УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭМИССИИ ПАРОВ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПОЧВЫ Российский патент 2024 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения концентраций паров летучих жидкостей над почвами с использованием камер для отбора проб, оснащенных анализатором газов. Устройство может быть использовано в экологии для установления предельно допустимых концентраций техногенных летучих веществ в почвах по воздушно-миграционному показателю, оценки уровня загрязнения почв аварийно химически опасными веществами при их разливах.

Известно устройство для определения эмиссии СО₂ из почв, включающее герметичную камеру и измерительный прибор Li-COR 6400. Устройство включает металлический цилиндр со съемным основанием, которое закрепляется в почве. К основанию герметично прикрепляется камера, которая оснащена вентилятором, датчиком температуры, отверстиями для уравновешивания давления внутри камеры, системой воздухопроводящих трубок, по которым воздух нагнетается в камеру и подается к измерительному устройству [Li-COR, Environmental and Biotechnological research systems. Soil C02 Flux Chamber. Режим доступа: http://www.licor.com/env/pdf /photosynthesis/6400-09_Soil_Flux_Chamber.pdf]. Основным недостатком этого устройства являются низкая мобильность из-за громоздкости оборудования.

Ближайшим аналогом является устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы и растений [RU 2518979 С1, опубл. 10.06.2014, режим доступа: https://patents.s3.yandex.net/RU2518979C1_20140610.pdf -прототип]. Устройство состоит из разъемных цилиндрической камеры и основания. Камера крепится к основанию посредствам горизонтальных пластин с зажимами. Основание плотно устанавливается на почву и герметично закрывается камерой. К недостаткам прототипа относятся: высокая трудоемкость из-за необходимости многократного отбора газовых проб шприцем из камеры; низкая точность оценки эмиссии газов из почвы из-за стадий отбора проб, их консервации и транспортирования в лабораторию для проведения количественного анализа, из-за принудительного вентилирования камеры, влияющего на естественную скорость эмиссии летучих веществ из почвы, ограниченный интервал температур исследуемых почв.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости и повышение точности оценки эмиссии паров летучих веществ из почвы в широком диапазоне температур.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения эмиссии паров летучих веществ из почвы, содержащее основание, устанавливаемое на почву, к которому герметично крепится камера, согласно изобретению, дополнительно оснащается пьезосенсорным газоанализатором, соединенным с блоками передачи аналитического сигнала газоанализатора, обработки аналитического сигнала, хранения и отображения информации, с контроллером-1 и контроллером-2, а в верхней части камеры закрепляются нагреватель почвы и измеритель температуры почвы, соединенные с контроллером-1, в стенках камеры расположены автоматически закрываемые и открываемые затворы, соединенные с контроллером-1 и контроллером-2.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения эмиссии паров летучих веществ из почвы введены пьезосенсорный газоанализатор, соединенный с блоками передачи аналитического сигнала газоанализатора, обработки аналитического сигнала, хранения и отображения информации, с контроллером-1 и контроллером-2, а в верхней части камеры закрепляются нагреватель почвы и измеритель температуры почвы, соединенные с контроллером-1, в стенках камеры расположены автоматически закрываемые и открываемые затворы, соединенные с контроллером-1 и контроллером-2.

Структурная схема устройства приведена на фигуре 1, где обозначено: 1 - почва; 2 - основание; 3 - камера; 4 - измеритель температуры почвы; 5 -нагреватель почвы; 6 - контроллер-1; 7 - затворы; 8 - пьезосенсорный газоанализатор; 9 - блок передачи информации; 10 - блок обработки, отображения и хранения информации; 11 - контроллер-2.

Внутри камеры закрепляется газоанализатор, например, пьезосенсорный, описание которого представлено в патенте на изобретение «Газоанализатор с открытым входом на основе пьезосенсоров» [RU 2302627 С1, опубл. 10.07.2007, режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=37583421]. Газоанализатор измеряет концентрацию летучих веществ над поверхностью почвы в полевых условиях без стадий пробоотбора и пробоподготовки, во время которых происходят значительные потери аналитов, что приводит к росту общей погрешности анализа [Лобачев А.Л., Лобачева И.В. Ревинская Е.В. Пробоотбор и пробоподготовка в анализе объектов окружающей среды. Самара: Самарский университет, 2005]. Над поверхностью почвы помещается нагреватель почвы (например, кварцевый излучатель инфракрасного спектра с отражателем, направляющим свет на почву https://nomacon.ru/katalog-tovarov/infrakrasnye-nagrevateli/kvarcevye-izluchateli-serii-ikn-400/model-ikn-402.html). В корпус монтируется измеритель температуры почвы (например, марки СФ-15 https://peleng.by/products/meteorology/97). Температура почвы оказывает значительное влияние на эмиссию паров [Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 304 с]. Поэтому для повышения точности оценки эмиссии паров летучих веществ из почв необходим контроль их температуры. Кроме того, при низких температурах проведение анализа в полевых условиях невозможно вследствие снижения летучести веществ. С помощью контроллера-1 (например, программируемого логического контроллера https://canny.ru/docs/common_plc/) при достижении заданной температуры почв, зафиксированной измерителем температуры, автоматически отключается нагреватель, закрываются затворы камеры и включается анализатор газов. Затворы в стенках камеры на время проведения измерений герметично закрываются для установления условного концентрационного равновесия летучих веществ в системе «почва/воздух», при наступлении которого фиксируют аналитический сигнал, функционально связанный с концентрацией газов внутри камеры, как указано в патенте на изобретение [RU 2650437 С2, опубл. 13.04.2018, режим доступа https://elibrary.ru/item.asp?id=41030143]. После измерения концентрации летучих веществ в воздухе затворы в стенках камеры автоматически открываются с помощью контроллера-2 для поступления в камеру воздуха, что обеспечивает естественную (равномерную) эмиссию летучих веществ из почвы и регенерацию чувствительного элемента газоанализатора. Аналитический сигнал газоанализатора передается по беспроводной сети (например, с помощью радиомодуля https://habr.com/ru/post/584264/) к блоку обработки и хранения информации (например, к персональному компьютеру).

Устройство для измерения эмиссии летучих веществ из почвы работает следующим образом. В почву (1) заглубляется основание (2) устройства, к которому герметично присоединяется камера (3) с открытыми затворами (7). В камере (3) содержатся измеритель температуры почвы (4), нагреватель почвы (5), пьезосенсорный газоанализатор (8). Одновременно включаются измеритель температуры почвы (4) и нагреватель почвы (5), подсоединенные к контроллеру-1 (6). При достижении заданной температуры почвы одновременно выключаются нагреватель почвы (5) и закрываются затворы (7), включается пьезосенсорный анализатор газов (8), которые также связаны с контроллером-1 (6). При закрытии затворов (7) происходит насыщение камеры (1) парами летучего вещества, эмитирующего из почвы. Пропорционально концентрации летучего вещества в камере (3) меняется аналитический сигнал пьезосенсорного газоанализатора (8), который через блок передачи информации (9) передается в блок обработки, отображения и хранения информации (10). При наступлении равновесия в камере (3), когда аналитический сигнал перестает изменяться, с помощью контроллера-2 (11) связанные с ним пьезосенсорный газоанализатор (8) автоматически выключается, а затворы (7) переходят в открытое состояние. Через открытые затворы (7) в камеру (3) поступает чистый воздух, при этом происходит регенерация стенок камеры и пьезосенсорного газоанализатора. После регенерации устройства возможно повторное измерение эмиссии летучих веществ из почв.

Устройство для измерения эмиссии паров летучих веществ из почвы позволяет повысить точность анализа благодаря использованию пьезосенсорного газоанализатора внутри камеры, что исключает стадии отбора, транспортирования и подготовки проб для анализа в лаборатории; благодаря затворам в стенках камеры, через которые осуществляется естественное вентилирование камеры и обеспечивается равномерная эмиссия паров летучих веществ из почвы, за счет нагревания почвы и контроля ее температуры. Нагреватель почвы позволяет проводить оценку эмиссии летучих веществ в широком интервале температур, в том числе в условиях заморозков. За счет автоматизации процессов измерения концентрации летучих веществ над почвами, вентилирования камеры, а также благодаря беспроводной передачи аналитического сигнала газоанализатора к блоку обработки, хранения и отображения информации снижается трудоемкость проводимых измерений.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения концентраций паров летучих жидкостей над почвами с использованием камер для отбора проб, оснащенных анализатором газов. Устройство для измерения эмиссии паров летучих веществ из почвы содержит основание, устанавливаемое на почву, к которому герметично крепится камера. Устройство дополнительно оснащено пьезосенсорным газоанализатором, соединенным с блоками передачи аналитического сигнала газоанализатора, обработки аналитического сигнала, хранения и отображения информации, с контроллером-1 и контроллером-2, а в верхней части камеры закрепляются нагреватель почвы и измеритель температуры почвы, соединенные с контроллером-1, в стенках камеры расположены автоматически закрываемые и открываемые затворы, соединенные с контроллером-1 и контроллером-2. Техническим результатом является снижение трудоемкости и повышение точности оценки эмиссии паров летучих веществ из почвы в широком диапазоне температур. 1 ил.

Устройство для измерения эмиссии паров летучих веществ из почвы, содержащее основание, устанавливаемое на почву, к которому герметично крепится камера, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено пьезосенсорным газоанализатором, соединенным с блоками передачи аналитического сигнала газоанализатора, обработки аналитического сигнала, хранения и отображения информации, с контроллером-1 и контроллером-2, а в верхней части камеры закрепляются нагреватель почвы и измеритель температуры почвы, соединенные с контроллером-1, в стенках камеры расположены автоматически закрываемые и открываемые затворы, соединенные с контроллером-1 и контроллером-2.