專利名稱：畜舍惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及有害氣體監(jiān)測技術(shù)領域，尤其涉及一種畜舍惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排放的有害氣體受到了社會各界的關注。在畜禽養(yǎng)殖中，畜舍內(nèi)大量牲畜集中高密度飼養(yǎng)，造成畜舍內(nèi)有大量有害氣體產(chǎn)生，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有害氣體排放的主要來源。畜舍內(nèi)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(huán)境造成污染，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粘膜吸收，與鈉離子結(jié)合形成硫化鈉，對粘膜產(chǎn)生強烈刺激，引起眼炎和呼吸道炎癥，甚至肺水腫。在低濃度硫化氫的長期影響下，畜禽體質(zhì)變?nèi)?，抗病力下降，同時容易發(fā)生胃腸炎、 心臟衰弱等。高濃度硫化氫可使畜禽呼吸中樞麻痹，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，首先吸附于鼻、咽喉、氣管、支氣管等粘膜及眼結(jié)膜上，引起疼痛、咳嗽、流淚，發(fā)生氣管炎、支氣管炎及結(jié)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(fā)呼吸機能紊亂等疾病。因此監(jiān)測畜舍中的惡臭氣體含量能夠提高畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率，降低環(huán)境污染，減小人畜共患病的發(fā)生概率。然而，目前尚無高效低成本的針對畜舍內(nèi)惡臭氣體的在線監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有采樣化學分析法和光譜檢測法?；瘜W分析法是對待測氣體進行采樣，在實驗室里進行化學分析，得出氣體的濃度。使用該方法，檢測人員需要進入畜舍，在畜舍中選擇采樣點，將畜舍內(nèi)氣體采樣后帶回實驗室，進行化學分析，進而得出一個畜舍惡臭氣體排放情況，從采樣到得出化學分析結(jié)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于畜舍中，根據(jù)應用環(huán)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(nèi)惡臭氣體的濃度。該方法投入較大，適合在大型養(yǎng)殖場中使用。傳統(tǒng)的畜舍內(nèi)惡臭氣體的測量具有如下缺陷?；瘜W分析法(1)費時，測量人員需要到現(xiàn)場對畜舍中的空氣進行采樣，采樣后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采樣，采樣方法較復雜，需要專業(yè)人員完成；(3)不具備實時，由于需要先采樣后分析，不能及時的反應畜舍內(nèi)惡臭氣體的情況，給出預警信息；(4)準確性低，采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(jiān)測畜舍中的惡臭氣體成本相當高；(2)受環(huán)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(huán)境變化較大，不利于設備的標定；(3)設備維護困難，光譜檢測設備為精密設備，在畜舍惡略環(huán)境下使用對設備本身有較大影響，需要專業(yè)人員進行維護。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)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(jiān)測系統(tǒng)及方法。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種氣體監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括恒定電位電化學氣體傳感器，置于待監(jiān)測畜舍內(nèi)預設位置處；傳感器驅(qū)動模塊，與恒定電位電化學氣體傳感器相連，用于為所述恒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回路，為參比電極提供穩(wěn)定的參考電位；信號調(diào)理模塊，用于將所述恒定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊，與所述信號調(diào)理模塊相連，根據(jù)所述信號調(diào)理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括報警模塊，與所述數(shù)據(jù)采集處理模塊相連，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊根據(jù)反演出的畜舍內(nèi)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(jù)所述惡臭等級進行相應的報警。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括標定模塊，與所述恒定電位電化學氣體傳感器以及所述數(shù)據(jù)采集處理模塊均相連，用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集處理模塊反演出的氣體濃度以及所述恒定電位電化學傳感器線性輸出的特點，對所述恒定電位電化學傳感器進行標定。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊進一步包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于采集所述信號調(diào)理模塊輸出的信號，并對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字電壓信號；濃度反演單元，用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓信號，反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度；惡臭等級判定單元，用于根據(jù)所述待畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度以及所述恒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(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊為單片機。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括顯示模塊，與所述數(shù)據(jù)采集處理模塊相連，用于顯示所述數(shù)據(jù)采集處理模塊反演得到的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述恒定電位電化學氣體傳感器為恒定電位電化學氣體傳感器。本發(fā)明還提供了一種畜舍惡臭氣體監(jiān)測方法，該方法包括步驟Si.將恒定電位電化學氣體傳感器置于待監(jiān)測畜舍內(nèi)預設位置處；S2.為所述恒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回路，為參比電極提供穩(wěn)定的參考電位；S3.將所述恒定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；
S4.采集步驟S3處理后的電壓信號，并根據(jù)其反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度。優(yōu)選地，該方法還包括步驟S5.根據(jù)步驟S4反演出的畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度計算出所述畜舍的惡臭等級，并根據(jù)所述惡臭等級進行相應的報警。優(yōu)選地，在步驟S4中，將步驟S3處理后的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后再進行反演。(三)有益效果本發(fā)明系統(tǒng)及方法可以以在線的方式，對畜舍內(nèi)的惡臭氣體情況進行實時監(jiān)測， 不僅能夠獲得畜舍內(nèi)主要惡臭氣體成分氨氣和硫化氫的濃度，同時可根據(jù)系統(tǒng)實際的應用場合給出畜舍內(nèi)的惡臭級別。本發(fā)明的系統(tǒng)方法彌補了原有惡臭氣體監(jiān)測手段的不足，可通過遠程無線通訊的方式對大面積區(qū)域內(nèi)多個畜舍的惡臭氣體排放情況進行集中監(jiān)控，對惡臭氣體超標的畜舍可以及時的發(fā)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(fā)生，有效避免經(jīng)濟損失。傳感器數(shù)量可增減，系統(tǒng)參數(shù)和設置可針對對不同類型、不同規(guī)模的目標的監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為實施例2的畜舍惡臭氣體檢測系統(tǒng)示意圖；圖3為依照本發(fā)明一種實施方式的畜舍惡臭氣體監(jiān)測方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的畜舍惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)及方法，結(jié)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(zhuǎn)換為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應氣體的濃度。恒定電位電化學氣體傳感器，以恒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(fā)生的電化學傳感器。恒定電位電解池型氣體傳感器由三電極構(gòu)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(fā)生，對電極和工作電極組成回路，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，用于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(chǎn)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?qū)﹄姌O，此時被測氣體擴散到工作電極上，在催化劑作用下會產(chǎn)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(fā)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(fā)生氧化放出電子，對電極則發(fā)生還原反應獲取電子，工作電極與對電極的電位發(fā)生變化，產(chǎn)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系可用下式表示
.FxSxDxCxn
權(quán)利要求
1.一種畜舍惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括恒定電位電化學氣體傳感器，置于待監(jiān)測畜舍內(nèi)預設位置處；傳感器驅(qū)動模塊，與恒定電位電化學氣體傳感器相連，用于為所述恒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回路，為參比電極提供穩(wěn)定的參考電位；信號調(diào)理模塊，用于將所述恒定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊，與所述信號調(diào)理模塊相連，根據(jù)所述信號調(diào)理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括報警模塊，與所述數(shù)據(jù)采集處理模塊相連，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊根據(jù)反演出的畜舍內(nèi)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(jù)所述惡臭等級進行相應的報警。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括標定模塊，與所述恒定電位電化學氣體傳感器以及所述數(shù)據(jù)采集處理模塊均相連，用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集處理模塊反演出的氣體濃度以及所述恒定電位電化學傳感器線性輸出的特點，對所述恒定電位電化學傳感器進行標定。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊進一步包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于采集所述信號調(diào)理模塊輸出的信號，并對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字電壓信號；濃度反演單元，用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的電壓信號，反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度；惡臭等級判定單元，，用于根據(jù)所述待畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度以及所述恒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(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊為單片機。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括顯示模塊，與所述數(shù)據(jù)采集處理模塊相連，用于顯示所述數(shù)據(jù)采集處理模塊反演得到的數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述恒定電位電化學氣體傳感器為恒定電位電化學氣體傳感器。
8.一種畜舍惡臭氣體監(jiān)測方法，其特征在于，該方法包括步驟S1.將恒定電位電化學氣體傳感器置于待監(jiān)測畜舍內(nèi)預設位置處；S2.為所述恒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回路，為參比電極提供穩(wěn)定的參考電位；S3.將所述恒定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；S4.采集步驟S3處理后的電壓信號，并根據(jù)其反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括步驟S5.根據(jù)步驟S4反演出的畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度計算出所述畜舍的惡臭等級，并根據(jù)所述惡臭等級進行相應的報警。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟S4中，將步驟S3處理后的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后再進行反演。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種畜舍惡臭氣體監(jiān)測系統(tǒng)及方法，涉及有害氣體監(jiān)測技術(shù)領域。該系統(tǒng)包括恒定電位電化學氣體傳感器，置于待監(jiān)測畜舍內(nèi)預設位置；傳感器驅(qū)動模塊，與恒定電位電化學氣體傳感器相連，用于為所述恒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回路，為參比電極提供穩(wěn)定的參考電位；信號調(diào)理模塊，用于將所述恒定電位電化學氣體傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊，與所述信號調(diào)理模塊相連，根據(jù)所述信號調(diào)理模塊輸出的電壓信號，反演畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度，并根據(jù)反演出的畜舍內(nèi)硫化氫和氨氣的濃度計算出畜舍的惡臭等級。本發(fā)明的系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者單飛飛, 張石銳, 張馨, 王紀華, 矯雷子, 董大明, 邱權(quán), 鄭文剛 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心