专利名称：畜舍恶臭气体监测系统及方法
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系统及方法。
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系统及方法。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种气体监测系统，该系统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，该系统还包括报警模块，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，该系统还包括标定模块，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，该系统还包括显示模块，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Si.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)有益效果本发明系统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，同时可根据系统实际的应用场合给出畜舍内的恶臭级别。本发明的系统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，系统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。
图1为实施例1的畜舍恶臭气体监测系统结构框图；图2为实施例2的畜舍恶臭气体检测系统示意图；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。
具体实施例方式本发明提出的畜舍恶臭气体监测系统及方法，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+2H20 = S02+6H++6e (2)
H2S+4H20 —SCf +IOH+ +8e(3)对电极2H20 — 02+4H++4e (4)
整个电池的反应为H2S+202 — 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
.FxSxDxCxn
权利要求
1.一种畜舍恶臭气体监测系统，其特征在于，该系统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所述的系统，其特征在于，该系统还包括报警模块，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所述的系统，其特征在于，该系统还包括标定模块，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，其特征在于，该系统还包括显示模块，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任一项所述的系统，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。
全文摘要
本发明公开了一种畜舍恶臭气体监测系统及方法，涉及有害气体监测技术领域。该系统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。本发明的系统及方法省时省力、实时性及准确性高。
文档编号G01N27/416GK102539508SQ20111043158
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者单飞飞, 张石锐, 张馨, 王纪华, 矫雷子, 董大明, 邱权, 郑文刚 申请人:北京农业信息技术研究中心