CN112129596A - 一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置 - Google Patents

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田立德
徐家平
陈兵
陈明健
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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，包括用于固定在无人机上的气动外壳，所述气动外壳内设置有控制模块，所述控制模块通过导线分别连接有触发模块、气样采集模块、采样监测模块、环境监测模块以及通讯模块，本发明能够系统化、自动化和高效化地在空中进行空气水汽取样，气象数据观测，并提供后续气袋样品水汽同位素测量方法。

Description

一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置
技术领域
本发明涉及大气水汽采集技术领域，特别是一种高空大气水汽采集装置及大气水汽同位素气袋样品测试方法。
背景技术
大气水汽可进入水文循环的所有阶段，水汽的稳定同位素(包括H2 18O，H2 17O，HDO，通常标记为δ18O，δ17O，δ2H)在此过程中因蒸发、冷凝、蒸腾、空气质量混合过程、陆地表面的夹带、大气对流等而发生变化，是水文气象过程的有力示踪剂，为自然水循环中源汇、运输的研究提供关键信息。
然而，由于过去采样技术的限制，对对流层水汽稳定同位素分布的研究还很有限，大多数已发表的关于大气水汽稳定同位素的研究都局限于低空或近地面观测，这使得在理解地球表面与大气之间水汽交换方面的应用潜力不能得到充分的发挥，并对水汽传输过程中大气水汽稳定同位素的变化、影响机制、与降水稳定同位素以及地表蒸散发等之间的相互作用认识不足，随着稳定同位素红外光谱技术的发展，实现了大气水汽同位素实时高精度观测，基于波长扫描光腔衰荡光谱技术的水汽稳定同位素测量方法的出现，为直接实时观测高空含水量较低的大气水汽稳定同位素值提供了可能，但是，在高空测量水汽稳定同位素垂直剖面变化时，用飞机或者探空飞艇等装置携带原位大气水汽稳定同位素分析仪探空观测费用太高，很难实现长时间连续观测，除采用消耗大量人力物力的飞行器外，较难在任意野外观测点获取水汽稳定同位素垂直剖面数据，因此，有必要提供一种新的高空大气水汽稳定同位素采集装置，鉴于此，针对上述问题深入研究，提出本案发明。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，综上研究现状，本发明综合以上观测方法，全新设计了无人机高空大气水汽取样系统，结合基于波长扫描光腔衰荡光谱技术的水汽稳定同位素原位测量技术，提供了一种气袋样品水汽稳定同位素测定方法，实现了较低成本可持续性观测高空垂直剖面水汽稳定同位素数据。能有效弥补现有观测仪器在大气水汽稳定同位素监测能力的短板，有助于加深大气环境及相关科学研究者对水汽稳定同位素的相关研究和实际应用。
实现上述目的本发明的技术方案为：一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，包括用于固定在无人机上的气动外壳，所述气动外壳内设置有控制模块，所述控制模块通过导线分别连接有触发模块、气样采集模块、采样监测模块、环境监测模块以及通讯模块。
所述环境监测模块包括：温湿度传感器、气压传感器、高度传感器以及GPS定位仪，所述温湿度传感器、气压传感器、高度传感器以及GPS定位仪均通过导线分别与控制模块相连接。
所述气动外壳上焊接有与无人机相连接的挂钩，所述气动外壳上且在环境监测模块安装处还设置有通风孔，气动外壳的侧面设置有舱门。
所述温湿度传感器的型号是SHT75，气压传感器的型号是MS5611，高度传感器的型号是MBP180，GPS定位仪的型号是ATKS-1216，控制模块的型号是STM32，通讯模块的型号是RFD900。
所述气样采集模块包括气泵，所述气泵通过第一特氟龙管连接有气袋，所述第一特氟龙管上设置有单向阀，所述的气泵上还连接有第二特氟龙管，所述第二特氟龙管的另一端与通气孔相连接，所述气泵通过导线依次连接有舵机和控制模块。
所述气泵为KLP40隔膜泵，所述气袋为FEP特氟龙防吸附气体采样袋。
所述气袋的容量为0.5L。
所述的采样监测模块包括FSR400薄膜压力计以及摄像头,所述FSR400薄膜压力计和摄像头均通过导线分别与控制模块相连接。
所述同位素分析装置还包括地面端大气水汽同位素原位分析系统，所述地面端大气水汽同位素原位分析系统包括干空气气瓶，所述干空气气瓶通过第一不锈钢钢管与三通阀相连接，所述三通阀还分别连接有大气水汽稳定同位素分析仪和气袋；所述干空气气瓶与第一不锈钢钢管之间设置有减压阀；所述气袋与三通阀之间通过特氟龙管连接，所述三通阀与大气水汽同位素分析仪之间通过第二不锈钢管相连接，所述第二不锈钢管外侧设置有恒温加热套管。
所述气袋三通阀、气袋和所接特氟龙管放置于恒温箱内。
利用本发明的技术方案制作的基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置；
1)本发明能够系统化、自动化和高效化地进行高空空气水汽取样，本发明设置了采集模块，通过舵机、泵及控制模块控制气体在指定高度完成采集，实现了定高采样功能，并设置单向阀防止气样在下降过程中的损失，保证所采集气样完好封闭，不受污染。相较传统有人飞机或浮空艇，为高空水汽样品采样提供了更为廉价、高效、机动的实验方案。
2)本发明将无人机高空采样与水汽稳定同位素原位观测技术相结合，实现了高空水汽稳定同位素即采即测、直接测定的全新设计。相较传统采样带回实验室测定冷凝所得液态水样的观测手段，本发明具有所需采样量小、原位直接测量的优势，保证样品不会因相态转化、运输或随时间发生污染或性变。
3)本发明集成了无人机的飞控数据及环境气象数据，为大气水汽样品采样及其稳定同位素测量提供了环境参数，并对水汽稳定同位素从采样至测量过程中随大气温度、气压等要素的影响发生的分馏效应进行表征和订正。相较传统采样方案具备数据订正功能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
图1为本发明所述一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置的结构示意图。
图2为本发明所述一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置的控制模块及其他部件之间的连接关系图。
图3为本发明所述一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置的地面端大气水汽同位素原位分析系统的结构示意图。
图中：1-通风孔；2-控制模块；3-触发模块；4-气样采集模块；5-采样监测模块；6-通讯模块；7-温湿度传感器；8-环境监测模块；9-气压传感器；10-高度传感器；11-GPS定位仪；12-气动外壳；13-挂钩；14-气泵；15-气袋；16-舵机；17-第一特氟龙管；18-单向阀；19-FSR400薄膜压力计；20-摄像头；21-地面端大气水汽同位素原位分析系统；22-干空气气瓶；23-第一不锈钢钢管；24-三通阀；25-大气水汽稳定同位素分析仪；26-第二特氟龙管；27-减压阀；28-舱门；29-通气孔；30-第二不锈钢管；31-恒温加热套管；32-恒温箱；33-第三特氟龙管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-3所示，一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，包括用于固定在无人机上的气动外壳12，所述气动外壳12内设置有控制模块2，所述控制模块2通过导线分别连接有触发模块3、气样采集模块4、采样监测模块5、环境监测模块8以及通讯模块6；所述环境监测模块8包括：温湿度传感器7、气压传感器9、高度传感器10以及GPS定位仪11，所述温湿度传感器7、气压传感器9、高度传感器10以及GPS定位仪11均通过导线分别与控制模块2相连接；所述气动外壳12上焊接有与无人机相连接的挂钩13，所述气动外壳12上且在环境监测模块8安装处还设置有通风孔1，气动外壳12的侧面设置有舱门28；所述温湿度传感器7的型号是SHT75，气压传感器9的型号是MS5611，高度传感器10的型号是MBP180，GPS定位仪11的型号是ATKS-1216，控制模块2的型号是STM32，通讯模块6的型号是RFD900；所述气样采集模块4包括气泵14，所述气泵14通过第一特氟龙管17连接有气袋15，所述第一特氟龙管17上设置有单向阀18，所述的气泵14上还连接有第二特氟龙管26，所述第二特氟龙管26的另一端与通气孔29相连接，所述气泵14通过导线依次连接有舵机16和控制模块2；所述气泵14为KLP40隔膜泵，所述气袋15为FEP特氟龙防吸附气体采样袋；所述气袋15的容量为0.5L；所述的采样监测模块5包括FSR400薄膜压力计19以及摄像头20,所述FSR400薄膜压力计19和摄像头20均通过导线分别与控制模块2相连接；所述同位素分析装置还包括地面端大气水汽同位素原位分析系统，所述地面端大气水汽同位素原位分析系统包括干空气气瓶22，所述干空气气瓶22通过第一不锈钢钢管23与三通阀24相连接，所述三通阀24还分别连接有大气水汽稳定同位素分析仪25和气袋15；所述干空气气瓶22与第一不锈钢钢管23之间设置有减压阀27；所述三通阀24与气袋15之间通过第三特氟龙管33相连接；所述三通阀24与大气水汽同位素分析仪25之间通过第二不锈钢管30相连接，所述第二不锈钢管外侧设置有恒温加热套管31；所述三通阀24、气袋15及所接第三特氟龙管33放置于恒温箱32内。
本实施方案的特点为，包括用于固定在无人机上的气动外壳12，气动外壳12内设置有控制模块2，控制模块2通过导线分别连接有触发模块3、气样采集模块4、采样监测模块5、环境监测模块8以及通讯模块6；设置了采集模块，通过控制模块、舵机及泵在指定高度完成定高采样，此外，气袋在高空完成收集，下降过程中气压升高，会把气袋压瘪导致气样遗漏，设置单向阀防止气样在下降过程中的损失，保证所采集气样完好封闭，不受污染。相较传统有人飞机或浮空艇，为高空水汽样品采样提供了更为廉价、高效、机动的实验方案，将无人机高空采样与水汽稳定同位素原位观测技术相结合，实现了高空水汽稳定同位素即采即测、直接测定的全新设计。相较传统采样带回实验室测定冷凝所得液态水样的观测手段，本发明具有所需采样量小、原位直接测量的优势，保证样品不会因相态转化、运输或随时间发生污染或性变，集成了无人机的飞控数据及环境气象数据，为大气水汽样品采样及其稳定同位素测量提供了环境参数，并对水汽稳定同位素从采样至测量过程中随大气温度、气压等要素的影响发生的分馏效应进行表征和订正，相较传统采样方案具备数据订正功能。
通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
实施例：本发明公开了一种高空大气水汽及其同位素的采集及分析装置，如图1所示，包括用于固定在无人机上的气动外壳12，气动外壳12内设置有控制模块2，控制模块2通过导线分别连接有触发模块3、气样采集模块4、采样监测模块5、环境监测模块8和通讯模块6。
在一些实施例中，环境监测模块8包括温湿度传感器7、气压传感器9、高度传感器10、GPS定位仪11，温湿度传感器7、气压传感器9、高度传感器10和GPS定位仪11通过导线分别与控制模块2相连接。
其中，温湿度传感器7的型号是SHT75，气压传感器9的型号是MS5611，高度传感器10的型号是MBP180，GPS定位仪11的型号是ATKS-1216；控制模块2的型号是STM32，通讯模块6的型号是RFD900。
在一些实施例中，气动外壳12上焊接有与无人机相连接的挂钩13，气动外壳12上且在环境监测模块8安装处还设置有通风孔1，气动外壳12的侧面设置有舱门28。
其中，气动外壳12的材料由PAL材料3D打印而成，具有一体成型、重量轻、强度较高的特点，可容纳因充气膨胀的气袋，保持整个系统的空气动力学特性。减少气样采集对无人机飞行的安全性与续航能力产生的不利影响，提高整个系统的安全性与可靠性；其双层结构能对所采集气袋起到保温隔热作用、并为气样采集模块4、采样监测模块5、环境监测模块8、通讯模块6提供安装空间；使传感器暴露的通风孔1实现大气环境的接触式测量；气动外舱门28实现采样气袋15的便捷替换。
在一些实施例中，气样采集模块4包括气泵14，气泵14通过第一特氟龙管17连接有气袋15，气泵14上还连接有第二特氟龙管26，第二特氟龙管26通过通气孔29伸出气动外壳12外，气泵14通过导线依次连接有舵机16和控制模块2。
在一些实施例中，第一特氟龙管17上且靠近气袋15处设置有单向阀18，防止气体倒流，气泵14为KLP40隔膜泵。
在一些实施例中，气袋15的容量为0.5L，便于无人机同时采集多个气袋，或便于获取同一高度平行样品，或通过无人机同一架次采集多个高度气体样品，减少飞行架次。
在一些实施例中，采样监测模块5包括FSR400薄膜压力计19和摄像头20，FSR400薄膜压力计19和摄像头20均通过导线与控制模块2相连接。其中，FSR400薄膜压力计，位于气动外壳12的内壁且靠近气袋15处，气袋15采样膨胀后挤压薄膜压力计19表面，压力值达到设阈值则会发出信号给系统控制模块2，终止气样采集模块4的供电和充气过程；摄像头20，设置在气动外壳12内壁且靠近气样采集模块4处，实现对样品气样采集模块4的监视。
在一些实施例中，该装置还包括地面端大气水汽及其同位素原位分析系统21，地面端大气水汽及其同位素原位分析系统21包括干空气气瓶22，干空气气瓶22通过第一不锈钢钢管23与三通阀24相连接，三通阀24还分别连接有大气水汽稳定同位素分析仪25和气袋15，干空气气瓶22与第一不锈钢钢管23之间设置有减压阀27，三通阀24与气袋15之间通过第三特氟龙管33相连接，三通阀24与大气水汽稳定同位素分析仪25之间通过第二不锈钢管30相连接，第二不锈钢管23外侧设置有恒温加热套管31，三通阀24、气袋15及所接第三特氟龙管33外侧设置有恒温箱32，气袋15在恒温箱32内进行测量。
基于此，如图2所示，本发明给无人机安装了用程序控制开始和停止采气的采集模块4，实现无人机在飞行过程中定高采样：
收集水汽装置为气袋15，通过无人机的遥控开关程序或者指定高度触发来控制舵机16的旋转，从而打开或者关闭气泵14的工作开关，来控制气袋15的进气和终止进气，第一特氟龙管17且靠近气袋15处设置有单向阀18，防止在气体采集完毕后，在下降过程气袋15内气体因气压变化回流，使采气后气袋15密封完好，气样不损失不受污染。
本发明还设置了摄像头20对采气过程进行实时监控，以确保在正确高度采集大气水汽，并在指定高度采集气体完成之后不再收集其他高度气体。本发明将气样采集模块4放在气动外壳12内，以避免破坏飞机的空气动力学，气袋15充满状态的尺寸约为16×14×9cm，气袋15容量为0.5L，足够后期用Picarro大气水汽稳定同位素分析仪25测试大气水汽稳定同位素值半小时左右。
本装置的使用方法是：
步骤1、高空大气水汽气样采集：
步骤1.1、打开气动外壳舱门28，把用干空气清扫干净并抽取真空的采样气袋15放入其中。
步骤1.2、第二特氟龙管26一端伸出气动外壳，另一端与气泵14相连，通过中间接有单向阀18的第一特氟龙管17将气泵14与气袋15相连。
步骤1.3、闭合舱门28，把气动外壳12通过其上面的挂钩13与无人机连接，例如，可以在无人机上栓绳，将挂钩13挂在绳子上，或者在无人机上焊接一个与挂钩13相配套的挂扣，具体结构不做具体限定。
步骤1.4、无人机进行自动爬升飞行至研究区域，等待充气动作的触发(触发工作方式有两种)一种是人工发送指令：控制模块2通过通讯模块6接收的由地面遥控指挥发过来的开始指令，控制模块2发出充气动作指令，电机开始工作，气袋15自动充气；另一种是高度自动触发：若环境监测模块8中的高度传感器10达到预设数值，控制模块2发出充气动作指令，舵机16转动开启气泵14开关，气袋15自动充气。
步骤1.5、充气过程的关闭是自动的，具体流程有：气袋15在不断的充气过程中膨胀扩大，直至挤压到位于气袋15与气动外壳12之间的FSR400薄膜压力计19，FSR400薄膜压力计19发送信号至控制模块2，控制模块2中止电机的充气过程。
步骤1.6、上述所有工作过程中，环境监测模块8和通信模块6一直在进行数据记录与传输工作。
步骤1.7、任务完成，返回地面，打开舱门28，取出气袋15，流程结束。
步骤2、高空大气水汽气样测量：所采集高空大气水汽样品，利用Picarro大气水汽稳定同位素分析仪25进行同位素的测量，气袋15上的进出气阀门通过特氟龙管33外接三通阀24，三通阀24的其余两端分别连接到Picarro大气水汽稳定同位素分析仪25的进气口及干空气气瓶22，首先打开干空气气瓶开关及减压阀27，减压阀27输出端流量控制在2psi(磅力/平方英寸)，并打开三通阀24中连接到干空气气瓶22的阀门通道，让干燥空气通入大气水汽稳定同位素分析仪25，测定5-10分钟，起到干燥气路的作用；打开恒温加热套管31和恒温箱32使气袋15和管路恒温，关闭干空气通道，打开气袋15进出气阀门及三通阀24中与气袋15连接的阀门通道，让所收集的高空大气水汽样品通入Picarro大气水汽稳定同位素分析仪25，恒温测定高空大气水汽同位素值，待测定完毕，再转换阀门测定干燥空气，在前序和后序干燥空气测定的对比下，并重复测取平行样品大气水汽同位素值，可获得较为准确的高空大气水汽样品同位素值。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，包括用于固定在无人机上的气动外壳(12)，所述气动外壳(12)内设置有控制模块(2)，所述控制模块(2)通过导线分别连接有触发模块(3)、气样采集模块(4)、采样监测模块(5)、环境监测模块(8)以及通讯模块(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述环境监测模块(8)包括：温湿度传感器(7)、气压传感器(9)、高度传感器(10)以及GPS定位仪(11)，所述温湿度传感器(7)、气压传感器(9)、高度传感器(10)以及GPS定位仪(11)均通过导线分别与控制模块(2)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述气动外壳(12)上焊接有与无人机相连接的挂钩(13)，所述气动外壳(12)上且在环境监测模块(8)安装处还设置有通风孔(1)，气动外壳(12)的侧面设置有舱门(28)。
4.根据权利要求2所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述温湿度传感器(7)的型号是SHT75，气压传感器(9)的型号是MS5611，高度传感器(10)的型号是MBP180，GPS定位仪(11)的型号是ATKS-1216，控制模块(2)的型号是STM32，通讯模块(6)的型号是RFD900。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述气样采集模块(4)包括气泵(14)，所述气泵(14)通过第一特氟龙管(17)连接有气袋(15)，所述第一特氟龙管(17)上设置有单向阀(18)，所述的气泵(14)上还连接有第二特氟龙管(26)，所述第二特氟龙管(26)的另一端与通气孔(29)相连接，所述气泵(14)通过导线依次连接有舵机(16)和控制模块(2)。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述气泵(14)为KLP40隔膜泵，所述气袋(15)为FEP特氟龙防吸附气体采样袋。
7.根据权利要求5所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述气袋(15)的容量为0.5L。
8.根据权利要求1所述的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述的采样监测模块(5)包括FSR400薄膜压力计(19)以及摄像头(20)，所述FSR400薄膜压力计(19)和摄像头(20)均通过导线分别与控制模块(2)相连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述同位素分析装置还包括地面端大气水汽同位素原位分析系统(21)，所述地面端大气水汽同位素原位分析系统(21)包括干空气气瓶(22)，所述干空气气瓶(22)通过第一不锈钢钢管(23)与三通阀(24)相连接，所述三通阀(24)还分别连接有大气水汽稳定同位素分析仪(25)和气袋(15)；所述干空气气瓶(22)与第一不锈钢钢管(23)之间设置有减压阀(27)；所述三通阀(24)与大气水汽稳定同位素分析仪(25)之间通过第二不锈钢管(30)相连接，所述第二不锈钢管(30)外侧设置有恒温加热套管(31)，所述三通阀(24)与气袋(15)之间通过第三特氟龙管(33)相连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高空大气水汽采集及其同位素分析装置，其特征在于，所述气袋(15)、第三特氟龙管(33)及三通阀(24)外侧设置有恒温箱(32)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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