CN103293327B

CN103293327B - 一种大气pCO2自动监测系统

Info

Publication number: CN103293327B
Application number: CN201310268056.0A
Authority: CN
Inventors: 林奇; 陈立奇; 张远辉; 王永辰
Original assignee: Third Institute of Oceanography SOA
Current assignee: Third Institute of Oceanography SOA
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: CN103293327A

Abstract

一种大气pCO₂自动监测系统，涉及一种大气pCO₂测量装置。设采样头、常闭二通阀、空气干燥管、两个常闭三通阀、高氯酸镁干燥管、CO₂检测器、空气采样泵、可调针形阀、微控制器、远程数据采集传输系统、标准气体瓶和标准零气瓶；采样头接二通阀入口,二通阀出口接空气干燥管入口，空气干燥管出口接第1三通阀第2入口，第1三通阀出口接第2三通阀第二入口，第2三通阀出口接高氯酸镁干燥管入口，高氯酸镁干燥管出口接检测器入口，检测器出口接空气干燥管反吹管入口，空气干燥管反吹管出口接空气采样泵和可调针形阀入口，可调针形阀出口接测量废气的废气管气体出口；标准气体瓶接第2三通阀第1入口，标准零气瓶接第1三通阀第1入口。

Description

一种大气pCO2自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种大气pCO₂测量装置，尤其是涉及用于浮标或野外，采用太阳能电池供电长期无人值守的一种大气pCO₂自动监测装置。

背景技术

海洋是一个大而强的碳库，海洋对气候变化的影响不仅在于海-气间热量和能量的交换，而且海-气间的物质（CO₂、N₂O等）交换同样起着重要的作用。据报道，人类每年产生的人为CO₂约有一半停留在大气中，而其余的CO₂被海洋等储圈所吸收。探索海洋对大气CO₂等温室气体增加的响应，对于预测未来大气温室气体含量水平以及全球气候变化具有重要意义。海洋CO₂是全球碳循环至关重要的纽带，研究CO₂在海洋中的转移和归宿，即海洋吸收、转移大气中CO₂的能力以及CO₂在海洋中的循环机制等是全球碳循环研究的核心内容。准确评估海-气CO₂通量需要对海洋中海水和大气的pCO₂进行精密观测。目前已经开发了一些走航和浮标上使用的pCO₂测量装置，有些是测量水下的pCO₂，有些则可以同时测量大气和海洋的pCO₂，我国在这方面也进行了积极的研究。中国专利CN1793852公开一种功耗低，适合海洋现场使用环境，对水体或大气中的二氧化碳分压进行实时高精度自动监测的多波长分光态二氧化碳自动监测装置。设有光源总成、传感器总成、连接光源总成与传感器总成的光纤跳线C和连接传感器总成与光电检测放大器的光纤跳线D。光源总成设有发射光源、3片窄带干涉滤光片和3片聚焦透镜。传感器总成的内部为空心筒状形式，在空心筒两端的圆形壁上沿空心筒的轴心钻有两个用于穿过并固定传感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔。中国专利CN2447789采用吊挂式定量瓶，在定量瓶的管接嘴上分别连接液流管和导气管，导气管的另一端管口连接检测药管所组成的定量液流自动抽气式二氧化碳检测器。中国专利CN101881762A通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置，二氧化碳监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的二氧化碳监测传感器、无线射频收发模块；多个二氧化碳监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯。通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和场所的二氧化碳含量进行大范围统一监控，并利用分析算法提高二氧化碳测量的准确性。但中国专利CN1793852涉及的是长光程液芯波导管的多波长分光态测量水里或大气的二氧化碳分压，需要采用容易变化的显色剂；中国专利CN2447789涉及的是采用定量液流自动抽气式比色的二氧化碳检测器，测量精度不高；中国专利CN101881762A涉及的是通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的二氧化碳监测装置。

发明内容

本发明的目的在于提供可用于浮标或野外，采用太阳能电池供电，可长期无人值守的一种大气pCO₂自动监测装置。

本发明设有采样头、常闭二通阀、空气干燥管、第1常闭三通阀、第2常闭三通阀、高氯酸镁干燥管、CO₂检测器、空气采样泵、可调针形阀、微控制器、远程无线数据采集传输系统、标准气体瓶和标准零气瓶；

所述采样头设有空气进气孔，采样头的出气孔经采样管接常闭二通阀的入口,常闭二通阀的出口接空气干燥管的入口，空气干燥管的出口接第1常闭三通阀的第2入口，第1常闭三通阀的出口接第2常闭三通阀的第二入口，第2常闭三通阀的出口接高氯酸镁干燥管的入口，高氯酸镁干燥管的出口接CO₂检测器的入口，CO₂检测器的出口接空气干燥管的反吹管入口，空气干燥管的反吹管出口接至空气采样泵和可调针形阀的入口，可调针形阀的出口接测量废气的废气管气体出口；所述标准气体瓶的出口经减压阀接第2常闭三通阀的第1入口，所述标准零气瓶的出口经减压阀接第1常闭三通阀的第1入口；所述微控制器分别与常闭二通阀、第1常闭三通阀、第2常闭三通阀、CO₂检测器和空气采样泵连接，微控制器的数据输出端口发送数据至远程无线数据采集传输系统。

所述采样头可采用防雨空气采样头，所述防雨空气采样头可由上层腔室和下层腔室组成，采用上下两层设计的圆柱体。

所述空气干燥管采用Nafion膜空气干燥管。

所述CO₂检测器可采用非色散红外CO₂检测器。

本发明的工作温度为0～40℃，测量线性范围为100～600ppm，测量精度为400±1ppm，测量频率为系统以整小时为设定单位，如1h、2h、4h、6h或8h测量一次；每次测量时间为1min，采样频率为10次/s，取平均值。

本发明具有数据大容量存贮和通讯传输的功能。

本发明的有益效果如下：

1、非色散红外CO₂分析仪是成熟的pCO₂测量仪器，本发明采用高精度低功耗的非色散红外CO₂分析仪进行pCO₂测量，因为该仪器是低功耗产品，不带水汽测量功能，而海面上的湿度大，如果不排除水汽的干扰，将给pCO₂测量带来一定误差。本发明采用防水的膜过滤空气采样头、Nafion膜空气干燥管和化学干燥的高氯酸镁干燥管多重除水措施，不仅解决了水汽干扰、仪器自动标定问题，满足了大气中pCO₂细微变化测量的精度要求；而且解决了浮标上使用低功耗的要求，待机状态功率约0.5W，检测器启动初始功率为22W，15min后检测器进入恒温状态的消耗功率约为4W，测量期间泵、阀、检测器及控制电路的总消耗功率小于8W，满足了浮标长期监测的需要。

2、本发明测量精度高，稳定性好，可长期自动运行，适合于长期无人值守的环境运行，如海洋浮标上的大气二氧化碳的长期观测。

3、本发明提供了一个海洋大气的pCO₂进行精密观测系统，适用于浮标的低功耗高精度大气pCO₂观测，主要解决水气对大气二氧化碳测量的影响、解决测量的精度和检测器漂移，以及解决浮标系统要求的低功耗、无人自动运行、数据通讯和应对恶劣天气的问题，应用于海上以获取海洋上空的二氧化碳浓度变化测量数据。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有箱体A、采样头1、常闭二通阀2、空气干燥管7、第1常闭三通阀3、第2常闭三通阀4、高氯酸镁干燥管5、CO₂检测器6、空气采样泵8、可调针形阀9、微控制器10、远程无线数据采集传输系统11、标准气体瓶15、标准零气瓶16和防水过滤器17。

所述采样头1设有空气进气孔12，采样头1的出气孔经采样管13接常闭二通阀2的入口2A,常闭二通阀2的出口2B接空气干燥管7的入口，空气干燥管7的出口接第1常闭三通阀3的第2入口3B，第1常闭三通阀3的出口3C接第2常闭三通阀4的第二入口4B，第2常闭三通阀4的出口4C接高氯酸镁干燥管5的入口，高氯酸镁干燥管5的出口接CO₂检测器6的入口，CO₂检测器6的出口接空气干燥管7的反吹管入口，空气干燥管7的反吹管出口接至空气采样泵8和可调针形阀9的入口，可调针形阀9的出口接测量废气的废气管气体出口14所述标准气体瓶15的出口经减压阀接第2常闭三通阀4的第1入口4A，所述标准零气瓶16的出口经减压阀接第1常闭三通阀3的第1入口3A；所述微控制器10分别与常闭二通阀 2、第1常闭三通阀3、第2常闭三通阀4、CO₂检测器6和空气采样泵8连接，微控制器10的数据输出端口发送数据至远程无线数据采集传输系统11。

所述采样头可采用防雨空气采样头，所述防雨空气采样头可由上层腔室和下层腔室组成，采用上下两层设计的圆柱体，整个采样头可采用憎水的聚四氟乙烯材质加工而成；外部大气从设于下层腔室底部的进气孔进入下层腔室，再由侧壁的通气孔进入上层腔室，而采样孔位于上层腔室的中间位置，上层腔室和下层腔室除通气孔外被隔离，从而避免下层腔室可能的液体进入上层腔室的采样孔；下层腔室内部是一个梯形圆锥面体，当遇到雨水时，在下层腔室的底部特定加工斜角的条状进气孔将使水滴不会在下层腔室内形成积液，足够大的口径保证雨水不会阻塞进气孔；上层腔室内部的采气孔连着一个憎水的防水过滤器，多重的防雨设计可以保证液态水和尘埃不能进入采气管道。所述空气干燥管可采用Nafion膜空气干燥管。

所述空气干燥管采用Nafion膜空气干燥管。所述CO₂检测器采用非色散红外CO₂检测器。

以下给出本发明的工作流程：

1、空气气路：开动空气采样泵8，空气从采样头1的进气孔12进入采样头1，经防水过滤器17，通过快速接头连接PFPT采样管13，采样管13连接到常闭二通阀2的2A端，从常闭二通阀2的2B端出来进入空气干燥管7的入口，出口连接第1常闭三通阀3的3B端，从第1常闭三通阀3的3C端出口连接至第2常闭三通阀4的4B端，从第2常闭三通阀4的4C端出口连接至高氯酸镁干燥管5入口，出口用1/8转3/4转接头连接至CO₂检测器6的入口，CO₂检测器6的出口通过转接头连接到空气干燥管7反吹管入口，反吹管出口连接至空气采样泵8及可调针形阀9入口，可调针形阀9出口至气体出口14排空，所有都采样1/8英寸的特氟龙管，与检测器连接部分管路转接头。

2、标准CO₂气体气路：打开第2常闭三通阀4的4A端，同时关闭第2常闭三通阀4的4B端，气体从标准气体瓶15经减压阀减压后用1/8英寸的特氟龙管连接进入第2常闭三通阀4的4A端,从第2常闭三通阀4的4C端出口连接至高氯酸镁干燥管5入口，出口用1/8转3/4转接头连接至CO₂检测器6入口，CO₂检测器6出口通过转接头连接到空气干燥管7反吹管入口，反吹管出口连接至空气采样泵8及可调针形阀9入口，可调针形阀9出口至气体出口14排空，该过程空气采样泵8工作。

3、标准零气气路：打开第1常闭三通阀3的3A端，同时关闭第1常闭三通阀3的3B端，气体从零气气体瓶16经减压阀减压后用1/8英寸的特氟龙管连接进入第1常闭三通阀3的3A端,从第1常闭三通阀3的3C端出口连接至第2常闭三通阀4的4B端，从第2常闭三通阀4的4C端出口连接至高氯酸镁干燥管5入口，出口用1/8转3/4转接头连接至CO₂ 检测器6入口，CO₂检测器6出口通过转接头连接到空气干燥管7反吹管入口，反吹管出口连接至空气采样泵8及可调针形阀9入口，可调针形阀9出口至气体出口14排空，该过程空气采样泵8工作。

4、电路控制：微控制器10分别控制常闭二通阀2、第1常闭三通阀3、第2常闭三通阀4、CO₂检测器6和空气采样泵8，可分别按设计的软件程序启动或关闭相应的控制部件，可对CO₂检测器6进行数据采集及储存，并发送给远程无线数据采集传输系统11。

本发明可采用防水的空气采样头、采样连接管、低功耗高精度的非色散红外CO₂分析仪、低功耗常闭二通阀、两个低功耗常闭三通阀、Nafion膜空气干燥管、高氯酸镁干燥管、低功耗空气采样泵、标准二氧化碳气体瓶及减压阀、标准零气瓶及减压阀、可调针形阀、高性能微控制器以及远程无线数据采集系统。通过计算机串口连接仪器上的控制器进行参数设定，可设定的参数有：测量频率、阀位开关步骤、阀位开关顺序、检测器开关、采样频率、测量起始时间、测量结束时间、测量数据算法、标准气体和零标准气体值预、测量数据的平均值、测量值算法的以及数据存贮或通讯传输等。设定后仪器可自动运行。

本发明可采用12V工作电压，采用低功耗高精度的非色散红外CO₂分析仪作为测量检测器，并采用低功耗空气采样泵采集气体，低功耗阀进行气路控制，平均功率可控制在5W以内，适合于由太阳能电池供电的野外无人值守长期大气CO₂浓度自动观测工作。本发明通过计算机的编程设置控制多路气体阀，实现自动校准与测量，每次测量都进行一次零气、标准气体的标定，若检测器处于恒温状态，则可克服仪器的飘移，保证测量精度。

以下说明本发明的应用实例：

本发明安装在浮标的仪器舱中，连接12V的浮标供电电源，微控制器根据编制的程序在设定的时间自动开机自检，先开通CO₂检测器6预热15min至检测池温度恒定，打开空气采样泵8和常闭二通阀2，开始抽入大气，当达到设定的抽气时间时，内置的计算机（微控制器）开始采集CO₂检测器6的测量数据并保存在储存卡里；测完大气后，系统依据程序自动关闭常闭二通阀2并打开第1常闭三通阀3，开始标准气体测量时间，直到整个测量过程结束，系统自动关闭常闭二通阀2和第1常闭三通阀3，并打开第2常闭三通阀4，零标准气体按大气的相同条件进入CO₂检测器6，直到整个测量过程结束，测量数据可储存在记忆卡里并通过远程无线数据采集传输系统11无线传输至接收埠。完成整个测量过程，仪器进入休眠状态，等待下一次的启动，待机时的功耗约为0.5W。

本发明在整个采样测量过程中可采用多级的除水装置以排除水汽对测量结果的影响，包括：（1）特别设计了防水的空气采样头，带有防雨外罩及双腔室的防水结构，采样室是一个圆柱体外形，内部共分上下两层，中间由PP材质的过滤器外壳将上下两个空间隔开，气体由进气孔进入下室的空间，再由侧壁的两条沟通向上腔室的空间，两次的空间变化及路径的改变，可防下腔室进气孔可能带来的水进入采样口。整个采样室采用耐环境、憎水的聚四氟乙烯材质加工而成，加工的两个进气孔在下腔体底部的外侧，呈长2cm、宽0.5cm的条状孔，下腔体内部是一个梯形圆锥面体，当遇到雨水时，特定的加工斜角将使滴在腔体壁上的水受重力作用而挂不住，不会在下腔体内形成积液，也不会阻塞进气孔和进入采样室的上腔室的空间。空气采样头位于上腔室的中间朝上，进样口带有一个憎水的膜过滤器，以保证水和尘埃不能进入采气管；（2）空气在进入检测器前，还会先经过一个Nafion膜空气干燥管，从检测器出来的干燥气体返回进入Nafion膜空气干燥管的反吹管中，对Nafion膜空气干燥管的气体进行干燥。理想状态下Nafion膜空气干燥管可使气体湿度保持在50%。Nafion膜空气干燥管的使用将使化学干燥的高氯酸镁干燥管用量减少，死体积减小，更换频次减少。（3）最后再通过高氯酸镁干燥管，以完全除去水潮汽，才到达检测器。

本发明具有数据大容量存贮和通讯传输的功能。

以下说明本发明在浮标大气pCO₂监测的一个实施方案。仪器安装在浮标的仪器舱中，连接12V的浮标供电电源，系统微控制器自动开机自检，开通检测器，检测器预热15min至检测池温度恒定，打开泵和二通阀，开始抽入大气，抽气流速由针形阀锁定为100mL/min。抽气时间根据气管的长短由实验室试验数据确定固化在微控制器的内存中，保证采集到外界的新鲜空气，当达到设定的抽气时间时，开始测量时间，微控制器开始采集非色散红外CO₂检测器的测量数据并保存在储存卡里，直到整个测量过程结束，同时可将储存卡里数据通过远程数据采集系统无线传输至接收埠。发送的数据可根据设定选择原始数据，平均测量数据及计算校正后的数据。

测完大气后，仪器自动关闭二通阀并打开第1常闭三通阀，这时二氧化碳标准气体按大气的相同条件进入检测器，经过一定时间（由实验室试验数据确定固化在微控制器的内存中）的冲洗平衡，开始标准气体测量时间，微控制器开始采集非色散红外CO₂检测器的测量数据并保存在储存卡里，直到整个测量过程结束，同时可将储存卡里数据通过远程数据采集系统无线传输至接收埠。

测完标准气后，仪器自动关闭常闭二通阀和第1常闭三通阀，并打开第2常闭三通阀, 这时是零标准气体按大气的相同条件进入检测器，经过一定时间（由实验室试验数据确定固化在微控制器的内存中）的冲洗平衡，开始零标准气体测量时间，微控制器开始采集非色散红外CO₂检测器的测量数据并保存在储存卡里，直到整个测量过程结束，同时可将储存卡里数据通过远程数据采集系统无线传输至接收埠。

完成整个测量过程，仪器进入休眠状态，等待下一次的启动，待机时的功耗约为0.5W。

Claims

1.一种大气pCO₂自动监测系统，其特征在于设有采样头、常闭二通阀、空气干燥管、第1常闭三通阀、第2常闭三通阀、高氯酸镁干燥管、CO₂检测器、空气采样泵、可调针形阀、微控制器、远程无线数据采集传输系统、标准气体瓶和标准零气瓶；

所述采样头设有空气进气孔，采样头的出气孔经采样管接常闭二通阀的入口,常闭二通阀的出口接空气干燥管的入口，空气干燥管的出口接第1常闭三通阀的第2入口，第1常闭三通阀的出口接第2常闭三通阀的第二入口，第2常闭三通阀的出口接高氯酸镁干燥管的入口，高氯酸镁干燥管的出口接CO₂检测器的入口，CO₂检测器的出口接空气干燥管的反吹管入口，空气干燥管的反吹管出口接至空气采样泵和可调针形阀的入口，可调针形阀的出口接测量废气的废气管气体出口；所述标准气体瓶的出口经减压阀接第2常闭三通阀的第1入口，所述标准零气瓶的出口经减压阀接第1常闭三通阀的第1入口；所述微控制器分别与常闭二通阀、第1常闭三通阀、第2常闭三通阀、CO₂检测器和空气采样泵连接，微控制器的数据输出端口发送数据至远程无线数据采集传输系统；

所述采样头采用防雨空气采样头。

2.如权利要求1所述一种大气pCO₂自动监测系统，其特征在于所述防雨空气采样头由上层腔室和下层腔室组成，所述上层腔室和下层腔室为圆柱体结构。

3.如权利要求1所述一种大气pCO₂自动监测系统，其特征在于所述空气干燥管采用Nafion膜空气干燥管。

4.如权利要求1所述一种大气pCO₂自动监测系统，其特征在于所述CO₂检测器采用非色散红外CO₂检测器。