CN117347456A - 内陆水体二氧化碳分压在线自动检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法，该检测装置包括传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)、钢筋混凝土锚点(4)、线缆(5)、固定浮球(6)、采集模块(7)、警示灯(8)、信号发射器(9)和光伏板(10)；传感器(1)为Orion 9502BNWP二氧化碳电极，传感器(2)为PT100温度传感器，传感器(3)为pH电极，采集模块(7)内置有算子器件，算子器件用于对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号。该检测装置及其检测方法能自动实现定点、长时间序列水体中二氧化碳分压(pCO2)的检测，且使用方便，检测数据准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及水文学、水化学、生态学、环境科学、自然地理学、全球气候变化等多学科领域，具体涉及一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法。
背景技术
受全球气候变化影响，准确估算全球碳收支对未来的可持续发展至关重要。内陆水体(河流，湖泊和水库)是全球碳循环的重要组成部分，可以输移和转化大量源于自然和人类活动的碳，有的区域作为碳源向大气中排放以CO2为主的温室气体，对大气中温室气体的浓度产生直接影响，有的区域作为碳汇，吸纳自然界中的CO2，形成碳迁移沉积与埋藏。因此，准确估算内陆水体的CO2收支情况在全球碳循环的研究中有非常重要的意义。
目前，水体中二氧化碳分压(pCO2)定量技术多采用移动浮箱法的现场收集气体和取样后采用顶空法萃取气体，基本原理是被测物质在气-液或气-固相中的两相平衡，然后利用实验仪器装置(如气相色谱仪)对气体进行测试分析。目前已有的移动浮箱法(如图1所示)和样品顶空法(如图2所示)，是一种简单可靠的测定水体中pCO2的分析方法，移动浮箱法是在一个密闭的容器中，在水体缓慢移动，使其表层水体与封箱上方的气体达到平衡，使用便携式气体分析仪在线检测或直接抽取上方气体进行测定的技术；样品顶空法，通常用有硅胶隔垫片盖的玻璃瓶作为密闭***，内装样品，摇床或振荡器摇晃一段时间，待瓶内气体平衡后抽取顶空的气体，或者利用吹扫流动气体将水体中溶解气体顶空出来，抽取上方气体进行测定的技术。但现有技术存在一些问题，两种技术均需要特定的科学实验仪器如气相色谱仪对气体进行定量分析，这些仪器设备复杂，不便于野外操作，并且测试花费昂贵。另外，移动浮箱法需要浮箱不停的在表层水体移动，获取非定点的数据，而不是特定移动区域的综合数据；缓慢移动时封箱与接触水体之间的摩擦产生人工湍流或快速移动时箱壁不能延伸到水体表层内部，叠加水体流速的影响，将造成封箱内平衡气体的巨大误差。样品顶空法不能很好的将水中溶解气体充分的分离，并很难彻底将气体平衡后顶空的气体全部彻底取出测量气体量；需要特定的吹扫气体，一般用惰性气体(如氩气、氮气)，需要的气体量较多，难以收集、储存、运输，且成本较高；吹扫气体需要用到特定仪器，如氮吹仪，这些设备复杂，不便于野外取样操作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法，该检测装置能自动实现定点、长时间序列水体中二氧化碳分压(pCO2)的检测。
具体地，通过以下几个方面的技术方案实现了本发明：
在第一个方面中，本发明提供了一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，包括传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)、钢筋混凝土锚点(4)、线缆(5)、固定浮球(6)、采集模块(7)、警示灯(8)、信号发射器(9)和光伏板(10)；所述传感器(1)、传感器(2)和传感器(3)与采集模块(7)相连接，所述传感器配备有RS485通讯接口，通过RS485通讯接口可使传感器采集的信号上传至采集模块(7)；所述传感器(1)为Orion 9502BNWP二氧化碳电极，所述传感器(2)为PT100温度传感器，所述传感器(3)为pH电极，所述采集模块(7)内置有算子器件，采集模块(7)用于传感器信号采集及计算与输出，并对信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储；所述算子器件用于对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值。
优选的，上述传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)可以集成在一起形成一个多参数传感器模块。
进一步地，上述内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置还可包括现场检测盐分的传感器，根据盐度信号值改进公式(1)实现二氧化碳分压(pCO2)的在线检测。
在第二个方面中，本发明提供了一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测方法，其具有上述的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，包括以下步骤：
(1)在室内，利用pH缓冲液对传感器(3)和利用NaHCO3标准溶液对传感器(1)分别进行标定；
(2)在野外，用钢筋混凝土锚点将装置固定在待检测水体固定点的位置，通过固定浮球和线缆调整，使得3个传感器探头位于水面以下5–10cm深处位置，利用光伏板给自动检测装置供电；
(3)检测装置利用传感器(2)检测得到的精确温度信号对传感器(1)和传感器(3)的信号进行自动温度补偿校正；
(4)通过采集模块采集3个传感器的信号，基于水体中化学离子平衡关系和亨利定律，通过采集模块中内置的算子器件，对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值；
(5)通过采集模块对获得的二氧化碳分压(pCO2)输出信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法，能自动实现定点、长时间序列水体中二氧化碳分压(pCO2)的检测。
(2)本发明的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置使用方便，检测数据能实现无线传送和PC端接收。
(3)本发明的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法，不会改变原有水体的环境条件，自动在线检测数据准确性高。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为移动浮箱法示意图。
图2为样品顶空法示意图。
图3为本发明的水体中二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置图。
图4为本发明的检测方法与顶空法-气相色谱仪检测数据的箱型统计图和线性相关性对比图。
图中：1传感器，2传感器，3传感器，4钢筋混凝土锚点，5线缆，6固定浮球，7采集模块，8警示灯，9信号发射器，10光伏板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
实施例1
如图3所示，本发明的一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，包括传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)、钢筋混凝土锚点(4)、线缆(5)、固定浮球(6)、采集模块(7)、警示灯(8)、信号发射器(9)和光伏板(10)；所述传感器(1)、传感器(2)和传感器(3)与采集模块(7)相连接，所述传感器配备有RS485通讯接口，通过RS485通讯接口可使传感器采集的信号上传至采集模块(7)；所述传感器(1)为Orion 9502BNWP二氧化碳电极，用于快速测量水体中的碳酸氢根的浓度；所述传感器(2)为PT100温度传感器，用于测量水体的温度；所述传感器(3)为pH电极，用于测量水体的pH值；所述采集模块(7)内置有算子器件，采集模块(7)用于传感器信号采集及计算与输出，并对信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储；所述算子器件用于对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值。
实施例2
内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测方法，其具有上述的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，包括以下步骤：
(1)在室内，利用pH缓冲液(2.00mM/L、4.01mM/L、7.00mM/L、9.21mM/L和10.00mM/L)对传感器(3)和利用NaHCO3标准溶液(0.1mM/L、0.5mM/L、1.0mM/L、5.0mM/L和10.0mM/L)对传感器(1)分别进行标定；
(2)在野外，用钢筋混凝土锚点将装置固定在待检测水体固定点的位置，通过固定浮球和线缆调整，使得3个传感器探头位于水面以下5–10cm深处位置，利用光伏板给自动检测装置供电；
(3)检测装置利用传感器(2)检测得到的精确温度信号对传感器(1)和传感器(3)的信号进行自动温度补偿校正；
(4)通过采集模块采集3个传感器的信号，基于水体中化学离子平衡关系和亨利定律，通过采集模块中内置的算子器件，对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值；
(5)通过采集模块对获得的二氧化碳分压(pCO2)输出信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储。
实施例3
评估本发明的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置及其检测方法的可靠性
对一条河流沿程78个样点，利用本发明的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置获取信号S1的值、信号S2的值和信号S3值，通过上述公式(1)获得水体中二氧化碳分压(pCO2)信号S的值。同时，对水体样品采集，利用顶空法技术和室内仪器气相色谱仪进行测试分析，获得水体中二氧化碳分压(pCO2)值。对两种技术方法获得的数据进行单因素方差分析，F>Fcrit，p值为0.0356，显然小于0.05，说明两组数据有显著性差异。两种方法对比结果如图4所示，利用本发明的检测装置及其检测方法获得的数据与顶空法-气相色谱仪获得的数据具有非常强的相关性，相关系数R2达到0.86，说明整体数据变化趋势一致；但是，由于样品顶空法改变了原有的水体环境、水样容器带回室内操作引起环境温度变化，再加上顶空法不能很好的将水中溶解气体充分的分离、并很难彻底将气体平衡后顶空的气体全部取出测量气体量，因此，相比本发明的方法，样品顶空法-气相色谱仪所获得的数据均值偏小、变化幅度较小；由此表明本发明的检测装置及其检测方法具有更好的代表性和准确性。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，其特征在于，包括传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)、钢筋混凝土锚点(4)、线缆(5)、固定浮球(6)、采集模块(7)、警示灯(8)、信号发射器(9)和光伏板(10)；所述传感器(1)、传感器(2)和传感器(3)与采集模块(7)相连接，所述传感器配备有RS485通讯接口，通过RS485通讯接口可使传感器采集的信号上传至采集模块(7)；所述传感器(1)为Orion 9502BNWP二氧化碳电极，所述传感器(2)为PT100温度传感器，所述传感器(3)为pH电极，所述采集模块(7)内置有算子器件，采集模块(7)用于传感器信号采集及计算与输出，并对信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储；所述算子器件用于对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值。
2.根据权利要求1所述的在线自动检测装置，其特征在于，所述传感器(1)、传感器(2)、传感器(3)可以集成在一起形成一个多参数传感器模块。
3.根据权利要求1所述的在线自动检测装置，其特征在于，所述在线自动检测装置还可包括现场检测盐分的传感器，根据盐度信号值改进所述公式(1)实现二氧化碳分压(pCO2)的在线检测。
4.一种内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测方法，其特征在于，所述方法具有权利要求1-3中任一项所述的内陆水体二氧化碳分压(pCO2)在线自动检测装置，包括以下步骤：
(1)在室内，利用pH缓冲液对传感器(3)和利用NaHCO3标准溶液对传感器(1)分别进行标定；
(2)在野外，用钢筋混凝土锚点将装置固定在待检测水体固定点的位置，通过固定浮球和线缆调整，使得3个传感器探头位于水面以下5–10cm深处位置，利用光伏板给自动检测装置供电；
(3)检测装置利用传感器(2)检测得到的精确温度信号对传感器(1)和传感器(3)的信号进行自动温度补偿校正；
(4)通过采集模块采集3个传感器的信号，基于水体中化学离子平衡关系和亨利定律，通过采集模块中内置的算子器件，对采集到的3个传感器信号进行计算，获得二氧化碳分压(pCO2)输出信号S(单位，μatm)，计算公式为：
式中S1为传感器(1)测量得到的水体中的碳酸氢根的浓度，单位为mM/L；
S2为传感器(2)测量得到的水体的温度，单位为K；
S3为传感器(3)测量得到的水体的pH值；
(5)通过采集模块对获得的二氧化碳分压(pCO2)输出信号进行存储或无线传送到办公室PC端进行存储。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117871793A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-12 | 自然资源部第二海洋研究所 | 一种考虑降水影响的海-气二氧化碳通量估测方法 |
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