2
Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу
2
INFORMATION AND MEASUREMENT SYSTEM FOR MONITORING SOIL EMISSIONS OF CO INTO THE ATMOSPHERE

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).
2
2
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 СО, накопленное в камере за получасовой промежуток времени, т.е. в конечном итоге требуемую для мониторинга интенсивность эмиссии СО 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.
2
2
2
2
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 СО в камере измеряется с помощью портативного ИК-газоанализатора марки ПГА-7 (0-2% СО), 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 СО, сигнал которого, преобразованный и усиленный, отражается на ЖК-дисплее в виде текущих значений концентрации СО.
Недостаток устройства — является принудительная ручная передача газовых проб в газоанализатор, находящийся в удалении от камеры, что снижает точность измерения при работе в полевых условиях.
2
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 СO. 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.
2
2
2
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерную информационно-измерительную систему мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу  содержащую: сенсор СО, камеру с одной открытой стороной, накрывающую выбранный для контроля участок поля, посева, сенсор СО 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
2
На фиг. представлена структурная схема информационно-измерительной системы мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу.
Осуществление изобретения
2
2
Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу содержит (фиг.)  герметичную камеру 1 в форме колпака с одной открытой стороной, накрывающую выбранный для контроля участок поля, посева, микроконтроллер 2, сенсор СО  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.
2
Информационно-измерительная система мониторинга почвенной эмиссии СО в атмосферу работает следующим образом.
2
2
Камеру 1 устанавливают на почву исследуемых площадок, так чтобы ее открытая часть вошла в почву на глубину 2-3 см. Под действием диффузии СО 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 CO, 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.
2
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 CO, а, следовательно, получать наиболее полные и объективные результаты научных исследований.