CN109060465A - 水面气体通量及环境参数监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

水面气体通量及环境参数监测装置及方法，涉及环境监测。设有浮框、监测箱和太阳能电池板，太阳能电池板嵌在监测箱周围的浮框上，浮框用于使整个装置悬浮在水面上并形成一个与水面密闭的气室，气室用于监测箱的采样和测量，采样到的数据在各装置间进行逐跳中继转发的连接，并传送到数据处理中心。利用本发明解决了湖沼、湿地等地带的水面气体通量测量问题，可自动对气室进行换气，并且测试、统计预定时间段的气体通量，自动化能力强，操作省时省力。能够利用太阳能为装置供电，能够长时间持续测量，结构简单，安装维护方便，多用传感接口提高了其通用性。采用自动组网，相互转发数据的通信模式，并且实现远程的数据传输和控制。

Description

水面气体通量及环境参数监测装置及方法

技术领域

本发明涉及环境监测，尤其是涉及水面气体通量及环境参数监测装置及方法。

背景技术

大气中CO₂、N₂O、CH₄等温室气体浓度的逐年增加，造成的“温室效应”已成为影响全球气候变化的一个重要因素。湿地、湖泊、海洋等水体，能够在全球范围内排放大量的二氧化碳，其排放量受到各种水生系统的影响。通过对不同生态系统通量的长期定位观测研究，可作为进行CO₂和N₂O等吸收与释放过程调控、能量流动与物质循环以及改善人类生存环境提供必要的依据。

目前常根据气体传输速度和空气、水的经验模型估算湖泊等水体的气体通量，但其经验模型有一定的不确定性。如果采用微气象学等方法，涡度相关法直接地进行定量测量，成本太高，且单点测量不能够反映大面积的实际情况。目前针对土壤碳能量检查的设备已有很多，但专门针对水面监测的仪器很少，自动化程度低，而且缺乏以无线网络形式进行多点测量的装置。所以，亟需一种应用于水面的气体通量测量装置。

中国专利CN207816344U公开一种淡水养殖水体环境参数监测系统，该系统由多个结构和功能相同的检测终端和一个监测主机组成，各检测终端与监测主机之间通过Wi-Fi无线方式连接；检测终端具有监测阈值设置功能，并能以定时方式采集养殖水体中的含氧量、PH值、水温等参数，完成检测数据分析后，可将检测数据及分析结果以Wi-Fi无线方式送往监测主机，由监测主机完成数据显示和监测状态指示等功能，该系统可有效实现淡水养殖水体环境参数的监测功能，系统结构简单，安装使用方便，适宜推广使用。

发明内容

本发明的第一目的在于提供能够解决湿地、湖泊、海洋等水面的气体通量和温度、湿度等环境参数的测量问题的水面气体通量及环境参数监测装置。

本发明的第二目的在于提供一种水面气体通量测量方法。

所述水面气体通量及环境参数监测装置设有浮框、监测箱和太阳能电池板，所述太阳能电池板嵌在监测箱周围的浮框上，浮框用于使整个装置悬浮在水面上并形成一个与水面密闭的气室，所述气室用于监测箱的采样和测量，采样到的数据在各装置间进行逐跳中继转发的连接，并传送到数据处理中心；

所述监测箱的顶部设有箱盖和扩展接口，所述箱盖可通过软质密封垫密封，所述扩展接口可以根据要求连接环境检测传感器，所述环境检测传感器用于温度、湿度等不同的环境参数的检测；监测箱的底部设有气室进气口、气室出气口和换气进气口，所述换气进气口通过密封管道与外界连接；

所述监测箱设有气路部分和电路部分，所述气路部分设有第1电磁阀、第2电磁阀、气泵和传感单元；在检测状态时，气泵将浮框内的空气，经过气室进气口吸入，并送到传感单元检测后再经过气室排气口送回到浮框内，形成一个密封的循环；在换气状态时，第1电磁阀和第2电磁阀打开，气室内空气经换气出气口排出；

所述电路部分以中央控制单元为核心，分别将第1电磁阀、气泵、传感单元和充电单元通过电线与中央控制单元相连并实现控制，电路部分的充电电池为以上各单元供电；

所述太阳能电池通过充电单元为充电电池充电。

所述传感单元可根据所需测量的对象，如CO₂、N₂O等，选择传感器件。

所述扩展接口可根据测量数据需要，如温度、湿度等，在其上连接环境检测传感器。

所述中央控制单元可设有核心模块、驱动电路和无线通信模块，所述核心模块与驱动电路和无线通信模块连接。

所述无线通信模块自动组网，并将采集测量到的数据，通过节点间逐跳转发的方式传输到数据处理中心；远程控制信号也通过无线通信模块，对各个水面气体通量及环境参数监测装置进行控制。

所述水面气体通量测量方法包括以下步骤：

1)分别在两个时间点测量气体浓度值，利用所述两个时间点之间的气室中体积的增量，估算水面的气体排放率F如下：

其中，C_i为初始浓度，C_f为终止浓度，V为系统体积，所述体积包括气室和管道的体积，Δt是两个测量点之间的时间差，A是由气室覆盖的水面表面积。

在多个时间点t＝1,2,3,L,n测量时，用两种方法计算其平均气体排放率：

方法一采用逐段平均的方式，求得平均气体排放率

方法二采用回归的方法进行计算，当采用线性回归时，气室中气体浓度的逐渐增加由具有斜率k的线性回归方程拟合，从斜率k估计平均气体排放率

2)测量一段时间，气室内的气体浓度增加到预先设定的浓度界限时，将气室内的气体排除到初始状态，重复步骤1)的过程。

本发明的有益效果在于：利用本发明解决了湖沼、湿地等地带的水面气体通量测量问题，可以自动对气室进行换气，并且测试、统计预定时间段的气体通量，自动化能力强，操作省时省力。本发明能够利用太阳能为装置供电，能够长时间持续测量，结构简单，安装维护方便，多用传感接口提高了其通用性。本发明采用自动组网，相互转发数据的通信模式，并且实现远程的数据传输和控制。

附图说明

图1为本发明实施例的正视剖面结构示意图。

图2为本发明实施例所述监测箱的结构中模块的组成示意图。

图3为本发明实施例所述中央控制单元中电路的组成示意图。

在图1～3中，各标记为：1、固定环；2、浮框；3、太阳能电池板；4、扩展接口；5、监测箱；6、换气出气口；7、气室进气口；8、气室出气口；9、换气进气口；201、中央控制单元；202、常闭电磁阀；203、气泵；204、传感单元；205、常闭电磁阀；206、充电单元；207、充电电池；301、核心模块；302、驱动电路；303、无线通信模块。

具体实施方式

以下实施例结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例参见图1～3。

1、本发明实施例设有浮框2、监测箱5和太阳能电池板3，浮框2由泡沫塑料等轻型材料制成，可以悬浮在水面上。浮框2与水面构成封闭的气室，供监测箱5采样和测量。为保证浮框2位置固定，可以在浮框2的侧面安装固定环1，其数量可以根据需要决定。

2、监测箱5可以通过螺钉紧固或者胶粘的形式，安装于浮框2上，浮框2的顶部是一个可以打开的箱盖，便于安装检修，监测箱5的箱盖与箱体之间通过软质密封垫进行密封，并且通过螺丝紧固在箱体上；监测箱5的底部设有气室进气口7、气室出气口8和换气进气口9与浮框2的气室相通，换气进气口9通过密封管道连接。

3、监测箱5安装扩展接口4，可以根据要求外接温度、湿度等不同的环境检测传感器。

4、太阳能电池板3嵌在监测箱周围的浮框2上，在有阳光时，可以将光能转成电能为充电电池206充电；没有阳光时，充电电池206可以为整个装置供电。

5、监测箱5的气路部分如图2所示，由第1电磁阀202、第2电磁阀205、气泵203和传感单元204构成，换气进气口9通过密封管道与气泵203、第1电磁阀202、第2电磁阀205连接。在检测状态时，气泵203将浮框2内的空气，经过气室进气口7吸入，并送到传感单元204检测后再经过气室排气口8送回到浮框2内，形成一个密封的循环；在换气状态时，第1电磁阀202和第2电磁阀205打开，气室内空气经换气出气口6排出。

6、监测箱5的电路部分以中央控制单元201为核心，分别将第1电磁阀202、气泵203、传感单元204和充电单元207通过电线相连，并对它们进行控制，充电电池206为以上各单元供电。太阳能电池3通过充电单元207为充电电池206充电，充电单元207有稳压、限流以及防过充功能。

7、监测箱5中的传感单元204可根据所需测量的对象，如CO₂、N₂O等，选择传感器件。

8、所述扩展接口4根据测量数据需要，如温度、湿度等，在其上连接环境检测传感器，然后将其送到中央控制单元201进行处理。

9、如图3所述中央控制单元201，由核心模块301、驱动电路302和无线通信模块303构成，核心模块301包括中央处理器及外围电路，具有AD/DA转换、充电控制等功能，驱动电路302主要用于气泵203、第1电磁阀201和第2电磁阀205部分的控制，无线通信模块303实现相同装置之间的通信以及该装置与手机、笔记本电脑等外围设备的通信。采集测量到的信号，通过多跳自组织方式传输到数据处理中心；远程控制信号，也可以通过无线通信模块303对装置进行控制。

本发明采用的多跳自组织方式的概念是表示：当存在多个装置(例如装置A、B、C、D)时，由于每个装置的通信范围有限，为了将数据传送到数据处理中心，需要采用逐跳转发的方式，即装置A的数据，可以通过装置B和装置C转发到装置D，然后由通过装置D转发到数据处理中心，各个装置之间可以自动组网、相互转发数据。

Claims (8)

1.水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于设有浮框、监测箱和太阳能电池板，所述太阳能电池板嵌在监测箱周围的浮框上，浮框用于使整个装置悬浮在水面上并形成一个与水面密闭的气室，所述气室用于监测箱的采样和测量，采样到的数据在各装置间进行逐跳中继转发的连接，并传送到数据处理中心；

所述监测箱的顶部设有箱盖和扩展接口，所述扩展接口连接环境检测传感器，监测箱的底部设有气室进气口、气室出气口和换气进气口，所述换气进气口通过密封管道与外界连接；

所述监测箱设有气路部分和电路部分，所述气路部分设有第1电磁阀、第2电磁阀、气泵和传感单元；在检测状态时，气泵将浮框内的空气，经过气室进气口吸入，并送到传感单元检测后再经过气室排气口送回到浮框内，形成一个密封的循环；在换气状态时，第1电磁阀和第2电磁阀打开，气室内空气经换气出气口排出；

所述电路部分以中央控制单元为核心，分别将第1电磁阀、气泵、传感单元和充电单元通过电线与中央控制单元相连并实现控制，电路部分的充电电池用于供电；

所述太阳能电池通过充电单元为充电电池充电。

2.如权利要求1所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述箱盖通过软质密封垫密封。

3.如权利要求1所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述环境检测传感器用于温度、湿度不同的环境参数的检测。

4.如权利要求1所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述传感单元根据所需测量的对象，选择传感器件，所述所需测量的对象包括CO₂、N₂O多种气体。

5.如权利要求1所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述扩展接口根据测量数据需要连接环境检测传感器，所述测量数据包括温度、湿度环境参数。

6.如权利要求1所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述中央控制单元设有核心模块、驱动电路和无线通信模块，所述核心模块与驱动电路和无线通信模块连接。

7.如权利要求6所述水面气体通量及环境参数监测装置，其特征在于所述无线通信模块自动组网，并将采集测量到的数据，通过节点间逐跳转发的方式传输到数据处理中心；远程控制信号也通过无线通信模块，对各个水面气体通量及环境参数监测装置进行控制。

8.水面气体通量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分别在两个时间点测量气体浓度值，利用所述两个时间点之间的气室中体积的增量，估算水面的气体排放率F如下：

其中，C_i为初始浓度，C_f为终止浓度，V为系统体积，所述体积包括气室和管道的体积，Δt是两个气体浓度测量点之间的时间差，A是由气室覆盖的水面表面积；

在多个时间点t＝1,2,3,L,n测量时，用两种方法计算其平均气体排放率：

方法一采用逐段平均的方式，求得平均气体排放率

方法二采用回归的方法进行计算，当采用线性回归时，气室中气体浓度的逐渐增加由具有斜率k的线性回归方程拟合，从斜率k估计平均气体排放率

2)测量一段时间，气室内的气体浓度增加到预先设定的浓度界限时，将气室内的气体排除到初始状态，重复步骤1)的过程。