CN108106661A - 野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其包括土壤和空气的气体采集单元、气体循环与控制单元、气体浓度在线检测单元、环境参数采集单元、中央控制单元、无线数据传输单元和太阳能供电单元；土壤和空气的气体采集单元将采集到的数据经气体循环与控制单元分别传输至气体浓度在线检测单元和中央控制单元，气体浓度在线检测单元将检测结果也传输至中央控制单元内；环境参数采集单元将采集到的数据也传输至中央控制单元，中央控制单元经无线数据传输单元将数据发送至4G/3G/GPRS网实现数据通信；太阳能供电单元为整个自动监测装置供电。本发明为快速、准确判断深源二氧化碳浓度及周围环境对二氧化碳扩散的影响提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境参数自动监测装置，特别是关于一种适用于野外恶劣环境的空气、土壤中二氧化碳气体浓度及相关环境参数的自动监测装置。
背景技术
二氧化碳捕集、封存技术(Carbon Dioxide Capture，Utilization and Storage，简称CCUS)是国际公认的直接有效减排温室气体二氧化碳的措施之一，对实现气候变化大会《巴黎协议》所倡导的“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内”的温控目标具有决定性作用。全球已实施的上百个各类规模的CCUS技术示范或商业工程项目已证明了CCUS技术在技术、经济和安全上的可行性。作为负责任大国，中国已将CCUS技术纳入中国应对气候变化重大战略需求，并实施了一系列示范项目。
二氧化碳地质利用与封存技术是一个大尺度长周期的全链条工程过程。以一个每年百万吨封存量的工业化二氧化碳地质储存工程为例，其注入地下二氧化碳的压力影响范围可达十余千米，二氧化碳前缘运移扩散范围可达数千米，可能引发断层活化、致裂盖层、污染浅层地下水等环境安全问题，严重的还可能引起地上生态灾难，因此二氧化碳地质利用与储存的安全性和环境风险是该技术应用中广泛关注的问题。要保证二氧化碳地质利用与储存工程的安全，就需要对工程场地进行二氧化碳泄漏监测，而二氧化碳浓度是泄漏监测预警的指示性指标。二氧化碳浓度监测在农业、采矿、环保、地震等领域都已得到广泛的应用。但传统的监测技术一是以地表离线监测为主，二是监测指标通常只考虑二氧化碳浓度，难以全面反映二氧化碳浓度变化影响因素，并对二氧化碳浓度变化趋势进行正确的预测。研究表明，空气压力、温度、湿度、降雨量以及土壤温度、湿度等环境因素对二氧化碳浓度影响显著，呈正相关关系，尤其是空气温度、湿度和土壤温度湿度对二氧化碳浓度影响非常明显。不考虑环境因素的单一地下或地表监测，难以正确识别二氧化碳来源。
为有效识别不同环境影响因素下的二氧化碳，特别是能够准确测定二氧化碳地质利用与封存工程中注入二氧化碳的逃逸信号，增加封存工程监测与预报的科学性和可信度，确切需要开发一套联合地下、地上二氧化碳浓度及其环境影响因素监测的野外自动监测系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，实现空气、浅地表联合监测，实时在线获取野外监测点空气及土壤中二氧化碳气体浓度、空气温湿度、大气压、雨量、风速风向、土壤温度及土壤含水率等信息，为快速、准确判断深源二氧化碳浓度及周围环境对二氧化碳扩散的影响提供依据。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：该装置包括土壤和空气的气体采集单元、气体循环与控制单元、气体浓度在线检测单元、环境参数采集单元、中央控制单元、无线数据传输单元和太阳能供电单元；所述土壤和空气的气体采集单元将采集到的数据经所述气体循环与控制单元分别传输至所述气体浓度在线检测单元和中央控制单元，所述气体浓度在线检测单元将检测结果也传输至所述中央控制单元内；所述环境参数采集单元将采集到的数据也传输至所述中央控制单元，所述中央控制单元经所述无线数据传输单元将数据发送至4G/3G/GPRS网实现数据通信；所述太阳能供电单元为整个所述自动监测装置供电。
进一步，所述土壤和空气的气体采集单元包括集气花筒、凝水探头、泡沫塞和土壤气体输送管；所述集气花筒埋设在地下预先设置好的钻孔中，所述集气花筒上设置有若干孔洞，所述集气花筒内设置有防止较大颗粒物进入筒内的滤棉，所述集气花筒内底部设置有所述泡沫塞；所述集气花筒内顶部设置有一所述凝水探头，该凝水探头通过所述土壤气体输送管与所述气体循环与控制单元连接。
进一步，所述土壤和空气的气体采集单元还包括防雨罩和空气气体输送管；所述防雨罩设置在地表监测支架上，所述防雨罩内设置有另一所述凝水探头，另一所述凝水探头通过所述空气气体输送管与所述气体循环与控制单元连接。
进一步，所述气体循环与控制单元包括气路控制板、土壤气路控制电磁阀、空气气路控制电磁阀、三通、循环泵和尾气排放管；所述土壤和空气的气体采集单元土壤气体输出端连接至所述土壤气路控制电磁阀进气端，所述土壤和空气的气体采集单元空气气体输出端连接至所述空气气路控制电磁阀进气端；所述土壤气路控制电磁阀的出气端和空气气路控制电磁阀的出气端分别连接至所述三通的进气端，所述三通的出气端连接所述气体浓度在线检测单元的样气入口端；所述气体浓度在线监测单元的尾气排放端与所述循环泵进气端连接，所述循环泵出气端与所述尾气排放管连接；所述土壤气路控制电磁阀、空气气路控制电磁阀和循环泵均与所述气路控制板电连接，所述气路控制板和气体浓度在线监测单元都通过串口与所述中央控制单元连接。
进一步，所述环境参数采集单元包括环境控制板、土壤温度传感器、土壤含水率传感器、雨量筒、空气温度传感器、空气湿度传感器、气压传感器和风速风向标；所述土壤温度传感器和土壤含水率传感器均埋设在地下预先设置好的钻孔中，分别将采集到的土壤温度和含水率经电缆将数据传输至所述环境控制板；所述雨量筒、空气温度传感器、空气湿度传感器、气压传感器和风速风向标分别将采集到的雨量、空气温度、空气湿度、气压和风速风向数据通过电缆传输至所述环境控制板；所述环境控制板通过串口与所述中央控制单元连接。
进一步，所述中央控制单元包括电脑、键盘和工业液晶屏；所述气体循环与控制单元、气体浓度在线监测单元和环境参数采集单元都与所述电脑连接实现数据通信，所述电脑通过USB连接所述键盘和工业液晶屏。
进一步，所述无线数据传输单元包括无线发射模块和天线；所述无线发射模块通过串口与所述电脑连接，所述无线发射模块将接收到的数据经所述天线进入4G/3G/GPRS网实现数据通信。
进一步，所述太阳能供电单元包括充电放电控制器、太阳能电池板和蓄电池；所述太阳能电池板将光能转化为电能并通过所述充电放电控制器存储到所述蓄电池中，所述充放电控制器负责给整个装置提供电力。
由于本发明采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用土壤和空气的气体采集单元、气体循环与控制单元、气体浓度在线检测单元、环境参数采集单元、中央控制单元、无线数据传输单元和太阳能供电单元构成监测系统，所测定的参数为多个，测量样点为两个以上，土壤和空气的气体采集单元与环境参数采集单元涉及土壤气体采集支路、土壤温度、土壤含水率的在地下钻孔中，涉及空气气体采集支路、空气温度、空气湿度、雨量、气压、风速风向在地上监测支架上，真正实现了空气与土壤中二氧化碳气体及环境参数的自动检测。2、本发明由于中央控制单元的数据采集软件通过串口与气体循环与控制单元、气体浓度在线检测单元、环境参数采集单元连接，对土壤和空气中的二氧化碳气体浓度及环境参数进行采样控制，因此能够实现在线、原位的不间断自动采集，采集间隔根据需求设定。3、本发明由于采样点较多，同时兼顾土壤和空气中不同的浓度范围，因此能实现多浓度范围的检测，最大浓度为100.00％，最小浓度分辨率为0.01ppm。本发明可以广泛应用于二氧化碳提高石油、天然气采收率，页岩气勘探开发、含瓦斯矿山环境整治监测等领域，同时在农业种植、动植物养殖及区域环境自动监测方面也有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其包括土壤和空气的气体采集单元1、气体循环与控制单元2、气体浓度在线检测单元3、环境参数采集单元4、中央控制单元5、无线数据传输单元6和太阳能供电单元7。土壤和空气的气体采集单元1将采集到的数据经气体循环与控制单元2分别传输至气体浓度在线检测单元3和中央控制单元5，气体浓度在线检测单元3将检测结果也传输至中央控制单元5内。环境参数采集单元4将采集到的数据也传输至中央控制单元5，中央控制单元5经无线数据传输单元6将数据发送至4G/3G/GPRS网实现数据通信。太阳能供电单元7为整个自动监测装置供电。
上述实施例中，土壤和空气的气体采集单元1包括集气花筒11、凝水探头12、泡沫塞13、土壤气体输送管14、防雨罩15和空气气体输送管16。集气花筒11埋设在地下预先设置好的钻孔中，集气花筒11上设置有若干孔洞，土壤中的二氧化碳气体通过孔洞进入到集气花筒11内；且集气花筒11内设置有防止较大颗粒物进入筒内的滤棉。集气花筒11内底部设置有泡沫塞13，通过泡沫塞13保证只测试一定深度的土壤气体；集气花筒11内顶部设置有凝水探头12，凝水探头12通过土壤气体输送管14与气体循环与控制单元2连接，土壤气体通过凝水探头12进入土壤气体输送管14，进而传输到气体循环与控制单元2。防雨罩15设置在地表监测支架上，防雨罩15内也设置有凝水探头12，该凝水探头12通过空气气体输送管16与气体循环与控制单元2连接。空气中的二氧化碳气体通过防雨罩15和凝水探头12，过滤掉空气中的水分后进入到空气气体输送管16，由空气气体输送管16传输至气体循环与控制单元2。
上述各实施例中，气体循环与控制单元2包括气路控制板21、土壤气路控制电磁阀22、空气气路控制电磁阀23、三通24、循环泵25和尾气排放管26。土壤气体输送管14连接至土壤气路控制电磁阀22进气端，空气气体输送管16连接至空气气路控制电磁阀23进气端。土壤气路控制电磁阀22的出气端和空气气路控制电磁阀23的出气端分别连接至三通24的进气端，三通24的出气端连接气体浓度在线检测单元3的样气入口端。气体浓度在线监测单元3的尾气排放端与循环泵25进气端连接，循环泵25出气端与尾气排放管26连接，循环泵25为整个气体循环运动的动力源。土壤气路控制电磁阀22、空气气路控制电磁阀23和循环泵25均与气路控制板21电连接，由气路控制板21实现气路时序的控制。气路控制板21和气体浓度在线监测单元3都通过串口与中央控制单元5连接。使用时，土壤气体和空气气体进入到气体浓度在线监测单元3后进行二氧化碳浓度测量，检测后的气体通过尾气排放端进入到循环泵25进气端，检测后的气体通过循环泵25出气端的尾气排放管26排出到空气中。
上述各实施例中，环境参数采集单元4包括环境控制板41、土壤温度传感器42、土壤含水率传感器43、雨量筒44、空气温度传感器45、空气湿度传感器46、气压传感器47和风速风向标48。土壤温度传感器42和土壤含水率传感器43均埋设在地下预先设置好的钻孔中，分别将采集到的土壤温度和含水率经电缆将数据传输至环境控制板41。雨量筒44、空气温度传感器45、空气湿度传感器46、气压传感器47和风速风向标48分别将采集到的雨量、空气温度、空气湿度、气压和风速风向数据通过电缆传输至环境控制板41。环境控制板41通过串口与中央控制单元5连接。
上述各实施例中，中央控制单元5包括电脑51、键盘52和工业液晶屏53。气体循环与控制单元2中的气路控制板21、气体浓度在线监测单元3和环境参数采集单元4中的环境控制板41都与电脑51连接实现数据通信，由电脑51完成数据的采集与保存。电脑51通过USB连接键盘52和工业液晶屏53，完成控制信息的输入和数据的显示，实现人机互动。其中，电脑51优选为平板电脑。
上述各实施例中，无线数据传输单元6包括无线发射模块61和天线62。无线发射模块61通过串口与中央控制单元5的电脑51连接，无线发射模块61将接收到的数据经天线62进入4G/3G/GPRS网实现数据通信。
上述各实施例中，太阳能供电单元7为整个系统提供电力支持，其包括充电放电控制器71、太阳能电池板72和蓄电池73。太阳能电池板72将光能转化为电能并通过充电放电控制器71存储到蓄电池73中，充放电控制器71负责给整个装置提供电力。其中，蓄电池73埋在地下电池槽内。
上述各实施例中，本发明的自动监测装置还包括监测箱，气体循环与控制单元2中的气路控制板21、土壤气路控制电磁阀22、空气气路控制电磁阀23、三通24和循环泵25，气体浓度在线监测单元3，环境参数采集单元4中的环境控制板41，中央控制单元5中的电脑51以及无线数据传输单元6中的无线发射模块61都设置在监测箱内。
综上所述，本发明在使用时，本发明所测定泄漏二氧化碳的浓度范围可以扩展到0～100.00％，测定的动作为实时的、在线的、原位的监测；测定的样点可以扩展为多个，具体样点数可根据使用者测试钻孔深度、相对高度或者小区域需求进行设置，一般土壤样本点需要进行气体预处理和防冻设计，因此本发明基本满足了二氧化碳气体泄漏监测的需要，同时也为环境参数对气体扩散的影响研究提供了设备支持。监测数据可以经无线传输形式进行远距离通讯，解决了野外作业困难问题。还可以采用有线传输方式，将所观测的数据输出到现有控制设备上。所有监测动作，都可以通过现有控制设备进行修正和控制。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：该装置包括土壤和空气的气体采集单元、气体循环与控制单元、气体浓度在线检测单元、环境参数采集单元、中央控制单元、无线数据传输单元和太阳能供电单元；所述土壤和空气的气体采集单元将采集到的数据经所述气体循环与控制单元分别传输至所述气体浓度在线检测单元和中央控制单元，所述气体浓度在线检测单元将检测结果也传输至所述中央控制单元内；所述环境参数采集单元将采集到的数据也传输至所述中央控制单元，所述中央控制单元经所述无线数据传输单元将数据发送至4G/3G/GPRS网实现数据通信；所述太阳能供电单元为整个所述自动监测装置供电。
2.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述土壤和空气的气体采集单元包括集气花筒、凝水探头、泡沫塞和土壤气体输送管；所述集气花筒埋设在地下预先设置好的钻孔中，所述集气花筒上设置有若干孔洞，所述集气花筒内设置有防止较大颗粒物进入筒内的滤棉，所述集气花筒内底部设置有所述泡沫塞；所述集气花筒内顶部设置有一所述凝水探头，该凝水探头通过所述土壤气体输送管与所述气体循环与控制单元连接。
3.如权利要求2所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述土壤和空气的气体采集单元还包括防雨罩和空气气体输送管；所述防雨罩设置在地表监测支架上，所述防雨罩内设置有另一所述凝水探头，另一所述凝水探头通过所述空气气体输送管与所述气体循环与控制单元连接。
4.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述气体循环与控制单元包括气路控制板、土壤气路控制电磁阀、空气气路控制电磁阀、三通、循环泵和尾气排放管；所述土壤和空气的气体采集单元土壤气体输出端连接至所述土壤气路控制电磁阀进气端，所述土壤和空气的气体采集单元空气气体输出端连接至所述空气气路控制电磁阀进气端；所述土壤气路控制电磁阀的出气端和空气气路控制电磁阀的出气端分别连接至所述三通的进气端，所述三通的出气端连接所述气体浓度在线检测单元的样气入口端；所述气体浓度在线监测单元的尾气排放端与所述循环泵进气端连接，所述循环泵出气端与所述尾气排放管连接；所述土壤气路控制电磁阀、空气气路控制电磁阀和循环泵均与所述气路控制板电连接，所述气路控制板和气体浓度在线监测单元都通过串口与所述中央控制单元连接。
5.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述环境参数采集单元包括环境控制板、土壤温度传感器、土壤含水率传感器、雨量筒、空气温度传感器、空气湿度传感器、气压传感器和风速风向标；所述土壤温度传感器和土壤含水率传感器均埋设在地下预先设置好的钻孔中，分别将采集到的土壤温度和含水率经电缆将数据传输至所述环境控制板；所述雨量筒、空气温度传感器、空气湿度传感器、气压传感器和风速风向标分别将采集到的雨量、空气温度、空气湿度、气压和风速风向数据通过电缆传输至所述环境控制板；所述环境控制板通过串口与所述中央控制单元连接。
6.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述中央控制单元包括电脑、键盘和工业液晶屏；所述气体循环与控制单元、气体浓度在线监测单元和环境参数采集单元都与所述电脑连接实现数据通信，所述电脑通过USB连接所述键盘和工业液晶屏。
7.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述无线数据传输单元包括无线发射模块和天线；所述无线发射模块通过串口与所述电脑连接，所述无线发射模块将接收到的数据经所述天线进入4G/3G/GPRS网实现数据通信。
8.如权利要求1所述的野外空气、二氧化碳气体浓度及环境参数的自动监测装置，其特征在于：所述太阳能供电单元包括充电放电控制器、太阳能电池板和蓄电池；所述太阳能电池板将光能转化为电能并通过所述充电放电控制器存储到所述蓄电池中，所述充放电控制器负责给整个装置提供电力。
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| CN113433297A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-09-24 | 山东汇金海智慧农业研究院有限公司 | 一种土壤中二氧化碳浓度实时在线检测方法 |
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2017
- 2017-11-22 CN CN201711171656.XA patent/CN108106661B/zh not_active Expired - Fee Related
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