CN115856212A - 冬水田温室气体排放原位监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及取样测试系统领域，具体涉及冬水田温室气体排放原位监测系统，包括封闭监测模块、干扰探测模块、传感模块、进样模块、分离模块、检测模块、转化模块和处理模块；封闭监测模块在内部形成水‑气界面；干扰探测模检测周围环境中的家禽并向处理模块发送干扰信号；传感模块检测封闭监测模块内的气压值、温度值和封闭监测模块内水面上方的高度；进样模块对封闭监测模块内空气进样采集输送至分离模块；分离模块对空气分离后输送至检测模块和转化模块；检测模块、转化模块检测第一温室气体的第一浓度值、第二温室气体的第二浓度值；处理模块计算的气体浓度变化率计算两种温室气体的交换通量。本发明能够及时准确地发现受到家禽干扰的监测数据。

Description

冬水田温室气体排放原位监测系统

技术领域

本发明涉及取样测试系统领域，具体涉及冬水田温室气体排放原位监测系统。

背景技术

冬水田，是我国南方稻区丘陵地带特有的一种稻田，因冬季贮水不种植作物而得名。冬水田作为一项大规模的蓄水工程，是为解决水源无保证之地的种稻问题。研究表明，冬水田为弱“碳源”，但具有“碳汇”潜力，所以，研究冬水田的温室气体排放非常必要。

由于冬水田属于开放空间，针对开放空间的温室气体测量，公开号为CN111413469A专利文献公开了测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法，将静态箱的箱体插入待测的畜牧场开放源的地面并静置；然后配合箱盖密闭；通过出气口采集气体进行检测；静态箱包括两端开口的箱体；箱盖上设有出气口和T形通气孔，其竖臂延伸至箱体内；箱体内设有混流风扇。本发明采用的静态箱设有T型通气孔，可以平衡箱体内外压强，减小文丘里效应造成的影响；同时还设有混流风扇，利于箱体内气体的混合，进而提高静态箱法测量气体排放通量的准确性。

但是，在现有的静态箱测量时，由于冬水田周围的农户会养殖家禽，或者周围环境中具有其他野生动物，容易受到冬水田中家禽或在动物的干扰，影响检测效果。

发明内容

本发明意在提供一种冬水田温室气体排放原位监测系统，以解决温室气体监测过程中容易受到家禽干扰而影响结果的问题。

本方案中的冬水田温室气体排放原位监测系统，包括封闭监测模块、干扰探测模块、传感模块、进样模块、分离模块、检测模块、转化模块和处理模块；

封闭监测模块，设置若干个，位于冬水田的子田块处，并在内部形成水-气界面；

干扰探测模块，位于封闭监测模块上，用于检测周围环境中的家禽，并在检测到家禽时向处理模块发送干扰信号；

传感模块，位于封闭监测模块内，检测封闭监测模块内的气压值、温度值和封闭监测模块内水面上方的高度；

进样模块，位于封闭监测模块内，用于对水-气临界面的空气进行进样采集，并将进样采集的空气输送至分离模块；

分离模块，用于对空气进行分离后输送至检测模块和转化模块；

检测模块，用于对分离后空气中的第一温室气体进行第一浓度值的检测；

转化模块，用于对分离后空气中的第二温室气体进行转化，并由检测模块检测第二温室气体的第二浓度值；

处理模块，获取第一浓度值和第二浓度值，并计算气体浓度变化率，根据气体浓度变化率计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量，根据干扰信号给交换通量添加干扰标签。

本方案的有益效果是：

通过封闭监测模块和进样模块能够对冬水田开放状态下的携带温室气体的空气进行采集，并对采集后的空气进行处理，然后计算出两种温室气体的交换通量，从而实时监测冬水田的温室气体排放情况。在监测过程中，通过干扰探测模块进行家禽的探测，并发送干扰信号，根据干扰信号添加相应的干扰标签。能够及时准确地发现受到家禽干扰的监测数据，并区别出受到干扰的数据，以准确界定干扰影响结果，以未受到干扰的监测数据作为监测结果，防止干扰数据造成的检测结果分析误差，提高监测的准确性。

进一步，所述封闭监测模块包括培养箱体，所述培养箱体中部处的外侧壁上设有漂浮单元，所述培养箱体顶部上设有集气口，所述培养箱体底部上开设有多个进水孔，所述培养箱体内设有气体混匀单元，所述培养箱体内设有向气体混匀单元供电的供电单元。

有益效果是：通过培养箱体的设置，能够采集冬水田的开放空间的温室气体，提高采集的准确性。

进一步，所述集气口上固设有软质的集气管，所述集气管的长度大于培养箱体的直径，所述集气管的长度小于培养箱体顶端至漂浮单元的距离。

有益效果是：在集气口上设置集气管，并让集气管的长度大于培养箱体的直径，能够让集气管向下垂，在向培养箱体内进气的同时，不会在雨天从集气口进入水分。

进一步，所述处理模块计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量的公式为：

其中，dc/dt为温室气体的气体浓度变化率，M为第一温室气体或第二温室气体的分子摩尔质量，P为采样时采样地的大气压强，T为采样时的绝对温度，V₀为标准条件下的摩尔体积，P₀为标准大气压，T₀为标准条件下的绝对温度，H为水面以上的培养箱体的高度；

所述绝对温度为将每次采样时所记录的培养箱体中的温值度，加上273转化为热力学温度。

有益效果是：通过计算交换通量，能够准确确定冬水田的温室气体排放情况，提高冬水田温室气体排放监测的准确性。

进一步，所述气体混匀单元包括电机和搅匀扇叶，所述搅匀扇叶为塑料制成，所述搅匀扇叶位于电机输出轴上。

有益效果是：通过气体混匀单元的设置，在保持不增加太大重量的前提下，能够保持温室气体的混合均匀。

进一步，所述漂浮单元环绕在培养箱体的外侧中部处，所述漂浮单元的顶端面上开设有凹槽，所述干扰探测模块位于凹槽内，所述干扰探测模块通过检测凹槽内的湿度值作为干扰信号。

有益效果是：当冬水田内具有家禽时，通过凹槽内检测湿度值，进而判断家禽的活动使得培养箱体倾斜改变内部空间高度，此时添加标签，在保持家禽正常活动的前提下，保证温室气体监测的准确性。通过湿度值作为干扰检测的信号，相较于现有的图像识别或声音识别，能够减少处理判断的数据量。

进一步，所述凹槽设置多个，所述凹槽沿着漂浮单元均匀分布，所述漂浮单元内开设有积水腔，所述凹槽与积水腔连通，所述干扰探测模块位于积水腔内。

有益效果是：由于漂浮单元在水中会随着风或水波纹而具有一定幅度的倾斜晃动，家禽活动可能会携带部分清水进入凹槽，或者倾斜进入清水，通过从多个凹槽连续积累清水，当凹槽进水时湿度发生变化，产生干扰信号，并在积水腔内进行干扰信号的探测，且只有在家禽一段时间戳动漂浮单元的干扰情况下才作为干扰信号，以监测到漂浮单元进水作为干扰信号，避免家禽仅仅路过或短时间靠近后就离开带来的干扰误判。

进一步，所述培养箱体上固设有环形凸沿，所述环形凸沿的宽度大于漂浮单元的宽度，所述环形凸沿倾斜向下设置，所述环形凸沿与下方培养箱体的侧壁面夹角为45°-60°。

有益效果是：通过环形凸沿的设置，能够大量减少进入凹槽的水滴，能够降低雨水或露水的干扰。

进一步，所述培养箱体外侧壁上设有烟雾传感器，所述烟雾传感器用于检测燃烧烟雾，并向处理模块反馈烟雾信号，所述处理模块收到烟雾信号时给交换通量添加烟雾标签。

有益效果是：通过设置烟雾传感器，能够检测到外界环境的烟雾，在检测到烟雾时，给交换通量添加烟雾标签，便于直观知晓温室气体排放监测时外界的干扰情况。

附图说明

图1为本发明冬水田温室气体排放原位监测系统实施例一中培养箱体的主视图；

图2为图1培养箱体的纵向剖面图；

图3为本发明冬水田温室气体排放原位监测系统实施例二中培养箱体的纵向剖面图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明。

说明书附图中的附图标记包括：培养箱体1、漂浮单元2、集气管3、凹槽4、进水孔5、搅匀扇叶6、积水腔7、环形凸沿8。

实施例一

冬水田温室气体排放原位监测系统，如图1和图2所示：包括封闭监测模块、干扰探测模块、传感模块、进样模块、分离模块、检测模块、转化模块和处理模块。

干扰探测模块位于封闭监测模块上，干扰探测模块用于检测周围环境中的家禽，并在检测到家禽时向处理模块发送干扰信号。

封闭监测模块设置若干个，封闭监测模块分别位于冬水田的各个子田块处，封闭监测模块在内部形成水-气界面，封闭监测模块包括培养箱体1，培养箱体1中部处的外侧壁上粘接有漂浮单元2，漂浮单元2可用泡沫或其他能够漂浮的材料制成，培养箱体1顶部上开设有集气口，集气口上粘接有软质的集气管3，集气管3的长度大于培养箱体1的直径，集气管3的长度小于培养箱体1顶端至漂浮单元2的距离。漂浮单元2的顶端面上开设有凹槽4，干扰探测模块位于凹槽4内，干扰探测模块通过检测凹槽4内的湿度值作为干扰信号，干扰探测模块可用现有的湿度传感器。

培养箱体1底部上开设有多个进水孔5，培养箱体1内按照有气体混匀单元，气体混匀单元包括电机和搅匀扇叶6，搅匀扇叶6为塑料制成，搅匀扇叶6位于电机输出轴上，电机可用现有的小型产品，培养箱体1内设有向气体混匀单元供电的供电单元，供电单元可用现有的电池。

传感模块位于封闭监测模块内，传感模块检测封闭监测模块内的气压值、温度值和封闭监测模块内水面上方的高度，传感模块包括气压传感器、温度传感器和距离传感器，气压传感器用于检测气压值，温度传感器用于检测温度值，距离传感器用于检测高度。

进样模块位于封闭监测模块内，进样模块用于对水-气临界面的空气进行进样采集，并将进样采集的空气输送至分离模块，进样模块可用现有的六通阀。

分离模块用于对空气进行分离后输送至检测模块和转化模块，分离模块可用现有的TDX-01色谱柱。

检测模块用于对分离后空气中的第一温室气体进行第一浓度值的检测，检测模块可用现有的FID检测器，第一温室气体为二氧化碳(CO₂)。

转化模块用于对分离后空气中的第二温室气体进行转化，并由检测模块检测第二温室气体的第二浓度值，转化模块可用现有的甲烷转化器，第二温室气体为甲烷(CH₄)。

处理模块获取第一浓度值和第二浓度值，并计算气体浓度变化率，处理模块根据气体浓度变化率计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量，根据干扰信号给交换通量添加干扰标签，干扰标签可以是文字或颜色标识符号。

处理模块计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量的公式为，即利用公式分别计算第一温室气体的交换通量、第二温室气体的交换通量：

其中，dc/dt为温室气体的气体浓度变化率，此值根据CO₂和CH₄的浓度对时间线性回归求斜率，即dc为气体浓度差，dt为采样时间间隔；

M为第一温室气体或第二温室气体的分子摩尔质量，CO₂，44g/mol；CH₄，16g/mol；

P为采样时采样的大气压强；

T为采样时的绝对温度，绝对温度为将每次采样时所记录的培养箱体1中的温值度，加上273转化为热力学温度；

V₀为标准条件下的摩尔体积，即22.4L；

P₀为标准大气压，采用101325 Pa；

T_o为标准条件下的绝对温度，此处的标准条件为0摄氏度，即为273开氏温度；

H为水面以上的培养箱体1的高度，每次采样时对其进行测量。

具体实施过程如下：

将培养箱体1放置至冬水田内，水通过底部的进水孔5进入培养箱体1内，由漂浮单元2漂浮在水面上，在培养箱体1内形成水气界-面；监测时，启动电机，让电机带动搅匀扇叶6进行转动，从集气管3和集气口导入外界携带了冬水田排放温室气体的空气，对冬水田开放状态下的携带温室气体的空气进行采集；由培养箱体1内部的检测模块对第一温室气体的第一浓度值进行检测，由转化模块对第二温室气体进行转化后，再让检测模块检测第二温室气体的第二浓度值，让处理模块计算气体浓度变化率，根据气体浓度变化率计算两种温室气体的交换通量。在监测温室气体排放的过程中，通过干扰探测模块探测冬水田内的家禽，并在检测到家禽时向处理模块发送干扰信号，让处理模块给计算得到的交换通量添加干扰信号。由于家禽在培养箱体1周围活动时，可能会导致-培养箱体1具有倾斜的状态，而计算交换通量的公式中包括了距离水面的高度，培养箱体1倾斜时，培养箱体1内的高度是不均匀等高的，会造成交换通量的计算结果存在偏差，所以，通过添加干扰标签，能够及时准确地发现受到家禽干扰的监测数据，以准确界定干扰影响结果，便于直观准确地区分计算结果，以提高分辨准确结果的概率，提高监测结果的准确性。

在检测家禽的干扰情况时，通过在漂浮单元2上设置的凹槽4积累家禽干扰时的水分，以检测湿度值作为干扰信号，能够避免因家禽在培养箱体1周围短时间的或者瞬时的干扰活动误添加干扰标签，提高干扰检测结果的准确性。

实施例二

冬水田温室气体排放原位监测系统，与实施例一的区别在于，如图3所示，凹槽4设置多个，凹槽4沿着漂浮单元2均匀分布，漂浮单元2内开设有积水腔7，凹槽4与积水腔7连通，干扰探测模块位于积水腔7内；培养箱体1上焊接有环形凸沿8，环形凸沿8的宽度大于漂浮单元2的宽度，环形凸沿8的宽度比漂浮单元2的宽度大1.5cm-3cm，环形凸沿8位于漂浮单元2上方的预设距离处，预设距离可以设置为6cm-10cm，环形凸沿8不会距离漂浮单元太远而无法起到遮挡作用，环形凸沿8采用现有的轻质材料制成，例如较薄的塑料片，结合环形凸沿8的设置位置不会导致培养箱体1的重心升高，环形凸沿8倾斜向下设置，环形凸沿8与下方培养箱体1的侧壁面夹角为45°-60°。

由于漂浮单元2在水中会随着风或水波纹而具有一定幅度的瞬时倾斜晃动，如果直接检测倾斜或者晃动信号，会产生干扰情况的误判断。本实施例在家禽活动过程中，通过设置多个凹槽4，并让凹槽4与积水腔7联通，通过从多个凹槽4进行连续的积累清水，并在积水腔7内进行干扰信号的探测，只有在家禽一段时间连续戳动漂浮单元2的干扰情况下，才会让凹槽4以及积水腔7积累足够的清水，引起湿度产生变化形成干扰信号，让干扰探测模块检测湿度作为干扰信号，以监测到漂浮单元2进水作为干扰信号，避免家禽仅仅路过或短时间靠近后就离开带来的干扰误判，保证后续计算得到的交换通量的准确度。

实施例三

冬水田温室气体排放原位监测系统，与实施例一的区别在于，培养箱体1外侧壁上安装有烟雾传感器，烟雾传感器可用现有的传感器，烟雾传感器用于检测燃烧烟雾，并向处理模块反馈烟雾信号，处理模块收到烟雾信号时给交换通量添加烟雾标签。

由于冬水田的普遍地理位置是位于乡村，而冬水田的闲置蓄水时间在秋冬季节，周围环境极大概率会燃烧秸秆等获得草木灰，从而对冬水田温室气体排放造成干扰。本实施例通过设置烟雾传感器，能够检测到外界环境的烟雾，在检测到烟雾时，给交换通量添加烟雾标签，便于直观知晓温室气体排放监测时外界的干扰情况。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.冬水田温室气体排放原位监测系统，包括封闭监测模块，其特征在于：还包括干扰探测模块、传感模块、进样模块、分离模块、检测模块、转化模块和处理模块；

封闭监测模块，设置若干个，位于冬水田的子田块处，并在内部形成水-气界面；

干扰探测模块，位于封闭监测模块上，用于检测周围环境中的家禽，并在检测到家禽时向处理模块发送干扰信号；

传感模块，位于封闭监测模块内，检测封闭监测模块内的气压值、温度值和封闭监测模块内水面上方的高度；

进样模块，位于封闭监测模块内，用于对水-气临界面的空气进行进样采集，并将进样采集的空气输送至分离模块；

分离模块，用于对空气进行分离后输送至检测模块和转化模块；

检测模块，用于对分离后空气中的第一温室气体进行第一浓度值的检测；

转化模块，用于对分离后空气中的第二温室气体进行转化，并由检测模块检测第二温室气体的第二浓度值；

处理模块，获取第一浓度值和第二浓度值，并计算气体浓度变化率，根据气体浓度变化率计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量，根据干扰信号给交换通量添加干扰标签。

2.根据权利要求1所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述封闭监测模块包括培养箱体，所述培养箱体中部处的外侧壁上设有漂浮单元，所述培养箱体顶部上设有集气口，所述培养箱体底部上开设有多个进水孔，所述培养箱体内设有气体混匀单元，所述培养箱体内设有向气体混匀单元供电的供电单元。

3.根据权利要求2所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述集气口上固设有软质的集气管，所述集气管的长度大于培养箱体的直径，所述集气管的长度小于培养箱体顶端至漂浮单元的距离。

4.根据权利要求3所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述处理模块计算水-气界面第一温室气体与第二温室气体的交换通量的公式为：

其中，dc/dt为温室气体的气体浓度变化率，M为第一温室气体或第二温室气体的分子摩尔质量，P为采样时采样地的大气压强，T为采样时的绝对温度，V₀为标准条件下的摩尔体积，P₀为标准大气压，T_o为标准条件下的绝对温度，H为水面以上的培养箱体的高度；

所述绝对温度为将每次采样时所记录的培养箱体中的温值度，加上273转化为热力学温度。

5.根据权利要求2所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述气体混匀单元包括电机和搅匀扇叶，所述搅匀扇叶为塑料制成，所述搅匀扇叶位于电机输出轴上。

6.根据权利要求5所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述漂浮单元环绕在培养箱体的外侧中部处，所述漂浮单元的顶端面上开设有凹槽，所述干扰探测模块位于凹槽内，所述干扰探测模块通过检测凹槽内的湿度值作为干扰信号。

7.根据权利要求6所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述凹槽设置多个，所述凹槽沿着漂浮单元均匀分布，所述漂浮单元内开设有积水腔，所述凹槽与积水腔连通，所述干扰探测模块位于积水腔内。

8.根据权利要求7所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述培养箱体上固设有环形凸沿，所述环形凸沿的宽度大于漂浮单元的宽度，所述环形凸沿倾斜向下设置，所述环形凸沿与下方培养箱体的侧壁面夹角为45°-60°。

9.根据权利要求1所述的冬水田温室气体排放原位监测系统，其特征在于：所述培养箱体外侧壁上设有烟雾传感器，所述烟雾传感器用于检测燃烧烟雾，并向处理模块反馈烟雾信号，所述处理模块收到烟雾信号时给交换通量添加烟雾标签。

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