畜舍惡臭氣體監測系統及方法
2023-05-28 21:47:26 1
專利名稱：畜舍惡臭氣體監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及有害氣體監測技術領域，尤其涉及一種畜舍惡臭氣體監測系統及方法。
背景技術：
近年來，農業生產中排放的有害氣體受到了社會各界的關注。在畜禽養殖中，畜舍內大量牲畜集中高密度飼養，造成畜舍內有大量有害氣體產生，是農業生產有害氣體排放的主要來源。畜舍內的有害氣體主要有氨氣、硫化氫、甲烷、二氧化碳等，其中硫化氫和氨氣具有刺激性氣味，是畜舍惡臭氣體的最主要組成成分。硫化氫和氨氣不僅對周圍環境造成汙染，同時也對人和畜禽造成傷害。硫化氫是畜舍中濃度比較低的一種有毒氣體，具有臭雞蛋味的硫化氫易被呼吸道黏膜吸收，與鈉離子結合形成硫化鈉，對黏膜產生強烈刺激，引起眼炎和呼吸道炎症，甚至肺水腫。在低濃度硫化氫的長期影響下，畜禽體質變弱，抗病力下降，同時容易發生胃腸炎、 心臟衰弱等。高濃度硫化氫可使畜禽呼吸中樞麻痺，窒息死亡。氨氣是畜舍中含量較高的有毒氣體，畜禽吸入氨時，首先吸附於鼻、咽喉、氣管、支氣管等黏膜及眼結膜上，引起疼痛、咳嗽、流淚，發生氣管炎、支氣管炎及結膜炎等。氨氣影響畜禽的生長性能，降低機體抵抗力， 增加由空氣傳播疾病的易感性，誘發呼吸機能紊亂等疾病。因此監測畜舍中的惡臭氣體含量能夠提高畜禽養殖的生產效率，降低環境汙染，減小人畜共患病的發生概率。然而，目前尚無高效低成本的針對畜舍內惡臭氣體的在線監測方法。傳統的監測方法主要有採樣化學分析法和光譜檢測法。化學分析法是對待測氣體進行採樣，在實驗室裡進行化學分析，得出氣體的濃度。使用該方法，檢測人員需要進入畜舍，在畜舍中選擇採樣點，將畜舍內氣體採樣後帶回實驗室，進行化學分析，進而得出一個畜舍惡臭氣體排放情況，從採樣到得出化學分析結果需要2-3天時間。光譜檢測法包括FTIR、TDLAS等，該方法的檢測精度較高，為在線的檢測方法。使用該方法檢測畜舍中的有害氣體需要將檢測設備放於畜舍中，根據應用環境對設備進行校準，通過分析特定波長光的吸收譜線得出畜舍內惡臭氣體的濃度。該方法投入較大，適合在大型養殖場中使用。傳統的畜舍內惡臭氣體的測量具有如下缺陷。化學分析法(1)費時，測量人員需要到現場對畜舍中的空氣進行採樣，採樣後樣品氣體需要在實驗室中做化學分析，需要兩天以上的時間；(2)費力，測量人員需要到每個待檢測的畜舍採樣，採樣方法較複雜，需要專業人員完成；(3)不具備實時，由於需要先採樣後分析，不能及時的反應畜舍內惡臭氣體的情況，給出預警信息；(4)準確性低，採樣點的設置和樣品的運送過程都會對檢測的準確性造成影響。光譜分析法
(1)成本高，光譜分析法所使用的設備價格在幾十萬到幾百萬，使用這種方法監測畜舍中的惡臭氣體成本相當高；(2)受環境影響，畜舍空氣中的粉塵較多，光譜分析法容易受到畜舍中粉塵的影響。另外畜舍環境變化較大，不利於設備的標定；(3)設備維護困難，光譜檢測設備為精密設備，在畜舍惡略環境下使用對設備本身有較大影響，需要專業人員進行維護。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種省時省力、實時性及準確性高的畜舍惡臭氣體監測系統及方法。(二)技術方案為解決上述問題，本發明提供了一種氣體監測系統，該系統包括恆定電位電化學氣體傳感器，置於待監測畜舍內預設位置處；傳感器驅動模塊，與恆定電位電化學氣體傳感器相連，用於為所述恆定電位電化學氣體傳感器的對電極提供電流，使所述對電極與工作電極形成電流迴路，為參比電極提供穩定的參考電位；信號調理模塊，用於將所述恆定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，並輸出；數據採集處理模塊，與所述信號調理模塊相連，根據所述信號調理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度。優選地，該系統還包括報警模塊，與所述數據採集處理模塊相連，所述數據採集處理模塊根據反演出的畜舍內硫化氫和氨氣的濃度計算出畜舍的惡臭等級，所述報警模塊根據所述惡臭等級進行相應的報警。優選地，該系統還包括標定模塊，與所述恆定電位電化學氣體傳感器以及所述數據採集處理模塊均相連，用於根據所述數據採集處理模塊反演出的氣體濃度以及所述恆定電位電化學傳感器線性輸出的特點，對所述恆定電位電化學傳感器進行標定。優選地，所述數據採集處理模塊進一步包括模數轉換單元，用於採集所述信號調理模塊輸出的信號，並對其進行模數轉換，輸出數字電壓信號；濃度反演單元，用於根據所述模數轉換單元輸出的電壓信號，反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度；惡臭等級判定單元，用於根據所述待畜舍內硫化氫和氨氣的濃度以及所述恆定電位電化學氣體傳感器的位置，計算出所述畜舍的惡臭等級。優選地，所述數據採集處理模塊為單片機。優選地，該系統還包括顯示模塊，與所述數據採集處理模塊相連，用於顯示所述數據採集處理模塊反演得到的數據。優選地，所述恆定電位電化學氣體傳感器為恆定電位電化學氣體傳感器。本發明還提供了一種畜舍惡臭氣體監測方法，該方法包括步驟Si.將恆定電位電化學氣體傳感器置於待監測畜舍內預設位置處；S2.為所述恆定電位電化學氣體傳感器的對電極提供電流，使所述對電極與工作電極形成電流迴路，為參比電極提供穩定的參考電位；S3.將所述恆定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號；
S4.採集步驟S3處理後的電壓信號，並根據其反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度。優選地，該方法還包括步驟S5.根據步驟S4反演出的畜舍內硫化氫和氨氣的濃度計算出所述畜舍的惡臭等級，並根據所述惡臭等級進行相應的報警。優選地，在步驟S4中，將步驟S3處理後的電壓信號進行模數轉換後再進行反演。(三)有益效果本發明系統及方法可以以在線的方式，對畜舍內的惡臭氣體情況進行實時監測， 不僅能夠獲得畜舍內主要惡臭氣體成分氨氣和硫化氫的濃度，同時可根據系統實際的應用場合給出畜舍內的惡臭級別。本發明的系統方法彌補了原有惡臭氣體監測手段的不足，可通過遠程無線通訊的方式對大面積區域內多個畜舍的惡臭氣體排放情況進行集中監控，對惡臭氣體超標的畜舍可以及時的發出警報，避免因惡臭氣體超標造成的牲畜病害，預防牲畜疫情的發生，有效避免經濟損失。傳感器數量可增減，系統參數和設置可針對對不同類型、不同規模的目標的監測進行設置，省時省力、實時性及準確性高。
圖1為實施例1的畜舍惡臭氣體監測系統結構框圖；圖2為實施例2的畜舍惡臭氣體檢測系統示意圖；圖3為依照本發明一種實施方式的畜舍惡臭氣體監測方法流程圖。
具體實施例方式本發明提出的畜舍惡臭氣體監測系統及方法，結合附圖及實施例詳細說明如下。將空氣中某種化學氣體通過氧化或還原反應將濃度轉換為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應氣體的濃度。恆定電位電化學氣體傳感器，以恆定電位電解池型氣體傳感器為例，該傳感器是一種氧化還原反應在電流強制下發生的電化學傳感器。恆定電位電解池型氣體傳感器由三電極構成，分別是工作電極、對電極和參比電極，其中待研究的化學反應主要在工作電極上發生，對電極和工作電極組成迴路，使工作電極上電流暢通，參比電極是一個已知電勢理論上不極化的電極，用於測定工作電極及對電極的電勢。工作電極與對電極組成一電極對，當這對電極浸入電解液中，兩電極間加上電壓時會產生極化。若工作電極為正，對電極為負，則電解液中的負離子移向工作電極，而正離子移向對電極，此時被測氣體擴散到工作電極上，在催化劑作用下會產生電化學反應釋放出電荷。以硫化氫傳感器為例，進入傳感器的硫化氫氣體，在工作電極上發生如下的電極反應工作電極H2S = S+2H++2e(1)H2S+2H20 = S02+6H++6e (2)
H2S+4H20 —SCf +IOH+ +8e(3)對電極2H20 — 02+4H++4e (4)
整個電池的反應為H2S+202 — H2SO4 (5)此時工作電極上的H2O發生氧化放出電子，對電極則發生還原反應獲取電子，工作電極與對電極的電位發生變化，產生電流，電流大小與電極電位和氣體濃度等因素有關。電解電流與氣體濃度之間的關係可用下式表示
.FxSxDxCxn
權利要求
1.一種畜舍惡臭氣體監測系統，其特徵在於，該系統包括恆定電位電化學氣體傳感器，置於待監測畜舍內預設位置處；傳感器驅動模塊，與恆定電位電化學氣體傳感器相連，用於為所述恆定電位電化學氣體傳感器的對電極提供電流，使所述對電極與工作電極形成電流迴路，為參比電極提供穩定的參考電位；信號調理模塊，用於將所述恆定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，並輸出；數據採集處理模塊，與所述信號調理模塊相連，根據所述信號調理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括報警模塊，與所述數據採集處理模塊相連，所述數據採集處理模塊根據反演出的畜舍內硫化氫和氨氣的濃度計算出畜舍的惡臭等級，所述報警模塊根據所述惡臭等級進行相應的報警。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括標定模塊，與所述恆定電位電化學氣體傳感器以及所述數據採集處理模塊均相連，用於根據所述數據採集處理模塊反演出的氣體濃度以及所述恆定電位電化學傳感器線性輸出的特點，對所述恆定電位電化學傳感器進行標定。
4.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述數據採集處理模塊進一步包括模數轉換單元，用於採集所述信號調理模塊輸出的信號，並對其進行模數轉換，輸出數字電壓信號；濃度反演單元，用於根據所述模數轉換單元輸出的電壓信號，反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度；惡臭等級判定單元，，用於根據所述待畜舍內硫化氫和氨氣的濃度以及所述恆定電位電化學氣體傳感器的位置，計算出所述畜舍的惡臭等級。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述數據採集處理模塊為單片機。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括顯示模塊，與所述數據採集處理模塊相連，用於顯示所述數據採集處理模塊反演得到的數據。
7.如權利要求1-6任一項所述的系統，其特徵在於，所述恆定電位電化學氣體傳感器為恆定電位電化學氣體傳感器。
8.一種畜舍惡臭氣體監測方法，其特徵在於，該方法包括步驟S1.將恆定電位電化學氣體傳感器置於待監測畜舍內預設位置處；S2.為所述恆定電位電化學氣體傳感器的對電極提供電流，使所述對電極與工作電極形成電流迴路，為參比電極提供穩定的參考電位；S3.將所述恆定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號；S4.採集步驟S3處理後的電壓信號，並根據其反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，該方法還包括步驟S5.根據步驟S4反演出的畜舍內硫化氫和氨氣的濃度計算出所述畜舍的惡臭等級，並根據所述惡臭等級進行相應的報警。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，在步驟S4中，將步驟S3處理後的電壓信號進行模數轉換後再進行反演。
全文摘要
本發明公開了一種畜舍惡臭氣體監測系統及方法，涉及有害氣體監測技術領域。該系統包括恆定電位電化學氣體傳感器，置於待監測畜舍內預設位置；傳感器驅動模塊，與恆定電位電化學氣體傳感器相連，用於為所述恆定電位電化學氣體傳感器的對電極提供電流，使所述對電極與工作電極形成電流迴路，為參比電極提供穩定的參考電位；信號調理模塊，用於將所述恆定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，並輸出；數據採集處理模塊，與所述信號調理模塊相連，根據所述信號調理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內硫化氫和氨氣的濃度，並根據反演出的畜舍內硫化氫和氨氣的濃度計算出畜舍的惡臭等級。本發明的系統及方法省時省力、實時性及準確性高。
文檔編號G01N27/416GK102539508SQ20111043158
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者單飛飛, 張石銳, 張馨, 王紀華, 矯雷子, 董大明, 邱權, 鄭文剛 申請人:北京農業信息技術研究中心