[发明专利]一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及方法

权利要求书

1.一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置，主要包括：机械支架、气体变换机构、二氧化碳浓度测量模块和电气控制部分； 

所述机械支架由一个底座、立柱和多个肢架组成；所述底座是一个下面带有长钉上面带有圆柱形长孔的圆盘型结构；所述立柱上标记有公制刻度；所述肢架为杆状一端焊接有钢管固定夹使肢架可活动的垂直固定在立柱上； 

所述气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀、微型气泵和一个气体质量流量控制器MFC构成；所述气体变换机构设计有若干个支路构成；每个支路由导气管、一个二位三通电磁阀和一个微型气泵组成；所诉导气管分为长导气管、短导气管和连接导气管，长导气管一端安装有鹅颈弯管并接通到大气中，长导气管另一端连接在二位三通电磁阀的进气口上，长导气管与二位三通电磁阀之间安装有微型气泵，短导气管和连接导气管一端分别连接在二位三通电磁阀的两个出气口上，短导气管另一端连接大气，连接导气管另一端连接在多通接头上；各个支路的连接导气管通过一个多通接头连接在干路气管上，质量流量控制器MFC安装在干路气管上紧接在多通接头后面；干路气管接入二氧化碳浓度测量模块； 

所述电气控制部分包括GPS接收模块、测量控制器、风速风向模块和GPRS无线通讯模块；所述二氧化碳测量模块、GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块通过串行通讯方式与测量控制器联接。 

2.如权利要求1所述一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置的控制过程为： 

（1）各模块初始化，待机状态等待指令； 

（2）测量装置的GPRS无线通讯模块接受指令，并对指令进行解析，确定采样间隔、采样频率等要素，并根据公式4计算出气体质量流量控制器的流量控制量，并读取GPS接收模块获取的本发明测量装置所在的地理位置信息； 

（3）测量控制器控制泵、阀进行工作，具体过程如下： 

a）工作前，切换所有二位三通电磁阀工作位置，使各支路长导气管与短导气管连通，同时开启所有微型气泵进行抽气，开启一定时间t₁≥V/Q₀后同时关闭所有微型气泵，此时，长导气管内布满了从外界抽入的待测气体，长导气管起到暂时储气的作用；抽气完成后读取当前风速风向信息； 

b）支路1的二位三通阀切换位置，使支路1与干路气管连通，开启支路1的微型气泵将支路1中长导气管内的气体泵入二氧化碳测量浓度测量模块进行测量；测量控制器通过气体质量流量控制器对流入二氧化碳测量模块的气体体积V'进行计算，当V'>(V-V₀)/2时，测量控制器开始读取二氧化碳测量模块读数，当V'>(V+V₀)/2时， 停止读取； 

c）支路1和支路2的二位三通电磁阀同时切换位置，使支路1断开与干路气管相连，支路2与干路气管连通，开启支路2的微型气泵对支路2长导气管内的气体按照步骤b)中所述方法进行测量，测量完成后，支路2和支路3的二位三通阀同时切换位置，对支路3长导气管中的气体进行测量······以此类推，分别测定所有支路的气体二氧化碳浓度； 

（4）将测定的所有支路的气体二氧化碳浓度信息暂存，若采样未结束重复执行步骤（3），若结束对步骤（3）读取的二氧化碳浓度信息进行补偿计算，将计算结果和GPS信息和风速风向信息打包上传至远端接收器；测量完成仪器关机； 

本发明控制过程中涉及的控制信息计算如下： 

二氧化碳测量模块响应时间：T 

微型气泵提供的额定流量：Q₀

支路总数为：N 

二氧化碳浓度测量所需的最小体积为Q₀T，为满足测量要求，所抽取的气体应留有测量余量，因此设每根长导气管内从外界抽入的待测气体为体积为V，选取长导气管暂存的气体中最中间的部分气体参与测量，设计参与测量的气体体积为V₀，V>V₀>Q₀T，则长导气管两端的气体余量为(V-V₀)/2，设计参数计算如下： 

l=4V/πd²

t₁≥V/Q₀=T                              （1） 

t₂=πd²L/4Q+（V+V₀)/2Q（Q≤Q₀）                   （2） 

t₃=V₀/Q                                 （3） 

d：长导气管直径； 

l：长导气管长度； 

L：干路气管长度； 

Q：干路上的实际流量； 

t₁：同时开启所有微型气泵进行抽气的工作时间； 

t₂：开启每个支路时微型气泵工作时间； 

t₃：测量模块工作时间 

当采样时间间隔T_s>t_min时，可通过气体质量流量控制器（MFC）来控制实际流量Q大小，减小气体流速，使

当第二次抽气抽取的长导气管内气体体积为(V-V₀)/2时开启二氧化碳测量模块进行测量，剩余气体体积为(V-V₀)/2时停止测量，从第一次抽气开始时开始计时： 

当第n次测量开始时，单片机定时器计数的时刻分别为： 

t₁+(V-V₀)/2Q+πd²L/4Q+（n-1）[(V-V₀)/2Q+πd²L/4Q+t_s+t₃]  （n=1,2…N）， 

当第n次测量结束时，单片机定时器计数的时刻分别为： 

对气体运动过程中压强变化导致的浓度变化进行补偿计算； 

ρ₀为补偿计算后的二氧化碳浓度值； 

p₀为标准状态下的大气压强； 

ρ'为未补偿时测得的二氧化碳浓度值； 

p为气体质量流量控制器（MFC）出口风压； 

Q：干路上的实际流量； 

L：干路气管长度； 

ρ：空气密度； 

λ：沿程阻力系数； 

D：气室直径； 

d：长导气管直径。