CN107655944A - 一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法，所述装置包括检测罩、氨气传感器和数据采集器；所述检测罩为下方开口的罩状；所述氨气传感器设置在检测罩内；所述氨气传感器与数据采集器连接；数据采集器位于检测罩外部，用于存储和输出氨气浓度数据，同时为氨气传感器提供电源。本发明可实时动态监测施肥后氨挥发损失情况，检测数据实时获得，可直观展示氨气浓度变化曲线，也可以将数据拷贝至电脑分析处理，方便快捷有效，可应用于温室或大田中土壤氨挥发损失的实时、有效、准确的检测，为提供提高农田氮素利用率、促进农业节能减排、减少生态环境污染提供可靠依据。

Description

一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法

技术领域

本发明涉及现代种植业技术，特别是涉及到用于温室或大田环境中土壤氨挥发损失的实时监测装置和方法。

背景技术

我国是农业大国，农田生态系统维持农作物高产的主要方式是高氮肥投入。中国氮肥用量占全球的35％左右，但氮肥利用效率却很低，氮肥的农田氨挥发损失是一个重要原因。

但氨气是大气中最为丰富的碱性气体之一，氨气对于酸性气体的沉降和气溶胶的行程气到重要作用，严重影响区域空气质量和大气能见度。同时，氨挥发进入大气以干、湿沉降的方式返回陆地、海洋生态系统，过量的氨沉降引起土壤酸化、水体富营养化、降低生物多样性等一系列环境、生态问题，对自然生态系统造成严重危害，已经成为我国和全球农业可持续发展的严重威胁。此外，过量的氨挥发损失增大了氮肥投入，造成了间接的经济损失。因此，建立农田氨挥发的实时监测装置，有助于提高农田氮素利用率，促进农业节能减排，减少生态环境污染，改善环境质量。

目前，农田氨挥发损失的测量方法主要包括德尔格氮管法、间歇密闭抽气法、光学方法激光诱导荧光法和光声光谱学等，这类测量方法必须对氨样品进行气体采样，计算分析工作量大，耗时长，无法做到实时在线监测；同时，微小尺度湍流特征的影响对于长时间氨样品采集后测定数据的准确性有一定影响。以间歇密闭抽气法为例，需要利用真空泵抽压抽气使密闭室内土壤挥发出的氨气随气流通过装有2％硼酸的洗气瓶，使其吸收于硼酸溶液中，收集溶液用0.01mol·L-1H2SO4滴定，进而计算硼酸吸收氨气量。该方法需要换算获得施肥后氨挥发损失，在施肥后7-15天需要每天手动测量计算，不能实时动态监测施肥后氨挥发损失，耗时耗力。

因此，有必要提供一种能够实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氨气传感器，能够实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法。

本发明所述的一种实时监测土壤氨挥发损失的装置，包括检测罩、氨气传感器和数据采集器；所述检测罩为下方开口的罩状；所述氨气传感器设置在检测罩内；所述氨气传感器与数据采集器连接；数据采集器位于检测罩外部，用于存储和输出氨气浓度，同时为氨气传感器提供电源。

进一步的，检测罩上设置有通孔。

在使用时，检测罩罩于待测实验小区内，深入土层1-2cm用于固定检测罩，通过检测得到检测罩覆盖面积内的氨气挥发量进而推算施肥区域实验小区的氨气挥发量。

进一步的，为避免土地施水后湿度过大对传感器性能的影响，所述装置还包括干燥部件，所述干燥部件设置在氨气传感器上，用于吸收检测罩空气中的水分。

所述干燥部件可拆卸的设置在氨气传感器上。干燥部件的设置以能满足吸湿为目的，可采用本领域常见的结构，如所述干燥部件采用不锈钢透气网制成外壳，内置干燥剂。

进一步的，所述干燥部件为圆柱体结构，直径2-3cm，高度5-10cm，所述干燥剂为无水氯化钙。圆柱体的底部与中上部采用螺纹连接方式，便于对无水氯化钙进行重复再利用。

进一步的，所述检测罩可采用透明材料制成；如有机玻璃。

所述检测罩为下方开口的圆柱形，检测罩上设置的通孔，便于检测罩内气体与罩外空气进行交换，便于实时检测土壤氨损失浓度；

进一步的，检测罩直径8-10cm，高度5-10cm；通孔的直径为0.5-1.5cm，通孔数量为一个以上。

进一步的，所述氨气传感器包括氨气传感器单元和预处理单元，其中，所述传感器单元用于接触到空气中的氨气时，改变传感器单元的电阻；

所述预处理单元包括子校准模块和模数转换模块，用于对传感器单元输出的信号进行校准和模数转换。

氨气传感器模块可设置于干燥层下方，为下端封闭的中空圆柱体结构，采用塑料制成，氨气模块上端与干燥层底部通过螺纹连接方式，直径2-3cm，高度3-5cm。

其中，所述氨气传感器单元采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。

氨气传感器单元的电极与预处理单元的输入端通过锡焊方式连接；预处理单元的电线输出端口连接数据采集器的输入端；电线长度10-20cm。

进一步的，所述数据采集器内置WIFI模块，以无线上传采集数据；

更进一步的，所述数据采集器配置LED显示屏，以实时显示采集氨气浓度，或进一步展示氨气浓度变化曲线。

本发明还提供一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的方法。

其中，所述氨气传感器为采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。

所述氨气传感器的基本工作原理是：具有氧化性或还原性的挥发性氨气与传感单元的敏感层接触后，通过捐献或捕获电子的方式改变敏感层中敏感材料的电子或空穴浓度，利用电导率公式δ＝epμ，其中，δ是敏感材料的电导率，e是电子电荷量，p是电子浓度，μ是电子迁移率，敏感材料的电导率与空穴浓度成正比，对于电阻型传感器，敏感材料的电导率体现在传感器电阻的变化。因此，当挥发性有机化合物与传感器单元的敏感层接触后，改变了敏感材料的电导率，最终体现为传感单元的电阻变化。

进一步的，所述方法还包括对氨气传感器进行预处理，所述预处理是对氨气传感器进行自校准，或进一步的，包括将氨气传感器得到的数据进行模数转换。

所述传感器单元中，衬底采用硅/二氧化硅衬底制成；电极为叉指电极结构的金属电极，金属材料为金、银或铝中任意一种；敏感薄膜层采用旋涂或滴涂任一种方法制成。

另外，所述供电模块采用电池或电源，如电缆长度3-6m，供电电压5VDC。

通过本发明的利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置，能够获得以下有益效益。

首先，本发明的一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置，采用电阻性化学传感器来实时检测大田或温室中土壤施加氮肥后氨气挥发浓度，相比于目前采用的物理光学等检测方法具有高效、快速、准确的优势。

其次，本发明的装置，在氨气传感器单元上端设置干燥层，避免湿度过大对氨气检测性能的影响，有助于提高氨气检测的准确性。同时，所述装置的氨气传感器位于检测罩内部，为氨气传感器提供了检测气室，无需气体收集装置，简单使用。

另外，本发明的装置，其数据采集器兼备采集、存储、显示和输出功能，方便后续数据处理，同时显示功能方便直接，可快速对土壤施肥后氮肥使用效率做出有效判断分析。

综上，本发明提供了一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置和方法，可实时动态监测施肥后氨挥发损失情况，检测数据实时获得，可直观展示氨气浓度变化曲线，也可以将数据拷贝至电脑分析处理，方便快捷有效，可应用于温室或大田中土壤氨挥发损失的实时、有效、准确检测，为提供提高农田氮素利用率、促进农业节能减排、减少生态环境污染提供可靠依据。

附图说明

图1是根据本发明具体实施方式1的利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置的结构示意图。

图2是根据本发明具体实施方式2的利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置的结构示意图。

图3是根据本发明用于土壤氨挥发损失实时监测的氨气传感器和设置氨气传感器上的干燥层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

实施例1

如图1所示，本发明具体实施方式中包括一种利用氨气传感器实时监测土壤氨挥发损失的装置的结构示意图，所述装置包括检测罩1、氨气传感器2和数据采集器3。

所述检测罩1为有机玻璃制成的下方开口的圆柱形，直径10cm，高度8cm。

所述氨气传感器2设置在检测罩1内；所述氨气传感器2包括氨气传感器单元和预处理单元，其中，所述传感器单元用于接触到空气中的氨气时，改变传感器单元的电阻；所述预处理单元包括子校准模块和模数转换模块，用于对传感器单元输出的信号进行校准和模数转换。

所述氨气传感器2与数据采集器3连接；数据采集器3位于检测罩1外部，用于存储和输出氨气浓度，同时为氨气传感器2提供电源。

进一步的，所述数据采集器3内置WIFI模块，以无线上传采集数据；

更进一步的，所述数据采集器3配置LED显示屏，以实时显示采集氨气浓度，或进一步展示氨气浓度变化曲线。

另外，为吸收检测罩1空气中的水分，所述装置还包括干燥部件4，所述干燥部件4可拆卸地设置在氨气传感器2上。

所述干燥部件4为圆柱体结构，直径2-3cm，高度5-10cm，所述干燥剂为无水氯化钙。圆柱体的底部与中上部采用螺纹连接方式，便于对无水氯化钙进行重复再利用。

如图3所示，氨气传感器2设置于干燥层下方，为下端封闭的中空圆柱体结构，采用塑料制成，氨气传感器2上端与干燥层底部通过螺纹连接方式，直径2cm，高度3cm。氨气传感器输出端口5连接数据处理器3的输入端。

采用上述利用氨气传感器2实时监测土壤氨挥发损失的装置进行实时监测的方法如下：

将各部件连接，启动电源，对氨气传感器2的输出结果进行预处理，所述预处理是对氨气传感器进行自校准，或进一步的，包括将氨气传感器得到的数据进行模数转换。

其中，所述氨气传感器2为采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。

然后将检测罩1罩于待测实验小区内，深入土层1-2cm，固定检测罩1，利用氨气传感器2进行检测，检测数据发送至数据采集器3，进行处理，通过检测得到检测罩1覆盖面积内的氨气挥发量进而推算施肥区域实验小区的氨气挥发量。

其中，所述氨气传感器2为采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。

另外，所述电源采用移动电源，供电电压5VDC。

实施例2

如图2所述，各部件的选择和连接与实施例1相同，差别在于本实施例所述的检测罩为上表面开有10个直径1cm的通孔6的中空圆柱状罩。这样更便于设备内外的气体交换，更好的达到实时监测土壤中氨挥发量。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实时监测土壤氨挥发损失的装置，其特征在于，包括检测罩、氨气传感器和数据采集器；所述检测罩为下方开口的罩状；所述氨气传感器设置在检测罩内；所述氨气传感器与数据采集器连接；数据采集器位于检测罩外部，用于存储和输出氨气浓度，同时为氨气传感器提供电源。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测罩上设置有若干通孔。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括干燥部件，所述干燥部件设置在氨气传感器上，用于吸收检测罩空气中的水分；优选的，所述干燥部件可拆卸的设置在氨气传感器上。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述干燥部件采用不锈钢透气网制成外壳，内置干燥剂。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，氨气传感器包括氨气传感器单元和预处理单元，其中，所述传感器单元用于接触到空气中的氨气时，改变传感器单元的电阻；

所述预处理单元包括子校准模块和模数转换模块，用于对传感器单元输出的信号进行校准和模数转换。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集器内置WIFI模块，以无线上传采集数据。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集器配置LED显示屏，以实时显示采集氨气浓度，或进一步展示氨气浓度变化曲线。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述氨气传感器单元采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。

9.一种实时监测土壤氨挥发损失的方法，其特征在于，所述方法利用氨气传感器来进行监测。

10.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于，所述氨气传感器为采用电阻型传感器结构类型，采用硅/二氧化硅衬底结构，采用叉指结构金属电极，采用聚苯胺基纳米复合结构薄膜作为敏感层。