斷層氣二氧化碳監測儀開發測試

陳力剛王志鑠夏修軍郅紅魁謝恒義付 靖

1）中國鄭州 450016 河南省地震局

2）中國河南 471023 洛陽基準地震臺

3）中國鄭州 450008 河南衛生干部學院電教中心

斷層氣二氧化碳監測儀開發測試

陳力剛1）王志鑠1）夏修軍1）郅紅魁2）謝恒義1）付 靖3）

1）中國鄭州 450016 河南省地震局

2）中國河南 471023 洛陽基準地震臺

3）中國鄭州 450008 河南衛生干部學院電教中心

簡述斷層氣二氧化碳觀測現狀，根據其存在的局限性，提出研制新設備的必要性。從軟硬件規劃、通信協議、硬件選型、軟件編寫到數據產出，給出實例解決方案，并對數據的有效性做對比驗證，認為二氧化碳監測儀有效地反映了斷層中二氧化碳的變化情況，并且直接產出符合“地震前兆臺網專用設備網絡通信協議”的數據產品，為地震前兆觀測預報提供了新的參考手段。

斷層氣二氧化碳；快速測定管；前兆通信協議；傳感器；數據采集

0 引言

在地震預報中，二氧化碳的監測受到各國地震地球專家的廣泛重視，中國在1966年邢臺地震以后，在京津唐地區對二氧化碳進行長期觀測，結果表明，二氧化碳的釋放與地球斷裂活動性關系密切，與地震活動性之間存在較好的對應關系（唐仲興，1989），因此觀測斷層氣二氧化碳變化對地震研究預測具有重要的現實意義。

河南省于2000年建設斷層氣觀測點，相繼建立斷層氣二氧化碳觀測點27個，目前正常工作觀測點16個?？焖贉y定管法產出數據用于地震預報研究，但具有以下缺點（朱旭等，2011）：觀測采樣率低，一般為24小時觀測1次；人工觀測，測定管開口大小及投放深度不一造成數據非一致性較大；數據非自動入庫，后期數據處理繁瑣；快速測定管不同時間生產批次離散型大，影響觀測數據質量。鑒于此有必要開發一種精度高、穩定性強、分鐘采樣，且自動觀測入庫的地震前兆斷層氣二氧化碳監測儀器。

1 系統框架

1.1 硬軟件規劃

儀器硬件劃分為7個模塊：傳感器、系統主板、顯示板、光電隔離板、232/422協議轉換板、電源板、網絡接口。圍繞系統主板為中心通過RS-422協議轉換并經過光電隔離板向傳感器發送指令和接收數據，系統主板整合數據后可以實現輸出顯示、存儲、網絡接口數據吞吐等功能。硬件模塊框圖見圖1。

圖1 硬件模塊Fig.1 Block diagram of hardware

軟件是硬件的靈魂，硬件中的數據流向、數據計算、數據存儲、數據發送和指令接收依賴于軟件規劃和設計。為滿足斷層氣二氧化碳數據采集設備的各項功能，將軟件規劃9個模塊：斷層氣數據采集模塊、Web頁面模塊、數據存儲模塊、數據圖形顯示模塊、符合TCP/IP協議的SOCKET接口模塊、XML模塊、看門狗模塊、網絡校時模塊、用于Web頁面調用操作系統的DLL模塊。

軟件系統以數據采集模塊和Web頁面模塊為兩條平行主線，兩個模塊之間相對獨立，數據采集模塊負責數據的各種處理應用，Web頁面模塊實現儀器各種參數配置、遠程控制、數據下載服務、時間服務等功能。兩個模塊之間通過XML模塊有機地聯系在一起，此設計可以利用不同軟件開發平臺分別進行代碼編寫，分工協作實現軟件系統功能。XML模塊內容如下

1.2 前兆通訊協議

二氧化碳監測儀符合中國地震前兆臺網專用設備基于以太網接口網絡化功能的技術要求，數據傳輸采用基于SOCKET連接的HTTP協議，支持指令方式和網頁方式。地震前兆臺網專用設備網絡通信協議是前兆儀器和前兆服務器之間的通信語言，通過以太網使得前兆臺網專用設備與客戶端進行數據信息交換，接受并響應客戶端的指令，執行相應動作，完成與客戶端的數據信息交換（陳力剛等，2014）。

儀器所用指令原語分為4類：數據傳輸、設備控制、設備監視、用戶認證。開發使用的部分指令如下

2 軟硬件工作原理

儀器傳感器為非色散紅外（NDIR）原理氣體傳感器，具有精度高、零飄小、校正周期長、壽命長等特征，是地震前兆數據觀測所需要的必要條件。其原理是，利用比耳—朗格紅外吸收定律，當紅外光源射線經過待測氣體后，相應波長譜線被吸收，衰減后的紅外線經過晶體濾光片分光后被接收器接收，轉化成電信號輸出，由于電信號強弱與氣體濃度成一定的比例關系，即可演算出氣體濃度值。本儀器使用的傳感器在環境溫度20℃（1個大氣壓）測得主要參數為：分辨率為0.01%vol，精度為±2%FSD，長期零漂為±500 ppm/月，零點重復性為±500 ppm，壽命大于5年。

儀器系統板選用三星公司的ARM11處理器S3C6410開發板，是一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，可在667 MHz主頻以上穩定運行。系統主板到傳感器之間的數據通信，采用RS-422總線協議并加入光電隔離（圖2），其目的是增加傳感器到系統主板之間的傳輸距離和抗干擾性，可以利用其總線方式連接多個傳感器，而不用增加額外接口，為以后的觀測手段擴容準備物質條件。

圖2 光電隔離和RS422總線Fig.2 Photoelectric isolation and RS422 bus

硬件確定后，其上各個端口驅動以及在此基礎上的數據采集加工應用由軟件解決，軟件以其靈活變通的優點實現儀器應用功能。儀器各軟件模塊基于Windows CE操作系統開發而成，是一個開放的、可裁剪的、搶先式多任務、多線程并具備強大通訊能力的實時32位嵌入式操作系統，具有可靠性好、實時性較高、內核體積小的特點，可以方便地為應用開發提供支持。

數據采集模塊是軟件開發重點，要實時實現3項任務：接口的發送命令/讀數據、數據實時存儲（預防停電內存數據丟失）、實時響應前兆服務器的命令并回傳數據等。3項任務隨機發生，不能因為一個任務的執行而影響其他任務的執行結果，同時不同任務間進行相關數據交換。Windows CE操作系統滿足多任務工作要求，在此分配3個線程來解決數據處理的實時性和隨機性，分別是讀線程DWORD WINAPI ReadThread（LPVOID pArg）；寫線程DWORD WINAPI WriteThread（LPVOID pArg)；數據存儲線程DWORD WINAPI MakeFile（LPVOID pArg）。讀線程負責數據采集工作，優先級最高。此外，數據采集模塊對儀器采樣率提供靈活選擇，可以是單位分鐘內單點采樣，也可以是單位分鐘內多點平均采樣，以供不同選擇需求。

3 數據對比

儀器在現場觀測前利用標準氣體進行嚴格標定，但在實際觀測中是否能夠真實反映二氧化碳信息呢？為驗證所開發的儀器產出二氧化碳值的真實性、可靠性，通過與二氧化碳快速測定管儀器、德爾格X-AM7000多氣體檢測儀以及ATG-6118H氫氣分析儀產出數據對比，直接或間接地對本儀器進行有效性驗證。本儀器實時讀數和曲線可以通過液晶屏幕顯示出來，其界面見圖3。

圖3 開發設備液晶屏顯示界面Fig.3 The instrument LCD display screen

（1）與二氧化碳快速測定管產出數據對比。二氧化碳快速測定管是中國地震觀測系統目前普遍采用的一種二氧化碳觀測方法，具有長期歷史數據記錄，以此類觀測方法曾成功應用在張北等地震前兆信息（車用太等，1989），所以采用二氧化碳快速測定管產出數據具有很好的對比意義。

2015年6月11日、12日在現場做快速測定管和本儀器對比觀測實驗。采用的方法是，快速測定管1小時1讀數，即在觀測井密封蓋上鉆小孔，用細線將打碎密封口后的快速測定管小心放置到本儀器傳感器所在位置，1小時后人工讀取快速測定管刻度值。本儀器以分鐘值采樣（以小時為單位間隔讀取分鐘采樣值），即在讀快速測定管刻度同時記錄本儀器二氧化碳數據。讀取的對比數值見表1，觀測對比曲線見圖4。

表1 快速測定管與本儀器對比數據（兩天共23小時）Table 1 Data comparison between rapid determination tube and the instrument (23hours in 2 days)

經過計算，6月11日利用快速測定管觀測出的數據同本儀器產出的數據之間相關系數為0.780 182，6月12日相關系數為0.966 305。

（2）與德爾格X-AM7000多氣體檢測儀產出數據對比。德爾格X-AM7000多氣體檢測儀產品是德國產用于礦井氣體檢測的便攜式測量儀器，當某種有害氣體超量，威脅到人的生命安全和工作安全時報警，在此用其觀測井中的二氧化碳濃度大小。德爾格儀器不能定時自動記錄，采取人工讀數方式記錄數據。從2015年7月16日至7月20日采樣36次，采樣率為分鐘采樣，產生36組對比數據（表2），需要說明的是，表2中時間不連續是因為該對比實驗是在另一個野外測量工作休息間隙采集數據的，并非對數據進行篩選。兩種不同設備觀測對比曲線見圖5。

圖4 開發設備與快速測定管數據比較Fig.4 Comparison of the instrument and rapid determination tube

圖5 開發設備與德爾格X-AM7000數據比較Fig.5 Comparison of the instrument and Drager X-AM7000

圖5中實線曲線表示本儀器數據，虛線曲線為德爾格數據，二者相關系數通過計算為0.969 382，表明本儀器和德爾格多氣體檢測儀在二氧化碳濃度產出結果上較一致。

（3）與ATG-6118H氫氣分析儀產出數據對比。ATG-6118H氫氣分析儀是用于觀測斷層處痕量氫的專業設備。在朱陽關—夏館斷裂帶上馬山口鎮同一地理位置的觀測井內，痕量氫儀器與本儀器進行長期觀測，因此具有較好的對比意義。ATG-6118H氫氣分析儀采用泵吸式把氣體引入儀器，儀器中有氣體干燥過濾裝置。兩種不同設備觀測對比曲線見圖6，觀測時間是2015年7月4日至7月20日。

從圖6可以看出，氫氣和二氧化碳濃度值均有明顯的日變化，且波峰和波谷出現的時間也較為同步，具有相同變化趨勢，說明二者均受外界相似影響因素的共同作用。

圖6 開發設備二氧化碳與ATG-6118H氫氣分析儀數據比較Fig.6 Comparison of the instrument and hydrogen analyzer

表2 德爾格與本儀器對比數據Table 2 Data comparison between Drager and the instrument

4 結束語

以上實驗數據來自實際觀測，通過幾類儀器產出數據進行對比，可以看出，二氧化碳監測儀同其他儀器產出結果變化形態比較一致，說明本儀器數據產出較為真實可靠。觀測儀器產出數據曲線均表現出較大幅度變化，超出預期判斷，分析認為：①觀測管中的二氧化碳自上而下逐漸升高，在進行對比觀測實驗時，雖然動作輕微，還是引起管內上下氣流擾動，導致數據發生一定程度變化；②土壤孔隙度造成土壤空氣和地面空氣交換，導致淺層觀測管中二氧化碳濃度發生變化，晴天該現象更為突出，雨天變化幅度小，因為土壤中的孔隙被雨水占據，空氣交換通道被阻擋。文獻也有類似記載，欣克爾和賴德在一個非礦化區檢查氣象因素和土壤氣體中的He、CO2、O2濃度長達1年以上，發現土壤濕度對He和CO2濃度有很強影響，他們認為，降雨和降雪產生的濕度滲入地下僅幾厘米的濕氣（小雨）會形成一種“隔膜”，阻礙土壤氣進入大氣（王基華，2000）。

按照上述觀測結果，環境背景“噪音”較大，觀測意義是否受到限制？筆者通過實驗發現，井下4 m處的二氧化碳變化約為2 m處的1/10，可見通過增加觀測深度可以大幅度降低背景干擾（超出儀器開發范疇，不做討論）。斷層氣二氧化碳監測儀從硬件開發到軟件設計再到數據產出，發現傳統快速測定管較難發現的日變化規律，而二氧化碳年變規律與快速測定管一致。斷層氣二氧化碳監測儀的研制開發，使河南省從人工觀測“快速測定管法”產出斷層氣二氧化碳濃度日值，過渡到自動化且符合“地震前兆臺網專用設備網絡通信協議”的分鐘值數據產出，為地震前兆觀測預報提供新的參考手段，相信這種新型觀測手段能克服早期模擬快速測定管的局限問題，提供大量有效數據用于地震研究。

車用太，魚金子，等.地殼放氣動態監測與張北—尚義MS6.2地震預報[J].地質評論，1989，45（1）：59-65.

陳力剛，王志爍，等.河南測震臺網波形記錄時間監控程序開發[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（3/4）：298-302.

唐仲興.二氧化碳流通與地震預報[J].地震學刊，1989，4：81-84.

王基華.國外斷層土壤氣的研究及在地震預測中的應用[J].國際地震動態，2000，7：9-13.

朱旭，王子影，等.紅外傳感器用于斷層氣體測量[J].大地測量與地球動力學，2011，31（5）：156-159.

Development of data acquisition equipment for fault gas carbon dioxide

Chen Ligang1)，Wang Zhishuo1)，Xia Xiujun1)，Zhi Hongkui2)Xie Hengyi1)and Fu Jing3)
1)Earthquake Administration of Henan Province，Zhengzhou450016，China
2)Luoyang Benchmark Seismic Station，Henan Province471023，China
3)Henan Health Cadre College Audio-Visiual Center，Zhengzhou450008，China

In this paper, the status of fault gas carbon dioxide observation now is described.And according to the limitations of the existing research, the necessity of developing new equipment is put forward.From the software and hardware planning, to the communication protocol, the hardware selection and software code to the data output, an example solution is presented at last.Finally, the validity of the data is shown by diagram.

carbon dioxide，rapid determination tube，communication protocol，sensor，data collector

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.020

陳力剛（1973—），男，河南鄭州人，學士，高級工程師，主要從事地震監測工作。E-mail：1972991739@qq.com

河南省科技攻關計劃項目“斷層氣數字化采集系統在地震前兆方面的研究”；三結合課題“斷層氣二氧化碳兩種數字化采集方式的研究”

本文收到日期：2016-01-15