數字化二氧化碳觀測儀的研制和觀測

摘要：介紹了新型數字化二氧化碳觀測儀的工作原理和系統設計，通過其在赤城地震臺、后郝窯水化觀測站和陽原地震臺試驗觀測，證明了二氧化碳紅外氣體傳感技術在二氧化碳斷層氣和溶解氣測量方面的可行性。試驗結果表明，該儀器具有高靈敏度、高穩定性、網絡化和智能化的特點，不僅可用于臺站斷層逸出氣、地下水溶解氣中二氧化碳含量的觀測，在改變供電模式和通信模式的情況下可望在無人職守的二氧化碳觀測臺陣和活動斷層探測等方面發揮作用。

關鍵詞：二氧化碳觀測儀；紅外氣體傳感技術；斷層氣；溶解氣

中圖分類號：P315.62文獻標識碼：文章編號：1000-0666（2013）04-0536-04

0引言

在地下流體觀測中，二氧化碳在一些MS≥4.0地震之前有明顯的異常反映，尤其是在MS≥5.0地震前出現的異常非常顯著。這些異常不僅表現出信噪比高，而且多出現在震前半個月到一個半月內，是典型的短臨異常，對破壞性地震的短臨預報階段發震時間的判定具有重要意義（魚金子等，1998；王基華等，2000；上官志冠，1995；林元武等，1998；張啟明，2001；車用太等，1999；胡鳳英等，2004）。

目前，地震臺站主要利用快速測定管（高小其等，2002）和氣相色譜儀（朱方保等，2003）進行二氧化碳氣體測試分析。二氧化碳氣體快速測定管是一次性使用的，每天更換一次，人工讀取測量值，只能測量累積量，不能實時測量井孔的氣體百分比濃度，由于受測量方法限制，難以精確測量井下氣體濃度梯度。氣相色譜儀屬于精密的實驗室儀器，需要用采集裝置獲取氣樣，再放到儀器上進行分析測試，很難實時測量井下氣體濃度分布。因此開發研制數字化、智能化、網絡化的二氧化碳觀測儀器就顯得十分必要。

數字化二氧化碳觀測儀的研制項目組（以下簡稱項目組）在2011年開始開發研制二氧化碳觀測儀器，分別在赤城地震臺、后郝窯水化觀測站和陽原地震臺進行了試驗觀測。本文介紹了新型數字化二氧化碳觀測儀的工作原理和系統設計，通過試驗觀測，證明二氧化碳紅外氣體傳感技術在二氧化碳斷層氣和溶解氣測量方面的可行性。

1工作原理

數字化二氧化碳觀測采用紅外光譜吸收原理為（NDIR）（聞明，張策，2011）：二氧化碳的紅外吸收光譜在波數在2 342 cm-1處有強吸收峰。其吸收關系服從朗伯—比爾（LambertBeer）吸收定律，出射光強度I、入射光強度I0和氣體體積分數C之間的關系為I=I0exp（εLC），（1）式中，ε為摩爾吸光系數，C為待測氣體體積分數，L為光和氣體的作用長度（光路長度）。對式（1）進行變換得：C=1εLln（I0/I）.（2）當摩爾吸光系數一定時，通過檢測出射光強度，即可計算得到二氧化碳體積分數。由于不同氣體分子結構不同，其吸收峰位置也不同，利用波數為2 342 cm-1的紅外線作為光源檢測二氧化碳體積分數，不易受到其他氣體分子濃度的影響。

2系統設計

新型數字化二氧化碳觀測儀整機由二氧化碳傳感器、溫度傳感器、溫度采集控制單片機、工控機、RS232信號傳輸電路、電壓適配電路、顯示屏、電瓶充電控制電路及儀器供電浪涌過壓保護電路等組成，如圖1所示。