德國SubCtech公司——走航式海洋表層多要素測量系統
OceanPackTM Autonomous Underway Measuring System(AUMS)
設備特點：
√高度智能化和現代化，減少人力
√多種尺寸，應用靈活
√海氣二氧化碳同步測量
√硅膜快速分離水中CO2，T90<3min
√采樣頻率1Hz
√標氣自動校準、自動調零
√自動清潔，防止生物附著
√自帶進水控制器
√自主開發NetDI?系統，觸屏式一鍵設置
√幾乎可擴展所有傳感器和分析儀
√儀器無需特殊維護保養
√通用數據，雙重備份
√接入SOCAT或ICOS數據庫平臺
√根據實際情況定制開發
即將安裝于中國下一代破冰船雪龍 2 號
設備介紹
一、系統介紹
SubCtech在海洋儀器領域具有超過26年的歷史，是一家獨資企業，具有高度的生產、研發自主性。儀器多個組件均受到專利保護，具有獨特的技術先進性、測量準確性以及良好的耐用性。SubCtech公司與德國霍姆赫茲研究所的GEOMAR研究院長期合作，保證所有的研發設計都達到較優品質，公司具有ISO 13628-6 和 API17f 認證的專業海洋儀器設計研發資質，以及ISO 9001:2015認證的生產制造資質，公司工程師均具有高標準的IPC-A-600/610-3到SIL-2資格認證。
德國SubCtech公司OceanPackTM AUMS表層海水走航觀測系統是一套集成有海水和空氣CO2/H2O/CH4含量分析、多種海水物理化學性質傳感器、五參數全自動營養鹽分析儀、各種船載設備數據輸入輸出的高度集成的一體化系統，具有較佳的性能、很強的穩定性和適應性、極大減少人工參與的自主化操作能力，以及完全可擴展的系統設計，完全滿足各項的系統要求。
OceanPackTM AUMS獨特的設計使其在走航式水-氣CO2測量領域備受好評。二氧化碳分析儀集成在19”的OceanPack?機架之中，通過船上的表層水采集系統可以分析水中pCO2的值，利用單獨安裝在甲板上的進氣箱可以采集來自大氣中的CO2并進行分析。其獨特之處在于采用了特殊的膜結構實現水體中二氧化碳與檢測倉中二氧化碳的平衡，檢測倉中裝載成熟的LI-COR?系列分析儀，檢測二氧化碳濃度并輸出信號，膜法平衡器受滲透率、濃差極化與透膜率的影響，倉中氣體變化平緩，因此信號非常平滑，另外由于操作簡單，檢測過程耗時短、響應快，且數據更加準確。
OceanPackTM AUMS系統集成工作狀態穩定的紅外分析儀或激光分析儀，應用于海洋環境中表層海水及大氣中CO2/H2O/CH4濃度，及其相關參數（溫度、鹽度、pH）的走航監測。儀器自帶切換海水/大氣測量所需的全部軟件和硬件，支持水體和空氣中CO2/H2O/CH4測量時間和周期的自由調整。從測量水體切換到測量空氣：平衡時間小于1分鐘，從測量空氣切換到測量水體：平衡時間小于5分鐘。系統控制軟件兼容性強，系統具有完善的自監測功能，包括系統自監測和測量數據監測等，以保證數據質量，在無人操作的情況下也可自我運轉。
OceanPackTM AUMS幾乎可兼容所有探頭，可在主機的除泡器內集成溶解氧、濁度、硝酸鹽、葉綠素、CDOM、pH、溫度鹽度等，相關參數可以基本實現同步測量，測量得到的數據通過主機內的數據采集器實時顯示在屏幕中，無需另外增加旁路，也無需將數據導出后再進行復雜計算。用戶也可根據需要選擇是否在旁路增加更多的分析儀進行其他參數的測量。
二、OceanPackTM核心優勢
1.產品對比
比較項目 | 德國SubCtech OceanPackTM | 德國4H JENA | 美國General Oceanic |
規格 | 三種規格可選 | 單一規格 | 單一規格 |
氣體平衡方法 | 膜法 | 膜法 | 噴淋法 |
二氧化碳檢測器 | LI-COR 840x或LosGatos | 需用戶單獨購買 | 需用戶單獨購買 |
激光檢測器 | LosGatos一鍵式操作 | 無 | Picarro需要用戶單獨操作 |
除泡器 | 體積6L，兩段式除泡 | 體積2L，簡單除泡 | 體積2L，簡單除泡 |
檢測前后水樣 | 分離 | 除泡器內混合 | 分離 |
外形 | 19”標準機架，抽屜式設計 | 自行設計機架 | 自行設計機架 |
校準調零 | 自動調零，無需標氣 | 純氮氣+兩種標氣 | 純氮氣+兩種標氣 |
系統設計 | 管路簡單，組件少 | 管路密集復雜，小型組件多 | 管路密集復雜，小型組件多 |
擴展性 | 幾乎兼容所有探頭 | 不支持更多探頭 | 僅限于CTD、DO、GPS |
操作系統 | 基于ARM Cortex的NetDI?系統，簡單穩定 | 基于Windows?的Win7系統，有崩潰風險 | 基于Windows?的Win7系統，有崩潰風險 |
數據格式 | 通用NMEA-0183 | 專用格式 | 專用格式 |
數據傳輸方式 | RS232/422/485 | 單芯脈沖信號 | RS485 |
維護 | 活動管路組件，易拆裝 | 硬質固定組件，難維護 | 硬質固定組件，難維護 |
2.主要性能優勢
對比項目 | 傳統走航系統 | SubCtech的OceanPack 改進方案 | 美國General Oceanic |
水-氣測量組件 | 一個分析儀連續測量，采樣頻率很低，大約10 min | 兩個分析儀同時測量水中和空氣中的pCO2，采樣頻率能達到1Hz | 單一規格 |
校準組件 | 需要2-3個額外的參考氣（WMO認證的標準氣體，價格昂貴） | 小船：高性能的LI-COR?分析空氣中CO2時不需要參考氣體，長期漂移可以通過后處理校正。 | 噴淋法 |
調查船： 使用1-2個氣體的自動校準功能就可以達到水體分析時的高準確度 | 需用戶單獨購買 | ||
安裝 | 重量較大>100kg，有多個軟管，需要有額外的空間放置必需的氣瓶，氣管 | 整個系統集成在一個19”標準機架內，最輕質量<75kg,耗電量低，不使用氣瓶時不會占用額外空間 | Picarro需要用戶單獨操作 |
CO2分析儀 | 分析儀要專門購買并且由客戶自行安裝 | 成熟的LI-COR? 系列分析儀配置好后集成在系統內，實現即插即用?？杉善渌鏛as Gatos分析儀，或在激光分析儀和紅外分析儀之間切換 | 體積2L，簡單除泡 |
操作系統 | 分析儀配備兩套特有的分析程序，水系統必須用專門的軟件 | 編程計算好的整套解決方案，標準的NMEA-0183數據格式 | 分離 |
附加探頭 | 只能安裝少數探頭 | 系統非常靈活，模塊化組裝使其具有多個端口，能兼容幾乎所有探頭，能夠完全集成在水路中并且很容易保養，可選擇是否安裝自動清潔模塊 | 自行設計機架 |
接口 | 不同的文件和專有的數據格式 | 標準的NMEA-0183 (ASCII)數據格式（SubCtech是NMEA和SUT成員） | 純氮氣+兩種標氣 |
平衡器 | 敏感的玻璃平衡器，需要定期維護，且噴淋時的壓力會影響氣體溶解度 | 平板硅膜平衡器無需維護，過濾膜由HZG（即GKSS）研究中心開發 | 管路密集復雜，小型組件多 |
生物附著 | 玻璃過濾器易被生物附著 | 平板硅膜平衡器幾乎不會受到生物附著，泥沙沉積的影響（已通過NOAA ACT測試認證） | 僅限于CTD、DO、GPS |
除泡器 | 不提供，水路是平衡器的一部分，如果要安裝外部探頭，必須安裝在旁路上 | “mBubbler?”是具有氣體耐受性的除泡器，可以將氣泡卷起至±30°和傾斜的角度并將其去除，第1次經IFREMER在2009年得到證實?？梢约珊芏鄠鞲衅?，在相同水體條件下進行數據采集。 | 基于Windows?的Win7系統，有崩潰風險 |
耐用性 | 由于有多個管道，玻璃平衡器，因此對惡劣條件比較敏感 | 適用于極端條件，曾在30 nmi游艇競賽中得到測試，很多客戶在各種天氣情況下的使用也證明了這一點 | 專用格式 |
數據處理 | 數據處理很費力，由于各程序獨立運行且內部存儲數據，因此要處理多個文件 | 數據實現實時計算，但原始數據仍舊保存便于后期科學處理，數據全部集成嵌入在數據采集儀中 | RS485 |
后期成本 | 由于定期保養后續費用會很高，而且參考氣體需要不斷購買 | 可以在無人監管的狀態下正常運行3個周以上，后續費用低，如果可以的話不需要外部氣瓶 | 硬質固定組件，難維護 |
三、核心技術參數（激光傳感器）
測量參數 | 參數規格 | 測量參數 | 參數規格 |
CO2 (表層水+大氣) | 量程：0-20000ppm，可調整 | 葉綠素a | 量程：0-50μg/l |
分辨率：1ppb | 分辨率：0.025μg/l | ||
精度：±50ppb | 藻紅蛋白 | 量程：0-175μg/l | |
CH4 (表層水+大氣) | 量程：0-100ppm，可調整 | 分辨率：0.086μg/l | |
分辨率：1ppb | 藻藍蛋白 | 量程：0-175μg/l | |
精度：±0.3ppb | 分辨率：0.086μg/l | ||
進水口溫度 | 量程：-5~45℃ | CDOM | 量程：0-1500μg/l |
分辨率：0.0001℃ | 分辨率：0.1μg/l | ||
精度：±0.005℃ | 熒光 | 量程：0-500μg/l | |
穩定性：0.00025℃/月 | 分辨率：0.01μg/l | ||
測量溫度 | 量程：-5~35℃ | 濁度 | 量程：0-1500NTU |
分辨率：0.0001℃ | 分辨率：0.05NTU | ||
精度：±0.002℃ | 藻類 | 總葉綠素范圍：0-200μg/l | |
電導率 | 量程： 0-7S/m | 分辨率：0.01μg/l | |
分辨率： 0.00001 S/m | 透射率：0-100% | ||
精度： ±0.0003 S/m | PAH | 量程：0.1-500ppb，可調整 | |
鹽度 | 量程： 0.5-40PSU | 分辨率：0.5ppb | |
分辨率： 0.0002PSU | TOC | 量程：0.25-50mg/l，可調整 | |
精度： 0.005PSU | DOC | 量程：0.25-50mg/l，可調整 | |
溶解氧 | 量程：0-16mg/l | COD | 量程：0.6-44mg/l，可調整 |
分辨率： 0.032mg/l | TSS | 量程：4-130mg/l，可調整 | |
精度：±0.256mg/l | BOD | 量程：0.6-44mg/l，可調整 | |
飽和度：0-150% | KHP | 量程：0.25-200mg/l，可調整 | |
飽和度精度：±5% | 光學營養鹽 | 量程：可調整 | |
飽和度分辨率：0.4% | 硝酸鹽-氮 | 量程：0.08-140 umol/L | |
pH | 量程： 0-14pH | 測量誤差：<5% | |
分辨率： 0.01pH | 銨鹽-氮 | 量程：0.2-20 umol/L | |
精度： ±0.05pH | 測量誤差：<5% | ||
ORP | 量程： -2000 - +2000 mV | 亞硝酸鹽-氮 | 量程：0.03-6 umol/L |
精度： ±1mV | 測量誤差：<5% | ||
溫度范圍：-10-130°C | 磷酸鹽-磷 | 量程：0.03-6 umol/L | |
溫度精度：0.1℃ | 測量誤差：<5% | ||
走航式微塑料/浮游生物/有機顆粒物 | 水樣過濾面積：≥2000mm2 | 硅酸鹽-硅 | 量程：0.3-100 umol/L |
孔徑：5-5000μm | 測量誤差：<5% |
系統組成
1.OceanPack?主機機柜
-德國SubCtech公司設計制造的mBubbler?品牌除泡器單元，可在一個水箱中采集同一時間和溫度的數據。
-集成Li-COR NDIR分析儀的pCO2、甲烷海水流通式傳感器，帶平膜模塊和自動校準。
-SmartDI?嵌入式數據記錄器，觸摸屏顯示，實時多任務處理系統，2 x 4 GB CF卡，驅動器(系統+備份，數據)。
-所有傳感器連接，包括電源，數據，供水，自動清洗系統，配置設置。
-所有傳感器和分析儀的自動供電，包括不間斷電源UPS.
-可通過類似或串行傳感器擴展。
2.帶有如下組件的Top-Box?（安裝在甲板）
-氣體和氣體過濾器;氣泵。
-所有Top-Box?組件的供電
-用于傳輸空氣的抗紫外線室外管路。
-帶有調節加熱器的進氣箱，在北極條件下安全運行(已被POLARSTERN號證明可用于零下35攝氏度)。
-接口尺寸，1/4英寸；功率20W
3.營養鹽機柜
-專為海水中營養鹽的監測設計
-DI水箱，用于超純水存取
-營養鹽分析儀，精度為ppb級別
-冰箱，用于存放試劑，可保存一個月
-營養鹽機柜除泡器，帶25μm濾芯和壓縮空氣自動清潔系統
-大體積廢液箱，存儲化學廢液
4.擴展單元（選擇性配置）
-配有高精度的LasGatos激光檢測儀，用于檢測CO2,CH4,H2O等溫室氣體，且能夠自動進行壓力和溫度補償。
-LasGatos激光檢測儀自動校準單元，能夠定時對儀器進行自校準。
-高精度的SubCtech溫度傳感器，測量進水口溫度，后期計算可加入溫度補償。
-海鳥SBE-45TSG表層溫鹽(溫度和電導率/鹽度)到自己的旁路中，并可調節水流量。
-Satlantic SeaFET pH傳感器，離子選擇性電極(ISFET)傳感器，具有長期的海水測量穩定性。
--Wetlabs 三參數熒光計，用于測量葉綠素，濁度，可溶性有色有機物
--自動營養鹽分析儀，可測量五項營養鹽指標
-走航式微塑料/浮游生物/有機顆粒物/水樣采集系統，可以在走航的過程中實現采集/過濾水樣。
-AADI Optode 4835溶解氧傳感器，具有鹽度校正和極長維護周期，只有少數受生物污染影響。
-Turner 三參數傳感器，可以測量CDOM，藻藍蛋白，藻紅蛋白，熒光等參數
-高精度，無腐蝕的水壓和水流傳感器(OceanPack?內)。
-Trios PAH 水中油類物質熒光探頭。
-AOA藻類分析儀，實現葉綠素在線分析。
-Trios OPUS水質分析儀，可以選擇測量BOD，COD，TSS， DOC，TOC，KHP，營養鹽等參數。
-SubCtech ORP傳感器，測量氧化還原電位。
-根據需要提供的其他傳感器。
-外接船舶數據，例如GPS、羅經、波浪、氣象、遙感等等。
-通過無線網絡實現數據遠程傳輸和顯示。
-其他定制化功能。
2010 年比利時科考船
2011 年中國科學號科考船
2013 年德國 Polarstern 科考船
2014 年格陵蘭極地科考船
2017 年沃爾沃全球帆船賽
2018 年安裝于中國破冰船“雪龍2號”
更多關鍵詞：走航式多要素自動測量系統，走航式二氧化碳分析系統，走航式二氧化碳
