CN211785286U - 一种网络化分布的co2在线连续检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，包括多个扩散式CO₂检测节点，置于地表或地下浅层，用于检测土壤中CO₂气体浓度，通过信号线将检测信号传输给节点控制器；节点控制器，与扩散式CO₂检测节点一一对应，为扩散式CO₂检测节点提供电源，并将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端；监测终端，与节点控制器进行无线通信，接收节点控制器传输的数据，进行显示和储存，并对接收到的数据进行处理和分析，以甄别扩散式CO₂检测节点检测到的CO₂气体浓度是否有异常变化。本实用新型能大面积实时连续监测CO₂的浓度变化，且不影响测量气体原始状态，提高检测的准确性，具备空间化CO₂浓度分析功能，分析结果更加可靠。

Description

一种网络化分布的CO2在线连续检测系统

技术领域

本实用新型涉及气体浓度分析检测领域，尤其涉及一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统。

背景技术

二氧化碳在自然界中含量丰富，是大气的重要组成成份之一。随着工业化进程的大力发展，大气中的CO₂浓度不断增加，给全球气候、生态环境以及人类健康带来诸多负面影响。根据气体监测位置的不同分为大气监测、地表监测和地层监测。大气监测主要针对环境污染、工业安全等领域，发展较为成熟，检测方法包括气相色谱法、电化学法、接触燃烧法和红外光谱吸收法。其中气相色谱法和红外光谱吸收法是应用较为广泛的检测方法，但是气相色谱法受限于测量效率低的缺点无法实现连续测量，而红外光谱吸收法是利用气体进入传感器进行检测，具有较高灵敏度和连续快速测量的优点，但缺点是检测过程中需要强制抽气一定程度上会破坏所测量气体的原始状态，同时，气泵和控温装置等的设置大大增加了系统功耗，给野外长时间测量增加了难度。

随着CCS技术的应用以及地球深层探测工作的进行，CO₂的地表监测和地层监测逐渐成为一个监测技术热点。监测一个区域内CO₂的运移情况，不仅需要精确的浓度检测技术，而且需要网络化、自动化的监测系统，以及需要满足无干扰、低功耗的要求，存在一定难度。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，能大面积实时连续监测地表及地下浅层CO₂的浓度变化，且不影响测量气体原始状态，提高检测的准确性和可靠性，实现网络化、自动化检测，干扰少，功耗低，且具备空间化CO₂浓度分析功能，分析结果更加可靠和直观。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，包括：

多个扩散式CO₂检测节点，置于地表或地下浅层，用于检测土壤中CO₂气体浓度，通过信号线将检测信号传输给节点控制器；

节点控制器，与扩散式CO₂检测节点一一对应，为扩散式CO₂检测节点提供电源，并将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端；

监测终端，与节点控制器进行无线通信，接收节点控制器传输的数据，进行显示和储存，并对接收到的数据进行处理和分析，以甄别扩散式CO₂检测节点检测到的CO₂气体浓度是否有异常变化。

本技术方案构成多个监测点的网络化监测系统，能大面积实时连续监测地表及地下浅层CO₂浓度变化，实现网络化、自动化检测，且具备空间化CO₂浓度分析功能，分析结果更加可靠和直观。

作为优选，所述的扩散式CO₂检测节点是个检测棒，检测棒的头部设有双通道结构传感器，双通道结构传感器的后方设有检测电路，检测电路通过探针和所述的双通道结构传感器相连，检测电路通过多股屏蔽信号线和所述的节点控制器相连。双通道结构传感器有两个检测通道，分别用于设置气敏元件和参比元件。气敏元件用于吸附CO₂气体，参比元件用于抑制温度、湿度对检测信号的漂移，从而提高检测的准确性和可靠性。双通道结构传感器的传感信号输送给检测电路，经检测电路滤波、混频和差频分析，再经数字信号处理电路处理后输出CO₂浓度，通过信号线传输至节点控制器。本技术方案不需要气泵和控温装置，土壤中的CO₂气体自动逸散致检测棒头部的双通道结构传感器中，因此不影响测量气体原始状态，干扰少，功耗低。

作为优选，所述的双通道结构传感器包括压电层，压电层上设有并排的两个叉指电极，其中一个叉指电极上涂覆有气敏薄膜构成气敏元件，气敏薄膜为MWCNTs/SnO₂/聚合物敏感薄膜，两个叉指电极分别位于双通道结构传感器的两个检测通道中。涂覆有气敏薄膜的叉指电极为气敏元件，另一个叉指电极为参比元件。气敏薄膜中MWCNTs对CO₂气体具有较强的吸附性，且是良好的导体，SnO₂是气体敏感薄膜中常见的一种氧化物，对气体的物理响应较为明显，聚合物的气敏导电性更优于金属氧化物，但线性较差，因此通过SnO₂/聚合物复合增强气敏薄膜对CO₂气体的线性响应，并以MWCNTs功能化复合薄膜，以增加气敏薄膜的吸附性以及导电性，提高气敏元件的响应工作频率。采用MWCNTs聚合物溶液，内混合SnO2粉末，通过超声搅拌将SnO2与MWCNTs聚合物溶液充分混合，然后控制喷气量将MWCNTs/SnO2/聚合物喷涂在叉指电极上，最后进行80℃真空干燥去除溶剂。

作为优选，所述的双通道结构传感器的进气口上覆盖有一层疏水透气膜，所述的叉指电极和疏水透气膜之间有间距。疏水透气膜用于阻挡土壤中的水、粉尘，防止气敏元件直接接触水或灰尘而引起损坏。

作为优选，所述的节点控制器包括电源模块和无线通讯模块，电源模块由太阳能电池供电，无线通讯模块将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端。采用太阳能电池供电，适合在野外安装和使用，便于连续检测。

本实用新型的有益效果是：能对一个较大区域内的CO₂气体浓度变化实施连续监测，对异常点进行报警提醒，解决了现有较广区域气体浓度监测分析分散的问题。本实用新型以声表面波双通道传感器为扩散式CO₂检测节点的核心，通过氧化物复合薄膜以及氧化物-聚合物复合气敏薄膜制备的传感器，以扩散气体感应及浅埋入土壤为检测方式，通过疏水透气膜过滤水及粉尘，无需通过抽气进行检测，不会破坏检测环境的气体平衡状态，且可以连续实时检测，无需时间恢复，传感器气敏元件灵敏度高，实现了低成本、远距离、广范围检测需求。

附图说明

图1是本实用新型的一种系统连接结构示意图。

图2是本实用新型中双通道结构传感器的一种结构示意图。

图中 1.扩散式CO₂检测节点，2.节点控制器，3.监测终端，4.双通道结构传感器，5.检测电路，6.压电层，7.叉指电极，8.气敏元件，9.参比元件，10.疏水透气膜，11.电源模块，12.GPRS通讯模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，如图1所示，包括多个扩散式CO₂检测节点1、与扩散式CO₂检测节点一一对应相连的节点控制器2及与所有节点控制器进行无线通信的监测终端3。扩散式CO2检测节点埋于地表浅层土壤中，可埋深度不大于5米，用于检测土壤中CO₂气体浓度。节点控制器，置于地表，通过多股信号屏幕线和扩散式CO₂检测节点相连。节点控制器一方面为扩散式CO₂检测节点提供电源，另一方面接收扩散式CO₂检测节点送来的检测信号，并将检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端。监测终端，接收节点控制器传输的数据，进行显示和储存，并对接收到的数据进行处理和分析，以甄别扩散式CO₂检测节点检测到的CO₂气体浓度是否有异常变化。

扩散式CO2检测节点1是个检测棒，检测棒整体为一个长30mm、底面直径30mm的圆柱体，检测棒的头部有一个双通道结构传感器4，在土壤中接触CO₂气体，双通道结构传感器的后方安装有一个检测电路5，检测电路通过探针和双通道结构传感器相连，检测电路通过5米长的多股屏蔽信号线和节点控制器相连。CO₂气体浓度变化引起传感器的振荡信号发生变化，通过检测电路中滤波、混频、差频分析，经数字信号处理电路处理后输出CO₂浓度数据，通过信号线传输至节点控制器。如图2所示，双通道结构传感器包括压电层6，压电层的材质为类金刚石BN，压电层厚度为2.2～2.5mm，压电层上有并排的两个叉指电极7，叉指电极宽度为50～100μm之间，叉指电极对数为60～80对，叉指电极采用SnO₂与Au复合薄膜材料，通过SnO₂薄膜与压电层结合，再以Au薄膜覆盖，增加Au电极与压电层之间的结合力，其中SnO₂薄膜厚度为200nm，Au薄膜厚度为500nm，通过真空离子镀方法双层镀制后，再进行光刻加工形成叉指电极。其中一个叉指电极上通过喷涂工艺涂覆有气敏薄膜构成气敏元件8，气敏薄膜为MWCNTs/SnO₂/聚合物敏感薄膜，气敏薄膜厚度为100nm，气敏元件基于声表面波检测原理，气敏薄膜用以吸附CO₂气体，另一个叉指电极作为参比元件9，用于抑制温度、湿度对检测信号的漂移。两个叉指电极分别位于双通道传感器的两个检测通道中，叉指电极引出探针和检测电路相连。检测棒的前端头覆盖有一层疏水透气膜10，即双通道结构传感器的进气口上覆盖有一层疏水透气膜，疏水透气膜为微孔PTFE疏水滤膜，用于阻挡土壤中的水、粉尘，防止气敏元件直接接触水或灰尘而引起损坏，涂覆有气敏薄膜的叉指电极和疏水透气膜相隔1毫米。疏水透气膜与气敏元件用PDMS封装。当CO2气体通过疏水透气膜接触气敏元件表面时，气敏薄膜吸附CO2，气敏薄膜的导电特性发生变化，叉指电极的反射系数发生变化，使得叉指电极激发声表面波的相位发生变化，通过检测电路分析相位信号的变化得出CO2浓度的变化。

节点控制器2包括电源模块11和无线通讯模块，无线通讯模块采用GPRS通讯模块12，电源模块由太阳能电池供电，包括依次相连的太阳能电池板、蓄电池和电源稳压芯片，太阳能电池板将太阳能转化成电能，并给蓄电池充电，蓄电池输出的电能，一方面经电源稳压芯片稳压后输送给扩散式CO₂检测节点，另一方面供电给GPRS通讯模块，GPRS通讯模块将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过GPRS无线网络传输给远程的监测终端。

监测终端3用于接收各节点控制器传输的反映CO2浓度的数字信号，是一台安装有相关监测软件的电脑，对数字信号进行转换、处理、分析以及存储。一旦发现某个扩散式CO2检测节点在某个时间段检测到的CO2浓度变化较大，则发出报警信息，提醒监控人员关注。

工作过程：根据CO₂的监控范围对扩散式CO₂检测节点进行布点，扩散式CO2检测节点埋于地表浅层土壤中，可埋深度不大于5米，节点控制器固定于地表，为扩散式CO₂检测节点提供电源动力，土壤中的CO₂气体自由逸散至扩散式CO₂检测节点的双通道结构传感器中，CO₂气体接触双通道结构传感器中的气敏元件，气敏元件上的气敏薄膜发生物理变化引起叉指电极相位变化，变化的信号通过探针传输至检测电路，检测电路经过处理将检测信号传输给节点控制器，节点控制器通过无线网络将检测到的CO₂气体浓度数据传输给远程的监测终端，监测终端对所有扩散式CO₂检测节点测得的CO₂气体浓度进行存储和分析，监测终端将同一个扩散式CO₂检测节点在不同时间测得的浓度组成一个组，对单个扩散式CO₂检测节点一段时间内测得的浓度进行正态分布检验，以每10个浓度数据作为一个数据段进行滑动方差分析，然后利用F统计量，找出差异显著的数据段，从而找出一个组内浓度变化最大的时间段，如果这个时间段内的浓度方差大于设定的阈值，则监测终端显示分析结果，并发出报警信息。

本实用新型能对一个较大区域内的CO₂气体浓度变化实施连续监测，以方差分析和正态分布检验判定区域内CO₂气体浓度变化的情况，对异常点进行报警提醒，解决了现有较广区域气体浓度监测分析分散的问题。本实用新型以声表面波双通道传感器为扩散式CO₂检测节点的核心，通过氧化物复合薄膜以及氧化物-聚合物复合气敏薄膜制备的传感器，以扩散气体感应及浅埋入土壤为检测方式，通过疏水透气膜过滤水及粉尘，无需通过抽气进行检测，不会破坏检测环境的气体平衡状态，且可以连续实时检测，无需时间恢复，传感器气敏元件灵敏度高，实现了低成本、远距离、广范围检测需求，可以应用于CCS泄露监测、地壳放气监测以及区域化环境监测。

Claims (5)

1.一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，其特征在于包括：

多个扩散式CO₂检测节点，置于地表或地下浅层，用于检测土壤中CO₂气体浓度，通过信号线将检测信号传输给节点控制器；

节点控制器，与扩散式CO₂检测节点一一对应，为扩散式CO₂检测节点提供电源，并将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端；

监测终端，与节点控制器进行无线通信，接收节点控制器传输的数据，进行显示和储存，并对接收到的数据进行处理和分析，以甄别扩散式CO₂检测节点检测到的CO₂气体浓度是否有异常变化。

2.根据权利要求1所述的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，其特征在于所述的扩散式CO₂检测节点是个检测棒，检测棒的头部设有双通道结构传感器，双通道结构传感器的后方设有检测电路，检测电路通过探针和所述的双通道结构传感器相连，检测电路通过多股屏蔽信号线和所述的节点控制器相连。

3.根据权利要求2所述的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，其特征在于所述的双通道结构传感器包括压电层，压电层上设有并排的两个叉指电极，其中一个叉指电极上涂覆有气敏薄膜构成气敏元件，气敏薄膜为MWCNTs/SnO₂/聚合物敏感薄膜，两个叉指电极分别位于双通道结构传感器的两个检测通道中。

4.根据权利要求3所述的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，其特征在于所述的双通道结构传感器的进气口上覆盖有一层疏水透气膜，所述的叉指电极和疏水透气膜之间有间距。

5.根据权利要求1所述的一种网络化分布的CO₂在线连续检测系统，其特征在于所述的节点控制器包括电源模块和无线通讯模块，电源模块由太阳能电池供电，无线通讯模块将扩散式CO₂检测节点送来的检测信号通过无线网络传输给远程的监测终端。

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