Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу



Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии со2 в атмосферу
G01N2033/245 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2660380:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова" (ФГБНУ "ВНИИ агрохимии") (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля экологического обустройства окружающей среды. Изобретение представляет собой портативный респирометрический прибор с автономным питанием, рассчитанный на оперативный контроль дыхательной эмиссии СО2 непосредственно по месту проведения почвенного мониторинга различных природно-хозяйственных объектов. Предложен портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии СO2 в атмосферу, который представляет собой устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного автоматического ИК-газоанализатора СO2. По дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая стороны камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом. Технический результат - универсальность, предполагающая возможность почвенного мониторинга либо с помощью учетных площадок, либо с помощью специально отобранных почвенных проб, кернов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение предназначено для использования в сельском хозяйстве и в отраслях народного хозяйства, отвечающих за экологическое обустройство окружающей среды при переработке органических отходов, рекультивации, восстановлении и озеленении территорий, выведенных из хозяйственного оборота.

Интенсивность эмиссии СО2 («дыхание» почвы) является одним из основных показателей биологической активности почвы и ее плодородия. В то же время почва вследствие воздушной миграции СО2 в атмосферу оказывается включенной в биосферный круговорот углерода в качестве одного из основных его продуцентов.

В указанных обстоятельствах мониторинг эмиссионных потоков СО2 из почвы в атмосферу имеет важное значение для решения практических и научных задач управления процессами метаболизма углеродсодержащих веществ в земледелии, почвоведении, экологии.

Соответственно технические средства измерения (почвенные респирометры) должны быть приспособлены к работе в системе почвенного мониторинга.

Принцип их работы основан на применении специальных камер для выборочной атмосферной изоляции отдельных представительских образцов, в качестве которых в одном варианте могут быть использованы небольшие (до 1 м2) учетные площадки, выделяемые в границах территории, занимаемой обследуемым природным почвенным объектом. В другом варианте - это почвенные навески, керны, забираемые пробоотборником из корневой зоны и междурядий на глубину 20 см, в которой почвенный горизонт имеет наиболее высокий уровень биологической активности.

Примеры показаны на с. 163 (фото 6.3) и с. 172 (рис. 6.5) в книге: Д.Л. Роуэлл «Почвоведение: методы и использование». М.: Колос, 1998. - 486 с. Первое изображение представляет собой прозрачную пластиковую полусферу диаметром около 1 м, установленную с легким углублением на поверхность почвы; второе - стандартную стеклянную колбу объемом 250 см3 с пробкой и размещенной внутри почвенной навеской 50 г. Как видно, используются камеры 2 типов: открытого в форме колпака или закрытого в форме какого-либо герметически закрываемого сосуда. Если такую камеру оснастить приспособлением для измерения количества «собранной» при дыхании углекислоты, получается почвенный респирометр.

Известно, например, что для этого внутри камеры на все время экспозиции размещают открытую чашку с налитым в нее специальным щелочным раствором, который поглощает углекислоту в темпе, одинаковом со скоростью ее выделения контролируемым образцом. В конце измерения по результатам титрования «отработанного» раствора рассчитывают общее количество выделенного почвой СО2, попавшего в камеру и, соответственно, поглощенного щелочью.

Наиболее подробно данный способ, называемый абсорбционным, в лабораторном его исполнении описан на с. 172-175 в упомянутой выше книге Д.Л. Роуэлла. Там же показано, каким образом полученные данные пересчитываются в эквивалентное количество СО2, отнесенное к объектам мониторинга, измеренным или в единицах площади (м2, га), или массы (г, кг, т).

Известные устройства, основанные на абсорбционном методе, описаны в следующих работах:

- В.И. Штатнов. К методике определения биологической активности почвы // Доклады ВАСХНИЛ, 1952, вып. 6, с. 27-33.

- Б.Н. Макаров. Упрощенный метод определения дыхания почвы (и биологической активности) // Почвоведение, 1957, №9, с. 119-122.

- Б.Н. Макаров. К методике определения интенсивности выделения СО2 из почвы // Почвоведение, 1970, №5, с. 139-143.

- И.Н. Шарков. Определение интенсивности продуцирования СО2 почвой абсорбционным методом // Почвоведение, 1984, №7, с. 135-143.

Кроме метода абсорбции известен также другой подход, называемый способом обогащения, который основан на измерении скорости увеличения концентрации СО2 в камере под влиянием почвенного дыхания. Его конструктивная реализация описана в работе: Б.Н. Макаров. Динамика газообмена между почвой и атмосферой в течение вегетационного периода под различными культурами севооборота // Почвоведение, 1952, №3, с. 271-277.

В качестве изолирующей камеры использовали стеклянный домик. Из него дважды с интервалом в 30 минут отбирали аспиратором две газовые пробы, каждая объемом по 2 л. В этих пробах с помощью поглотителя Рихтера определяли количество СО2 и уже по разности содержаний СО2 между пробами с учетом соотношения между величинами объемов проб и «свободным» воздушным объемом внутри камеры рассчитывали количество СО2, накопленное в камере за получасовой промежуток времени, т.е. в конечном итоге требуемую для мониторинга интенсивность эмиссии СО2 из почвы в атмосферу.

Представленные конструкции являются функциональным аналогом по отношению к заявленному проекту, но для него не подходят, прежде всего из-за несоразмерно больших габаритов и ряда других конструктивных особенностей, рассчитанных на единичное использование в научно-исследовательской работе. К таким особенностям относится необходимость выполнения во время мониторинга большого объема ручных работ с использованием трудоемких химико-аналитических приемов и средств, которые к тому же сложно автоматизировать и приспособить к работе в полевых условиях.

Большие перспективы появляются, если использовать для измерения автоматический ИК-газоанализатор, в связи с чем наиболее близким по технической сущности и результату является почвенный респирометр с камерой открытого типа в форме колпака, описанный на с. 256-259 в книге: А.В. Смагин «Газовая фаза почв». М.: МГУ, 2005. - 300 с.

Респирометр работает следующим образом. Камера своим открытым дном накрывает выбранную и подготовленную к измерению учетную площадку. Концентрация СО2 в камере измеряется с помощью портативного ИК-газоанализатора марки ПГА-7 (0-2% СО2), находящегося снаружи. Для этого в стенке камеры имеется отверстие, к которому при измерении присоединяется шприц для ручного отбора небольшой газовой пробы и ее последующей передачи в измерительный канал газоанализатора. В измерительном канале находится РЖ-сенсор СО2, сигнал которого, преобразованный и усиленный, отражается на ЖК-дисплее в виде текущих значений концентрации СО2. Последовательность этих измеренных значений используется для расчета эмиссионных потоков СО2 в соответствии с описанным выше способом обогащения.

Известным респирометром с камерой открытого типа нельзя измерять «дыхание» почвенных навесок и кернов, что ограничивает его применение в почвенном мониторинге. Другим недостатком является принудительная ручная передача газовых проб в газоанализатор, находящийся в удалении от камеры, что создает дополнительные неудобства и снижает точность измерения при работе в полевых условиях.

Поставили цель разработать устройство портативного почвенного респирометра двойного назначения с принципиально иным способом газовой коммуникации между контролируемым воздухом в камере и газоанализатором.

Конструкторская реализация была осуществлена в виде компактного портативного прибора, экспериментальный образец которого 180×120×65 мм массой 350 г (вместе с внешним источником питания - 470 г) представлен на фиг. 1а. На другом чертеже 1б этот же прибор представлен разобранным на основные элементы.

Заявленный результат был достигнут благодаря дополнительному приспособлению в виде специальной крышки, которая вместе с одним из типовых удерживающих замков и упругим уплотнителем герметически закрывает открытое дно камеры, позволяя измерять «дыхание» почвенных навесок и кернов. К тому же, такая закрытая конструкция создает возможность испытывать респирометр на герметичность и точность измерения по эталонным образцам.

Новое качество прибора по простоте и удобству эксплуатации было получено также в результате использования так называемого принципа «встраивания датчика в объект», когда контролирующий прибор или отдельный его сенсор в виде зонда, благодаря их миниатюрному размеру, удается разместить непосредственно внутри контролируемого устройства.

В данной конструкции в качестве готовых образцов были использованы: пищевой вакуумный контейнер типа GL 9215 и портативный 2-парометрический газоанализатор МТ 8057 (0-3000 ppm СО2 и 0-50°C), изготовленный по технологии NDIR. Их можно видеть на фиг. 1а. Здесь же показан внешний источник питания.

Контейнер изготовлен из прозрачного пластика и на фиг. 1б видно, что он состоит из 2 частей: собственно камеры объемом 600 см3 (поз. 1) и крышки (поз. 2) с защелками (поз. 3) и уплотнителем (поз. 4). Очевидно, что для контроля учетных площадок из полного комплекта достаточно применять только камеру. В другом же варианте дополнительно сверх стандартного набора используется специальный пластиковый лоток 135×95×40 мм (поз. 5) для почвенных образцов, укрываемых специальным воздушным фильтром в виде мягкого поролона или минеральной ваты (поз. 6).

Во время измерения прямо на этот фильтр своей тыльной перфорированной стороной укладывается непосредственно ИК-газоанализатор (поз. 7), который благодаря технологии изготовления NDIR, при имеющихся у него миниатюрных размерах корпуса 115×36×23 мм, занимает лишь сравнительно небольшую часть воздушного объема контейнера (примерно 90 см3 из 600 см3 самого небольшого контейнера из имеющихся в промышленном ассортименте). При таком непосредственном контакте газоанализатора с почвенным образцом через воздушный фильтр эмиссионный поток CO2 свободно через перфорацию в корпусе газоанализатора диффузионным образом достигает сенсорного элемента, находящегося внутри корпуса. Имеющийся на корпусе газоанализатора ЖК-дисплей позволяет через прозрачные стенки контейнера визуально наблюдать концентрацию СО2 и температуру.

В результате за счет простоты устройства и удобства эксплуатации конструкция нового респирометра получила более высокий качественный уровень.

Для проверки работоспособности разработанного прибора измерили «дыхание» дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы на делянках полевого опыта с посевом овса, выращенного на четырех разных агрофонах согласно схеме:

1. Контроль (без удобрений).

2. Минеральный (N90P90K90).

3. Органический (подстилочный навоз КРС 10 т/га).

4. Органоминеральный (подстилочный навоз КРС 7 т/га + N60P60K60).

Для измерения в августе 2016 г. в фазу восковой спелости зерна на каждом из четырех агрофонов взяли по одному почвенному образцу массой 150 г, представляющему собой механическую смесь из пяти разных 30-граммовых почвенных кернов, отобранных на глубину 20 см в пяти разных точках, распределенных по площади каждой делянки.

Каждый отобранный таким образом смешанный образец влажностью 15% размещали в герметически закрытой камере респирометра. И далее за время экспонирования, которое продолжалось 60 минут, регулярно с интервалом 5 минут с помощью ЖК-дисплея фиксировали текущие значения постепенно нарастающей концентрации СО2, вызванные почвенным «дыханием». При этом респирометр во время измерения находился в тени под защитой от прямых лучей солнца, и температура воздуха внутри респирометра не превышала 20-21°C, а влажность увеличивалась постепенно от 60 до 75%.

В результате временная динамика накопления СО2 на разных почвенных агрофонах представлена по вариантам на фиг. 2.

Расчет выполнили по формуле для изолированного воздушного объема в камере закрытого типа

где q - интенсивность эмиссии СО2, ;

V - объем изолированного внутри камеры воздуха, см3;

t - температура воздуха, °C;

m - сухая масса контролируемого почвенного образца, г;

ΔС - прирост концентрации CO2, ppm;

Δτ - интервал времени, ч.

Контролируемый почвенный образец при полевой массе отобранного образца 150 г имеет сухую массу 127,5 г (при влажности 15%) и объем 115 см3 (при полевой объемной плотности 1,3 г/см3).

Для определения величины V из объема «пустой» камеры 600 см3 вычитаются объемы, занимаемые контролируемым почвенным образцом 115 см3 и конструкцией лотка для этого образца 65 см3. В результате V=330 см3.

В окончательном виде для температуры 20°C получается следующая расчетная формула:

Рассчитанные по этой формуле данные фиг. 2 мониторинга почвенной эмиссии CO2 в атмосферу сведены в таблицу 1.

Полученные результаты измерения и близкое соответствие с данными из представленных выше известных литературных источников (Д.Л. Роуэлл, с. 175; А.В. Смагин, с. 39) подтверждают техническую реализацию заявленного проекта и возможность его использования в практических и научных целях для мониторинга почвенной эмиссии CO2 в атмосферу у различных природно-хозяйственных объектов.

1. Портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии СO2 в атмосферу представляет собой устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного автоматического ИК-газоанализатора СO2, отличающийся тем, что по дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая сторона камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ИК-сенсор газоанализатора СO2 размещается отдельно в виде зонда непосредственно внутри камеры, соединяясь с остальными элементами газоанализатора либо по проводной линии через герметический электрический разъем в стенке камеры, либо по Wi-Fi каналу.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области почвоведения, агрохимии и фармацевтической промышленности, а именно к способу выделения фракции бурых гуминовых кислот. Способ выделения фракции бурых гуминовых кислот из образца почвы, включающий сушку, измельчение, удаление органических остатков и просеивание образца почвы, проведение щелочной экстракции навески почвы раствором 0,1н.

Изобретение относится к области физики материального контактного взаимодействия. Способ определения несущей способности торфяной залежи заключается в определении физико-механических характеристик деформируемой штампом торфяной залежи верхового или низинного типа в структурированном состоянии: угла ϕ° внутреннего трения, С - удельного сцепления, γ - объемного веса, в расчете средней величины начального (первого) критического давления для торфяной залежи, соответствующего пределу длительной несущей способности торфяной залежи по схеме А.

Изобретение относится к техническим устройствам для измерения давления в пластичных и сыпучих средах, в т.ч. грунтах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в составе системы контроля состояния почвы на агрономическом объекте. Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы включает блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему датчики параметров окружающей среды и передающий блок.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в составе системы контроля состояния почвы на агрономическом объекте. Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы включает блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему датчики параметров окружающей среды и передающий блок.
Изобретение относится к экологии, а именно к оценке состояния законсервированных участков разработок полезных ископаемых и их влияния на окружающую среду. Для этого одновременно с мониторингом законсервированного участка горных пород проводят фоновый мониторинг природного аналога, не испытывавшего техногенного воздействия, но находящегося в тех же природных условиях.

Изобретение относится к области мелиорации и рекультивации солонцовых почв, буровых шламов и засоленных грунтов. В способе определяют дозу мелиоранта-коагулянта для солонцовых почв по порогу фильтрации.

Использование: для определения содержания нефтяных топлив в грунтах «на месте». Сущность изобретения заключается в том, что способ определения содержания нефтяных топлив в грунтах включает определение типа грунта, определение типа нефтяного топлива, установление содержания концентрации топлива по градуировочным графикам, при этом измеряют температуру грунта, на покрытии пьезосенсора сорбируют равновесные газы естественного происхождения над незагрязненным грунтом и фиксируют изменение частоты колебаний пьезосенсора, затем также сорбируют газы над загрязненным нефтяным топливом грунтом и фиксируют изменение частоты колебаний пьезосенсора, с учетом температуры грунта и содержания газов естественного происхождения определяют концентрацию нефтяного топлива в грунте по градуировочному графику.

Изобретение относится к области геохимии и может быть использовано при проведении геохимических исследований. Предложен способ, позволяющий определить с пространственным разрешением геохимию геологических материалов или других материалов.

Изобретение относится к области геохимии и может быть использовано при проведении геохимических исследований. Предложен способ, позволяющий определить с пространственным разрешением геохимию геологических материалов или других материалов.

Группа изобретений относится к очистке сточных вод. Способ определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод включает: размещение датчика мутности, состоящего из корпуса, содержащего излучатель света и светочувствительный датчик, в многофазной сточной воде.

Изобретение относится к способам определения местоположения единичных молекул вещества в образце. Единичные молекулы вещества находятся во флуоресцентном состоянии, в котором их можно возбуждать светом возбуждения для испускания света флуоресценции.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для определения концентрации азота в аргоне смеси. Газоанализатор, предназначенный для измерения концентрации азота в аргоне, содержит датчик для измерения концентрации азота в аргоне, при этом содержит устройство для измерения концентрации кислорода, в котором под воздействием источника постоянного напряжения удаляется кислород из азотно-аргоновой смеси, последовательно соединенное с датчиком для измерения концентрации азота в аргоне.

Изобретение относится к области диагностики и контроля качества жидкостей. Способ определения примесей в жидких средах основан на сравнении спекл-изображений, полученных после прохождения лазерного пучка через пробу контролируемой жидкости, которая была выдержана некоторое время до полного оседания примесей, и через пробу контролируемой жидкости, находящуюся в возбужденном состоянии.

Изобретение относится к нагревательному устройству для прибора для измерения методом спектрометрии. Данное нагревательное устройство отличается тем, что оно выполнено в виде мягкого оптического элемента (1), который включает в себя мягкую гибкую опору (10) с верхней стороной (10a) и нижней стороной (10b).

Изобретение относится к неразрушающим способам обнаружения дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии из неметаллических материалов, прозрачных для электромагнитных волн с длинами 10-4 до 10-3 метра, и может быть использовано для автоматического обнаружения скрытых дефектов структуры.

Изобретение относится к области биотехнологии и предназначено для определения индекса фрагментации ДНК сперматозоидов у животных-производителей. Осуществляют подготовку мазка спермопробы к окрашиванию и приготовление красителя смешиванием раствора лимонной кислоты, гидрофосфата натрия и 1%-го акридин оранжевого.

Изобретение относится к области геологии. Заявленное решение включает выполнение проверочного испытания на устройстве с использованием ряда эталонных флюидов, при этом устройство имеет калиброванный оптический датчик, установленный в нем, который содержит один или более оптических элементов.

Изобретение относится к нефелометрам. Устройство для оптического исследования образца, содержит: оптический источник оптического сигнала, по меньшей мере один первый детектор для получения оптического сигнала, пропущенного непосредственно через кювету, расположенную в устройстве, выполненном с возможностью размещения в нем кюветы с суженной нижней частью и широкой верхней частью, причем периметр широкой верхней части больше периметра нижней суженной части; и второй детектор для получения оптического сигнала от оптического источника, рассеянного содержимым в нижней части кюветы, причем поверхность второго детектора проходит приблизительно параллельно оптическому пути, проходящему от оптического источника к первому детектору.
Изобретение относится к области создания визуальных эффектов. Способ создания стабильного и долговременного художественного визуального эффекта диффузного свечения поверхности художественно-архитектурного объекта под воздействием внешнего возбуждающего УФ-А (365-385 нм) и/или ИК-А (760-1000 нм) излучения включает нанесение нескольких оптически прозрачных полимерных слоев, в состав прилегающего к поверхности слоя/слоев входят оптически прозрачная полимерная основа, содержащая органические и/или неорганические люминофор/люминофоры, имеющие флуоресценцию с положительным сдвигом Стокса, до 100 нм, и/или с аномально большим сдвигом Стокса, свыше 100 нм, и/или люминофоры, имеющие антистоксовую флуоресценцию, т.е.

Изобретение относится к области диагностики и контроля качества жидкостей. Способ определения примесей в жидких средах основан на сравнении спекл-изображений, полученных после прохождения лазерного пучка через пробу контролируемой жидкости, которая была выдержана некоторое время до полного оседания примесей, и через пробу контролируемой жидкости, находящуюся в возбужденном состоянии.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля экологического обустройства окружающей среды. Изобретение представляет собой портативный респирометрический прибор с автономным питанием, рассчитанный на оперативный контроль дыхательной эмиссии СО2 непосредственно по месту проведения почвенного мониторинга различных природно-хозяйственных объектов. Предложен портативный почвенный респирометр для мониторинга эмиссии СO2 в атмосферу, который представляет собой устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного автоматического ИК-газоанализатора СO2. По дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая стороны камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом. Технический результат - универсальность, предполагающая возможность почвенного мониторинга либо с помощью учетных площадок, либо с помощью специально отобранных почвенных проб, кернов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Наверх