CN1063362A

CN1063362A - 甲烷自动采集和分析系统

Info

Publication number: CN1063362A
Application number: CN 92100938
Authority: CN
Inventors: 王明星; 沈壬兴; 张文; 王跃思; 上官行健
Original assignee: Institute of Atmospheric Physics of CAS
Current assignee: Institute of Atmospheric Physics of CAS
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1992-08-05
Anticipated expiration: 2007-02-24
Also published as: CN1036154C

Abstract

一种甲烷采集和分析系统，由主控机、串行电缆、电平变换和驱动电路、单片机、气相色谱仪、积分仪、打印机、采集箱、抽气泵、空压机、活塞杆气缸、弹簧、电磁阀和管路组成。在主控机的控制下，长期、连续和自动地采集气样和进行分析。本发明为水稻甲烷 (或其他微量气体)排放的现场、原位和多通道采集提供了一种新的测量技术。具有分析精度高、可长期连续工作、多功能和易扩展等特点。

Description

本发明涉及一种甲烷的自动采集和分析系统，属于测量类，用于水稻（甲烷或其它微量气体）的测量。

空气、水及土壤是人类赖以生存的基本要素，但仅在最近的10-20年，这些要素的环境问题才引起公众广泛的注意。近二百年来由于工业化及土地使用等人类活动的增加不仅导致了当地及区域性的环境退化，也正在给全球生态环境带来严重的后果。这种现象对大气来说尤其如此，大气这种超级流体能把在其中的区域性的破坏很快地传播到全球范围。现有观测结果证实：由于人类释放的气体已造成全球大气中化学成分的改变，从而引起地球辐射平衡的变化。大气中CO、CH₄、N₂O、O₃及CFC_s等温度气体的增多已使大气温度不断提高（温室效应），并可能引起全球生态环境的进一步正反馈变化。鉴于这是如此一个重要过程，全球变化问题已成为当今世界上众多科学家极其关注的研究课题。

模式研究表明：到二十世纪70年代以前，CO₂是温室效应的主要原因，但到八十年代，CH₄、N₂O、H₂O、O₃等其他温室气体所引起的温室效应已和CO₂相近，而甲烷已占CO₂辐射强度的40%，是除CO₂以外的最重要的温室效应气体;不仅如此，甲烷还是大气化学的“活泼分子”，它是羟基（OH）的主要反应物之一，而OH是大气中极活跃的氧化剂，参与极多的光化学反应，例O₃的保护及消除，CO的可能增长……。另外CH₄也是平流层O₃的“保护者”及H₂O生成的“赞助者”，而且，甲烷对人类活动增加的响应很敏感，工业化以前，大气甲烷浓度仅为0.6-0.8ppmv，但现在它在大气中浓度已为1.7ppmv，增加了一倍多，观测表明在过去的十年中以平均约1.0%的惊人速率增加着。大气甲烷的以上特征引起了全球范围内科学家的高度重视，人们迫切需要知道：大气甲烷的增加趋势及增长原因是什么？因此对大气甲烷各地表源的监测已成为这个问题最主要的焦点之一了。

初步观测表明稻田是大气甲烷的主要源，约占20%的大气甲烷来源。水稻作为世界最主要的食物之一，人类活动增长的趋势特别是人口增长已体现在全球水稻面积的不断增长，从1980-1985年全球稻田面积的年增长率高达6.4%，因此对稻田甲烷排放及排放机理的研究对了解和控制大气甲烷增长的趋势起至关重要的作用。

中国是世界上最大的水稻生产国，水稻收割面积和产量分别占全球的22%及37%，早年已进行的一些观测表明，我国稻田的甲烷排放速率相对高于欧美稻田中的观测值。因此对我国主要产稻区的集中观测已成为对甲烷源地观测的重中之重了。

本着这样的责任感，我们研制出了一套现在用于稻田甲烷观测和同时可方便推广到其他微量气体采集分析的测量系统。这是一套由微机控制、全自动采集和分析的装置，不仅减轻了人工测量的工作量，也达到了实时、连续和全天候这些人工测量所达不到的要求，能取得更多和更全的资料。本系统首先在农业生态实验站进行水稻田排放的观测。并于91年10月底通过中科院院级技术鉴定。鉴定意见认为：该测量系统为水稻甲烷（或其他微量气体）排放的现场、原位和多通道采集提供了一种新的测量技术。它具有连续、自动和多点采样及控制，并能实时采集存储测量数据，分析精度高，可长期连续工作，功能多和易扩展等特点。通过测试组的实际测试和现场实地观察，该系统完全符合原设计的技术指标，其技术性能和研究成果尚属国内首创，达到国际先进水平。

现有技术是人工采集和分析，用针管插入采集箱抽取箱内空气样品，用秒表计时，在第3、6、9和12分钟时抽取四个气样，用气相色谱仪进行分析，四块稻田，每块设六个采集箱，因此每次共采气样96个，每次野外采样时间约需3-4小时。其不足之处在于：所得的观测资料不连续和不完整，难以深入研究水稻甲烷排放的生物机理和调控措施;采样中因环境扰动、定时误差和针管漏气等因素会导致较大的总误差;观测人员劳动强度大和费工费时。

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种甲烷的自动采集和分析的测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术解决方案来达到：本发明由电路系统、气路系统和附属部分组成。电路系统包括主控机、串行电缆、电平变换及驱动电路、单片机、打印机、积分仪和气相色谱仪。主控机内置两个串行口的接口板，串行口一通过串行电缆接至电平交换及驱动电路，串行口二通过另一串行电缆接至积分仪，主控机与积分仪通讯。单片机有三个（49、50和51），单片机49控制实验气路进样，单片机50控制稻田采集箱气路进样和箱盖开闭，单片机51采集温度数据。气路系统包括采集气路和箱盖开闭控制气路。采集气路由八个采集箱、十五个电磁伐、抽气泵、冷阱和不锈钢管气路组成。箱盖开闭气路由二个电磁伐、空压机、活塞杆气缸、弹簧和胶管组成。多个采集箱的气样通过单片机50控制，依次进入气路，再通过单片机49控制，按软件设定的采集周期进入气相色谱仪，经积分处理打印出面积百分比的甲烷浓度积分报告，并实时进入主控机存储在硬盘上。

甲烷自动采集和分析的方法为：整套系统在主控机的控制下，长期连续和自动地进行采集和分析。选择一定时间为一个周期，第一个小时内，抽气泵依次不断将一半采集箱中的空气样品抽去，经气路和电磁伐送入色谱仪分析，再输入积分仪进行积分处理和打印出积分报告，实时存入主控机。下一个小时对另一半采集箱的气样进行采集和分析。每个采集箱在一小时内先后有五个气样进入分析，然后有二个甲烷标气进入分析标定。在采集时间内箱盖关闭，箱子处于密封状态，在不采集时间内箱盖开启，使箱内水稻生长的自然条件恢复正常。如此往复循环地进行自动采集和分析。多个温度传感器置于空气、水和土壤的不同深度，每一定时间量测一次，实时存入主控机。

附图的图面说明如下：

图1为甲烷自动采集和分析的电路系统总框图。

图2为甲烷自动采集和分析的气路系统原理图。

图3为实验稻田和采集箱在稻田内的分布示意图。

图4为气样采集箱（1-8）的安装示意图。

本发明下面将结合实施例和附图作进一步详述：本发明由电路系统、气路系统和附属部分组成。电路系统见图1，包括主控机44、串行电缆43、46和48、电平变换及驱动电路47、单片机49、50和51、打印机45、积分仪42和气相色谱仪41。主控机内置两个串行口的接口板，串行口一通过串行电缆46接至电平交换及驱动电路47，将±12V串行口电平变换成+5VTTL电平。串行口二通过串行电缆43接至积分仪串行板，主控机与积分仪通讯，设定必要的积分功能参数，控制积分仪按软件设定的启动时间开始工作。单片机49是12位输入输出开关量控制用于实验室气路进样控制，单片机50也是12位开关量控制，用于稻田采集箱气路进样及箱盖开闭控制，单片机51是八通道10位A/D转换，采集八个温度数据。八个采集箱（1、2、3、4、5、6、7和8）的气样通过单片机50控制，依次进入气路40，再通过单片机49控制，按软件设定的采集周期进入气相色谱仪，经积分处理打印出面积百分比甲烷浓度积分报告，并实时送入主控机存储在硬盘上。同时，由主控机控制在打印机45上实时打印出一份内容完全相同的积分报告，以便值班人员随时监视存入主控机的甲烷浓度积分报告可靠与否。八个温度传感器52的数据通过串行电缆46和48传输在主控机监视器实时显示八条温度数据曲线和八个温度数据，并按软件设定的采集时间实时存储在主控机硬盘上。

气路系统见图2，包括采集气路和箱盖开闭控制气路。采集气路由采集箱（1、2、3、4、5、6、7和8）、电磁伐（11、12、13、14、15、21、22、23、24、25和26）、抽气泵9、冷阱20和不锈钢管气路40组成，冷阱是为了将潮湿气样中的水份冷凝出来，并定时从伐26中的排水口53排出。箱盖开闭气路由电磁伐17和18、空压机10、活塞杆气缸36和塑胶管组成。

采集箱安装示意见图4。采集箱用厚5毫米的有机玻璃制成，尺寸为65公分×65公分×90公分，四角用角铝固定，并用硅胶密封。箱的一侧装活塞杆气缸36，在压缩空气35的作用下可顶起箱盖38，箱的另一侧装拉簧（图上未表示），以拉下箱盖至关闭。箱盖与固定框架间粘贴密封条，保证箱内在采集气样的周期内不漏气。采集箱固定在不锈钢支架34上，该支架埋入稻田土壤约40公分，以保证采集箱四侧面下缘进入水33面下3-5公分，但不接触土壤32表面，这样，当箱盖关闭时，采集箱成了“密封式”，同时，箱子内外的水可以流动，使箱子对水稻生长环境的影响尽量减少。箱盖上安装一台24V的直流电风扇37，连续工作，箱盖闭合时加速箱内气体的混合，箱盖开启时加速箱内气体与外界空气的对流。每个采集箱内设有50公分长的1/8″不锈钢采集管39，管外端通过管道分别连到实验间55内对应的气路电磁伐上。箱盖开闭用的塑胶管（图上未表示）分别从活塞杆气缸连到实验间内的箱盖控制电磁伐上。

八个温度传感器（图上未表示）连有10米长的电缆，从稻田连到实验间内的野外控制仪上。八个温度探头放在实验稻田的不同部位以测量温度。具体位置如下：探头之一测量4号采集箱内空气温度，探头之二测量4号采集箱外空气温度，探头之三测量4号采集箱内土壤2公分深处的温度，探头之四测量4号采集箱内5公分深土壤温度，探头之五测量4、8号采集箱所在稻田5公分深土壤温度，探头之六测量4号采集箱内10公分深土壤温度，探头之七测量4号采集箱内15公分深土壤温度，探头之八测量4号采集箱内水温。

采集气路的作用是将八个采集箱内的空气样品，通过由主控机控制的电磁伐，依次按软件设定的采集周期送入气相色谱仪进行分析。电磁伐21-26安装在实验室的实验框架上，电磁伐11-15安装在稻田旁实验间的控制箱内，八根采集管由安装在稻田中的采集箱连到电磁伐11-14上，气路40从实验室连到田边实验间56。上述用于采集气路的电磁伐在不通电时b-c路径为常开。b-a路径为常闭。通电时b-c路径为常闭，b-a路径为常开。

箱盖开闭气路的作用是，5个大气压的空气通过主控机控制的电磁伐17或18，进入活塞杆气缸将箱盖顶起。不通电时伐17和18的b-c路径常开，b-a路径常闭。通电时b-c路径常闭，b-a路径常开。

稻田含甲烷（CH₄）空气气样的自动采集和分析的步骤如下：

在整个测量期间，抽气泵9连续运转。

每2小时为一个周期。在第一个60分钟时间内，电磁伐（以下简称伐）17通电，伐18不通电，使采集箱1、2、3和4的箱盖闭合，以便对1、2、3和4四个采集箱的气样进行采集。每箱每次采集2.5分钟（即150秒），在第一个2.5分期间的前130秒内，伐11和15通电，采集箱1的气样，在抽气泵9的抽吸作用下，通过伐11的a-b、伐12的c-b、伐13的c-b、伐14的c-b、伐15的a-b、气路40、伐25的c-b、冷阱20、伐21的b-c和流量计27，从放气口54放空排出。这时，高纯氮气19通过伐22的b-c带走存留于定量管28中的气样，通过伐23的b-c，送入色谱仪41中的色谱柱29，以对存留的气样进行自动分析。在第一个2.5分钟的后20秒内，伐21通电，气样不再经伐21的b-c，而是经过伐21的b-a进入定量管28，以完成这第一个2、5分钟的气样的自动采集，此气样是留待下一个2、5分钟的前130秒钟内，由高纯氮气19通过伐22的b-c来将此气样带入色谱柱29中进行自动分析的。紧接着，在第二个2、5分钟期间的前130秒内，伐12和15通电，采集箱2的气样在抽气泵9的抽吸作用下，通过伐12的a-b、伐13的c-b、伐14的c-b、伐15的a-b、气路40、伐25的c-b、冷阱20、伐21的b-c和流量计27，从放气口54放空排出。这时，高纯氮气19通过伐22的b-c，带走上述第一个2、5分钟的后20秒内留存于定量管28中的气样，通过伐23的b-c，送入色谱柱29进行自动分析。在第二个2、5分钟的后20秒内，伐21通电，气样不再经伐21的b-c，而是经伐21的b-a进入定量管28，以完成这第二个2、5钟的气样的自动采集。如此周而复始地依次对采集箱3和4的气样进行自动采集和分析。经过50分钟，即对采集箱1、2、3和4每个箱均进行过五次气样采集和分析后，从第50分钟开始，气样采集停止。这时，伐24和25通电5分钟（两个2、5分周期），让甲烷标气（即含有一定甲烷浓度的高纯氮气）16通过伐24的a-b，两次进入色谱柱进行分析标定。与此同时，甲烷标气不会从伐25进入气样采集气路40。这一小时的最后5分钟是留给积分仪打印出报告、主控机存储数据和控制打印出报告之用的。

在第二个60分钟时间内，伐18通电，伐17不通电，使采集箱5、6、7和8的箱盖闭合，以便对5、6、7和8四个采集箱的气样进行自动采集和分析。然后，对甲烷标气两次分析标定。步骤与上述1、2、3和4四个采集箱完全相同。

第三个60分钟开始为第二个周期。如此连续不断地循环下去，直至全部气样采集和分析工作完成。

如上所述，在采集箱1、2、3和4的箱盖闭合（即气样采集）期间，采集箱5、6、7和8的箱盖是开启的，以便箱内水稻生长环境尽可能保持与外界相似。同样，在采集箱5、6、7和8的箱盖闭合期间，采集箱1、2、3和4的箱盖是开启的，以便箱内水稻生长环境尽可能保持与外界相似。

在色谱柱29对气样进行自动分析时，要将高纯氢气30送入色谱仪中，作为点燃色谱仪氢焰离子检测器之用。还需要将空气发生器31产生过滤后的空气接入色谱仪，作为助燃气体之用。

在主控机的控制下，定时使伐26通电，让冷凝水从伐26的b-a路径排出。

本实施例的稻田选择是：参见图3，在我国南方某大块稻田的北侧，选择一块6×12米的稻田作测量实验，稻田距实验室直线距离约40米，稻田边田梗上建一个2平方米的实验间55。稻田划分为3×6米大小的四块，每块置两个采集箱，每块稻田按当地标准施不同的肥料，以研究不同施肥对水稻甲烷排放通量的不同影响。48为排水沟。

本发明对比现有人工采集和分析具有如下优点：所得的测量资料可靠和连续;完全免除了野外采集的辛劳。

Claims

1、一种甲烷采集和分析系统，包括气相色谱仪，其特征在于，由主控机、串行电缆、电平变换及驱动电路、单片机、打印机、积分仪、抽气泵、空压机、采集箱、活塞杆气缸、弹簧、电磁伐和管路组成，主控机内置两个串行口的接口板，串行口一通过串行电缆接至电平交换及驱动电路，串行口二通过另一串行电缆接至积分仪，主控机与积分仪通讯，单片机有三个49、50和51，单片机49控制实验气路进样，单片机50控制稻田采集箱气路进样和箱盖开闭，单片机51采集温度数据，多个采集箱的气样通过单片机50控制，依次进入气路，再通过单片机49控制，按软件设定的采集周期进入气相色谱仪，经积分处理打印出面积百分比的甲烷浓度积分报告，并实时进入主控机存储在硬盘上。

2、一种甲烷自动采集和分析的方法，其特征在于，在主控机的控制下，长期、连续和自动地进行采集分析，选择一定时间（本实施例为二个小时）为一个周期，第一个小时内抽气泵依次不断地将一半采集箱中的空气样品抽出，经气路和电磁伐送入色谱仪分析，再输入积分仪进行积分处理和打印出积分报告，实时存入主控机，下一个小时对另一半采集箱的气样进行采集和分析，每个采集箱在一小时内先后有五个气样进入分析，然后有二个甲烷标气进入分析标定，在采集时间内箱盖关闭，箱子处于密封状态，在不采集时间内箱盖开启，使箱内水稻生长的自然条件恢复正常，如此往复循环地进行自动采集和分析，多个温度传感器置于空气、水和土壤的不同深度，每一定时间量测一次，实时存入主控机。