地下流体二氧化碳连续在线监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种地下流体二氧化碳监测技术，尤其涉及一种地下流体二氧化碳连续在线监测系统。

背景技术：

地壳的深部含有大量充满水、气和其它流体的孔隙和裂隙，这些流体是影响地震孕育与发生的重要因素，位于地壳浅部的地下流体是灵敏地反映地震孕育与发生过程的重要前兆信息载体，具有灵敏的映震能力。利用地表自由溢出的CO₂和溶解于水及吸附于土壤中的CO₂气体浓度变化来监测预报地震是近年来国内重点关注的地震预报方法之一。自1988年起，利用CO₂观测手段已成功预报或对应了包括张北6.2级、绵竹5.0级以及雅江6.0级地震在内的多次中强以上地震，且CO₂的异常形态为跳跃式或振荡式上升，异常幅度明显，震中距越小，异常出现越早，是典型的短临异常，对破坏性地震的短临预报以及发震时间的判定具有重要意义。目前，应用于地下流体CO₂观测的方法包括质谱法、色谱法、化学法和快速测定管法，这些监测方法均取得一定震例，但映震效果最好的为快速测定管法。但是CO₂快速测定管法只能应用于断层气观测，需每天更换，人工读取测值，仅能测试二氧化碳累积量，不能反映二氧化碳浓度的实时变化，而且受化学测量方法的限制，测量值的精确度也难以保证。红外光谱法测量CO₂精度高，能进行连续分析，在工业、农业、环境保护等领域得到了广泛应用，但在地震预报中应用较少，且对地下流体观测对象的适用性较差，尤其是在高湿度观测环境中不具备应用可能性，测量稳定性差、精确度低。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述技术问题，提供一种地下流体二氧化碳连续在线监测系统，其测量范围量程大，适合在高湿度环境下进行监测，可对地壳活断层溢出的CO₂气体和水中溶解及土壤吸附的CO₂气体进行连续、稳定、长期的监测，从而提高地震预报的有效性。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括进气口、可恢复除湿管、阵列式红外二氧化碳传感器、电磁泵、出气口和主控单元，进气口、可恢复除湿管、阵列式红外二氧化碳传感器、电磁泵和出气口依次通过管路相连，可恢复除湿管、阵列式红外二氧化碳传感器及电磁泵分别和主控单元电连接。主控单元控制电磁泵的启停。监测时，电磁泵启动，抽入待测样气，样气从进气口流入，依次流经可恢复除湿管、阵列式红外二氧化碳传感器和电磁泵，最后从出气口流出。可恢复除湿管对流经的气体进行除湿，分离出溶解二氧化碳气体，解决地下流体高湿度的问题。由阵列式红外二氧化碳传感器检测出地下流体中二氧化碳气体浓度，阵列式红外二氧化碳传感器中的各个传感单元具有不同响应范围，反应二氧化碳气体浓度的电压信号输送给主控单元，经主控单元处理后将测得的二氧化碳气体浓度值进行显示，达到测量结果大量程的目的。本技术方案可对地壳活断层溢出的CO₂气体和水中溶解及土壤吸附的CO₂气体进行连续、稳定、长期的监测，从而提高地震预报的有效性。

作为优选，所述的阵列式红外二氧化碳传感器包括两个以上相间隔设置在气路上的红外二氧化碳传感单元，红外二氧化碳传感单元按响应范围由宽到窄方向性排布。响应范围宽的传感单元靠近气体流入方向，响应范围窄的传感单元靠近气体流出方向，实现大量程的二氧化碳监测。

作为优选，所述的红外二氧化碳传感单元包括内镀镜面金膜的球形气室及设于气室中的半导体激光器光源、锗掺杂光学滤光片、双通道探测器、温湿度探测单元和信号处理单元，锗掺杂光学滤光片位于双通道探测器的前方，双通道探测器、温湿度探测单元分别和信号处理单元电连接，信号处理单元的输出端和所述的主控单元相连。半导体激光器光源用于提供稳定的波长为4.26μm的光线，锗掺杂光学滤光片用于消除干扰气体的影响，双通道探测器获取二氧化碳浓度检测信号并传送给信号处理单元，温湿度探测单元以获取气体的温度和湿度，便于对二氧化碳浓度数据进行补偿处理，提高监测的准确性。

作为优选，所述的信号处理单元包括依次相连的带通滤波器、放大器和模数转换器，带通滤波器的输入端和所述的双通道探测器的输出端相连，所述的温湿度探测单元的输出端和模数转换器相连，模数转换器的输出端和所述的主控单元相连。带通滤波器用于对和测量浓度相对应的电压信号进行降噪，滤波后的信号通过放大器进行放大，模数转换器将电压信号转换成数字信号，并通过温湿度探测单元获取的温湿度数据对浓度数据进行补偿，最后将浓度数据输送给主控单元，进一步提高所获得的二氧化碳浓度数据的准确性。

作为优选，所述的可恢复除湿管包括石英管、设于石英管内的可恢复除湿剂及相间隔地缠绕在石英管外的电热丝，电热丝和所述的主控单元电连接。可恢复除湿管实现高湿环境下溶解CO₂气体的有效分离。可恢复除湿剂包括变色硅胶和硫酸镁担体。电热丝可采用镍铬电阻丝，电热丝的缠绕间距不是等距的，而是由宽到窄逐渐减小。当可恢复除湿管使用一段时间后除湿效果下降时，在主控单元的控制下使电热丝通电开始加热，通过加热蒸发掉可恢复除湿剂吸收的水分，从而恢复除湿效果。

作为优选，所述的地下流体二氧化碳连续在线监测系统包括干燥过滤管和第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀，第一电磁阀设在所述的进气口和可恢复除湿管之间的管路上，第二电磁阀设在可恢复除湿管和所述的阵列式红外二氧化碳传感器之间的管路上，第三电磁阀设在阵列式红外二氧化碳传感器和所述的电磁泵之间的管路上，第四电磁阀设在电磁泵和所述的出气口之间的管路上，所述的干燥过滤管的一端通过管路和第二电磁阀相连，干燥过滤管的另一端通过管路和第四电磁阀相连，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀及第四电磁阀均为二选一三通电磁阀，四个电磁阀分别和所述的主控单元电连接。主控单元控制四个二选一三通电磁阀的连通通道，从而可形成监测气路、清洗气路和恢复除湿气路，控制方便，监测灵活。监测气路：进气口→第一电磁阀→可恢复除湿管→第二电磁阀→阵列式红外二氧化碳传感器→第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→出气口，完成对样气中二氧化碳浓度的监测。清洗气路：阵列式红外二氧化碳传感器→第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→干燥过滤管→第二电磁阀→阵列式红外二氧化碳传感器，清洗传感器，降低传感器内部的湿度。恢复除湿气路：第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→干燥过滤管→第二电磁阀→可恢复除湿管→第一电磁阀，当可恢复除湿管除湿效果下降时，电热丝通电，同时需要开通恢复除湿气路，通过加热排除湿气，以恢复可恢复除湿管的除湿效果。干燥过滤管是一根圆柱形透明管，内置除湿剂，用于净化监测后阵列式红外二氧化碳传感器中的残留气体，降低传感器内部的湿度，提高再次监测的灵敏度和准确性。

作为优选，所述的主控单元包括中央处理单元、数据采集单元、滤波补偿单元、外部环境参数监测单元、中继控制单元、存储单元、通讯单元和显示单元及为整个主控单元提供工作电压的电源单元，数据采集单元、滤波补偿单元、外部环境参数监测单元、中继控制单元、存储单元、通讯单元及显示单元分别和中央处理单元相连，数据采集单元的输入端和所述的阵列式红外二氧化碳传感器的输出端相连，中继控制单元的输出端分别和所述的可恢复除湿管、电磁泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀及第四电磁阀电连接。主控单元具有稳定性强、可靠性好、功能全面及智能化程度高的特点。中央处理单元控制整个程序流程，具有最高权限，可以自由调用其他单元进行相应的操作，并对系统进行监控，能够及时监测到软件运行中的异常并自动对其修复和记录。中央处理单元发出控制信号给中继控制单元，由中继控制单元分别对可恢复除湿管、电磁泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀及第四电磁阀进行控制。数据采集单元对阵列式红外二氧化碳传感器传来的数据进行接收并缓存到速度较快的内存中，由滤波补偿单元进行复合滤波补偿，抑制系统的白噪声，有效降低误差。外部环境参数监测单元实时采集外部环境的温湿度以及气压的变化数据，并送中央处理单元对获得的二氧化碳浓度值进行实时补偿，剔除环境变化的干扰。存储单元具有原子性操作的特点，采用冗余保存方法，自动保存数据和系统运行日志，使数据不会异常覆盖，防止意外造成的数据丢失，同时运行日志协助中央处理单元处理异常问题。存储单元按照地下流体观测行业的要求对数据包进行命名，除了浓度数据，还附带温度、湿度和气压数据，同时保存仪器运行日志与异常信息，实现数据的长时间稳定存储(最长可达5年)，使用冗余对称备份方式进行存储，防止存储单元因使用时间过长形成的坏块造成历史数据丢失。遵循“十五”地震通讯协议，通讯单元包括四种通讯模式，可与中国地震局前兆台网数据管理系统实现自动握手，进行数据传输；可使用软件客户端进行数据访问、仪器控制、数据分析与下载以及远程升级；可远程网页登陆，进行数据下载与仪器管理；可远程FTP数据下载。通讯单元能够通过网络响应配套PC软件的远程操作，其还具有SNTP自动对时、DHCP、网页访问功能，同时带有ftp协议栈，支持数据及日志的远程下载、系统的远程升级。

本实用新型的有益效果是：采用阵列式红外二氧化碳传感器实现二氧化碳浓度的高精度、大量程监测，采用可恢复除湿管和干燥过滤管解决地下流体二氧化碳监测高湿度的问题，从而实现高湿环境下的二氧化碳连续监测，同时采用多种滤波、补偿手段，抗干扰性好，有效降低误差。本实用新型精度高、稳定性好，可对地壳活断层溢出的CO₂气体和水中溶解及土壤吸附的CO₂气体进行连续、稳定、长期的监测，从而提高地震预报的准确性。

附图说明

图1是本实用新型的一种系统连接结构示意图。

图2是本实用新型中主控单元的一种电路原理连接结构框图。

图中1.进气口，2.可恢复除湿管，3.阵列式红外二氧化碳传感器，4.电磁泵，5.出气口，6.主控单元，7.干燥过滤管，11.第一电磁阀，12.第二电磁阀，13.第三电磁阀，14.第四电磁阀，61.中央处理单元，62.数据采集单元，63.滤波补偿单元，64.外部环境参数监测单元，65.中继控制单元，66.存储单元，67.通讯单元，68.显示单元，69.电源单元。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的地下流体二氧化碳连续在线监测系统，如图1所示，包括进气口1、可恢复除湿管2、阵列式红外二氧化碳传感器3、电磁泵4、出气口5、干燥过滤管7、第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀13、第四电磁阀14和主控单元6，第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀13及第四电磁阀14均为二选一三通电磁阀，进气口1、第一电磁阀11、可恢复除湿管2、第二电磁阀12、阵列式红外二氧化碳传感器3、第三电磁阀13、电磁泵4、第四电磁阀14和出气口5依次通过管路相连，干燥过滤管7的一端通过管路和第二电磁阀12相连，干燥过滤管7的另一端通过管路和第四电磁阀14相连。阵列式红外二氧化碳传感器3包括三个相间隔设置在气路上的红外二氧化碳传感单元，三个红外二氧化碳传感单元的响应范围不同，三个红外二氧化碳传感单元按响应范围由宽到窄方向性排布。红外二氧化碳传感单元采用球形吸收气室，气室内镀镜面金膜，气室有进气口、出气口，气室内安装有半导体激光器光源、锗掺杂光学滤光片、双通道探测器、温湿度探测单元和信号处理单元，信号处理单元包括依次相连的带通滤波器、放大器和模数转换器，锗掺杂光学滤光片位于双通道探测器的前方，双通道探测器的输出端和带通滤波器的输入端相连，温湿度探测单元的输出端和模数转换器相连，模数转换器的输出端和主控单元相连。本实施例的信号处理单元使用两片AD8421芯片构成四阶有源带通滤波器，通频带为100Hz～2kHz，采用Salley-key拓扑，对采得的反映测量浓度的电压信号进行降噪。滤波后的信号通过AD630仪用放大器进行放大，由24位模数转换器ADS1220将电压信号转换成数字信号，并通过内置的SHT21温湿度传感器获取的温湿度数据对浓度数据进行补偿，最后将浓度数据送给主控单元。可恢复除湿管2包括一根长100mm、内径10mm的石英管，石英管内有可恢复除湿剂，石英管外相间隔地缠绕有电热丝，电热丝和主控单元通过导线相连。可恢复除湿剂包括变色硅胶和硫酸镁担体。电热丝可采用直径0.35mm的镍铬电阻丝，电热丝的缠绕间距不是等距的，间距由10mm逐渐减小为4mm。干燥过滤管是一根圆柱形透明管，内置除湿剂。

如图2所示，主控单元6包括中央处理单元61、数据采集单元62、滤波补偿单元63、外部环境参数监测单元64、中继控制单元65、存储单元66、通讯单元67和显示单元68及为整个主控单元6提供工作电压的电源单元69，数据采集单元62、滤波补偿单元63、外部环境参数监测单元64、中继控制单元65、存储单元66、通讯单元67及显示单元68分别和中央处理单元61相连，数据采集单元62的输入端和阵列式红外二氧化碳传感器3中各个传感单元的信号处理单元的输出端相连，中继控制单元65的输出端分别和可恢复除湿管2的电热丝、电磁泵4、第一电磁阀11、第二电磁阀12、第三电磁阀13及第四电磁阀14的控制端通过导线相连。电源单元由不间断电源供电，确保系统在供电不稳定的情况下正常工作。

为了满足数字化、网络化、全自动无人值守的长期连续观测要求，中央处理单元采用工控板实现，工控板选用稳定成熟的Tiny6410平台，具有RJ45网络接口，100M网络通讯能力，安装专业订制的Linux系统和自主客户端软件。数据存储方面，存储单元按照地下流体观测行业要求对数据包进行命名，除了浓度数据，还附带温度、湿度、气压数据，同时保存仪器运行日志与异常信息，实现数据的长时间稳定存储(最长可达5年)，使用冗余对称备份方式进行存储，防止存储芯片因使用时间过长形成的坏块造成历史数据丢失；遵循“十五”地震通讯协议，本系统通讯单元提供四种通讯模式，可与中国地震局前兆台网数据管理系统实现自动握手，进行数据传输；可使用软件客户端进行数据访问、仪器控制、数据分析与下载以及远程升级；可远程网页登陆，进行数据下载与仪器管理；可远程FTP数据下载。

工作过程：主控单元控制四个二选一三通电磁阀的连通通道，从而可形成监测气路、清洗气路和恢复除湿气路。

监测时，形成监测气路：进气口→第一电磁阀→可恢复除湿管→第二电磁阀→阵列式红外二氧化碳传感器→第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→出气口，中央处理单元控制中继控制单元发出信号，启动电磁泵，抽入待测样气，样气从进气口流入，由可恢复除湿管对流经的气体进行除湿，分离出溶解二氧化碳气体，通过阵列式红外二氧化碳传感器检测出二氧化碳气体浓度，反应二氧化碳气体浓度的电压信号输送给主控单元，主控单元的数据采集单元采集阵列式红外二氧化碳传感器送来的信号，中央处理单元控制滤波补偿单元对数据采集单元采集的原始数据使用复合滤波补偿方法，即使用六个数据宽度窗口对原始数据进行滑动滤波，再采用卡尔曼滤波算法，抑制系统的白噪声，有效降低随机误差，实现数据快速稳定的运算，外部环境参数监测单元实时采集外部环境的温湿度以及气压的变化数据，并送中央处理单元对获得的二氧化碳浓度值进行实时补偿，剔除环境变化的干扰，再由中央处理单元将经处理的二氧化碳气体浓度值送显示屏显示，最后气体流经电磁泵，从出气口流出，完成对样气中二氧化碳浓度的监测。

清洗时，形成清洗气路：阵列式红外二氧化碳传感器→第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→干燥过滤管→第二电磁阀→阵列式红外二氧化碳传感器，启动电磁泵，通过电磁泵将残留在阵列式红外二氧化碳传感器内部的气体抽出并输送给干燥过滤管，经干燥过滤管的除湿干燥，再把气体送回给阵列式红外二氧化碳传感器，形成一个循环气路，对阵列式红外二氧化碳传感器进行循环清洗，降低传感器内部的湿度，提高再次监测时的准确性。

恢复除湿时，形成恢复除湿气路：第三电磁阀→电磁泵→第四电磁阀→干燥过滤管→第二电磁阀→可恢复除湿管→第一电磁阀，当可恢复除湿管除湿效果下降时，中继控制单元发出信号使电热丝通电，对可恢复除湿管进行加热，蒸发内部湿气，同时启动电磁泵，电磁泵从第三电磁阀的常开端抽取空气，抽取的空气经由第四电磁阀到达干燥过滤管进行除尘、干燥成为干燥气，经由第二电磁阀到达可恢复除湿管，进行干燥，最后通过第一电磁阀的常开端排出，排除石英管内部湿气，以恢复可恢复除湿管的除湿效果。

本实用新型采用阵列式红外二氧化碳传感器实现二氧化碳浓度的高精度、大量程监测，采用可恢复除湿管和干燥过滤管解决地下流体二氧化碳监测高湿度的问题，从而实现高湿环境下的二氧化碳连续监测，同时采用多种滤波、补偿手段，抗干扰性好，有效降低误差。本实用新型精度高、稳定性好，可对地壳活断层溢出的CO₂气体和水中溶解及土壤吸附的CO₂气体进行连续、稳定、长期的监测，从而提高地震预报的准确性。