DE102014000816A1 - Chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Messung von Bodenentgasungen mittels Kammersystem. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kammersystem zur Analyse von Gasflüssen von Ökosystemen zu entwickeln, dass von einer Person transportierbar ist und zuverlässig arbeitet, um die Emission von Treibhausgasen aus Böden korrekt und hochauflösend bestimmen zu können und dabei einen transparenten als auch intransparenten Modus erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Kammersystem für die Analyse von Gasflüssen von Ökosystemen aus einem mittels eines ringförmigen Einschlagrings auf den Boden aufsetzbaren transparenten Zylinder und dem im Zylinder befindlichen Gassensor besteht und dass der Zylinder mantelseitig mit einer leicht abnehmbaren, biegsamen, die Mantelfläche komplett umschließenden Isoliermatte und an der oberen Deckelscheibe des Zylinders mit einer ebenfalls abnehmbaren Abdeckscheibe aus dem gleichen Isoliermaterial bedeckt ist.The invention relates to the field of measuring soil degassing by means of a chamber system. The object of the invention is to develop a chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems that can be transported by a person and works reliably to be able to determine the emission of greenhouse gases from soils correctly and with high resolution, thereby allowing a transparent and non-transparent mode. According to the invention the object is achieved in that a chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems consists of an attachable by means of an annular impact ring on the floor transparent cylinder and the in-cylinder gas sensor and that the cylinder coat side with an easily removable, flexible, the lateral surface completely enclosing insulating mat and is covered on the upper cover plate of the cylinder with a likewise removable cover made of the same insulating material.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Messung von Bodenentgasungen mittels Kammersystem.The invention relates to the field of measuring soil degassing by means of a chamber system.

Böden aller Art emittieren eine Vielzahl gasförmiger Komponenten. Dies können mikrobiell umgesetzte Stoffe aus geringer Tiefe, z. B. Treibhausgase (v. a. Kohlendioxid, Lachgas, Methan, Stickoxide) oder auch aus tieferem Untergrund stammende Kohlenwasserstoffe sein. Besonders einfach und direkt kann Kohlendioxid online und mit sehr hoher Empfindlichkeit gemessen werden. Hierbei können entweder der Netto-Ökosystemaustausch (CO2-Bodenatmung – CO2-Aufnahme (Photosynthese)) oder die Ökosystematmung analysiert werden. Für alle Gase mit Ausnahme von CO2 ist eine anschließende Analyse mittels Gaschromatographie notwendig. Viele weitere Gase sind möglich und können mit dem System verlässlich beprobt und anschließend analysiert werden.Soils of all kinds emit a variety of gaseous components. This can microbially reacted substances from shallow depth, z. As greenhouse gases (especially carbon dioxide, nitrous oxide, methane, nitrogen oxides) or derived from deeper underground hydrocarbons. It is particularly easy and direct to measure carbon dioxide online and with very high sensitivity. Here, either the net ecosystem exchange (CO 2 - respiration - CO 2 uptake (photosynthesis)) or the ecosystem respiration can be analyzed. For all gases except CO 2 , a subsequent analysis by gas chromatography is necessary. Many other gases are possible and can be reliably sampled with the system and then analyzed.

Es gibt eine ganze Reihe kommerzieller und nicht-kommerzieller Systeme, die prinzipiell gleiche oder sehr ähnliche Fragestellungen lösen wollen. Die Methode ist jeweils, dass vom Boden emittiertes Gas in einem nach unten offenen Zylinder akkumuliert wird. Der dadurch entstehende Anstieg bzw. Abfall der Konzentration für das jeweilige Gas wird u. a. durch die Verwendung von IR-Spektrometern oder Gaschromatographen analysiert. Diese Sensoren befinden sich entweder direkt in der Messkammer oder zu analysierende Proben werden mittels Pumpen zum Analysator geführt. Können die Analysengeräte nicht direkt im Feld betrieben werden, werden die Gasproben gesammelt und anschließend im Labor analysiert. Nach jeder Messung muss die Messkammer belüftet werden, bevor eine weitere Messung gestartet werden kann. Dies geschieht entweder manuell durch den Probennehmer oder automatisiert durch mechanische Lösungen.There is a whole range of commercial and non-commercial systems that basically want to solve the same or very similar questions. The method is that each gas emitted from the bottom is accumulated in a downwardly open cylinder. The resulting increase or decrease in the concentration of the respective gas is u. a. analyzed by the use of IR spectrometers or gas chromatographs. These sensors are either located directly in the measuring chamber or samples to be analyzed are pumped to the analyzer. If the analyzers can not be operated directly in the field, the gas samples are collected and then analyzed in the laboratory. After each measurement, the measuring chamber must be ventilated before another measurement can be started. This is done either manually by the sampler or automated by mechanical solutions.

In der Zeitschrift Environmental Earth Sciences, doi: 10.1007/s12665-011-1456-3 , wird eine Feld- und Labormesseinrichtung vorgestellt, die eine Analyse von NO-Emissionen aus Böden erlaubt. Dazu kann der transparente Zylinder des Kammersystems mittels Einschlagring auf den Boden aufgesetzt werden. Der Zylinder nimmt den Gassensor auf und ist über eine Gasleitung und zwischengeschaltetem Ventil mit dem Analysengerät verbunden.In the magazine Environmental Earth Sciences, doi: 10.1007 / s12665-011-1456-3 , a field and laboratory measuring device will be presented which allows an analysis of NO emissions from soils. For this purpose, the transparent cylinder of the chamber system can be placed on the floor by means of an impact ring. The cylinder houses the gas sensor and is connected to the analyzer via a gas line and intervening valve.

Bisherige Kammersysteme sind entweder für transparenten oder intransparenten Messbetrieb ausgelegt, um entweder die Photosyntheseaktivität mit zu integrieren oder quasi abzuschalten und nur die Atmungsprozesse zu registrieren. So werden stets zwei Systeme benötigt, wenn beide Prozesse zu analysieren sind. Dies führt zu einem erhöhten Transport- und Lagerungsaufwand. Zudem können spontane Änderungen der Messaufgabe im Feld nicht vorgenommen werden.Previous chamber systems are designed either for transparent or non-transparent measuring operation, either to integrate the photosynthesis activity or quasi-shut down and to register only the respiratory processes. This always requires two systems if both processes are to be analyzed. This leads to an increased transport and storage costs. In addition, spontaneous changes of the measurement task in the field can not be made.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kammersystem zur Analyse von Kohlendioxidflüssen von Ökosystemen zu entwickeln, dass von einer Person transportierbar ist, zuverlässig arbeitet, um die Emission von Treibhausgasen aus Böden korrekt und hochauflösend bestimmen zu können und dabei einen transparenten als auch intransparenten Modus erlaubt.The invention has for its object to develop a chamber system for analyzing carbon dioxide flows of ecosystems that can be transported by a person, works reliably to be able to determine the emission of greenhouse gases from soils correctly and with high resolution, while allowing a transparent and non-transparent mode ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Kammersystem für die Analyse von Gasflüssenflüssen von Ökosystemen aus einem mittels eines ringförmigen Einschlagrings auf den Boden aufsetzbaren transparenten Zylinder und dem im Zylinder befindlichen Gassensor besteht und dass der Zylinder mantelseitig mit einer leicht abnehmbaren, biegsamen, die Mantelfläche komplett umschließenden Isoliermatte und an der oberen Deckelscheibe des Zylinders mit einer ebenfalls abnehmbaren Abdeckscheibe aus dem gleichen Isoliermaterial bedeckt ist. Die der Messkammeroberfläche abgewandte Seite der Isoliermatte und der Abdeckscheibe aus dem gleichen Isoliermaterial sind mit einer Reflexionsbeschichtung versehen. Außerdem besitzt die Isoliermatte Befestigungsbänder, welche die Ummantelung umfangsseitig komplett an die Zylinderoberfläche drücken.According to the invention, the object is achieved in that a chamber system for the analysis of gas flow flows of ecosystems consists of an attachable by means of an annular impact ring on the floor transparent cylinder and the in-cylinder gas sensor and that the cylinder shell side with an easily removable, flexible, the lateral surface completely enclosing insulating mat and is covered on the upper cover plate of the cylinder with a likewise removable cover made of the same insulating material. The measuring chamber surface facing away from the insulating mat and the cover of the same insulating material are provided with a reflective coating. In addition, the insulating mat has fastening straps which press the casing completely circumferentially on the cylinder surface.

Das hochmobile Kammersystem hat eine geeignete Größe, um die Bodenentgasung sensibel nachzuweisen und ist dabei gleichzeitig groß genug, um kleinere Pflanzen zu integrieren. Repräsentative Entgasungsmessungen können in kurzer Zeit durchgeführt werden und auch ein Monitoring und Langzeitmessungen sind bei entsprechender Batterieladung möglich. Daneben werden innerhalb und außerhalb der Kammer parallel die wesentlichen meteorologischen Kenngrößen ermittelt und wie die CO2-Daten aufgezeichnet und vor Ort visualisiert (Sensoren innen und außen: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck; außen: photosynthetisch aktive Strahlung, Bodentemperatur, Bodenfeuchte; innen: CO2-Sensor). Eine einfache mechanische Schnittstelle, die sich auch zur Kammerbelüftung eignet, ist für die sichere Entnahme von Gasproben für jegliche externe Analytik vorgesehen. Alternativ kann ebenfalls ein mobiler Gaschromatograph angedockt werden. Das System ist wetterresistent. In der erfindungsgemäßen Ausführung können die Bodenentgasung von CO2, CH4 und N2O sowie der Nettoökosystemaustausch analysiert werden.The highly mobile chamber system has a suitable size to sensitively detect soil degassing while at the same time being large enough to integrate smaller plants. Representative degassing measurements can be carried out in a short time and monitoring and long-term measurements are possible with appropriate battery charging. In addition, the main meteorological parameters are determined both inside and outside the chamber in parallel and how the CO 2 data is recorded and visualized on site (sensors inside and outside: air temperature, humidity, air pressure, outside: photosynthetically active radiation, soil temperature, soil moisture, inside: CO 2 sensor). A simple mechanical interface, which is also suitable for chamber ventilation, is provided for the safe removal of gas samples for any external analysis. Alternatively, a mobile gas chromatograph can also be docked. The system is weather resistant. In the embodiment of the invention, the bottom deaeration of CO 2 , CH 4 and N 2 O as well as the net ecosystem exchange can be analyzed.

Durch die abnehmbare Isoliermatte können beide Arten der CO2-Flussmessungen mit einem System durch geringfügige Umbauarbeiten durchgeführt werden. Dies bringt den Vorteil, auch im Feld zwischen beiden Messarten hin und herwechseln zu können. Dadurch kann auf den Aufbau eines zweiten Systems verzichtet werden.The removable insulation mat allows both types of CO 2 flow measurements to be made with one system through minor alterations. This has the advantage of switching back and forth in the field between the two types of measurement can. This can be dispensed with the construction of a second system.

Neben den im Vordergrund stehenden Anwendungen für die Quantifizierung von Treibhausgasemissionen aus Böden unterschiedlichster Landnutzung, lassen sich ungewöhnliche Böden (Anthroposole, Moore, Mangrovenwälder, flache Sedimente) beproben. Außer Treibhausgasen sind beliebige weitere Gase, die von Böden oder Halden freigesetzt werden, erfassbar. Bei Verwendung mobiler Gasanalysatoren (z. B. Gaschromatograph) können die Proben direkt vor Ort analysiert werden. Anderenfalls werden die gesammelten Proben später im Labor untersucht. Unter diesen Bedingungen ist beispielsweise die Exploration von Kohlenwasserstoffen im terrestrischen Bereich, einschließlich der Entdeckung von Leckagen an unterirdischen Gaspipelines, Tankstellentanks etc. einfach und robust sowie mit sehr hoher Ortsauflösung möglich.In addition to the applications in the foreground for the quantification of greenhouse gas emissions from soils of different land use, unusual soils (anthroposols, bogs, mangrove forests, shallow sediments) can be sampled. Apart from greenhouse gases, any other gases released by soils or dumps can be detected. When using mobile gas analyzers (eg gas chromatograph), the samples can be analyzed directly on site. Otherwise, the collected samples are later examined in the laboratory. Under these conditions, for example, the exploration of hydrocarbons in the terrestrial area, including the detection of leaks in underground gas pipelines, gas station tanks, etc., simple and robust and with very high spatial resolution possible.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in the following embodiment.

In ist das Kammersystem zur Bestimmung von Gasflüssen von Ökosystemen im transparenten Modus dargestellt. Es besteht aus einem transparenten Zylinder, auch Messglocke genannt (6), aus Polymethylmethacrylat, der den Gassensor (7) zur Analyse der CO2-Flüsse aufnimmt. Der Zylinder (6) ist unterseitig mit einem ringförmigen Einschlagring (1) versehen. Dieser Einschlagring (1) dient zur Abgrenzung des Bodenelements und zum einfachen Aufsetzen des Zylinders (6). Innerhalb des Einschlagrings (1) können Sensoren für die Messung von Bodentemperatur und Bodenfeuchtigkeit angebracht sein. Die jeweilige Messung wird mit dem Aufsetzen der Messglocke auf den Boden gestartet.In is the chamber system for the determination of gas flows of ecosystems in transparent mode. It consists of a transparent cylinder, also called measuring bell ( 6 ), of polymethylmethacrylate, containing the gas sensor ( 7 ) for analysis of CO 2 fluxes. The cylinder ( 6 ) is underside with an annular ring ( 1 ) Mistake. This impact ring ( 1 ) serves to delineate the floor element and for easy placement of the cylinder ( 6 ). Within the impact ring ( 1 ) sensors can be installed for the measurement of soil temperature and soil moisture. The respective measurement is started by placing the measuring bell on the ground.

In ist das Kammersystem zur Bestimmung von Gasflüssen von Ökosystemen im intransparenten Modus dargestellt. Auch hier besteht das Kammersystem analog zum transparenten Modus aus dem transparenten Zylinder (6) mit Einschlagring (1) und Gassensor (7). Die zylinderförmige Messkammer ist mit einer ca. 5 mm starken, lichtundurchlässigen Isoliermatte (2), hier als Ethylenvinylacetat(EVA)-Schaumstoffummantelung gestaltet, bedeckt. Diese Isoliermatte (2) ist biegsam, damit sie leicht um das Kammersystem gelegt werden kann. Die Oberseite der Isoliermatte (2) ist mit einer Reflexionsbeschichtung, die hier als Aluminiumbeschichtung ausgebildet ist, versehen. Im oberen und unteren Bereich der Isoliermatte (2) sind je ein Gummiband (3 und 4), dessen Länge 1/3 des Mantelumfangs beträgt, angebracht. Die Isoliermatte (2) umschließt das zylinderförmige Messsystem komplett und an der Oberseite ist eine Abdeckscheibe (5) aus dem gleichen Schaumstoffmaterial aufgebracht.In is the chamber system for determining gas flows of ecosystems in non-transparent mode. Again, the chamber system consists of transparent cylinder (analogous to the transparent mode). 6 ) with impact ring ( 1 ) and gas sensor ( 7 ). The cylindrical measuring chamber is equipped with an approximately 5 mm thick, opaque insulating mat ( 2 ), here designed as ethylene vinyl acetate (EVA) foam casing. This insulating mat ( 2 ) is flexible, so it can be easily placed around the chamber system. The top of the insulating mat ( 2 ) is provided with a reflective coating, which is designed here as aluminum coating. In the upper and lower part of the insulating mat ( 2 ) are each a rubber band ( 3 and 4 ), whose length is 1/3 of the shell circumference attached. The insulating mat ( 2 ) encloses the cylindrical measuring system completely and at the top is a cover ( 5 ) is applied from the same foam material.

Die Schaumstoffummantelung führt dazu, dass Kammersysteme aus transparentem Material, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, eine opake Oberfläche bekommen. Der Schaumstoff dient zur Wärmeisolation, was eine Erwärmung des Innenraumes des Kammersystems gegenüber der Außenluft verhindert. Die Reflexionsbeschichtung ist als Aluminiumbeschichtung ausgebildet und dient zur zusätzlichen Reflektion der äußeren Wärmestrahlung, wodurch im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Dicke des Schaumstoffs auf lediglich 5 mm reduziert werden konnte. Dabei erhöhen sich die Haltbarkeit dieses Kombiwerkstoffes, dessen Handhabbarkeit und somit auch die Feldtauglichkeit der Gesamtapparatur. Durch die an der Schaumstoffummantelung angebrachten Gummibänder ist diese mit wenigen Handgriffen am Kammersystem befestigt und ebenfalls schnell demontiert. Im nichttransparenten Zustand der Messapparatur führen Pflanzen, die sich im Inneren des Kammersystems befinden, auch tagsüber keine Photosynthese mehr durch. Dadurch kann die Ökosystematmung, bestehend aus Boden-(Atmung der Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen) und Pflanzenatmung, analysiert werden. Durch die Entfernung der Schaumstoffummantelung ist das Kammersystem im transparenten Modus einsetzbar. Sonneneinstrahlung kann somit in den Innenraum des Kammersystems gelangen. In diesem Modus besteht die Möglichkeit der Messung des Nettoökosystemaustausches, bestehend aus Ökosystematmung und Photosyntheserate. Zwischen beiden Modi kann in weniger als 5 Minuten unkompliziert gewechselt werden, wodurch dieser Wechsel auch im Feldeinsatz möglich ist.Foam sheathing results in chamber systems of transparent material, such as polymethyl methacrylate, having an opaque surface. The foam is used for thermal insulation, which prevents heating of the interior of the chamber system from the outside air. The reflection coating is designed as an aluminum coating and is used for additional reflection of the external heat radiation, whereby in the present embodiment, the thickness of the foam could be reduced to only 5 mm. This increase the durability of this composite material, its manageability and thus the field capability of the overall apparatus. By attached to the Schaumstoffummantelung rubber bands this is attached with a few simple steps to the chamber system and also dismantled quickly. In the non-transparent state of the measuring apparatus, plants that are inside the chamber system no longer undergo photosynthesis during the daytime. Thus, the ecosystem respiration, consisting of soil (respiration of plant roots and microorganisms) and plant respiration, can be analyzed. By removing the foam sheath, the chamber system can be used in transparent mode. Solar radiation can thus reach the interior of the chamber system. In this mode it is possible to measure the net ecosystem exchange, consisting of ecosystem respiration and photosynthesis rate. You can switch easily between the two modes in less than 5 minutes, making this change possible even in the field.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Einschlagringwrapping ring
22
IsoliermatteIsoliermatte
33
oberes Befestigungsbandupper fastening strap
44
unteres Befestigungsbandlower fastening strap
55
Abdeckscheibecover plate
66
transparenter Zylindertransparent cylinder
77
Gassensorgas sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Environmental Earth Sciences, doi: 10.1007/s12665-011-1456-3 [0004] Environmental Earth Sciences, doi: 10.1007 / s12665-011-1456-3 [0004]

Claims (3)

Kammersystem für die Analyse von Gasflüssen von Ökosystemen, bestehend aus einem mittels eines ringförmigen Einschlagrings (1) auf den Boden aufsetzbaren transparenten Zylinder (6) und dem im Zylinder (6) befindlichen Gassensor (7), gekennzeichnet dadurch, dass der Zylinder (6) mantelseitig mit einer leicht abnehmbaren, biegsamen, die Mantelfläche komplett umschließenden lichtundurchlässigen Isoliermatte (2) und an der oberen Deckelscheibe des Zylinders mit einer ebenfalls abnehmbaren Abdeckscheibe (5) aus dem gleichen Isoliermaterialmaterial bedeckt ist.Chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems, consisting of a ring-shaped impact ring ( 1 ) can be placed on the floor transparent cylinder ( 6 ) and in the cylinder ( 6 ) located gas sensor ( 7 ), characterized in that the cylinder ( 6 ) shell side with an easily removable, flexible, the outer surface completely enclosing opaque insulating mat ( 2 ) and on the upper cover plate of the cylinder with a likewise removable cover plate ( 5 ) is covered by the same insulating material. Kammersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die der Messkammeroberfläche abgewandte Seite der Isoliermatte (2) und die Abdeckscheibe (5) mit einer Reflexionsbeschichtung versehen sind.Chamber system according to claim 1, characterized in that the side facing away from the measuring chamber surface of the insulating mat ( 2 ) and the cover ( 5 ) are provided with a reflective coating. Kammersystem nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Isoliermatte (2) umfangsseitig durch die die Ummantelung umschließenden Befestigungsbänder (3, 4) stabilisiert ist.Chamber system according to claims 1 and 2, characterized in that the insulating mat ( 2 ) peripherally by the sheath enclosing fastening straps ( 3 . 4 ) is stabilized.
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