CN111398518B - 一种气体通量连续测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体通量连续测量系统及其测量方法。气体通量连续测量系统包括：通量罩的出气口经第一三通电磁阀、采集气泵、气体传感器、第二三通电磁阀到通量罩的进气口构成气体通量测量回路；从通量罩的出气口经第一三通电磁阀、可调流量计、真空泵到系统排气口构成气体排放气路；从系统入气口经单向阀、第二三通电磁阀到通量罩的进气口构成空气清洗气路。主控电路控制电磁阀的连通方向及各泵的启停，先排放气路和清洗气路工作，再测量回路工作。本发明利用连续自动控制系统，通过定期置换背景空气，定时测量通量罩的气体浓度，保证气体通量测量的准确性，实现土壤中氢气、汞气、氦气通量的连续长期测量，有利于地震断层监测。

Description

一种气体通量连续测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及气体通量测量技术领域，尤其涉及一种气体通量连续测量系统及其测量方法。

背景技术

地壳深部放气现象是表征地壳活动频繁的一个显著现象，研究表明，在断裂破碎带附近可以检测到明显的地壳逸出气体，而气体浓度和逸出速率能够灵敏和客观地反映地壳应变和应力状态，例如火山喷发就是明显的地壳放气现象。但大多数地壳运动是缓慢变化的，尤其是在地震发生前，但其气体浓度和逸出量的变化却是较为明显的，因此通过观测断层或土壤中的气体的变化，是探索地球内部地质活动的重要技术途径之一。

通量，是表示物质分子移动量的大小，指某种物质在每秒内通过每平方厘米的假想平面的摩尔或毫尔数。利用气体通量检测断层或土壤中的气体变化情况，不仅可以观察到断层逸出气体浓度的变化，还可以观测到逸出气量的变化，这对于观察地壳活动十分重要。气体通量通常用于观测温室气体的排放情况，一般用于测量土壤中CO₂的气体通量。近年来，随着断层观测技术的发展，气体通量观测开始应用于地震断层观测，但主要应用于流动观测中，采用静态暗箱法在断层地表观测气体通量，这种观测方式不能获取连续的观测数据，无法实时捕捉地震孕育过程中的气体逸出现象，通量气室受限于便携式的需求体积较小，无法满足多种气体同时测量，对于地震前兆观测而言，采集信息较少。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题；提供一种气体通量连续测量系统及其测量方法，用于测量断层土壤中氢气、汞气及氦气的变化，具有自动连续、测量信息丰富、兼容性强的特点，采用深埋入式静态暗箱法观测地下浅层土壤气体通量，通过气体快速置换法连续观测气体通量的变化，实现定点气体通量多种气体成分同步在线分析。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的一种气体通量连续测量系统，包括通量罩、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、采集气泵、气体传感器和主控电路，通量罩上设有进气口和出气口，通量罩的出气口和第一三通电磁阀的公共端相连，第一三通电磁阀的第一通气端经采集气泵和气体传感器的进气口相连，气体传感器的出气口和第二三通电磁阀的第一通气端相连，第二三通电磁阀的公共端和通量罩的进气口相连，第一三通电磁阀、第二三通电磁阀及采集气泵的控制端分别和主控电路相连，气体传感器的信号输出端和主控电路相连。通量罩为深埋入式通量罩，一般埋于地下浅层3～8米深度，通量箱周围用土密封。通量罩是基于静态暗箱法，用于收集土壤中逸出的气体。通量罩收集的气体，从通量罩的出气口流出，经第一三通电磁阀、采集气泵、气体传感器和第二三通电磁阀，最后流入通量罩的进气口，构成气体通量测量回路。主控电路控制第一三通电磁阀、第二三通电磁阀的通断方向，并控制采集气泵的启停，气体传感器用于测量氢气、汞气和氦气的浓度，并将测得值输送给主控电路进行分析和计算，最终获得通量罩内断层逸出气体的气体通量。本发明用于测量断层土壤中氢气、汞气及氦气的变化，具有自动连续、测量信息丰富、兼容性强的特点，采用深埋入式静态暗箱法观测地下浅层土壤气体通量，实现定点气体通量多种气体成分同步在线分析。

作为优选，所述的通量罩内设有和通量罩的进气口相连的气体扩散管，气体扩散管包括纵向设置的主管和横向连接于主管上的多根支管，支管分为若干组，每组支管从上到下呈螺旋形分布于主管上，支管上设有均匀分布的扩散孔。气体扩散管是一根形似树枝的多孔管，多根支管呈螺旋形排列分布于整根主管上，使得各个方向、各个高度都分布有扩散孔，确保气体扩散均匀。采用气体置换法时，能确保外界新鲜的空气能快速、大量地充入通量罩中。

作为优选，所述的通量罩呈半球面形，通量罩的进气口设于半球面形的顶部，通量罩的出气口设于通量罩的进气口的附近，通量罩的内侧面的中间位置设有温度气压传感器，温度气压传感器和所述的主控电路相连。通量罩罩口朝下埋于地下，罩口和地表浅层土壤紧贴，通量罩和地表浅层土壤之间形成一个空腔。采用半球形通量罩有更好的抗压能力，不易塌陷，同时确保气体进出更顺畅。温度气压传感器用于检测通量罩内的温度和气压，并输送给主控电路，主控电路可根据气体浓度值和通量罩内的温度、气压值，并根据测量时间、通量罩的截面积计算出气体的通量。

作为优选，所述的气体通量连续测量系统包括可调流量计和真空泵，可调流量计的进口和所述的第一三通电磁阀的第二通气端相连，可调流量计的出口和真空泵的进口相连，真空泵的出口和系统排气口相连，可调流量计及真空泵的控制端分别和主控电路相连。

作为优选，所述的气体通量连续测量系统包括单向阀，系统入气口和单向阀的进口相连，单向阀的出口和所述的第二三通电磁阀的第二通气端相连。

从通量罩的出气口经第一三通电磁阀、可调流量计、真空泵到系统排气口构成通量罩内气体排放气路。从系统入气口经单向阀、第二三通电磁阀到通量罩的进气口构成空气清洗气路。测量前，气体排放气路和空气清洗气路同时工作，可调流量计与真空泵联合控制通量罩内的气体置换体积，以达到清洗目的，通过调节置换气体流量和控制真空泵启动时间，使置换的空气体积为通量罩内体积的20倍，以保证通量罩内的气体被完全置换成空气。确保气体通量测量更加准确。

作为优选，所述的主控电路包括信号处理电路、中央处理单元、驱动电路和通讯电路，信号处理电路、驱动电路及通讯电路分别和中央处理单元相连，所述的气体传感器的信号输出端和信号处理电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别和所述的第一三通电磁阀、第二三通电磁阀及采集气泵的控制端相连。信号处理电路通过数据总线与气体传感器和温度气压传感器相连，用于采集气体传感器及温度气压传感器的信号，并通过降噪、放大、滤波和模数转换，最后输出气体浓度值给中央处理单元。中央处理单元用于存储测得的气体浓度值和通量罩内的温度、气压值，并根据测量时间、通量罩的截面积计算出气体的通量。通讯电路用于将获得的气体浓度值和气体通量值通过网络传输至远程PC端，实现对气体浓度、通量的远程监测。

本发明的一种气体通量连续测量系统的测量方法，包括下列步骤：

步骤①，将所述的通量罩固定埋于断层的地表浅层土壤中，深度为3～8米；

步骤②，测量步骤，在所述的主控电路的控制下，所述的第一三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，所述的第二三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，所述的采集气泵启动，通量罩内的气体经过通量罩的出气口、第一三通电磁阀和采集气泵进入所述的气体传感器，气体传感器的测量尾气经第二三通电磁阀流入通量罩的进气口，最后排放至通量罩内；气体传感器检测气体浓度，并将检测到的气体浓度信号输送给所述的主控电路；采集气泵启动一段时间后停止；

步骤③，主控电路计时，每间隔一段时间，采集气泵启动运行，重复进行测量步骤，一段时间间隔后，主控电路根据通量罩内的温度、气压、气体浓度和时间进行计算分析，得出气体通量。

本发明的测量过程由系统自动操作完成，自动化、智能化程度高。本发明用于测量断层土壤中氢气、汞气及氦气的变化，具有自动连续、测量信息丰富、兼容性强的特点，采用深埋入式静态暗箱法观测地下浅层土壤气体通量，实现定点气体通量多种气体成分同步在线分析。

作为优选，所述的气体通量连续测量系统包括可调流量计和真空泵及单向阀，可调流量计的进口和所述的第一三通电磁阀的第二通气端相连，可调流量计的出口和真空泵的进口相连，真空泵的出口和系统排气口相连，可调流量计及真空泵的控制端分别和主控电路相连；系统入气口和单向阀的进口相连，单向阀的出口和所述的第二三通电磁阀的第二通气端相连；

所述的测量方法包括设在测量步骤前的清洗步骤，具体如下：

在所述的主控电路的控制下，所述的第一三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，所述的第二三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，所述的真空泵启动，所述的通量罩内的气体经通量罩的出气口、第一三通电磁阀、可调流量计和真空泵，最后从系统排气口排出到大气中；同时新鲜的空气从系统入气口流入，经单向阀、第二电磁阀流入通量罩的进气口，充入至通量罩内，真空泵运行一段时间，当充入的空气体积达到通量罩体积的20倍时，真空泵停止工作，气体置换完成。

测量前，气体排放气路和空气清洗气路同时工作，可调流量计与真空泵联合控制通量罩内的气体置换体积，以达到清洗目的，通过调节置换气体流量和控制真空泵启动时间，使置换的空气体积为通量罩内体积的20倍，以保证通量罩内的气体被完全置换成空气。确保气体通量测量更加准确。

本发明的有益效果是：能够测量断层浅层土壤逸出气的气体通量变化，测量结果不易受地表环境影响。采用气体定期置换背景空气，通过树枝形气体扩散管均匀置换通量罩内的气体，并以流量监控完全清洗通量罩，保证了气体通量测量的准确性，减少人为操作，避免移动装置更换测量背景。利用连续自动控制系统，与气体传感器联用，定时测量通量罩的气体浓度，通过原位温度、气压检测，计算分析气体通量变化，可以实现断层浅层土壤中氢气、汞气、氦气通量的连续长期测量，采集信息多，有利于地震断层监测。

附图说明

图1是本发明的一种气路连接结构示意图。

图2是本发明中通量罩的一种剖视结构示意图。

图3是本发明中主控电路的一种电路原理连接结构框图。

图中1.第一三通电磁阀，2.第二三通电磁阀，3.通量罩，4.采集气泵，5.气体传感器，6.可调流量计，7.真空泵，8.单向阀，9.系统排气口，10.系统入气口，11.地表浅层土壤，12.温度气压传感器，13.信号处理电路，14.中央处理单元，15.驱动电路，16.通讯电路，31.进气口，32.出气口，33.主管，34.支管，35.扩散孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种气体通量连续测量系统，如图1所示，包括通量罩3、第一三通电磁阀1、第二三通电磁阀2、采集气泵4、气体传感器5、可调流量计6、真空泵7、单向阀8和主控电路，通量罩3上有进气口31和出气口32，通量罩的出气口和第一三通电磁阀的公共端相连，第一三通电磁阀的第一通气端经采集气泵和气体传感器的进气口相连，第一三通电磁阀的第二通气端和可调流量计的进口相连，可调流量计的出口和真空泵的进口相连，真空泵的出口和系统排气口9相连，气体传感器的出气口和第二三通电磁阀的第一通气端相连，第二三通电磁阀的第二通气端和单向阀的出口相连，系统入气口10和单向阀的进口相连，第二三通电磁阀的公共端和通量罩的进气口相连。

从通量罩的出气口经第一三通电磁阀、采集气泵、气体传感器、第二三通电磁阀到通量罩的进气口构成气体通量测量回路；从通量罩的出气口经第一三通电磁阀、可调流量计、真空泵到系统排气口构成通量罩内气体排放气路；从系统入气口经单向阀、第二三通电磁阀到通量罩的进气口构成空气清洗气路。测量前，气体排放气路和空气清洗气路同时工作，可调流量计与真空泵联合控制通量罩内的气体置换体积，以达到清洗目的，通过调节置换气体流量和控制真空泵启动时间，使置换的空气体积为通量罩内体积的20倍，以保证通量罩内的气体被完全置换成空气。

如图2所示，通量罩3呈半球面形，直径不小于50cm，材质为聚四氟乙烯，为保证通量罩的抗土壤压力强度，通量罩的厚度为20～30mm，通量罩固定埋于断层的地表浅层土壤中，深度为3～8米，通量罩和地表浅层土壤11之间形成一个空腔，通量罩的进气口和出气口对称分布于通量罩的顶部，通量罩内安装有和通量罩的进气口相连的气体扩散管，整个气体扩散管形似树枝状，气体扩散管包括纵向设置的主管33和横向连接于主管上的多根支管34，主管底端封闭，主管顶端和通量罩的进气口相连，支管分为两组，每组支管从上到下呈螺旋形分布于主管上，支管上有均匀分布的扩散孔35，扩散孔的孔径为5mm。通量罩的内侧面的中间位置铺贴有一个温度气压传感器12，用于检测通量罩内的温度和气压。

如图3所示，主控电路包括信号处理电路13、中央处理单元14、驱动电路15和通讯电路16，信号处理电路、驱动电路及通讯电路分别和中央处理单元相连，气体传感器5、温度气压传感器12的信号输出端分别和信号处理电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别和第一三通电磁阀1、第二三通电磁阀2、采集气泵4、真空泵7及可调流量计6的控制端相连。信号处理电路通过数据总线与气体传感器和温度气压传感器相连，用于采集气体传感器及温度气压传感器的信号，并通过降噪、放大、滤波和模数转换，最后输出气体浓度值给中央处理单元。中央处理单元用于存储测得的气体浓度值和通量罩内的温度、气压值，并根据测量时间、通量罩的截面积计算出气体的通量。通讯电路用于将获得的气体浓度值和气体通量值通过网络传输至远程PC端。

气体传感器用于测量氢气、汞气和氦气的浓度。中央处理单元分析气体通量时的计算公式如下：

式中，F为气体通量，ρ为气体密度，V为通量罩的体积，A为通量罩的底面积，P_箱内为通量罩内的气压，P_标准为标准大气压101.325kPa，T_箱内为通量罩内的温度，T_标准为标准温度273.15K，c为气体浓度，t为测量时间，

为一段时间内气体浓度的变化。

上述气体通量连续测量系统的测量方法，用于连续测量断层土壤中氢气、汞气和氦气的气体通量，包括下列步骤：

步骤①，清洗步骤，即气体排放气路和空气清洗气路工作，在主控电路的控制下，第一三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，第二三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，真空泵启动，可调流量计调节流量到需要值，通量罩内的气体经通量罩的出气口、第一三通电磁阀、可调流量计和真空泵，最后从系统排气口排出到大气中；同时新鲜的空气从系统入气口流入，经单向阀、第二电磁阀流入通量罩的进气口，充入至通量罩内，真空泵运行一段时间，当充入的空气体积达到通量罩体积的20倍时，真空泵停止工作，气体置换完成；

步骤②，测量步骤，即气体通量测量回路工作，在主控电路的控制下，第一三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，第二三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，采集气泵启动，通量罩内的气体经过通量罩的出气口、第一三通电磁阀和采集气泵进入气体传感器，气体传感器的测量尾气经第二三通电磁阀流入通量罩的进气口，最后排放至通量罩内；气体传感器检测气体浓度，并将检测到的气体浓度信号输送给信号处理电路，通量罩内的温度气压传感器将检测到的温度及气压值也输送给信号处理电路，经信号处理电路处理后，再输送给中央处理单元；采集气泵启动一段时间后停止；

步骤③，中央处理单元进行计时，每间隔一段时间，采集气泵启动运行，重复进行测量步骤，一段时间间隔后，中央处理单元根据通量罩内的温度、气压、气体浓度和时间进行计算分析，得出气体通量，并通过通讯电路传输至远程PC监测终端。

Claims (5)

1.一种气体通量连续测量系统，其特征在于包括通量罩、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、采集气泵、气体传感器和主控电路，通量罩上设有进气口和出气口，通量罩的出气口和第一三通电磁阀的公共端相连，第一三通电磁阀的第一通气端经采集气泵和气体传感器的进气口相连，气体传感器的出气口和第二三通电磁阀的第一通气端相连，第二三通电磁阀的公共端和通量罩的进气口相连，第一三通电磁阀、第二三通电磁阀及采集气泵的控制端分别和主控电路相连，气体传感器的信号输出端和主控电路相连；气体传感器用于测量氢气、汞气和氦气的浓度；

包括可调流量计和真空泵，可调流量计的进口和所述的第一三通电磁阀的第二通气端相连，可调流量计的出口和真空泵的进口相连，真空泵的出口和系统排气口相连，可调流量计及真空泵的控制端分别和主控电路相连；

包括单向阀，系统入气口和单向阀的进口相连，单向阀的出口和所述的第二三通电磁阀的第二通气端相连；

所述的通量罩内设有和通量罩的进气口相连的气体扩散管，气体扩散管包括纵向设置的主管和横向连接于主管上的多根支管，支管分为若干组，每组支管从上到下呈螺旋形分布于主管上，支管上设有均匀分布的扩散孔。

2.根据权利要求1所述的一种气体通量连续测量系统，其特征在于所述的通量罩呈半球面形，通量罩的进气口设于半球面形的顶部，通量罩的出气口设于通量罩的进气口的附近，通量罩的内侧面的中间位置设有温度气压传感器，温度气压传感器和所述的主控电路相连。

3.根据权利要求1所述的一种气体通量连续测量系统，其特征在于所述的主控电路包括信号处理电路、中央处理单元、驱动电路和通讯电路，信号处理电路、驱动电路及通讯电路分别和中央处理单元相连，所述的气体传感器的信号输出端和信号处理电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别和所述的第一三通电磁阀、第二三通电磁阀及采集气泵的控制端相连。

4.一种如权利要求1所述的气体通量连续测量系统的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤①，将所述的通量罩固定埋于断层的地表浅层土壤中，深度为3～8米；

步骤②，测量步骤，在所述的主控电路的控制下，所述的第一三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，所述的第二三通电磁阀的公共端和第一通气端连通，所述的采集气泵启动，通量罩内的气体经过通量罩的出气口、第一三通电磁阀和采集气泵进入所述的气体传感器，气体传感器的测量尾气经第二三通电磁阀流入通量罩的进气口，最后排放至通量罩内；气体传感器检测气体浓度，并将检测到的气体浓度信号输送给所述的主控电路；采集气泵启动一段时间后停止；

步骤③，主控电路计时，每间隔一段时间，采集气泵启动运行，重复进行测量步骤，一段时间间隔后，主控电路根据通量罩内的温度、气压、气体浓度和时间进行计算分析，得出气体通量。

5.根据权利要求4所述的一种气体通量连续测量系统的测量方法，其特征在于所述的气体通量连续测量系统包括可调流量计和真空泵及单向阀，可调流量计的进口和所述的第一三通电磁阀的第二通气端相连，可调流量计的出口和真空泵的进口相连，真空泵的出口和系统排气口相连，可调流量计及真空泵的控制端分别和主控电路相连；系统入气口和单向阀的进口相连，单向阀的出口和所述的第二三通电磁阀的第二通气端相连；

所述的测量方法包括设在测量步骤前的清洗步骤，具体如下：

在所述的主控电路的控制下，所述的第一三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，所述的第二三通电磁阀的公共端和第二通气端连通，所述的真空泵启动，所述的通量罩内的气体经通量罩的出气口、第一三通电磁阀、可调流量计和真空泵，最后从系统排气口排出到大气中；同时新鲜的空气从系统入气口流入，经单向阀、第二电磁阀流入通量罩的进气口，充入至通量罩内，真空泵运行一段时间，当充入的空气体积达到通量罩体积的20倍时，真空泵停止工作，气体置换完成。

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