ces problèmes, cet article propose une méthode de mesure intelligente de l'OD basée sur le mécanisme d'extinction de la fluorescence. Le système de mesure est composé de modules de détection d'extinction de la fluorescence, de conditionnement du signal, de traitement intelligent et d'alimentation.La sonde optique adopte le mécanisme d'extinction fluorescent pour détecter la teneur en OD et résout le problème, alors que les méthodes chimiques traditionnelles sont facilement influencées par l'environnement.La sonde optique contient une thermistance et des sources d'excitation doubles pour isoler la lumière parasite visible et exécuter une stratégie de compensation.Le module de traitement intelligent adopte la norme IEEE 1451.2 et réalise une compensation intelligente.Les résultats expérimentaux montrent que la méthode de mesure optique est stable, précise et adaptée à la surveillance en ligne de l'OD dans les applications aquacoles.
1. Introduction
L'oxygène dissous (OD) fait référence aux molécules d'oxygène dissoutes dans l'eau et est essentiel au maintien de la vie humaine et animale.L'oxygène est un analyte important en raison de son rôle clé dans les industries des sciences de la vie, de la biotechnologie, de la médecine et de l'aquaculture.La teneur en OD dans l'eau est une indication de la qualité de l'eau, et un contrôle minutieux des niveaux d'oxygène est important dans les processus d'auto-épuration des eaux usées [1,2].La qualité de l'eau est étroitement liée aux contaminants présents dans l'eau, tels que H2S, NO2, NH4+ et la matière organique.Les caractéristiques des eaux usées, y compris la couleur, la demande chimique en oxygène (DCO) et la demande biologique en oxygène (DBO), indiquent spécifiquement le niveau de polluants dans les eaux usées industrielles [3].Dans le même temps, l'OD joue un rôle très important dans la santé et la croissance des organismes aquatiques [4,5].Une teneur en OD inférieure à 2 mg/L pendant un certain nombre d'heures provoque l'asphyxie et la mort des organismes aquatiques [6].Pour les humains, la teneur en OD de l'eau potable ne doit pas être inférieure à 6 mg/L.Par conséquent, la détermination des concentrations d'oxygène est d'une grande importance dans l'industrie aquacole et dans la vie quotidienne.Cependant, la surveillance de la teneur en OD avec tous ses facteurs d'influence externes, tels que la température, la pression et la salinité, est difficile.Pour obtenir une teneur en DO précise, la méthode de détection doit mettre en œuvre une compensation intelligente.En général, trois méthodes peuvent être utilisées pour détecter la teneur en OD : les méthodes iodométriques, électrochimiques et optiques [7,8].
La méthode iodométrique [9,10] est une méthode populaire et précise de détection de la teneur en OD dans l'eau.Il s'agit d'une méthode fiduciaire mais qui a un processus de détection complexe et ne peut pas être utilisée pour détecter la qualité de l'eau en ligne.Cette méthode est principalement utilisée comme référence dans l'environnement du laboratoire (hors ligne).La méthode électrochimique [11-14] utilise des électrodes pour détecter le courant produit par les réactions redox aux électrodes.Cette méthode peut être classée comme type polarographique ou type cellule galvanique sur la base du principe de détection.La méthode électrochimique a une longue histoire dans la détection de la teneur en DO ;la première méthode polarographique dite de Clark a été conçue par Clark de la société YSI en 1956 [12].Contrairement à l'iodométrie, la méthode électrochimique surveille la teneur en DO par la réaction d'oxydo-réduction qui se produit entre l'électrode et les molécules de DO et consomme de l'oxygène dans le processus de détection.Étant donné que la dérive instrumentale est inévitable avec le grand nombre de facteurs impliqués dans la détermination du résultat de détection, les capteurs électrochimiques nécessitent un étalonnage et un remplacement réguliers.Les capteurs optiques DO [15,16] sont plus attrayants que les méthodes iodométriques et électrochimiques car ils ont un temps de réponse rapide, ne consomment pas d'oxygène, ont une petite dérive dans le temps, ont la capacité de résister aux perturbations externes et nécessitent un étalonnage marginal.Le principe de détection des capteurs OD optiques est basé sur l'extinction de la fluorescence, y compris la détection de la durée de vie de la fluorescence et la détection de l'intensité de la fluorescence.La détection d'intensité peut être réalisée par la photodiode, contrairement à la durée de vie, qui doit être détectée en fonction du déphasage [17].Cette étude développe une méthode de mesure optique intelligente basée sur le mécanisme de trempe fluorescente.
Les méthodes susmentionnées présentent des avantages et des inconvénients qui les rendent inadaptées à l'industrie aquacole en Chine.Premièrement, la détection de la teneur en OD est difficile pour l'aquariophile qui doit faire face à de nombreux facteurs qui influencent l'industrie aquacole.Une comparaison des trois méthodes montre que la méthode électrochimique n'est pas un bon choix en raison de ses faibles propriétés anti-interférences.Deuxièmement, la teneur en OD n'est pas constante et une concentration insuffisante dans l'eau naturelle entraîne la mort des poissons.Ainsi, la détection du contenu DO en temps réel est très importante.Cependant, les échantillons d'eau de la méthode iodométrie doivent être testés en laboratoire, ce qui rend cette méthode inadaptée au suivi des organismes en production réelle pour cette raison.
Enfin, les capteurs optiques traditionnels présentent plusieurs inconvénients, notamment la sensibilité aux changements de température, de pression et de salinité externes et l'atténuation de la source lumineuse et la dérive en raison de la dégradation ou de la lixiviation du colorant.L'influence de tous ces facteurs peut être diminuée en ajoutant des modules de traitement intelligents.Le capteur DO optique conventionnel introduit de l'étranger est coûteux et n'a pas une grande précision lorsqu'il est utilisé dans l'industrie aquacole.Ainsi, la conception et le développement d'un capteur d'OD optique dédié peu coûteux et intelligent est nécessaire. Cette étude propose et développe une méthode de mesure d'OD intelligente basée sur le mécanisme d'extinction de la fluorescence.Le capteur contient quatre modules : détection d'extinction fluorescente, conditionnement du signal, traitement intelligent et modules d'alimentation.Le capteur basé sur la trempe fluorescente présente plusieurs avantages : une consommation d'énergie plus faible, une taille plus petite, une plus grande précision et des propriétés anti-interférences plus fortes que les capteurs iodométriques ou électrochimiques.
2. Matériels et méthodes
2.1.La conception globale du capteur optique d'oxygène dissous
Compte tenu de la présence de facteurs d'influence instables, le capteur adopte une sonde optique basée sur l'extinction de la fluorescence.Par rapport au capteur DO traditionnel, le capteur DO optique intelligent proposé dans cette étude a une structure de sonde améliorée et un module de traitement intelligent supplémentaire.Ces paramètres d'étalonnage sont stockés dans la mémoire de la fiche technique électronique du transducteur (TEDS).La figure 1 montre que les modules de détection d'extinction de fluorescence, de conditionnement de signal, de traitement intelligent et d'alimentation sont inclus dans le capteur intelligent.Le module de détection d'extinction fluorescente contient une sonde de température et une sonde DO.La sonde de température est responsable de la collecte des signaux de température de l'eau et la sonde DO est responsable de la collecte des signaux DO.Le signal d'entrée d'origine peut être converti en signal de tension de 0 à 2,5 V par les circuits de conditionnement du signal.Le microcontrôleur MSP430, qui est le cœur du module de traitement intelligent, est connecté aux circuits de conditionnement du signal, à la mémoire TEDS et à l'interface série [18].Les données collectées sont fusionnées grâce à la technologie de fusion de données multi-sondes, et la valeur DO obtenue est transférée via une interface RS485 compatible après avoir été traitée et analysée par le microcontrôleur.L'interface RS485 permet au microcontrôleur de communiquer avec le PC supérieur.Le capteur est alimenté par une alimentation tout ou rien, qui est également contrôlée par le microcontrôleur MSP430.
2.2.Conception du module de détection d'extinction de fluorescence
Le schéma du module de détection d'extinction fluorescente est illustré à la figure 2. La sonde a une longueur approximative de 16 cm et un diamètre de 4 cm.La configuration de la sonde compacte est utilisée pour la compatibilité avec les exigences de l'industrie aquacole.Comme illustré à la figure 2, la sonde DO contient deux LED bleues à haute luminosité, un fifilm sol-gel, une lame de verre, un fifiltre optique rouge, un papier fifiltre optique bleu et une photodiode au silicium.Ce module comprend également une résistance en platine pour surveiller la température ambiante pendant les mesures.L'intensité et la température de fluorescence sont traitées dans le logiciel pour l'étalonnage de la température.
Les doubles LED bleues à haute luminosité (LA470-02) sont modulées à la même fréquence, de sorte que la LED de référence peut être utilisée pour compenser la LED d'excitation car la perte d'intensité lumineuse des LED bleues est exactement la même.A la même fréquence, la photodiode peut réduire le rayonnement de fond dû à la lumière ambiante dans l'environnement de mesure et éviter l'excitation de tout matériau fluorescent.De plus, l'intensité des LED est réduite à un niveau bas auquel le phénomène de photoblanchiment du colorant a une faible probabilité de se produire [19].La longueur d'onde centrale de la LED d'excitation bleue est d'environ 465 nm, qui est fifiltrée par un papier fifiltre passe-bande bleu pour filtrer la lumière des autres longueurs d'onde.Les résultats expérimentaux montrent que la lumière bleue peut induire la membrane sensible à émettre une fluorescence à 650 nm.Pour réduire l'influence de la lumière parasite, la sonde est équipée de papiers fifiltre passe-bande bleu (OF1 et OF2) devant les LED et de fifiltre passe-haut rouge (OF3) devant la photodiode au silicium.Une photodiode au silicium (OPT 301) est utilisée pour recevoir la fluorescence émise par le fifilm sol-gel et la lumière bleue de la LED de référence.La LED d'excitation bleue et la LED de référence bleue sont séparées sur différents côtés du fifiltre passe-haut rouge, ce qui est bénéfique pour couper la lumière parasite et garantir la précision de la détection du signal optique. Le fifilm de détection fluorescent est la partie la plus importante du Le capteur DO et ses performances influencent considérablement la précision, l'efficacité et la stabilité du capteur.Les chercheurs ont mené plusieurs études sur les indicateurs de fluorescence [20-22] et ont découvert que les indicateurs fluorescents les plus courants contiennent des complexes de porphyrines métalliques, des hydrocarbures aromatiques polycycliques organiques et des complexes de métaux de transition [23].Le Ru(bpy)3Cl2 a été choisi comme indicateur de fluorescence dans cette étude en raison de son état de transfert de charge métal-ligand hautement émissif, de sa longue durée de vie et de sa forte absorption dans la région bleu-vert du spectre, ce qui est compatible avec la LED bleue haute luminosité [20].Le colorant est piégé dans un fifilm sol-gel poreux et hydrophobe d'environ 0,04 mm.Le fifilm sol-gel est monté sur la surface de la lame de verre, qui doit être transparente pour que l'excitation et la luminescence pénètrent.Le fifilm doit également avoir la forme d'un arc et conserver une taille stable ;la surface de l'arc est conçue pour augmenter la zone de contact et éviter les bulles de surface.Le principe de fonctionnement du capteur est basé sur le mécanisme d'extinction fluorescent.Le processus de trempe fluorescente est décrit par l'équation de Stern-Volmer [24–26].
Heure de publication : 26 mars 2022