CN103713111B

CN103713111B - 一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置

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Publication number: CN103713111B
Application number: CN201310710763.0A
Authority: CN
Inventors: 卫引茂; 马劲风; 王超展
Original assignee: NORTHWEST UNIVERSITY
Current assignee: NORTHWEST UNIVERSITY
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: CN103713111A

Abstract

本发明公开了一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其由二氧化碳数据采集模块和二氧化碳数据接收模块组成，二氧化碳数据采集模块包括内壳体、外壳体和置于外壳体外部的GPRS天线；GPRS无线数据传输模块通过连接线与单片机连接，并置于内壳体内部；二氧化碳含量变送器与防凝露装置连接并置于内壳体与外壳体之间，二氧化碳含量变送器通过导线与单片机连接。本发明采集到的数据无需现场显示，直接通过GPRS数据传输模块和GPRS天线无线传输，可实现无人值守的连续在线监测。

Description

一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置。

背景技术

节能减排是当前我国政府工作目标之一，为了减少二氧化碳的排放，当前国际上最为快速的方法是碳捕集与封存技术（CCS技术）。即利用二氧化碳的捕集装置，将发电厂、煤化工厂、水泥厂、钢铁厂等排放出的二氧化碳气体捕集和液化之后，运输并注入到开发后期的油田进行驱油（CO2-EOR）并封存，或者注入到废弃的油田进行封存。也可注入地下深部的盐水层中进行地质封存，并确保封存至少200年~1000年以上不泄露到地表及大气中。为观测、监测和证实深部地下封存二氧化碳的安全性，即证实地质封存的二氧化碳是否泄露，需要对地质封存区及封存区附近地表土壤中的二氧化碳气体含量进行实时在线监测。建立地表土壤中不同深度的二氧化碳浓度平面分布图，用于确定二氧化碳是否直接泄漏到地表、泄漏点在什么位置、泄漏量为多少等。一旦发现二氧化碳气体泄漏，需要及时采取地下、地面等的补救措施。不然会造成人畜中毒、地表环境的灾难，还造成二氧化碳捕集、运输和封存工作前功尽弃，造成一定的经济损失和环境破坏。

目前使用的二氧化碳含量检测仪器存在以下不足：（1）在潮湿环境中无法通过液晶显示模块读取数据；（2）无法在温度低于0摄氏度时使用；（3）检测仪器防护等级一般在IP31或以下，没有防水性能，在潮湿土壤中无法使用，而且需要有人值守操作。

由于考虑安全因素，二氧化碳地质封存的区域及矿井一般选择在偏远地区，使用现有二氧化碳含量检测仪器定期巡检需要人工操作，成本高，数据无法远传，数据采集不及时，无法实现无人值守连续自动监测。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种土壤二氧化碳含量在线监测装置，适合无人值守环境下全天候的监测土壤中二氧化碳含量，数据自动远程上传回服务器，无需人工干预。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置，由二氧化碳数据采集模块和二氧化碳数据接收模块组成，

所述的二氧化碳数据采集模块包括内壳体（6）、外壳体（7）和置于外壳体（7）外部的GPRS天线（8）；GPRS无线数据传输模块（3）通过连接线（4）与单片机（2）连接，并置于内壳体（6）内部；二氧化碳含量变送器（1）与防凝露装置（14）连接并置于内壳体（6）与外壳体（7）之间，二氧化碳含量变送器（1）通过导线（5）与单片机（2）连接；GPRS高频同轴电缆（10）连接GPRS无线数据传输模块（3）和外壳体（7）外部的GPRS天线（8）；

所述的二氧化碳数据接收模块是监测主机（11）通过网线（12）连接到互联网（13）。

上述内壳体（6）内部经环氧树脂浇注灌封，仅向外引出导线（5）、电源线（9）和GPRS高频同轴电缆（10）。

上述外壳体（7）由不锈钢框架及外层钢网组成，所述的不锈钢框架为“笼”式结构，外层罩有不锈钢网，不锈钢框架为椭圆结构，钢网内径为0.5-1mm。

所述的二氧化碳含量变送器（1）的取气管口向下倾斜15-30度角，防止凝露在重力作用下进入二氧化碳含量变送器（1）。

所述的防凝露装置（14）包括微型碗状结构（14-1）、微型天平（14-2）、金属球（14-3）、开关（14-4）和电磁阀门盖板（14-5），微型碗状结构（14-1）置于微型天平（14-2）的一端，微型天平（14-2）的另一端为等重的金属球（14-3）。

防凝露装置（14）工作原理如下：微型天平（14-2）的一端有一个可盛水的微型碗状结构（14-1），另一端为等重量的无法盛水的微型金属球（14-3）。土壤中水蒸气形成凝露时，会在微型碗状结构（14-1）端积蓄，这一端在重力作用下沉降，导致微型金属球（14-3）上升，使得开关（14-4）闭合。开关（14-4）闭合控制与之相连的电磁阀门盖板（14-5）关闭，控制外界气体或凝露无法进入二氧化碳变送器的内部。一旦凝露蒸发完毕，天平重新恢复平衡，开关（14-4）断开，控制电磁阀门盖板14-5重新开启，气体重新进入二氧化碳变送器（1），从而使得二氧化碳变送器（1）恢复正常工作。所述开关（14-4）为弹簧开关，在无外力触发时自动恢复断开状态。

本发明应用了“笼”式结构的外壳体和内壳体组成的双层壳体，在装置埋入潮湿土壤中工作时，外层壳体可防止细小砂石，昆虫等对监测装置的破坏，并能确保土壤中的二氧化碳气体扩散到两层壳体间，便于二氧化碳变送器准确采集数据。内层壳体采用环氧树脂灌封，保护其中的单片机模块、GPRS数据传输模块不受潮湿环境影响，可以全天候连续工作。采集到的数据无需现场显示，直接通过GPRS数据传输模块和GPRS天线无线传输，可实现无人值守的连续在线监测。

附图说明

图1为本发明二氧化碳数据采集模块结构示意图；

图2为本发明二氧化碳数据接收模块结构示意图；

图3为本发明外壳体7“笼”式结构图；

图4为防凝露装置示意图；

图中附图标记如下：

1—二氧化碳含量变送器，2—单片机，3—GPRS无线数据传输模块，4—连接线，5—导线，6—内壳体，7—外壳体，8—GPRS天线，9—电源线，10—GPRS高频同轴电缆，11—检测主机，12—网线，13—互联网，14—防凝露装置；

14-1—微型碗状结构，14-2—微型天平，14-3—金属球，14-4—开关，14-5—电磁阀门盖板。

具体实施方法

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

本发明是根据各个二氧化碳监测装置分布比较分散，离主控室较远等特点，选择分布式结构，各个采集单元分布式安装在被测区域，通过GPRS无线数据传输模块，以数字通讯的方式与监测主机通讯。所有监测数据存储于监测主机数据库中，这种采集部分放在监测点现场，避免了模拟信号长距离传输，衰减较大，干扰较大，造成测试系统误差变大的缺点。

本发明GPRS无线传输模块可以把采集到的信号通过手机基站传输到互联网上，只要有手机信号的地方即可使用，无需铺设通讯线缆，传输距离无限制。本发明软件部分是采用虚拟仪器技术，将硬件模块与计算机结合，利用LabVIEW编写软件，通过界面操作，实现各种功能，并便于进一步开拓，再加上设置数字滤波等其他综合抗干扰措施，使测量结果准确可靠。

参见图1，一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置，包括铝合金防水内壳体（6）和“笼”式结构外壳体（7），二氧化碳含量变送器（1）通过两芯导线（5）连接到单片机模块（2），GPRS无线数据传输模块（3）通过RS-232串口连接线（4）连接到单片机模块（2），单片机模块（2），GPRS无线数据传输模块（3），RS-232串口连接线（4），两芯导线（5）置于铝合金防水内壳体（6）里面，并且经过环氧树脂灌封，保证防水性。二氧化碳含量变送器（1）和防凝露装置（14）放置在由不锈钢框架及外层钢网组成的外壳体（7）里面，高频同轴电缆（10）一端连接到GPRS无线数据传输模块（3）上，另一端连接到外壳体（7）外面的GPRS天线（8）上，两芯电源连接导线（9）一端与单片机模块（2）连接，另一端从内壳体（6）里面引出到外壳体（7）以外。

参见图2，放置在监测点远端机房的监测主机（11）通过网线（RJ45）（12）连接到互联网（13）上。

为防止凝露进入变送器，如图3所示，二氧化碳变送器（1）安装方式为，取气管口向下倾斜15-30度角，防止凝露在重力的作用下进入变送器。如图4所示，防凝露装置（14）包括微型“天平”结构（14-2），开关（14-4），电磁阀门盖板（14-5），微型碗状结构（14-1）和等重的金属球（14-3）。其工作原理如下：微型天平（14-2）的一端有一个可盛水的微型碗状结构（14-1），另一端为等重量的无法盛水的微型金属球（14-3）。在土壤中水蒸气形成凝露时，会在天平碗状结构端积蓄，这一端在重力作用下沉降，另一端金属球（14-3）上升，使得开关（14-4）闭合。开关（14-4）闭合控制与之相连的电磁阀门盖板（14-5）关闭二氧化碳变送器（1）的进气口，外界气体或凝露无法进入二氧化碳变送器的内部。一旦凝露蒸发完毕，天平重新恢复平衡，开关14-4断开，控制电磁阀门盖板14-5重新开启二氧化碳变送器（1）的进气口，气体重新进入二氧化碳变送器（1），从而使得二氧化碳变送器（1）恢复正常工作。

本发明工作原理是：外壳体（7）埋入被测土壤中，土壤中气体通过外壳体（7）上的钢网（7-2）渗透到外壳体内，二氧化碳含量变送器（1）将二氧化碳含量信号转变成4-20mA电流的模拟信号，通过两芯导线传输到单片机模块。该模块通过模数转换之后，将转变成的数字信号通过RS232串口线（4）传输到GPRS无线传输模块（3）。GPRS无线传输模块（3）将该信号通过天线传输到附近的手机基站，手机基站与互联网相连，监测主机通过互联网将该从手机基站将监测数据读回。监测主机上的监控软件实现每个监测点二氧化碳实时显示、历史数据查询、参数设置、自动报警等功能。

本发明由于应用了“笼”式结构的外壳体（7）和经过环氧树脂灌封的铝合金内壳体（6）组成的双层壳体，在装置埋在潮湿土壤中工作时，外层壳体防止细小砂石碎屑，昆虫等对红外对监测装置的破坏，并能确保土壤中的二氧化碳气体扩散到两层壳体中间，便于二氧化碳变送器准确采集数据。内层壳体采用全封闭铝合金壳体，环氧树脂灌封，保护其中的单片机模块（2）、GPRS数据传输模块（3）不受潮湿环境影响，可以全天候连续工作。采集到的数据无需现场显示，直接通过GPRS数据传输模块（3）和GPRS天线(8)无线传输，可实现无人值守的连续在线监测。

本发明可以在潮湿的土壤中工作。所述的二氧化碳变送器内部需要防水，而变送器本身需要从土壤渗透到“笼”式结构中间的气体中取样，如果气体比较潮湿，笼式结构的壳体中间的水蒸气会形成凝露，从进气口进入二氧化碳变送器（1），造成变送器内部电路无法工作，甚至损坏。而一天之内，以及一年四季中土壤温度周期性的变化，会造成凝露时有发生，本发明需要在凝露严重时，关闭二氧化碳变送器（1）的进气口,停止取样监测；凝露消失的时候，开启二氧化碳变送器（1）的进气口，重新恢复取样监测。

Claims

1.一种土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其特征在于由二氧化碳数据采集模块和二氧化碳数据接收模块组成，

所述的二氧化碳数据接收模块是监测主机（11）通过网线（12）连接到互联网（13）；

所述防凝露装置（14）包括微型碗状结构（14-1）、微型天平（14-2）、金属球（14-3）、开关（14-4）和电磁阀门盖板（14-5），微型碗状结构（14-1）置于微型天平（14-2）的一端，微型天平（14-2）的另一端为等重的金属球（14-3）。

2.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其特征在于：内壳体（6）内部经环氧树脂浇注灌封，仅向外引出导线（5）、电源线（9）和GPRS高频同轴电缆（10）。

3.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其特征在于：外壳体（7）由不锈钢框架及外层钢网组成。

4.根据权利要求3所述的土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其特征在于：所述的不锈钢框架为“笼”式结构，外层罩有不锈钢网，不锈钢框架为椭圆结构，钢网内径为0.5-1mm。

5.根据权利要求1所述的土壤中二氧化碳含量在线监测装置，其特征在于：二氧化碳含量变送器（1）的取气管口向下倾斜15-30度角。