CN201796024U - 一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，它包括一气箱、一测量与控制装置和一锚；其中，气箱包括一底部敞口的箱体，箱体的底部敞口连接一圈状的气囊，气囊上的一连接环连接锚；箱体内侧壁上设置有一液位计，顶部设置有一出气嘴、一进气嘴、一温度传感器和一气压传感器；出气嘴和进气嘴分别连接测量与控制装置上的进气嘴和出气嘴；测量与控制装置包括一甲烷浓度测量仪、一数据采集单元和一数据处理单元，甲烷浓度测量仪和数据采集单元的输出端均电连接数据处理单元的输入端；甲烷浓度测量仪检测甲烷气体浓度，数据采集单元电连接温度传感器和气压传感器的输出端；数据处理单元中预设置有甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式。本实用新型适用于以水稻田、湿地、沼泽地、湖面、河流、海洋、污水等为下垫面的水体-大气之间甲烷气体的通量监测。

Description

一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体通量测量装置，特别是关于一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置。

背景技术

甲烷属于主要温室气体之一，是一种长生命周期的温室气体。甲烷的辐射强迫值和对全球气候变化的贡献、影响仅次于二氧化碳，尺度涉及到全球空间范围，近年来被人们普遍关注(文献1：IPCC，2007，Climate Change 2007：the physical sciencebasis，世界环境，13-22)。为了提高人们对温室气体的认识，应对全球气候变化，需要进行全球、区域尺度的甲烷气体通量估算和评价，而进行科学地估算和评价，必须首先进行甲烷气体通量的实地观测。现有的水体-大气甲烷气体通量测定装置，基本上都采用气箱收集、远距离送样、进气相色谱的测定装置来代替(文献2：陈玉芬等，1996，气相色谱法测定稻田甲烷排放通量，环境科学研究，(4)：21-24；文献3：仝川等，2008，闽江河口感潮湿地入侵种互花米草甲烷通量及影响因子，地理科学，28(6)：826-832)，但上述装置和方法存在间接、操作复杂、成本高的问题，很少考虑取样瞬间的温度和气压，难以达到实时监测的目的。目前未见有专门用于观测水体-大气甲烷气体通量装置方面的报道。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单，操作容易，测量结果准确的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：它包括一气箱、一测量与控制装置和一锚；其中，所述气箱包括一底部敞口的箱体，所述箱体的底部敞口连接一圈状的气囊，所述气囊上的一连接环连接所述锚；所述箱体内侧壁上设置有一液位计，顶部设置有一出气嘴、一进气嘴、一温度传感器和一气压传感器；所述出气嘴和进气嘴分别连接所述测量与控制装置上的进气嘴和出气嘴；所述测量与控制装置包括一甲烷浓度测量仪、一数据采集单元和一数据处理单元，所述甲烷浓度测量仪和数据采集单元的输出端均电连接所述数据处理单元的输入端；所述甲烷浓度测量仪检测甲烷气体浓度，所述数据采集单元电连接所述温度传感器和气压传感器的输出端；所述数据处理单元中预设置有甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式：

$F=M\×\frac{(H-h)}{V}\×\frac{(X2-X1)}{(t2-t1)}\×\left(\frac{273}{273+T2}\right)\×\left(\frac{P2}{P}\right)\×3600$

式中：t1和t2分别是测定初始和结束的时刻，X1是时刻t1所述气箱中甲烷气体浓度，X2是时刻t2所述气箱中甲烷气体浓度，H是所述气箱的实际高度，h是通过液位计测得所述气箱内的水深，T2是时刻t2所述气箱中的气体温度，P2是时刻t2所述气箱中的气体压强，P是标准状况下的大气压强，M是甲烷气体的摩尔质量，V是标准状况下甲烷气体的体积。

所述箱体的顶部中心具有一凸圈，所述凸圈通过一支撑件连接有一伞体，所述伞体的直径略大于充满气时的所述气囊的直径。

所述凸圈螺纹连接所述支撑件，所述支撑件和伞体的顶部中心均设置有螺孔。

所述测量与控制装置还包括一存储单元、一显示单元和一电源，所述存储单元和显示单元分别用于存储和显示所述数据采集单元获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及所述数据处理单元计算到的甲烷气体在水体和大气之间的通量。

所述气囊上设置有一气嘴。

所述箱体中所述出气嘴的长度大于所述进气嘴，位于所述箱体中的温度传感器的探测头与所述箱体中出气嘴位于同一水平面上。

所述气箱内顶部设置有串联的一电机和一风扇，所述电机电连接所述测量与控制装置中的电源。

所述液位计外设置有一连接在所述箱体内侧壁上的两端敞口的圆筒。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于设置了气箱、测量与控制装置和锚，检测时只需要利用绳将锚投掷到观测水面的下方，将气箱位置固定在一个较小范围内，然后原位取样，实时进行监测，因此结构简单，操作容易，测量结果准确。2、本实用新型由于设置了一伞体，而且伞体的直径略大于充满气体时的气囊的直径，因此，避免光照干扰，以及下雨时雨水顺着伞体流入水体中，减小对气箱等测定环境的影响，延长了气箱的使用寿命。3、本实用新型由于测量与控制装置还包括存储单元，因此可以通过存储单元将每一时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息以及甲烷气体在水体和大气之间的通量转存至其他的存储设备，以作为历史资料进行记录和备份。4、本实用新型由于测量与控制装置还包括显示单元，其可以作为输出设备实时显示每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息以及甲烷气体在水体和大气之间的通量。5、本实用新型由于气囊上设置有气嘴，因此非使用状态时可以将气囊中的气体排出，减小体积，收取和携带方便。6、本实用新型由于箱体中出气嘴的长度大于进气嘴，且与箱体中的温度传感器的探测头位于同一水平面上，因此可以更为准确地量取待测气体的温度，提高测量精度。7、本实用新型由于气箱内顶部设置有电机和风扇，因此电风扇可以向箱体中吹风，进而利于箱体内气体分布均匀，使甲烷气体采样均匀，具有代表性。本实用新型适用于以水稻田、湿地、沼泽地、湖面、河流、海洋、污水等为下垫面(下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水、陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。大气的下垫面包括海洋、陆地及陆上的高原、山地、平原、森林、草原、城市等等。下垫面的性质和形状，对大气的热量、水份、干洁度和运动状况有明显的影响，在气候的形成过程中起着重要的影响)的水体-大气界面之间甲烷气体的通量监测。

附图说明

图1是本实用新型装置的连接示意图

图2是沿图1中A-A’线的剖视图

图3是本实用新型装置中测量与控制装置的结构框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1、图2所示，本实用新型装置包括一气箱1、一测量与控制装置2和一锚3。其中，气箱1通过绳4连接锚3，稳定浮于水面，对位于气箱1中水体-大气界面处的气体进行取样，并将样气通过气管5输送给测量与控制装置2，由测量与控制装置2测出水体-大气界面处甲烷气体的浓度变化。同时，气箱1还对样气的温度和气压进行检测，并通过信号线6输送给测量与控制装置2。根据测得的水体-大气界面处甲烷气体的浓度变化及其相应的温度和气压，测量与控制装置2计算出水体-大气界面之间甲烷气体的通量。本实施例中，绳4可以采用普通的尼龙绳，但不限于此。

本实用新型装置的气箱1包括一底部敞口的箱体11，箱体11的底部敞口连接一圈状的气囊12。气囊12上设置有一连接环121和一气嘴122，连接环121用于连接绳4，通过气嘴122可以往气囊12中充气，气囊12充满气后可以浮在水面上，非使用状态时排出气即可，收取和携带方便，而且不占空间。本实施例中，气囊12必须耐腐蚀，其可以采用类似于救生圈的橡胶材料制成，也可以采用符合上述要求的其它塑料制品。

箱体11的内侧壁上连接有一两端敞口的圆筒13，圆筒13中设置有一液位计131，液位计131可以是漂浮在水面的一个浮子，通过浮子上的刻度变化可以随时观察到箱体11中的水位，也可以是电子液位计，是电子液位计时通过信号线6连接测量与控制装置2。箱体11内的顶部设置有串联的一电机(图中未示出)和一风扇14，电机电连接测量与控制装置2的供电端，由测量与控制装置2通过信号线6给电机供电，从而电风扇14可以向箱体11中吹风，进而利于箱体11与水面之间气体分布均匀，使甲烷气体采样均匀，具有代表性。

箱体11的顶部中心具有一带有螺纹的凸圈(图中未示出)，凸圈之外的箱体11上设置有一出气嘴111、一进气嘴112、温度传感器15和一气压传感器16。其中，出气嘴111和进气嘴112分别通过气管5连接测量与控制装置2上的进气嘴21和出气嘴22。为了取得更为均匀的样气，箱体11中出气嘴111的长度大于进气嘴112。温度传感器15和气压传感器16均插入箱体11中，分别采集箱体11中气体的温度和气压，并将温度和气压通过信号线6输送给测量与控制装置2。为了更为准确地量取样气的温度，位于箱体11中的温度传感器15的探测头与箱体11中出气嘴111位于同一水平面上。

上述实施例中，箱体11上的凸圈连接一支撑件17，支撑件17下部是一中空的圆柱体171，圆柱体设置有内螺纹，与凸圈螺纹连接。支撑件17与凸圈之间还设置有密封圈(图中未示出)，以防止外界的气体进入，干扰测量结果。支撑件17上部是一与圆柱体连成一体的圆锥体172，从圆锥体172的锥尖往里开设有一螺孔。支撑件17上设置有一伞体18，伞体18的中心开设一螺孔，通过一螺杆181可以将伞体18拧接在支撑件17上。伞体18的直径略大于充满气时的气囊12的直径，因此，下雨时雨水顺着伞体18流入水体中，减小对气箱等测定环境的影响，延长了气箱1的使用寿命。伞体18的顶部固连一把手19，方便使用。

如图3所示，本发明方法使用的装置的测量与控制装置2包括一甲烷浓度测量仪21、一数据采集单元22、一数据处理单元23、一数据存储单元24、一数据显示单元25和一电源26。甲烷浓度测量仪21上具有进气嘴和出气嘴，样气从进气嘴进入，通过甲烷浓度测量仪21进行检测，测得的甲烷气体浓度值输送给数据处理单元23。数据采集单元22电连接温度传感器15和气压传感器16的输出端，采集温度传感器15和气压传感器16检测的温度和气压信息，并将温度和气压信息进行模数转换。甲烷浓度、温度和气压信息由数据采集单元22输送给数据处理单元23，由于数据处理单元23中预设置有如下的甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式：

$F=M\×\frac{(H-h)}{V}\×\frac{(X2-X1)}{(t2-t1)}\×\left(\frac{273}{273+T2}\right)\×\left(\frac{P2}{P}\right)\×3600---\left(1\right)$

式中：F是甲烷气体在水体和大气之间的通量(mg/m²·h)；

t1是测定初始的时刻(s)；

t2是测定结束的时刻(s)；

X1是时刻t1气箱1中甲烷气体浓度(×10^-6)；

X2是时刻t2气箱1中甲烷气体浓度(×10^-6)；

H是气箱1的实际高度(m)；

h是通过液位计131测得气箱1内的水深(m)；

T2是时刻t2气箱1中的气体温度(℃)；

P2是时刻t2气箱1中的气体压强(kPa)；

P是标准状况下的大气压强，为101.325(kPa)；

M是甲烷气体的摩尔质量，为16(g/mol)；

V是标准状况下甲烷气体的体积，为0.0224(m³/mol)。

数据存储单元24用于存储数据采集单元22获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及数据处理单元23计算得到的甲烷气体在水体和大气之间的通量，可借助于U盘或手提电脑转移将数据存储单元24存储的数据进行转移。同样，数据显示单元25同步显示数据采集单元22获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及数据处理单元23计算得到的甲烷气体在水体和大气之间的通量。电源26为本发明中各用电设备供电。上述实施例中，甲烷浓度测量仪21、数据采集装置22、数据存储单元24、数据显示单元25、电源26均为本领域的常用设备，在此不再详述。

利用本实用新型装置对水体-大气界面之间甲烷气体的通量进行原位监测方法包括以下步骤：

1)设置一底部敞口的气箱1，在气箱1的内侧壁上连接一液位计131，在气箱1上设有一探测头位于气箱1中的温度传感器15，在气箱1的底部固连一带气嘴122的圈状气囊12；利用气管5将气箱1上的出气嘴111和进气嘴112分别与一测量与控制装置2上的进气嘴21和出气嘴22连接，同时利用信号线将气箱1上的温度传感器15与测量与控制装置2上的信号输入端电连接，给气囊12充满气，且利用一绳4将气箱1与一锚3固定连接。

2)选定观测点，将锚3投掷到待监测水面的下方，从而可以将气箱1位置固定在一个较小范围内。

3)待气箱1稳定后，开始对水体-大气界面的甲烷气体进行取样，样气通过气管5输送给测量与控制装置2，记录初始时刻是t1，t1时刻的甲烷气体浓度为X1，气箱1内的水深为h。

4)至取样结束，记录监测结束时刻是t2，t2时刻的甲烷气体浓度为X2、温度为T2。

5)利用上述的甲烷气体浓度X1和X2、时刻t1和t2、气箱1内的水深h、温度为T2以及气箱1的实际高度H，计算水体和大气之间甲烷气体的通量。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：它包括一气箱、一测量与控制装置和一锚；其中，所述气箱包括一底部敞口的箱体，所述箱体的底部敞口连接一圈状的气囊，所述气囊上的一连接环连接所述锚；所述箱体内侧壁上设置有一液位计，顶部设置有一出气嘴、一进气嘴、一温度传感器和一气压传感器；所述出气嘴和进气嘴分别连接所述测量与控制装置上的进气嘴和出气嘴；

所述测量与控制装置包括一甲烷浓度测量仪、一数据采集单元和一数据处理单元，所述甲烷浓度测量仪和数据采集单元的输出端均电连接所述数据处理单元的输入端；所述甲烷浓度测量仪检测甲烷气体浓度，所述数据采集单元电连接所述温度传感器和气压传感器的输出端；所述数据处理单元中预设置有甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式：

$F=M\×\frac{(H-h)}{V}\×\frac{(X2-X1)}{(t2-t1)}\×\left(\frac{273}{273+T2}\right)\×\left(\frac{P2}{P}\right)\×3600$

式中：t1和t2分别是测定初始和结束的时刻，X1是时刻t1所述气箱中甲烷气体浓度，X2是时刻t2所述气箱中甲烷气体浓度，H是所述气箱的实际高度，h是通过液位计测得所述气箱内的水深，T2是时刻t2所述气箱中的气体温度，P2是时刻t2所述气箱中的气体压强，P是标准状况下的大气压强，M是甲烷气体的摩尔质量，V是标准状况下甲烷气体的体积。

2.如权利要求1所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述箱体的顶部中心具有一凸圈，所述凸圈通过一支撑件连接有一伞体，所述伞体的直径略大于充满气时的所述气囊的直径。

3.如权利要求2所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述凸圈螺纹连接所述支撑件，所述支撑件和伞体的顶部中心均设置有螺孔。

4.如权利要求1或2或3所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述测量与控制装置还包括一存储单元、一显示单元和一电源，所述存储单元和显示单元分别用于存储和显示所述数据采集单元获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及所述数据处理单元计算到的甲烷气体在水体和大气之间的通量。

5.如权利要求1或2所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述气囊上设置有一气嘴。

6.如权利要求1所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述箱体中所述出气嘴的长度大于所述进气嘴，位于所述箱体中的温度传感器的探测头与所述箱体中出气嘴位于同一水平面上。

7.如权利要求1或2或3或6所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述气箱内顶部设置有串联的一电机和一风扇，所述电机电连接所述测量与控制装置中的电源。

8.如权利要求4所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述气箱内顶部设置有串联的一电机和一风扇，所述电机电连接所述测量与控制装置中的电源。

9.如权利要求5所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述气箱内顶部设置有串联的一电机和一风扇，所述电机电连接所述测量与控制装置中的电源。

10.如权利要求1所述的一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置，其特征在于：所述液位计外设置有一连接在所述箱体内侧壁上的两端敞口的圆筒。

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