鱼塘增氧机自动控制器的研究
辽阳职业技术学院，辽宁辽阳0 111004
摘要 本文针对鱼塘增氧机的自动控制进行了经济性研究。鱼塘增氧机的主要作用是通过对水的的搅动，排除水中有害气体，增加水中的氧气，但人工控制增氧机工作，如不及时不能达到效果，工作时间太长又会过多的无效耗能。本文研究的通过对水中有害气体的检测，实施对增氧电动机的自动控制装置，既可做到及时供氧，又可以有效地减少电能的消耗。本控制器采用检测-发射-接收-控制的基本思路，采用周期性发射控制，可以有效地节省发射电路的功耗。
关键词 节能；甲烷；检测；发射；接收；控制
中图分类号O62 文献标识码A文章编号 1674-6708（2012）61-0093-02
鱼塘增氧机是确保水产品正常养殖的重要设备。在淡水养殖中，鱼塘内有时出现大面积死鱼现象，人们以往认为是鱼塘水中含氧量的减小，因此，人们采用在水面下安装叶轮螺旋式鱼塘增氧机，让溅起的水滴在空气中运动将空气中的氧带回到水中，并以此提高水中的含氧量。在鱼塘里增设这种增氧机确实避免了出现大面积死鱼的现象，按照上述推想，增大带动螺旋桨电动机功率，会有效提高水中的氧含量，但经过试验测试得知，采用3KW的电机，与采用1.5K的电机相比，对水中的含氧量并没有明显提高。那么，增设鱼塘增氧机为什么能避免出现大面积死鱼的现象呢？
与流动的活水养殖不同，淡水的鱼塘养殖通常是死水养殖。为了提高养殖效益，人们通常取高养殖密度，这样就要每天投入大量的鱼食。根据养殖对象的不同，这些投入的鱼食可能是动物性（如粉碎的鸡肠）或植物性（如农作物的颗粒）食料，这些食料经鱼消化最终变成粪便并不断在鱼塘底部聚积，与产生沼气一样，在一定的温度、压力下产生甲烷等有害气体，特别在高湿度、闷热环境下，产生这些有害气的浓度会不断增大，鱼塘内的鱼会随着有害气体的上升出现浮头、跳出水面的现象，严重时会出现大面积死鱼现象，給鱼农造成重大经济损失。因此，增氧机的作用主要是通过对水的搅动排除水中诸如甲烷等有害气体，为鱼提供正常的生存环境。
东北地区增氧机从每年从5月份开始一直可能工作到10月份，一般每天增氧电机连续工作8小时。鉴于上述分析结果，在避免大面积死鱼的同等条件下，采用1.5kW的电机要比采用3kW的电机，要较小一半的费用，经济效益十分可观。
在当今倡导节能、环保的大环境下，我们有必要依靠科技进步，将鱼塘增氧机实现自动控制，进一步减小增氧机消耗的电能。
从鱼塘内产生出现大面积死鱼现象的机理分析中可以得出这样的结论：在不产生甲烷等有害气体时，增氧的电机是没有必要开启的，否则要白白地浪费电能。为了使鱼塘增氧机实现自动控制，我们有必要利用传感器实现对鱼塘水中甲烷气体浓度进行测量，只要其浓度超过一定数值，就开启电机；当浓度低于一定数值时，关闭电机。这样我们就达到了节能、环保的目的。
对鱼塘增氧机实现自动控制，要解决如下问题：
1水中甲烷气体的采集与浓度测量
对甲烷气体的浓度测量，通常可以采用加热型、非加热型两种传感器。基于传感器使用灵敏度、环境、电路成本、寿命等因素，我们建议采用TP-1.1A非加热型传感器。一般农家用甲烷气度浓度为60%左右，而TP-1.1A传感器可以对浓度超过0.03%的甲烷气体具有很好的敏感性。
无论是采用那种类型传感器，由于它们都是直接测量气态的甲烷浓度，我们必须将水中的甲烷通过甲烷收集装置收集气体，实现在气室内测量，甲烷气体收集装置图1所示。
从外观上看，甲烷收集装置呈伞状，在伞内根部有向上的通气孔。将甲烷收集装置伞面下端与救生圈固定在一起，并漂浮放置到水面上，一方面，对应伞面面积下上浮的甲烷气体，会沿着伞内部的斜面经通气孔进入伞端上部的气室，TP-1.1A传感器就放置在这里；另一方面“水涨船高”，避免因下雨、对塘内灌水等因素使水灌入气室淹传感器而影响正常工作。
下视局部图轴向四分之一圆周剖视图
2无线通讯与电源经济运行问题
甲烷收集装置连同传感器是要放置到水面上的，当传感器检测到甲烷气体后，可通过无线发射电路将信号传送到岸边的陆地上，利用无线接收装置实施对电机启停控制。鱼塘增氧机自动控制器的安装示意如图2所示。
无线通讯可以采用市场上销售的现成收发模块，一套收发模块价格一般在20元左右，传送距离一般在500m以内。通常在一个鱼塘内可有多台增氧机，而有些渔农可能有几个鱼塘，从地域分布上，自家鱼塘的附近可能还有其他渔农的鱼塘，如果收发频率相同，势必造成信号的干扰，影响控制效果。为解决这一问题，可利用收发模块的编码特性，通常收发模块电路板上有8个可短路点，通过短路焊接相同位置可实现收发模块编码的一致。只有编码相同的收、发模块才能正常使用。从数量上看，2的8次方有256种编码，为有效利用编码，对一个鱼塘可以采用一发多收方案，显然这降低了系统的可靠性，因为一旦传感器或发射电路有故障，这个鱼塘内的所有增氧机都会不工作，因此建议采用二发多收方案，虽然冗余，但可靠性较高。
传感器以及无线发射电路的电源，可以采用太阳能电池作为电源，但成本较高，通常可以使用干电池作为电源，成本较低，一般一个月要更换一次。为延长干电池工作时间，考虑到传感器检测工作的连续性，并且TP-1.1A传感器为非加热型，功耗相对加热型要低，因此，只在无线发射电路上采用定时间歇式工作方式，由555振荡器件实现的方波信号实施控制。当传感器检测到气体信号后，只在方波高电平期间发射，而在方波低电平期间不发射，理论上讲可以节约电池一半的能量。
图3给出了采用TP-1.1A传感器的检测、发射控制电路原理图。在由电源E、传感器TP-1.1A、电阻R1的回路中，电阻R1两端的电压与被检测气体的浓度成正比；而比较器Q1、电阻R2-R6、三极管T1、电容C2实现快速结束因TP-1.1A长期存放所导致的固有不稳定期。R7-R8分压电阻决定了监控点气体浓度所对应的电压。电容C1、C2起滤波作用。比较器Q2、电阻R9-R12、三极管T2、继电器J实现超过设定（浓度）电压的发射电路电源的控制。二极管D1实现对三极管T2的保护作用。方波电压经D2引入后实现定时间歇式工作方式，当方波电压处于低电平状态时，如果Q2比较后的电压为高电平（需要接通电动机电源），但由于D2的导通使三极管T2处于截止状态，不能接通发射电路的电源，而在方波电压处于高电平状态时，由于D2反向接入，T2能否导通取决于比较后的Q2输出电压。因此，能否发射信号有两个条件：一个是检测的浓度对应的电压高于设定的电压；另一个是只在方波电压处于高电平状态时。
我们相信，随着科学技术的发展，今后会出现一大批机电结合产品，在解决具体问题的过程中，促进社会经济的、低碳环保的、科学的可持续发展。
参考文献
[1]叶轮增氧机增氧试验报告.辽宁省淡水渔业环境监督检测站，2008.
[2]TP-1.1A非加热甲烷气体传感器使用说明书，2010.
[3]张正伟.传感器原理与应用.中央广播电视大学出版社，1991.
[4]李娟.传感器与检测技术.机械工业出版社，2009.