Analytical solution of CO2 mass flux measurement with Non-Dispersive Infrared sensors for soil in diffusive and advective-diffusive regime: Tool for the continuous and telemetric measurement of volcanic gases in an open chamber

• Oliveras, Nicolás ^[1]
  1. [1] Consultant, Popayán, Colombia
• Localización: Boletin Geológico, ISSN 0120-1425, ISSN-e 2711-1318, Vol. 48, Nº. 2, 2021, págs. 41-59
• Idioma: inglés
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  • español

    La medición del flujo de dióxido de carbono (CO2) en un ambiente volcánico es una necesidad para el monitoreo volcánico. El flujo de CO2 se debe medir de manera continua y telemétrica para una mejor comprensión, casi en tiempo real, de la dinámica de los procesos de desgasificación volcánica, que contribuyan a la construcción de un modelo de comportamiento volcánico, junto con otras técnicas de monitoreo. Este documento presenta dos soluciones analíticas, la primera es una solución difusa simple y la segunda es la solución advectiva-difusiva, que implementan un arreglo de sensores NDIR (emisor de infrarrojo no dispersivo) en una cámara abierta (chimenea de difusión) y una cámara de intercambio (intercambiador de gases). El primer sistema, a pesar de ser básico (con valores reflejados en la pendiente de una línea de ecuación), y para el que la velocidad del gas es despreciable, permite introducir a expertos en este campo en los cálculos de flujo de este tipo con un solo sensor NDIR. Para el segundo siste­ma, donde la velocidad del gas es parte de la ecuación, se requiere otra solución matemática y tres puntos de medida, que exige la inclusión de un segundo sensor NDIR para la correcta solución matemática del sistema de ecuaciones. Un sistema embebido puede automatizar el método por calibración mediante el control de un ventilador de agitación, que registre la temperatura, la presión y la medición del flujo en suelos volcánicos en la superficie. Este método propuesto teóricamente necesita ser probado, por tanto se esperan aportes experimentales para validar la medida de flujo de CO2 como una herramienta poderosa para el monitoreo volcánico.

  • English

    Measuring the carbon dioxide (CO2) mass flux in a volcanic environment is necessary for volcanic monitoring. CO2 mass flux must be measured continuously and telemetrically to get, almost in real-time, a better understanding of the dynamics of the volcanic degassing processes, contributing to the building, together with other monitoring technics, of a volcano behavior model. This study presents two analytical solutions, 1) a simple diffuse solution and 2) an advective-diffusive solution, which both implement NDIR (Non-Dispersive Infrared Emitter) sensor arrays in an open chamber (diffusion chimney) and an exchange chamber (gas interchanger). The first system, for which the gas speed is negligible, despite being basic (with values reflected in the slope of an equation line), introduces mass flux calculations with a single sensor NDIR. For the second system, where the gas speed is part of the equation, another mathematical solution and three measuring points are required, which demands the system to include a se­cond NDIR sensor for the correct mathematical solution of the equations system. In addition, an embedded system can automate the method by calibrating, controlling an agitation fan, and recording temperature, pressure, and mass flux in volcanic soils at the surface. Since this theoretically proposed method needs to be tested, experimental data are expected to validate the measurement of CO2 mass flux, which will be used as a helpful tool for volcanic monitoring.