Результат интеллектуальной деятельности: Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения интенсивности почвенного дыхания, а следовательно, и биологической активности почвы.

Уровень техники

Интенсивность эмиссии СО2 («дыхание» почвы) является одним из основных показателей биологической активности почвы и ее плодородия. Почва вследствие воздушной миграции СО2 в атмосферу, оказывается включенной в биосферный круговорот углерода в качестве одного из основных его источников. Поэтому мониторинг эмиссионных потоков СО2 из почвы в атмосферу имеет важное значение для решения практических и научных задач управления процессами метаболизма углеродсодержащих веществ в земледелии, почвоведении, экологии (Аканов Э.Н., Мерзлая Г.Е., Понкратенкова И.В. Мониторинг эмиссии диоксида углерода с помощью портативного почвенного респирометра // Плодородие. 2017. №6 (99). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/monitoring-emissii-dioksida-ugleroda-s-pomoschyu-portativnogo-pochvennogo-respirometra (дата обращения: 17.11.2022).

Известен способ, который основан на измерении скорости увеличения концентрации СО2 в камере под влиянием почвенного дыхания. Его конструктивная реализация описана в работе: Макаров Б.Н. Динамика газообмена между почвой и атмосферой в течение вегетационного периода под различными культурами севооборота // Почвоведение, 1952, №3, с. 271-277. В качестве изолирующей камеры дважды с интервалом в 30 минут отбирали аспиратором две газовые пробы, каждая объемом по 2 л. В этих пробах с помощью поглотителя Рихтера определяли количество СО2 и уже по разности содержаний СО2 между пробами с учетом соотношения между величинами объемов проб и «свободным» воздушным объемом внутри камеры рассчитывали количество СО₂, накопленное в камере за получасовой промежуток времени, т.е. в конечном итоге требуемую для мониторинга интенсивность эмиссии СО₂ из почвы в атмосферу.

Недостатки способа — необходимость выполнения во время мониторинга большого объема ручных работ с использованием трудоемких химико-аналитических приемов и средств, которые невозможно автоматизировать и приспособить к работе в полевых условиях.

Известен почвенный респирометр с камерой открытого типа в форме колпака, описанный в книге: Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: МГУ, 2005. С. 257-259. Респирометр работает следующим образом. Камера своим открытым дном накрывает выбранную и подготовленную к измерению учетную площадку. Концентрация СО₂ в камере измеряется с помощью портативного ИК-газоанализатора марки ПГА-7 (0-2% СО₂), находящегося снаружи. Для этого в стенке камеры имеется отверстие, к которому при измерении присоединяется шприц для ручного отбора небольшой газовой пробы и ее последующей передачи в измерительный канал газоанализатора. В измерительном канале находится РЖ-сенсор СО₂, сигнал которого, преобразованный и усиленный, отражается на ЖК-дисплее в виде текущих значений концентрации СО₂.

Недостаток устройства — является принудительная ручная передача газовых проб в газоанализатор, находящийся в удалении от камеры, что снижает точность измерения при работе в полевых условиях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является устройство, состоящее из двух функционально связанных между собой элементов: герметичной камеры в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающего выбранный для контроля участок поля, посева, и портативного ИК-газоанализатора СO₂. По дополнительному предназначению для контроля отобранных почвенных образцов, кернов открытая сторона камеры дополнительно оборудуется съемной крышкой, герметически закрывающей камеру через типовой уплотнитель с помощью типового замка, а внутри камеры размещается лоток, одна открытая сторона которого полностью укрывается в виде воздушного фильтра типовым воздухопроницаемым материалом (см. пат. РФ № 2660380, кл. G01N 21/35; G01N 21/3504; G01N 33/24).

Недостаток прототипа — ограничены функциональные возможности, а именно, внутри камеры не измеряются температура, влажность и атмосферное давление, что ограничивает использование данного устройства в научно-исследовательской работе.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению его функциональных возможностей за счёт обеспечения функций измерения температуры, влажности и атмосферного давления внутри камеры.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерную информационно-измерительную систему мониторинга почвенной эмиссии СО₂ в атмосферу содержащую: сенсор СО₂, камеру с одной открытой стороной, накрывающую выбранный для контроля участок поля, посева, сенсор СО₂ размещается непосредственно внутри камеры и подключен по проводной линии к выводам электрического разъема в стенке камеры, отличающаяся тем, что в неё дополнительно введены микроконтроллер, сенсор температуры, сенсор влажности воздуха, сенсор атмосферного давления, радиопередатчик и автономный источник питания, радиоприемник и микропроцессорное устройство, причем сенсоры температуры, влажности воздуха и атмосферного давления расположены внутри камеры и соединяются с микроконтроллером по проводной линии через электрический разъем в стенке камеры, выводы автономного источника питания подключены к выводам питания микроконтроллера, выводы радиопередатчика подключены к выводам микроконтроллера, радиоприемник подключен к микропроцессорному устройству, сенсоры температуры, влажности и атмосферного давления представляют собой «систему в корпусе» (system in package, SIP), например, BME280 от Bosch Sensortec, в качестве микропроцессорного устройства может быть использован или ноутбук, или микрокомпьютер Raspberry, или Arduino.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема информационно-измерительной системы мониторинга почвенной эмиссии СО₂ в атмосферу.

Осуществление изобретения

Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО₂ в атмосферу содержит (фиг.) герметичную камеру 1 в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающую выбранный для контроля участок поля, посева, микроконтроллер 2, сенсор СО₂ 3, сенсор температуры 4, сенсор влажности воздуха 5, сенсор атмосферного давления 6, радиопередатчик 7, автономный источник питания 8, радиоприемник 9 и микропроцессорное устройство 10, все четыре сенсора 3, 4, 5 и 6 размещены внутри камеры 1 и подключены по проводной линии к выводам электрического разъема в стенке камеры 1, с внешней стороны камеры 1 эти выводы электрического разъема подключены к микроконтроллеру 2, к выводам микроконтроллера 2 подключен радиопередатчик 7, выводы питания микроконтроллера 2 подключены к автономному источнику питания 8, радиоприемник 9 подключен к микропроцессорному устройству 10.

Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО₂ в атмосферу работает следующим образом.

Камеру 1 устанавливают на почву исследуемых площадок, так чтобы ее открытая часть вошла в почву на глубину 2-3 см. Под действием диффузии СО₂ проникает в полость камеры 1. Микроконтроллер 2 опрашивает по очереди все четыре сенсора 3, 4, 5, 6 осуществляет преобразование полученных данных в измерительную информацию и сохраняет в памяти эту информацию в форме двоичных кодов. Затем микроконтроллер 2, переводит радиопередатчик 7 из режима сна в режим передачи и отправляет по очереди данные об измерениях CO₂, температуры, влажности и атмосферного давления внутри камеры 1, выполненных с использованием сенсоров 3 – 6. Радиоприемное устройство 9 принимает по радиоканалу результаты измерений и передает их по стандартному цифровому интерфейсу, например, USB на микропроцессорное устройство 10, которое обрабатывает полученную измерительную информацию и сохраняет результаты обработки, а также выводит их на монитор в форме таблицы или графиков. Затем микроконтроллер 2 переводит радиопередатчик 7 в режим сна и переходит в один из энергосберегающих режимов на определенный интервал времени, например на 1 мин. По истечение этого интервала времени микроконтроллер 2 переходит из энергосберегающего режима в рабочий режим и повторяет цикл опроса сенсоров 3-6 и т.д.. В качестве микропроцессорного устройства 10 может быть использован или ноутбук, или микрокомпьютер, типа Raspberry, или микроконтроллерное устройство, например, Arduino.

По сравнению с прототипом, предложенное решение обеспечивает расширение функциональных возможностей, а именно: позволяет дополнительно измерять в герметичной камере 1 температуру, влажность и атмосферное давление, что позволит учитывать их влияние на результаты измерения эмиссии CO₂, а, следовательно, получать наиболее полные и объективные результаты научных исследований.