一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法技术方案

一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法，该系统包括主机箱和数据采集系统；数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器；气室包括防虫网盖、安装有自动控制功能闸板的筒体、法兰，筒体安装于防虫网盖、法兰之间；二氧化碳传感器安装在气室底部的法兰上，二氧化碳传感器的测量端伸入气室内，温度传感器的测量端置于气室周围的环境内，湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中，二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器连接到主机箱，避免计算CO2通量需测量空气流通速率的问题；气室与主机箱之间无需气管连接，避免气管通气过程中易发生气障及气室内气压平衡问题；密闭式气体测量—开放式换气循环，可实现长期连续自动化监测。

An intelligent soil gas flux monitoring system and monitoring method

A kind of intelligent soil gas flux monitoring system and monitoring method, the system comprises a host box and data acquisition system; data acquisition system includes a gas chamber, a carbon dioxide sensor, humidity sensor and temperature sensor; the gas chamber includes insect net cover, installation of flange cylinder, automatic control gate, the cylinder body is arranged in between insect nets cover and flange; carbon dioxide sensor mounted on the flange at the bottom of the chamber, the measurement of carbon dioxide sensor extends into the gas chamber, around the measuring end arranged in the gas chamber temperature sensor environment, measurement of humidity sensor end is inserted into the gas chamber in the surrounding soil, the carbon dioxide sensor, humidity sensor and temperature sensor is connected to the host box, to avoid the calculation of CO2 flux measuring air flow rate; no pipe is connected between the chamber and the host box, to avoid the gas During the process of tube ventilation, air pressure and air pressure balance in gas chamber are easy to occur. Closed gas measurement and open air exchange cycle can achieve long-term continuous automatic monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法
本专利技术涉及安全环保和气体检测
，具体是一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法。
技术介绍
随着近百年来社会的工业化进程加快，大气中CO2浓度不断增加，其引起的温室效应导致了全球气候变暖、冰川融化、海平面上升等严重的环境和生态问题。在大力控制碳排放源头、降低碳排放量的基础上，CO2捕集、利用与封存技术（CCUS）已成为广泛关注的抑制大气中CO2浓度上升的有效方法之一。CCUS技术实现的前提是要建立CO2地质封存过程以及封存之后的安全性和环境影响评价系统，分析评估CO2地下封存条件的可靠性和稳定性。由于二氧化碳在封存过程中不可避免会存在气体泄漏、溢出等现象，或者在封存之后的若干年间由于地表活动或地质运动而导致封存区域岩层或土壤层出现裂痕，进而引起二氧化碳逃逸到地表大气环境中。所以在CCUS技术实施过程中需要对封存CO2的泄露和逃逸进行及时准确的监测和预报。目前，测量土壤二氧化碳通量的方法主要包括静态气室法、动态气室法和涡度相关法三种。静态气室法操作简便，不需要复杂的设备，但测定精度不理想；涡度相关法（如专利公开号为CN102494848A）适合测定大尺度内土壤CO2排放通量，同时对土壤系统几乎不造成干扰，但要求土壤表面的异质性和地形条件要相对简单，而且测定土壤CO2排放的准确度受大气流动、土壤表面和气候风速等因素的影响程度较大，并不适用于二氧化碳地质封存泄露的长期监测工作。动态气室法虽然有如空气流通速率和测量室内外的压力差对测定结果准确性有负面影响、方法所需设备费用昂贵、必须有电力供应等缺点，但是相对于静态气室法而言，测量结果更精确，更适合于测定瞬时和连续时间段内的CO2排放速率，所以是目前国内应用最广泛的监测二氧化碳通量的方法，如中国专利公开号为：CN104897873A、CN103197048A、CN103235105A、CN103630667B。但是上述装置存在以下问题：1）气体二氧化碳传感器置于测量气室外，需要导气管联通，由气泵导出气体后进行测量，容易造成气室压力不平衡问题，并且气管通气过程中易发生“气障”现象，仪器耗电高，响应时间长，不适于测量系统与控制系统距离较远及地表环境复杂的情况；2）测量系统与控制系统一体化设计虽然简化了设备结构，但使装置难以实现多通道测量的功能拓展；3）控制系统的散热会对监测数值的精确度造成一定程度的影响；4）气室的连续定时开闭需要人员手动控制，无法实现自动化。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法，以解决通量测定仪器的气室压力不平、能耗大、适应性差、精度低、兼容性差、自动化程度低等问题。为达到上述目的本专利技术采用以下技术方案：一种智能土壤气体通量监测系统，包括主机箱和数据采集系统；数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器；其中气室包括防虫网盖、安装有自动控制功能闸板的筒体、法兰，筒体安装于防虫网盖、法兰之间；所述自动控制功能闸板包括密闭隔板、轴承、闸板电机、信号控制单元，密闭隔板为圆形，位于筒体内部，自动控制功能闸板完全闭合状态为密闭隔板所在平面与筒体横截面平行；自动控制功能闸板完全打开状态为密闭隔板所在平面与筒体横截面垂直，轴承贯穿密闭隔板，穿过圆筒与闸板电机相连，密闭隔板能够自动环绕轴承开闭，闸板信号线两端分别与信号控制单元和主机箱相连接；二氧化碳传感器安装在气室底部的法兰上，二氧化碳传感器的测量端伸入气室内，温度传感器的测量端置于气室周围的环境内，湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中，二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器连接到主机箱。主机箱包括箱体、控制系统主板、电源配线接口主板、控制器、电源模块；控制系统主板、电源配线接口主板、控制器、电源模块置于箱体内；控制器固定于系统控制主板，电源模块固定于电源配线接口主板。所述的防虫网盖包括顶部安装圆面和固定圆筒，顶部安装圆面固定安装到固定圆筒上，顶部安装圆面为带格栅的盖子，其上部固定防虫网，防虫网盖内部安装软性隔风器和换气扇，软性隔风器悬挂安装在顶部安装圆面上，换气扇固定在顶部安装圆面上，并与主机箱连接。所述软性隔风器是通过固定螺丝将软性风帘悬挂固定在顶部安装圆面上形成的，软性风帘底部采用半圆弧形设计，与自动控制功能闸板在完全开启时所形成的半圆弧形匹配。所述固定圆筒顶部内侧设有限位卡扣，通过限位卡扣实现顶部安装圆面与固定圆筒上表面处于同一平面上，固定圆筒下部内侧设有限位凹槽实现与筒体连接。所述闸板电机、信号控制单元外侧罩有保护罩，保护罩一侧留有闸板电机的信号及电源线通过孔，信号及电源线通过孔上附有柔性胶圈。所述筒体的上、下两端外侧分别设有一个限位卡扣，上端的限位卡扣与固定圆筒内侧的限位凹槽实现筒体和防虫网盖的固定连接，下端的限位卡扣与法兰内侧的限位凹槽实现筒体和法兰的固定连接，法兰内嵌密闭环实现法兰与筒体的密闭连接。所述控制器连接电源模块、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器、换气扇、闸板电机、信号控制单元。所述箱体由前接口面板、后接口面板、两个侧板、底板、顶板围成；前接口面板设有前散热口、二氧化碳传感器接口、湿度传感器接口、温度传感器接口、电源插孔、电源开关、换气扇接口；前散热口设有前防尘网罩，电源插孔通过电源线与外部电源连接，电源开关连接电源插孔与电源模块；二氧化碳传感器的信号与电源线、湿度传感器的信号与电源线、温度传感器的信号与电源线分别与前接口面板上的二氧化碳传感器接口、湿度传感器接口、温度传感器接口相连。后接口面板设有后散热口、闸板开闭指示灯、闸板控制接口、闸板电源接口、数据读写转换开关、数据传输接口、设备调试接口、电压电流显示屏；闸板开闭指示灯指示自动控制功能闸板运行状态；闸板控制接口与闸板信号线相连；闸板电源接口与闸板电源线相连；设备调试接口与外部系统调试设备相连，电压电流显示屏显示主机箱工作电压及电流；其中后散热口安装有换热风扇，且换热风扇外安装有后防尘网罩。所述法兰的底座上设有透气孔，法兰上部内侧设有限位凹槽，法兰下部侧面开有二氧化碳传感器安装孔，二氧化碳传感器的气体测量端通过安装孔伸入气室，二氧化碳传感器安装孔内安装有柔性胶圈，使二氧化碳传感器与法兰侧壁实现无缝密闭连接。采用所述的智能土壤气体通量监测系统的监测方法，包括：将二氧化碳传感器的测量端置于气室内部，将湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中，将温度传感器的测量端置于气室周围的环境内，分别监测气室内的二氧化碳浓度、气室周围土壤湿度和环境的温度，将监测数据传输回主机箱的控制器进行存储，并进行气体通量计算；信号控制单元实时向控制器反馈密闭隔板的开合方向及角度，主机箱通过信号控制单元的反馈信号，控制闸板电机工作：当自动控制功能闸板完全打开时，与软性隔风器无缝相接，在气室中部形成一道屏障，将气室在垂直方向左右分割成两个区域，主机箱指示换气扇开始工作，在换气扇作用下气室内部形成对流，对气室内部进行充分换气；若达到设定的换气时间，信号控制单元自动检测密闭隔板的状态，并将信号反馈到主机箱，主机箱根据该反馈信号下达指令，指示闸板电机开始运行，密闭隔板开始转动，自动控制功能闸板的状态由“完全打开”转变为“完全闭合”；当自动控制功能闸板完全闭合后，信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，包括主机箱和数据采集系统；数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器（4）、湿度传感器（5）和温度传感器（6）；其中气室包括防虫网盖（1）、安装有自动控制功能闸板（14）的筒体（2）、法兰（3），筒体（2）安装于防虫网盖（1）、法兰（3）之间；所述自动控制功能闸板（14）包括密闭隔板（14‑1）、轴承（14‑2）、闸板电机（14‑3）、信号控制单元（14‑4），密闭隔板（14‑1）为圆形，位于筒体（2）内部，自动控制功能闸板（14）完全闭合状态为密闭隔板（14‑1）所在平面与筒体（2）横截面平行；自动控制功能闸板（14）完全打开状态为密闭隔板（14‑1）所在平面与筒体（2）横截面垂直，轴承（14‑2）贯穿密闭隔板（14‑1），穿过圆筒（2）与闸板电机（14‑3）相连，密闭隔板（14‑1）能够自动环绕轴承（14‑2）开闭，闸板信号线（14‑6）两端分别与信号控制单元（14‑4）和主机箱相连接；二氧化碳传感器（4）安装在气室底部的法兰（3）上，二氧化碳传感器（4）的测量端伸入气室内，温度传感器（6）的测量端置于气室周围的环境内，湿度传感器（5）的测量端插入气室周围的土壤中，二氧化碳传感器（4）、湿度传感器（5）和温度传感器（6）连接到主机箱；主机箱包括箱体、控制系统主板（24）、电源配线接口主板（25）、控制器（26）、电源模块（27）；控制系统主板（24）、电源配线接口主板（25）、控制器（26）、电源模块（27）置于箱体内；控制器（26）固定于系统控制主板（24），电源模块（27）固定于电源配线接口主板（25）。...

【技术特征摘要】
1.一种智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，包括主机箱和数据采集系统；数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器（4）、湿度传感器（5）和温度传感器（6）；其中气室包括防虫网盖（1）、安装有自动控制功能闸板（14）的筒体（2）、法兰（3），筒体（2）安装于防虫网盖（1）、法兰（3）之间；所述自动控制功能闸板（14）包括密闭隔板（14-1）、轴承（14-2）、闸板电机（14-3）、信号控制单元（14-4），密闭隔板（14-1）为圆形，位于筒体（2）内部，自动控制功能闸板（14）完全闭合状态为密闭隔板（14-1）所在平面与筒体（2）横截面平行；自动控制功能闸板（14）完全打开状态为密闭隔板（14-1）所在平面与筒体（2）横截面垂直，轴承（14-2）贯穿密闭隔板（14-1），穿过圆筒（2）与闸板电机（14-3）相连，密闭隔板（14-1）能够自动环绕轴承（14-2）开闭，闸板信号线（14-6）两端分别与信号控制单元（14-4）和主机箱相连接；二氧化碳传感器（4）安装在气室底部的法兰（3）上，二氧化碳传感器（4）的测量端伸入气室内，温度传感器（6）的测量端置于气室周围的环境内，湿度传感器（5）的测量端插入气室周围的土壤中，二氧化碳传感器（4）、湿度传感器（5）和温度传感器（6）连接到主机箱；主机箱包括箱体、控制系统主板（24）、电源配线接口主板（25）、控制器（26）、电源模块（27）；控制系统主板（24）、电源配线接口主板（25）、控制器（26）、电源模块（27）置于箱体内；控制器（26）固定于系统控制主板（24），电源模块（27）固定于电源配线接口主板（25）。2.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述的防虫网盖（1）包括顶部安装圆面（1-1）和固定圆筒（1-2），顶部安装圆面（1-1）固定安装到固定圆筒（1-2）上，顶部安装圆面（1-1）为带格栅的盖子，其上部固定防虫网（7），防虫网盖（1）内部安装软性隔风器（8）和换气扇（9），软性隔风器（8）悬挂安装在顶部安装圆面（1-1）上，换气扇（9）固定在顶部安装圆面（1-1）上，并与主机箱连接。3.根据权利要求2所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述软性隔风器（8）是通过固定螺丝（8-1）将软性风帘（8-2）悬挂固定在顶部安装圆面（1-1）上形成的，软性风帘（8-2）底部采用半圆弧形设计，与自动控制功能闸板（14）在完全开启时所形成的半圆弧形匹配。4.根据权利要求2所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述固定圆筒（1-2）顶部内侧设有限位卡扣（12），通过限位卡扣（12）实现顶部安装圆面（1-1）与固定圆筒（1-2）上表面处于同一平面上，固定圆筒（1-2）下部内侧设有限位凹槽（13）实现与筒体（2）连接。5.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述闸板电机（14-3）、信号控制单元（14-4）外侧罩有保护罩（14-5），保护罩（14-5）一侧留有闸板电机（14-3）的信号及电源线通过孔，信号及电源线通过孔上附有柔性胶圈。6.根据权利要求4所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述筒体（2）的上、下两端外侧分别设有限位卡扣（2-1）、限位卡扣（2-2），限位卡扣（2-1）与限位凹槽（13）实现筒体（2）和防虫网盖（1）的固定连接，限位卡扣（2-2）与限位凹槽（3-1）实现筒体（2）和法兰（3）的固定连接，法兰（3）内嵌密闭环（15）实现法兰（3）与筒体（2）的密闭连接。7.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述控制器（26）连接电源模块（27）、二氧化碳传感器（4）、湿度传感器（5）和温度传感器（6）、换气扇（9）、闸板电...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明春，佐佐木久郎，
申请(专利权)人：赵明春，佐佐木久郎，
类型：发明
国别省市：辽宁,21