CN102539508A - 畜舍恶臭气体监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种畜舍恶臭气体监测***及方法，涉及有害气体监测技术领域。该***包括：恒定电位电化学气体传感器，置于待监测畜舍内预设位置；传感器驱动模块，与恒定电位电化学气体传感器相连，用于为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；信号调理模块，用于将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号，并输出；数据采集处理模块，与所述信号调理模块相连，根据所述信号调理模块输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度，并根据反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出畜舍的恶臭等级。本发明的***及方法省时省力、实时性及准确性高。

Description

畜舍恶臭气体监测***及方法

技术领域

本发明涉及有害气体监测技术领域，尤其涉及一种畜舍恶臭气体监测***及方法。

背景技术

近年来，农业生产中排放的有害气体受到了社会各界的关注。在畜禽养殖中，畜舍内大量牲畜集中高密度饲养，造成畜舍内有大量有害气体产生，是农业生产有害气体排放的主要来源。畜舍内的有害气体主要有氨气、硫化氢、甲烷、二氧化碳等，其中硫化氢和氨气具有刺激性气味，是畜舍恶臭气体的最主要组成成分。硫化氢和氨气不仅对周围环境造成污染，同时也对人和畜禽造成伤害。

硫化氢是畜舍中浓度比较低的一种有毒气体，具有臭鸡蛋味的硫化氢易被呼吸道粘膜吸收，与钠离子结合形成硫化钠，对粘膜产生强烈刺激，引起眼炎和呼吸道炎症，甚至肺水肿。在低浓度硫化氢的长期影响下，畜禽体质变弱，抗病力下降，同时容易发生胃肠炎、心脏衰弱等。高浓度硫化氢可使畜禽呼吸中枢麻痹，窒息死亡。氨气是畜舍中含量较高的有毒气体，畜禽吸入氨时，首先吸附于鼻、咽喉、气管、支气管等粘膜及眼结膜上，引起疼痛、咳嗽、流泪，发生气管炎、支气管炎及结膜炎等。氨气影响畜禽的生长性能，降低机体抵抗力，增加由空气传播疾病的易感性，诱发呼吸机能紊乱等疾病。因此监测畜舍中的恶臭气体含量能够提高畜禽养殖的生产效率，降低环境污染，减小人畜共患病的发生概率。

然而，目前尚无高效低成本的针对畜舍内恶臭气体的在线监测方法。传统的监测方法主要有采样化学分析法和光谱检测法。化学分析法是对待测气体进行采样，在实验室里进行化学分析，得出气体的浓度。使用该方法，检测人员需要进入畜舍，在畜舍中选择采样点，将畜舍内气体采样后带回实验室，进行化学分析，进而得出一个畜舍恶臭气体排放情况，从采样到得出化学分析结果需要2-3天时间。光谱检测法包括FTIR、TDLAS等，该方法的检测精度较高，为在线的检测方法。使用该方法检测畜舍中的有害气体需要将检测设备放于畜舍中，根据应用环境对设备进行校准，通过分析特定波长光的吸收谱线得出畜舍内恶臭气体的浓度。该方法投入较大，适合在大型养殖场中使用。

传统的畜舍内恶臭气体的测量具有如下缺陷。

化学分析法：

(1)费时，测量人员需要到现场对畜舍中的空气进行采样，采样后样品气体需要在实验室中做化学分析，需要两天以上的时间；

(2)费力，测量人员需要到每个待检测的畜舍采样，采样方法较复杂，需要专业人员完成；

(3)不具备实时，由于需要先采样后分析，不能及时的反应畜舍内恶臭气体的情况，给出预警信息；

(4)准确性低，采样点的设置和样品的运送过程都会对检测的准确性造成影响。

光谱分析法：

(1)成本高，光谱分析法所使用的设备价格在几十万到几百万，使用这种方法监测畜舍中的恶臭气体成本相当高；

(2)受环境影响，畜舍空气中的粉尘较多，光谱分析法容易受到畜舍中粉尘的影响。另外畜舍环境变化较大，不利于设备的标定；

(3)设备维护困难，光谱检测设备为精密设备，在畜舍恶略环境下使用对设备本身有较大影响，需要专业人员进行维护。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种省时省力、实时性及准确性高的畜舍恶臭气体监测***及方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种气体监测***，该***包括：恒定电位电化学气体传感器，置于待监测畜舍内预设位置处；传感器驱动模块，与恒定电位电化学气体传感器相连，用于为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；信号调理模块，用于将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号，并输出；数据采集处理模块，与所述信号调理模块相连，根据所述信号调理模块输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

优选地，该***还包括：报警模块，与所述数据采集处理模块相连，所述数据采集处理模块根据反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出畜舍的恶臭等级，所述报警模块根据所述恶臭等级进行相应的报警。

优选地，该***还包括：标定模块，与所述恒定电位电化学气体传感器以及所述数据采集处理模块均相连，用于根据所述数据采集处理模块反演出的气体浓度以及所述恒定电位电化学传感器线性输出的特点，对所述恒定电位电化学传感器进行标定。

优选地，所述数据采集处理模块进一步包括：模数转换单元，用于采集所述信号调理模块输出的信号，并对其进行模数转换，输出数字电压信号；浓度反演单元，用于根据所述模数转换单元输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度；恶臭等级判定单元，用于根据所述待畜舍内硫化氢和氨气的浓度以及所述恒定电位电化学气体传感器的位置，计算出所述畜舍的恶臭等级。

优选地，所述数据采集处理模块为单片机。

优选地，该***还包括：显示模块，与所述数据采集处理模块相连，用于显示所述数据采集处理模块反演得到的数据。

优选地，所述恒定电位电化学气体传感器为恒定电位电化学气体传感器。

本发明还提供了一种畜舍恶臭气体监测方法，该方法包括步骤：

S1.将恒定电位电化学气体传感器置于待监测畜舍内预设位置处；

S2.为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；

S3.将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号；

S4.采集步骤S3处理后的电压信号，并根据其反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

优选地，该方法还包括步骤：

S5.根据步骤S4反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出所述畜舍的恶臭等级，并根据所述恶臭等级进行相应的报警。

优选地，在步骤S4中，将步骤S3处理后的电压信号进行模数转换后再进行反演。

(三)有益效果

本发明***及方法可以以在线的方式，对畜舍内的恶臭气体情况进行实时监测，不仅能够获得畜舍内主要恶臭气体成分氨气和硫化氢的浓度，同时可根据***实际的应用场合给出畜舍内的恶臭级别。本发明的***方法弥补了原有恶臭气体监测手段的不足，可通过远程无线通讯的方式对大面积区域内多个畜舍的恶臭气体排放情况进行集中监控，对恶臭气体超标的畜舍可以及时的发出警报，避免因恶臭气体超标造成的牲畜病害，预防牲畜疫情的发生，有效避免经济损失。传感器数量可增减，***参数和设置可针对对不同类型、不同规模的目标的监测进行设置，省时省力、实时性及准确性高。

附图说明

图1为实施例1的畜舍恶臭气体监测***结构框图；

图2为实施例2的畜舍恶臭气体检测***示意图；

图3为依照本发明一种实施方式的畜舍恶臭气体监测方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的畜舍恶臭气体监测***及方法，结合附图及实施例详细说明如下。

将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转换为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度。恒定电位电化学气体传感器，以恒定电位电解池型气体传感器为例，该传感器是一种氧化还原反应在电流强制下发生的电化学传感器。恒定电位电解池型气体传感器由三电极构成，分别是工作电极、对电极和参比电极，其中待研究的化学反应主要在工作电极上发生，对电极和工作电极组成回路，使工作电极上电流畅通，参比电极是一个已知电势理论上不极化的电极，用于测定工作电极及对电极的电势。

工作电极与对电极组成一电极对，当这对电极浸入电解液中，两电极间加上电压时会产生极化。若工作电极为正，对电极为负，则电解液中的负离子移向工作电极，而正离子移向对电极，此时被测气体扩散到工作电极上，在催化剂作用下会产生电化学反应释放出电荷。以硫化氢传感器为例，进入传感器的硫化氢气体，在工作电极上发生如下的电极反应：

工作电极：

H₂S＝S+2H++2e           (1)

H₂S+2H₂O＝SO₂+6H++6e    (2)

对电极：

2H₂O→O₂+4H++4e    (4)

整个电池的反应为：

H₂S+2O₂→H₂SO₄     (5)

此时工作电极上的H₂O发生氧化放出电子，对电极则发生还原反应获取电子，工作电极与对电极的电位发生变化，产生电流，电流大小与电极电位和气体浓度等因素有关。电解电流与气体浓度之间的关系可用下式表示：

$i=\frac{F\×S\×D\×C\×n}{\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

其中，i为反应电流，F为法拉第常数，S为反应界面面积，D为气体扩散系数，C为气体浓度，n为反应中1摩尔气体释放的电子数，δ为气体扩散电极厚度。F、S、D、n和δ均为常数，因此根据测量电流i的大小就可以反演气体的浓度。

本发明的***及方法即根据上述原理。

实施例1

如图1所示，本实施例的畜舍恶臭气体监测***包括：恒定电位电化学气体传感器、传感器驱动模块、信号调理模块、数据采集处理模块、报警模块以及标定模块。其中：

恒定电位电化学气体传感器置于待监测畜舍内预设位置处，且可在畜舍内的不同位置处均设置恒定电位电化学传感器。

传感器驱动模块与恒定电位电化学气体传感器相连，用于为恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位。

信号调理模块用于将恒定电位电化学气体传感器输出的微弱的电流信号转换为电压信号(I/V转换)，并输出。恒定电位电化学气体传感器的输出较为微弱，通常为nA级的电流信号。本实施例采用跨导型运算放大器I/V转换电路将该传感器输出的微弱电流信号转换为mV级电压信号；同时，采用高速信号放大和滤波，将微弱信号调理为可被模数转换器接受的范围。

数据采集处理模块与信号调理模块相连，根据信号调理模块输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

报警模块与数据采集处理模块相连，数据采集处理模块根据反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出畜舍的恶臭等级，所述报警模块根据所述恶臭等级进行相应的报警。

标定模块与恒定电位电化学气体传感器以及数据采集处理模块均相连，根据数据采集处理模块反演出的气体浓度以及恒定电位电化学传感器线性输出的特点，对恒定电位电化学传感器进行标定。

在本实施例的***中，数据采集处理模块进一步包括：模数转换单元、浓度反演单元、以及判定单元。其中：

模数转换单元采集信号调理模块输出的信号，并对其进行模数转换，输出数字电压信号，本实施例采用高速信号采集方法，对阵传感器输出的信号进行逐一数字化；浓度反演单元根据模数转换单元输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度；恶臭等级判定单元根据畜舍内硫化氢和氨气的浓度以及恒定电位电化学气体传感器的位置，计算出该畜舍的恶臭等级。

在本实施例中，数据采集处理模块优选为具有A/D转换器的单片机，标定模块以及报警模块的功能也可集成于该单片机或由该单片机完成。

实施例2

如图2所示，本实施例的畜舍恶臭气体检测***应用于高度为3m的畜舍1，该畜舍1内饲养的禽畜为成年猪只2。

该***中具有三组硫化氢传感器3和氨气传感器4，两传感器平行放置以能够获得同一位置处的气体浓度，该三组传感器分别置于距离地面0.2m(如图中10)、1m(如图中9)和2.5m(如图中8)处。每个传感器后端均设置有驱动及信号调理电路5，使得传感器工作并将传感器输出的nA级信号转换为0-5V标准电压信号。驱动及信号调理电路5的输出连接至数据采集处理模块6，由其对信号进行A/D转换，并根据转换后的数据反演各采集点气体浓度，在LCD屏上显示，并对数据进行记录。数据采集处理模块6根据获得的氨气和硫化氢浓度信息对式(7)的计算结果L进行向上取整，得出畜舍内的恶臭等级，并在恶臭级别超标时报警模块7给出报警信息。

L＝0.175(0.76S1+0.14N1)+0.175(0.76S2+0.14N2)+0.15(0.76S3+0.14N3)

                                                            (7)

式(7)中S1、N1是距地面0.2m处的硫化氢和氨气浓度，S2、N2是距地面1m处的硫化氢和氨气浓度，S3、N3是距地面2.5m处的硫化氢和氨气浓度。由于畜舍1中饲养的是成年猪只2，畜舍1内硫化氢的浓度应不超过6.6ppm，氨气的最高浓度不超过35ppm。按浓度最大值将畜舍1内的恶臭程度分为5级，利用5/6.6得到Si前的系数，利用5/35得到Ni前的系数。再对每个位置的传感器分配一个权重，假设两种气体对猪只2的影响同样重要，由于畜舍中牲畜所处位置有害气体浓度相对重要，所以为0.2m和1m处的传感器分配权重0.175，2.5m处分配权重0.15。

如图3所示，本发明还提供了一种畜舍恶臭气体监测方法，该方法包括步骤：

S1.将恒定电位电化学气体传感器置于待监测畜舍内预设位置处；

S2.为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；

S3.将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号；

S4.采集步骤S3处理后的电压信号，将步骤S3处理后的电压信号进行模数转换后，根据其反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

方法还包括步骤：

S5.根据步骤S4反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算该畜舍的恶臭等级，并根据该恶臭等级进行相应的报警。

本发明的方法中，根据测得的硫化氢和氨气的浓度反应畜舍中恶臭气体的情况。本发明对畜舍的恶臭级别的判定方法为：根据氨气、硫化氢对畜舍所饲养动物的影响和传感器所安装的位置，确定每一个传感器所采集的气体浓度的影响系数，再将影响系数与测得的浓度值相乘，将结果相加后向上取整得出待监测畜舍的恶臭级别。

本发明的方法还包括根据实际监测环境的气体浓度范围以及恒定电位电化学传感器线性输出的特点，标定该恒定电位电化学传感器的步骤，以为浓度值反演提供依据。具体地，根据恒定电位电化学传感器线性输出的特点选择零点和预期输出的最大值两点对传感器进行标定。以该两点得出的浓度-电压直线，扣除背景噪声，即可用于反演被测气体浓度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种畜舍恶臭气体监测***，其特征在于，该***包括：

恒定电位电化学气体传感器，置于待监测畜舍内预设位置处；

传感器驱动模块，与恒定电位电化学气体传感器相连，用于为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；

信号调理模块，用于将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号，并输出；

数据采集处理模块，与所述信号调理模块相连，根据所述信号调理模块输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，该***还包括：

报警模块，与所述数据采集处理模块相连，所述数据采集处理模块根据反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出畜舍的恶臭等级，所述报警模块根据所述恶臭等级进行相应的报警。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，该***还包括：

标定模块，与所述恒定电位电化学气体传感器以及所述数据采集处理模块均相连，用于根据所述数据采集处理模块反演出的气体浓度以及所述恒定电位电化学传感器线性输出的特点，对所述恒定电位电化学传感器进行标定。

4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述数据采集处理模块进一步包括：

模数转换单元，用于采集所述信号调理模块输出的信号，并对其进行模数转换，输出数字电压信号；

浓度反演单元，用于根据所述模数转换单元输出的电压信号，反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度；

恶臭等级判定单元，，用于根据所述待畜舍内硫化氢和氨气的浓度以及所述恒定电位电化学气体传感器的位置，计算出所述畜舍的恶臭等级。

5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述数据采集处理模块为单片机。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，该***还包括：

显示模块，与所述数据采集处理模块相连，用于显示所述数据采集处理模块反演得到的数据。

7.如权利要求1-6任一项所述的***，其特征在于，所述恒定电位电化学气体传感器为恒定电位电化学气体传感器。

8.一种畜舍恶臭气体监测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.将恒定电位电化学气体传感器置于待监测畜舍内预设位置处；

S2.为所述恒定电位电化学气体传感器的对电极提供电流，使所述对电极与工作电极形成电流回路，为参比电极提供稳定的参考电位；

S3.将所述恒定电位电化学气体传感器输出的电流信号转换为电压信号；

S4.采集步骤S3处理后的电压信号，并根据其反演畜舍内硫化氢和氨气的浓度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

S5.根据步骤S4反演出的畜舍内硫化氢和氨气的浓度计算出所述畜舍的恶臭等级，并根据所述恶臭等级进行相应的报警。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，将步骤S3处理后的电压信号进行模数转换后再进行反演。

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