CN108956520B - 地震前兆流动观测用便携式co2监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置及监测方法。监测装置包括进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀、净化装置、出气口和主控电路，进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口依次相连，第一电磁阀和第二电磁阀之间还连接有净化装置，第一、第二电磁阀及CO2传感检测单元分别和主控电路相连。本发明既有测量气路又有自校准循环气路，CO2传感检测单元基于红外吸收原理并采用集成设计，检测限高，响应速度快，通过多参数测量，对CO2浓度值进行环境因子修正，提高CO2浓度检测的准确性。本发明体积小，便于携带，能在地震前兆流动观测点的恶劣环境中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO2监测设备，尤其涉及一种地震前兆流动观测用便携式 CO2监测装置及监测方法。
背景技术
地震孕育与发生过程中会影响CO2在地表的分布与迁移，改变地壳放气中的 CO2释放动态，因此监测断层带、热泉或热水井释放的CO2动态，是探索地震预报的新途径。我国有限的CO2动态监测数据表明，CO2在一些Ms≥4.0地震之前有明显的异常反映。因此，广泛建立地下流体CO2观测点有利于发展地震前兆观测技术。
传统的地震前兆流动CO2观测主要采用气相色谱法或者化学法。气相色谱法是通过现场取样、实验室检测获得CO2浓度，这种方法不能现场获得浓度，时效性较差且人工采样误差较大。化学法是通过一种含有百里酚酞的测定管，通过测量PH值获得CO2浓度，这种方法检测的是一段时间的积累量，人为估算导致检测结果误差较大，因此时效性、准确度均较差。采用红外传感器测量CO2浓度已在环保、安全、医疗等行业广泛应用，这种方法响应快、可连续观测而且测量范围广，但是无法满足地震前兆流动观测中环境恶劣、背景浓度低、测量范围广、功耗低、体积小的需求。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置及监测方法，监测装置体积小，便于携带，能在地震前兆流动观测点的恶劣环境中使用，现场实时获取CO2浓度值，时效性好，准确度高。
本发明另一目的是提供一种地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置及监测方法，考虑到环境因素，对CO2浓度值进行修正，提高CO2浓度检测的准确性和可靠性。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，包括进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀、净化装置、出气口和主控电路，进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口依次相连，净化装置的一端和所述的第一电磁阀相连，净化装置的另一端和所述的第二电磁阀相连，第一电磁阀、第二电磁阀及CO2传感检测单元分别和主控电路相连。进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口构成测量气路；第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和净化装置连成封闭回路，构成自校准循环气路。两个电磁阀的开闭由主控电路控制，净化装置能吸收气体中水蒸汽的，以提高检测的准确性。CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理完成吸收光和电信号的转换，其输出的反映CO2浓度的传感信号输送给主控电路处理和显示。在自校准时，净化装置能吸收自校准循环气路中的CO2气体，实现传感器的零气校准，以提高后续检测时的准确性。
作为优选，所述的净化装置是一根碱性净化管，其内部填充有多孔泡沫体，多孔泡沫体上载有强碱性粒子，达到有效吸收CO2气体的目的。
作为优选，所述的碱性净化管的直径为15～20mm，长度为4～5cm，所述的多孔泡沫体的孔径为300～500μm。吸收CO2效率可达85％，10秒内可完全吸收循环气路内的CO2气体。
作为优选，所述的降湿装置是一根除湿管，其内部填充有可恢复除湿率的除湿剂。除湿管的直径为15mm～20mm，长度为8～10cm，除湿效果可达80％，通过加热等手段可以将其吸收的水蒸汽挥发掉，恢复除湿率。
作为优选，所述的CO2传感检测单元包括由一个半球面罩体和一个平板连接而成的壳体及设于壳体内的红外光源和CO2浓度探测器，半球面罩体的中心点设有朝外凸出的进气通道，进气通道的轴线和半球面罩体的中心线重合，进气通道和所述的流量控制器相连，平板上设有朝外凸出的出气通道，出气通道和所述的第二电磁阀相连，所述的红外光源设在平板上并和进气通道正对，所述的 CO2浓度探测器设在半球面罩体的内壁上，CO2浓度探测器、红外光源分别和所述的主控电路相连。CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理和旁流式气室结构，CO2浓度探测器输出反映CO2浓度的传感信号，CO2浓度探测器装在半球面罩体的内壁上，位于气室内部，避免受外界环境的干扰，极大的提高了响应速度，CO2浓度探测器采用双通道热释电探测器。红外光源选用在较小的气室内辐射强度高且辐射功率稳定的点光源，气流方向与红外光辐射方向相反，使得红外光与气体有充分的接触时间，增加吸收灵敏度，提高探测器的灵敏度及响应时间。
作为优选，所述的半球面罩体的内壁镀有镜面金膜，镜面金膜的厚度为粗糙度小于1.5～2.0nm。通过半球面罩体内壁镜面金膜实现对红外光源发出的红外光的反射，增加了CO2的吸收光程，从而提高探测器的灵敏度。
作为优选，所述的进气通道内设有集温度检测、湿度检测和气压检测于一体的集成传感器，集成传感器和所述的主控电路相连。采用集成传感器，体积小，能同时检测样气的温度、湿度及气压值，输送给主控电路后，以实现环境因素的修正，从而获得更准确的CO2浓度值，提高CO2浓度检测的准确性，提高监测装置的环境适应性及环境抗干扰性能。
作为优选，所述的主控电路包括单片机单元、数据处理单元、触摸显示屏、 GPS定位模块及为主控电路提供工作电压的电源单元，数据处理单元、触摸显示屏及GPS定位模块分别和单片机单元相连，单片机单元分别和所述的第一电磁阀、第二电磁阀及CO2传感检测单元相连，CO2传感检测单元输出的传感信号和所述的数据处理单元相连。采用了高速度、高集成度、低功耗、高抗损坏性、多接口的微控制器作为单片机单元，结合嵌入式操作***以及模块化设计，实现单次测量、连续测量、数据采集、显示、人机交互操作、数据存储以及***时钟功能。CO2浓度探测器输出反应CO2浓度的传感信号给数据处理单元，集成传感器测得的温度、湿度及气压值也输送给数据处理单元，由数据处理单元通过环境因子修正CO2浓度探测器的光吸收度，实现CO2浓度值的环境因子修正，再由单片机单元经过处理送触摸显示屏显示。主控电路中的存储电路通过IIC 接口接受GPS定位模块数据，用于野外观测点定点观测记录，方便断层观测数据分析。触摸显示屏，实现人机交互，显示测量浓度值、单位、***时间、环境参数以及监测装置的功能菜单。电源模块由可充电电池供电，并进行了欠压保护、过流保护、防静电设计，防止输入电压异常导致后续核心部件损坏、电路中的异常短路导致电流过大以及接触瞬间静电击穿IC芯片导致电路损坏的现象发生。
本发明地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置的监测方法为：进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口构成测量气路，所述的第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和净化装置连成封闭回路，构成自校准循环气路；测量时，气体从进气口进入，经过第一电磁阀流入降湿装置，由降湿装置吸收气体中的水蒸汽，再流经流量控制器流入CO2传感检测单元，CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理完成吸收光和电信号的转换，输出反应CO2浓度的传感信号给所述的主控电路，接着气体流过第二电磁阀并从出气口流出；自校准时，自校准循环气路中的气体在封闭回路中循环流动，降湿装置吸收气体中的水蒸汽，净化装置吸收气体中的CO2气体，10秒内净化装置能完全吸收自校准循环气路中的CO2气体，此时CO2传感器将零气浓度响应的传感器信号输出至主控电路，作为仪器的校准系数，以提高检测的准确性。
作为优选，所述的CO2传感检测单元内设有集温度检测、湿度检测和气压检测于一体的集成传感器，集成传感器和所述的主控电路相连；所述的监测方法包括环境因子修正方法：集成传感器采集流入CO2传感检测单元中的气体的温度、湿度及气压值，并输送给主控电路，主控电路通过环境因子修正CO2传感检测单元的光吸收度，即：I＝K×I0，其中I为修正后的光吸收度，I0为CO2传感检测单元通过红外吸收光谱原理获得的光吸收度，K为环境因子，最后获得经过环境因子修正的CO2浓度值。实现环境因素的修正，从而获得更准确的CO2浓度值，提高CO2浓度检测的准确性，提高监测装置的环境适应性及环境抗干扰性能。
本发明的有益效果是：体积小，功耗低，便于携带，能在地震前兆流动观测点的恶劣环境中使用，现场实时获取CO2浓度值，时效性好，准确度高。CO2传感检测单元基于红外吸收原理采用集成设计，气室内置红外光源、CO2浓度探测器、集温度、湿度和气压检测于一体的集成传感器，旁流式的气室结构结合镜面内壁，提高了传感器的检测限，缩短了响应速度，同时实现多参数测量，利用环境因子对CO2浓度值进行修正，提高CO2浓度检测的准确性，提高监测装置的环境适应性及环境抗干扰性能。本发明通过自校准循环气路实现自动零气校准，进一步提高监测装置的准确度和可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种***结构示意图。
图2是本发明中CO2传感检测单元的一种剖视结构示意图。
图3是本发明中主控电路的一种电路原理连接结构框图。
图中1.进气口，2.第一电磁阀，3.降湿装置，4.流量控制器，5.CO2传感检测单元，6.第二电磁阀，7.净化装置，8.出气口，9.单片机单元，10.数据处理单元，11.触摸显示屏，12.GPS定位模块，13.电源单元，51.半球面罩体，52. 平板，53.红外光源，54.CO2浓度探测器，55.进气通道，56.出气通道，57.集成传感器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，如图1所示，包括进气口1、第一电磁阀2、降湿装置3、流量控制器4、CO2传感检测单元5、第二电磁阀6、净化装置7、出气口8和主控电路，进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口依次相连，净化装置的一端和第一电磁阀相连，净化装置的另一端和第二电磁阀相连。进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口构成测量气路；第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和净化装置连成封闭回路，构成自校准循环气路。为减少测量气路的死体积，提高测量响应时间，通过流量控制器使测量气路采样流量固定在300～ 400ml/min，气路连接管路管径小于3mm，测量响应时间小于5秒。进行自校准时，流量控制器通过调节内循环气体流量至30～60ml/min，提高净化装置的吸收效率，缩短自校准响应时间。
降湿装置是一根吸收气体中水蒸汽的除湿管，直径15mm～20mm，长度为8～ 10cm，其内部填充有可恢复除湿率的除湿剂，除湿效果可达80％。净化装置是一根吸收气体中CO2气体的碱性净化管，其内部填充有多孔泡沫体，多孔泡沫体上载有强碱性粒子，碱性净化管的直径为15～20mm，长度为4～5cm，多孔泡沫体的孔径为300～500μm，吸收CO2效率可达85％，10秒内可完全吸收循环气路内的CO2气体。
如图2所示，CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理和旁流式气室结构，旁流式气室结构的气室是一个封装半球体，气室包括由一个半球面罩体51和一个平板52连接而成的壳体，气室内装有红外光源53和CO2浓度探测器54，半球面罩体的内壁镀有镜面金膜，镜面金膜的厚度为粗糙度小于1.5～2.0nm，半球面罩体的中心点连有一个朝外凸出的进气通道55，进气通道的轴线和半球面罩体的中心线重合，进气通道和流量控制器相连，平板上装有一个朝外凸出的出气通道56，出气通道位于平板的一侧，出气通道和第二电磁阀相连，红外光源安装在平板的中间位置并和进气通道正对，红外光源选用在较小的气室内辐射强度高且辐射功率稳定的点光源，CO2浓度探测器装在半球面罩体的内壁上，位于气室内部，避免受外界环境的干扰，极大的提高了响应速度，CO2浓度探测器采用双通道热释电探测器。气流方向与红外光辐射方向相反，使得红外光与气体有充分的接触时间，增加吸收灵敏度，提高探测器的灵敏度及响应时间，响应时间T90≤15秒，测量量程为0～600000ppm，最小分辨率达到10ppm，误差≤读数的5％。进气通道内装有集温度检测、湿度检测和气压检测于一体的集成传感器57，集成传感器的温度量程为-40℃～85℃，测温精度0.1℃，湿度量程5～100％，相对湿度精度5％，气压量程为300hPa～1100hPa，压力精度0.03hPa。
如图3所示，主控电路包括单片机单元9、数据处理单元10、触摸显示屏 11、GPS定位模块12及为主控电路提供工作电压的电源单元13，数据处理单元、触摸显示屏及GPS定位模块分别和单片机单元相连，单片机单元输出的控制信号分别和第一电磁阀、第二电磁阀、红外光源相连，CO2浓度探测器、集成传感器输出的传感信号分别和数据处理单元相连。采用了高速度、高集成度、低功耗、高抗损坏性、多接口的微控制器作为单片机单元，结合嵌入式操作***以及模块化设计，实现单次测量、连续测量、数据采集、显示、人机交互操作、数据存储以及***时钟功能。作为主控芯片的单片机选用ARM Cortex-M4内核的STM32F407VGT6处理器，168Mhz的主频，192KB的SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。片上ADC转换器采集传感器的电信号，处理器和ADC转换器之间的数据传输为DMA模式。采用DMA模式快速传输数据，有效减轻***运算压力。处理器的软件层采用嵌入式操作***，实时性强、功能多，定义了包括单次测量、连续测量、数据采集、显示、人机交互操作、数据存储以及***时钟7个相对独立的任务，这些任务由微控制***统一调度，分配资源，协调各个任务的运行，保证***的高效运行，同时避免了某一任务出错时造成的***瘫痪。CO2浓度探测器输出反应CO2浓度的传感信号给数据处理单元，集成传感器测得的温度、湿度及气压值也输送给数据处理单元，由数据处理单元通过环境因子修正CO2浓度探测器的光吸收度，即：I＝K×I0，其中I为修正后的光吸收度，I0为CO2浓度探测器通过红外吸收光谱原理获得的光吸收度，K为环境因子，修正后的CO2浓度值输送给单片机单元，由单片机单元经过处理再送触摸显示屏显示。通过实验获得不同温度、气压和湿度条件下的环境因子K，然后利用温度、湿度、气压与环境因子之间呈现出的特殊曲线关系，写入数据处理单元中。数据处理单元带有存储电路，存储电路用于保存所有测量数据，并将数据根据时间顺序传输至移动存储设备。数据处理单元的存储电路应用USB串行数据传输技术，内置FAT文件***，差分信号采用阻抗匹配设计，实现实时数据自动保存功能。此外，主控电路中的存储电路通过IIC 接口接受GPS定位模块数据，用于野外观测点定点观测记录，方便断层观测数据分析。触摸显示屏，实现人机交互，显示测量浓度值、单位、***时间、环境参数以及监测装置的功能菜单。电源模块由可充电电池供电，并进行了欠压保护、过流保护、防静电设计，防止输入电压异常导致后续核心部件损坏、电路中的异常短路导致电流过大以及接触瞬间静电击穿IC芯片导致电路损坏的现象发生，电源模块带有电池保护电路，通过检测电池电量来控制电池充电时间和次数，从而保护电池，延长电池的使用寿命，可为***持续供电15小时以上。
本实施例便携式CO2监测装置的尺寸为75×140×190mm，重量＜1.5kg，功耗＜4W。
上述地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置的监测方法为：进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口构成测量气路；第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和净化装置连成封闭回路，构成自校准循环气路。
测量时，驱动红外光源，气体从进气口进入，经过第一电磁阀流入降湿装置，由降湿装置吸收气体中的水蒸汽，再流经流量控制器流入CO2传感检测单元， CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理完成吸收光和电信号的转换，输出反应 CO2浓度的传感信号给数据处理单元，集成传感器测得的温度、湿度及气压值也输送给数据处理单元，接着气体流过第二电磁阀并从出气口流出；由数据处理单元实现环境因子修正方法：通过环境因子修正CO2浓度探测器的光吸收度，即： I＝K×I0，其中I为修正后的光吸收度，I0为CO2浓度探测器通过红外吸收光谱原理获得的光吸收度，K为环境因子，最后获得经过环境因子修正的CO2浓度值并输送给单片机单元，由单片机单元经过处理再送触摸显示屏显示。
自校准时，自校准循环气路中的气体在封闭回路中循环流动，降湿装置吸收气体中的水蒸汽，净化装置吸收气体中的CO2气体，10秒内净化装置能完全吸收自校准循环气路中的CO2气体，此时通过触摸显示屏上的触摸按键将显示的 CO2浓度值调整到零位，实现监测装置的零气校准。
本发明的监测装置，体积小，功耗低，便于携带，能在地震前兆流动观测点的恶劣环境中使用，现场实时获取CO2浓度值，时效性好，准确度高。CO2传感检测单元基于红外吸收原理采用集成设计，气室内置红外光源、CO2浓度探测器及集温度、湿度和气压检测于一体的集成传感器，旁流式的气室结构结合镜面内壁，提高了传感器的检测限，缩短了响应速度，同时实现多参数测量，利用环境因子对CO2浓度值进行修正，提高CO2浓度检测的准确性，提高监测装置的环境适应性及环境抗干扰性能。本发明通过自校准循环气路实现自动零气校准，进一步提高监测装置的准确度和可靠性。
Claims (7)
1.一种地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于包括进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀、净化装置、出气口和主控电路，进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口依次相连，净化装置的一端和所述的第一电磁阀相连，净化装置的另一端和所述的第二电磁阀相连，第一电磁阀、第二电磁阀及CO2传感检测单元分别和主控电路相连；所述的CO2传感检测单元包括旁流式气室结构，旁流式气室结构的气室包括由一个半球面罩体和一个平板连接而成的壳体，CO2传感检测单元还包括设于壳体内的红外光源和CO2浓度探测器，半球面罩体的中心点设有朝外凸出的进气通道，进气通道的轴线和半球面罩体的中心线重合，进气通道和所述的流量控制器相连，平板上设有朝外凸出的出气通道，出气通道位于平板的一侧，出气通道和所述的第二电磁阀相连，所述的红外光源设在平板上并和进气通道正对，气流方向与红外光辐射方向相反；所述的CO2浓度探测器设在半球面罩体的内壁上，CO2浓度探测器、红外光源分别和所述的主控电路相连；
地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置的监测方法包括：所述的进气口、第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和出气口构成测量气路，所述的第一电磁阀、降湿装置、流量控制器、CO2传感检测单元、第二电磁阀和净化装置连成封闭回路，构成自校准循环气路；测量时，气体从进气口进入，经过第一电磁阀流入降湿装置，由降湿装置吸收气体中的水蒸汽，再流经流量控制器流入CO2传感检测单元，CO2传感检测单元采用红外吸收光谱原理完成吸收光和电信号的转换，输出反应CO2浓度的传感信号给所述的主控电路，接着气体流过第二电磁阀并从出气口流出；自校准时，自校准循环气路中的气体在封闭回路中循环流动，降湿装置吸收气体中的水蒸汽，净化装置吸收气体中的CO2气体，10秒内净化装置能完全吸收自校准循环气路中的CO2气体，此时CO2传感器将零气浓度响应的传感器信号输出至主控电路，作为监测装置的自校准系数；
其中，通过流量控制器使测量气路采样流量固定在300～400mL/min，测量气路连接管路管径小于3mm，测量响应时间小于5秒；进行自校准时，流量控制器通过调节内循环气体流量至30～60mL/min。
2.根据权利要求1所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的净化装置是一根碱性净化管，其内部填充有多孔泡沫体，多孔泡沫体上载有强碱性粒子。
3.根据权利要求2所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的碱性净化管的直径为15～20mm，长度为4～5cm，所述的多孔泡沫体的孔径为300～500μm。
4.根据权利要求1所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的降湿装置是一根除湿管，其内部填充有可恢复除湿率的除湿剂。
5.根据权利要求1所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的半球面罩体的内壁镀有镜面金膜，镜面金膜的厚度为500～800Å，粗糙度小于1.5～2.0nm。
6.根据权利要求1所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的进气通道内设有集温度检测、湿度检测和气压检测于一体的集成传感器，集成传感器和所述的主控电路相连；
所述的监测方法包括环境因子修正方法：集成传感器采集流入CO2传感检测单元中的气体的温度、湿度及气压值，并输送给主控电路，主控电路通过环境因子修正CO2传感检测单元的光吸收度，即：I=K×I0，其中I为修正后的光吸收度，I0为CO2传感检测单元通过红外吸收光谱原理获得的光吸收度，K为环境因子，最后获得经过环境因子修正的CO2浓度值。
7.根据权利要求1或2或4所述的地震前兆流动观测用便携式CO2监测装置，其特征在于，所述的主控电路包括单片机单元、数据处理单元、触摸显示屏、GPS定位模块及为主控电路提供工作电压的电源单元，数据处理单元、触摸显示屏及GPS定位模块分别和单片机单元相连，单片机单元分别和所述的第一电磁阀、第二电磁阀及CO2传感检测单元相连，CO2传感检测单元输出的传感信号和所述的数据处理单元相连。
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