一種根系CO₂原位自動測定裝置的製作方法

2023-05-26 00:53:01 4

專利名稱：一種根系CO2原位自動測定裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種根系(X)2原位自動測定裝置。該裝置可以實現土壤呼吸和植物根系呼吸的原位自動測量，可計算出根系(X)2轉換速率、土壤(X)2呼吸速率，進行土壤CO2
顯量與潛量研究。
背景技術：
目前土壤碳被公認為全球迷失碳的「黑洞」，土地利用變化對土壤呼吸過程具有影響，任何土地利用的輕微變化均對土壤(X)2通量造成巨大影響，土壤(X)2通量測定和土壤呼吸機理研究是世界性的難題與熱點。早期傳統的呼吸測量方法是將土壤內埋入抽氣管，人工抽取氣體再放入採樣袋，帶回實驗室用光譜儀進行分析，該方法實驗周期長，存貯過程變化多，人工操作誤差大，不便於大量的數據採集，不能實現長期連續觀測。特別是植物根系呼吸是土壤呼吸的主要過程，如何測定根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率是個世界性難題。另一種方法是直接將CO2探頭加採集氣管後埋入土壤中，分層埋入多隻探頭，由於試驗的需要，做(X)2通量觀測，往往需要分層剖面埋設，一般做四層以上，同時為了驗證實驗的可靠性，需要做多個重複，一套完整的系統則需要10-20隻傳感器，CO2傳感器本身價格昂貴，一般需要幾十萬的投入。同時這種方法也有弊端，如溼氣過大，影響(X)2分析器測量的準確性，傳感器直接埋入土壤中，也極易受到灌溉、降雨的影響，傳感器容易浸水損壞。而且由於系統中大量使用(X)2傳感器，由於每個傳感器都存在著一致性的誤差，數據的一致性受到影響，這種方法的測定結果精確性值得商榷。目前已經使用的許多土壤CO2通量原位測定方法及裝置，只能反映土壤與大氣界面的通量，不能細化土壤呼吸的分量，導致對土壤呼吸機理無法深入研究，而且仍需要一臺完整的(X)2分析儀配合，不能實現多個實驗區域的重複對比觀測，由於需要人工操作，使用不便，暴露出許多缺點和弊端。實驗證明，土層CO2測定在土壤層結構被擾動後，需要長時間來平衡，不適宜於野外可攜式測量。因此，研發不同土地利用方式下根系CO2原位自動測定裝置顯得尤為必要。
發明內容本實用新型的目的是提供一種根系(X)2原位自動測定裝置，該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、CO2吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，該裝置可以自動的實現用一個紅外(X)2分析器測量和記錄多個測量點的呼吸，完成在野外原位長期自動測量，數據的一致性好，設備投入少，功耗小，克服了現有土壤CO2通量原位測定只能反映土壤與大氣界面的通量、不能細化土壤呼吸分量、不能多個實驗區域的重複對比觀測、操作不便以及不易攜帶等缺陷。該裝置可以放在田間或林地裡，由太陽能 {共 O
3[0005]本實用新型所述的一種根系(X)2原位自動測定裝置，該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、CO2吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，其中氣體收集頭( 分別安裝在第一定位杆(1)和第二定位杆(3)中，氣體收集頭(2) 分別通過氣體採樣管、2Τ)與電磁島閥06)連接，電磁島閥06)通過電纜與單片機(19) 連接，電磁島閥06)通過出氣管04)與氣體採樣泵02)的進氣口連接，氣體採樣泵02) 通過脈衝寬度調速器與單片機(19)的PWM輸出接口連接。所述的電磁島閥06)輸入接口上連接第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)，第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)的電動上蓋控制線與單片機(19)連接。所述的氣體採樣泵0 與溫溼度傳感器連接，溫溼度傳感器通過三通一端與旁路電磁閥(9) 一端連接，另一端與過濾器(1 連接，電磁閥(9)通過電纜與單片機(19)連接；氣體質量流量傳感器(1 一端與過濾器(1 連接，另一端與三通電磁閥 (14)連接，氣體質量流量傳感器(1 通過電纜與單片機(19)連接；二氧化碳吸收器(15) 的上下埠分別與三通電磁閥(14)連接，三通電磁閥(14)的另一端直接與採樣氣體的氣室(11)連接，三通電磁閥(14)通過電纜與單片機(19)連接。所述的氣室(11)內裝有二氧化碳分析器(10)，二氧化碳分析器(10)通過電纜與單片機(19)連接，在氣室(11)的上部由氣管通過三通(8)與排氣管(6)連接。所述的在單片機(19)的上端連接液晶顯示器(18)和環境因子傳感器(20)，單片機(19)的下端連接土壤水分溫度傳感器G)、數據存貯器(16)和通信接口 (17)。本實用新型所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，該裝置由安裝在土壤中不同深度的氣體採樣管、地表的呼吸室、大氣採樣管和測量控制裝置組成，控制和測量裝置由一個單片機來實現，通過對各個氣體採樣管進行切換分別測量出(X)2的含量，同時記錄環境因子，對土壤碳的循環，根系碳排放，與環境的相關性，實現了與CO2交換界面的原位自動觀測，是一種新型的原位自動綜合觀測系統。本實用新型所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，該裝置是將氣體採樣管分層埋入土壤需要觀測的深度，地表土壤呼吸室安裝在其上部土壤表面，通過單片機控制電磁島閥和氣體採樣泵，分別將所有層次抽提到的氣體送入到CO2分析器進行測量，可接入11 個測量管路進行抽提取樣，也可以同時接入輔助的環境傳感器，如風速、土壤水分、土壤溫度、輻射、降雨、大氣壓力等環境要素傳感器，單片機控制系統通過按鍵控制和液晶顯示器顯示，進行系統運間隔和運作參數的設置，由計算機接口來控制和傳輸數據的功能，單片機將採集到的數據存貯在存儲器晶片中，以供研究人員進行階段性數據分析。該裝置可將氣體抽提分為兩組，可對兩種實驗地進行比測。該裝置可以安裝在野外進行長期自動觀測。本實用新型所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，是將多個氣體抽提管埋入不同深度的土壤中，多個氣管接入到一個電磁閥島上，通過單片機來進行選通，單獨設置一路氣管與近地表的大氣相連，以抽提參考氣體和對氣路換氣。氣體的抽提是由單片機控制一個脈衝寬度調製電路與取樣泵連接，可以根據需要由程序控制流量。選通後的管路中有一個溫溼度傳感器，單片機將記錄所抽提氣體的溫溼度值，管路中帶有一個空氣過濾器，以濾除雜質和阻止水分子進入。管路中有一個質量流量傳感器，可實時測量每個管路的流量，這個信號送入到單片機，單片機可根據預設值，通過脈衝寬度調製電路對泵的轉速進行調整， 以達到各路氣體流量一致。管路中帶有一個(X)2吸收器，作為零點的校正用，它通過一個三通電磁閥來切換。需要測量的氣體最終送入到一個閉路CO2分析器進行測量，並將測量結果送入到單片機進行存貯。最終的氣體排放到大氣中。管路中有一個旁路三通排氣電磁閥，在對每路氣體測量之前，更換管路氣體時，大流量的氣體通過該三通電磁閥旁路排到大氣中， 以清除管路中滯留氣體。該系統中有一個液晶顯示器，可顯示系統實時的運行數據，且有按鍵可對運行參數進行調整。本裝置的最大優點是充分考慮了根系呼吸、土壤呼吸與大氣之間的吸收和排放， 以及CO2通量與環境因子的關係，克服了現有儀器測量要素單一，野外操作不方便，不能原位長期自動觀測的局面，實現了 CO2遷移規律的綜合觀測，極大地推進了土壤CO2通量研究。

圖1為本實用新型結構示意圖具體實施方式
以下結合附圖進一步描述並給出實施例。本實用新型的目的是提供一種根系(X)2原位自動測定裝置，該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、CO2吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，該裝置可以自動的實現用一個紅外(X)2分析器測量和記錄多個測量點的呼吸，完成在野外原位長期自動測量，數據的一致性好，設備投入少，功耗小，克服了現有土壤CO2通量原位測定方法及裝置只能反映土壤與大氣界面的通量、不能細化土壤呼吸分量、不能多個實驗區域的重複對比觀測、操作不便以及不易攜帶等缺陷。該裝置可以放在田間或林地裡，由太陽能供電。本實用新型所述的一種根系(X)2原位自動測定裝置，該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、CO2吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，其中氣體收集頭2分別安裝在第一定位杆1和第二定位杆3中，氣體收集頭2分別通過氣體採樣管27與電磁島閥沈連接，電磁島閥沈通過電纜與單片機19連接，電磁島閥沈通過出氣管M與氣體採樣泵22的進氣口連接，電磁島閥沈輸入接口上連接第一呼吸室5 和第二呼吸室7，呼吸室5和呼吸室7的電動上蓋控制線與單片機19連接，氣體採樣泵22 通過脈衝寬度調速器21與單片機19的PWM輸出接口連接，氣體採樣泵22與溫溼度傳感器 23連接，溫溼度傳感器23通過三通一端與旁路電磁閥9 一端連接，另一端與過濾器12連接，電磁閥9通過電纜與單片機19連接；氣體質量流量傳感器13 —端與過濾器12連接，另一端與三通電磁閥14連接，氣體質量流量傳感器13通過電纜與單片機19連接；二氧化碳吸收器15的上下埠分別與三通電磁閥14連接，三通電磁閥14的另一端直接與採樣氣體的氣室11連接，三通電磁閥14通過電纜與單片機19連接；氣室11內裝有二氧化碳分析器10，二氧化碳分析器10通過電纜與單片機19連接，在氣室11的上部由氣管通過三通8與排氣管6連接；在單片機19的上端連接液晶顯示器18和環境因子傳感器20，單片機19的下端連接土壤水分溫度傳感器4、數據存貯器16和通信接口 17。在使用時，將裝置放置在觀測點，將兩根第一定位杆1和第二定位杆3分別埋入土壤中，八根氣體採樣管27由第一定位杆1和第二定位杆3通過氣體收集頭2內引出與電磁閥島沈上的相對應的八個接口連接；兩個土壤第一呼吸室5和第二呼吸室7安裝在定位杆上方土壤表面，並通過兩根採集導管將土壤第一呼吸室5和第二呼吸室7接入到相對應的電磁閥島沈接口上；大氣採樣管25接入到相對應的電磁閥島沈接口上，定時工作，當到達預定的時間，測量開始大氣採樣測量單片機19控制電磁閥島沈的大氣採樣管25選通，啟動氣泵22開始抽氣，抽取的氣體先經氣管M進入溫溼度傳感器23進行測量，測量值記錄在單片機19內，溫溼度傳感器23輸出的氣體由三通一側進入電磁閥9上，單片機19控制電磁閥9使管路內的氣體由排氣管6排出，三通的另一路氣體經氣室分析器11排出，以達到快速更新系統中氣體殘留，按預設時間排氣後，關閉電磁閥9，這樣所有的氣體經過濾器12以濾除水分和雜質後傳輸到質量流量傳感器13，流量傳感器13的電信號輸入到單片機19，單片機會根據需要的流量控制脈衝寬度調速器21來調整氣泵22的轉速，以達到最佳的測量流量；在對大氣採樣管25和第一呼吸室5和第二呼吸室7的氣體進行低濃度(X)2測量前，單片機19首先通過三通電磁閥14將氣體切換到(X)2吸收器15，對(X)2分析器10進行校準，並將所測的當前值 VCREF記錄下來，完成校準後，單片機19控制三通電磁閥14關閉(X)2吸收器15通路，切換到(X)2分析器10進行測量，將測量結果送入到單片機19，單片機將按VCREF值校準記錄並保存，即完成大氣測量；土壤呼吸測量單片機19控制電磁閥島沈切換到呼吸室5上，先進行一定時間的抽提以對管路進行換氣，完成換氣後，單片機19控制呼吸室5的電機將呼吸室上蓋關閉，並將氣體經由流量傳感器13送入到(X)2分析器10進行測量，並且單片機19根據流量計算呼吸速率，同時將 CO2測量值和速率記錄，完成測量後單片機19控制呼吸室5電機打開上蓋，繼續用同樣方法完成呼吸7的測量；根系呼吸測量單片機19控制電磁閥島沈切換到第一路根系採樣管27上，氣體首先經溫溼度傳感器23進行測量，又經過濾器12濾除雜質和水氣後，經流量傳感器13測量流量，最後送入到(X)2分析器10進行測量，這個過程不需要再校準(根系(X)2含量一般高於大氣(X)2含量)， 在對根系採樣氣體測量前，均需要從大氣採樣管25吸入對比(X)2含量的大氣對測量管路進行清理，並通過旁路電磁閥9快速排出；環境因子測量單片機19將環境因子傳感器20的信號進行多路數據採集器採集轉換後記錄；數據顯示和傳輸所有測量過程數據均通過液晶顯示器顯示器18實時顯示，單片機19控制將最終的測量結果存貯到的數據存貯器16中，與單片機相連接的RS232通信接口和RS485接口17,以實現計算機的通信和控制。 本實用新型所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，由安裝在土壤中不同深度的氣體採樣管、地表的呼吸室、大氣採樣管和測量控制裝置組成，控制和測量裝置由一個單片機來實現，通過對各個氣體採樣管進行切換分別測量出(X)2的含量，同時記錄環境因子，對土壤碳的循環，根系碳排放，與環境的相關性，實現了與(X)2交換界面的原位自動觀測，是一種新型的原位自動綜合觀測裝置。
權利要求1.一種根系(X)2原位自動測定裝置，其特徵在於該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、(X)2 吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，其中氣體收集頭( 分別安裝在第一定位杆(1)和第二定位杆(3)中，氣體收集頭( 分別通過氣體採樣管、2Τ)與電磁島閥06)連接，電磁島閥06)通過電纜與單片機(19)連接，電磁島閥06)通過出氣管04)與氣體採樣泵0 的進氣口連接，氣體採樣泵0 通過脈衝寬度調速器與單片機(19)的PWM輸出接口連接。
2.根據權利要求1所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，其特徵在於電磁島閥06) 輸入接口上連接第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)，第一呼吸室(5)和第二呼吸室(7)的電動上蓋控制線與單片機(19)連接。
3.根據權利要求1所述的一種根系(X)2原位自動測定裝置，其特徵在於氣體採樣泵 (22)與溫溼度傳感器連接，溫溼度傳感器通過三通一端與旁路電磁閥(9) 一端連接，另一端與過濾器(12)連接，電磁閥(9)通過電纜與單片機(19)連接；氣體質量流量傳感器(1 一端與過濾器(1 連接，另一端與三通電磁閥(14)連接，氣體質量流量傳感器(1 通過電纜與單片機(19)連接；二氧化碳吸收器(1 的上下埠分別與三通電磁閥 (14)連接，三通電磁閥(14)的另一端直接與採樣氣體的氣室(11)連接，三通電磁閥(14) 通過電纜與單片機(19)連接。
4.根據權利要求1所述的一種根系0)2原位自動測定裝置，其特徵在於氣室(11)內裝有二氧化碳分析器(10)，二氧化碳分析器(10)通過電纜與單片機(19)連接，在氣室(11) 的上部由氣管通過三通(8)與排氣管(6)連接。
5.根據權利要求1所述的一種根系CO2原位自動測定裝置，其特徵在於在單片機(19) 的上端連接液晶顯示器(18)和環境因子傳感器(20)，單片機(19)的下端連接土壤水分溫度傳感器G)、數據存貯器(16)和通信接口(17)。
專利摘要本實用新型涉及一種根系CO2原位自動測定裝置，該裝置是由定位杆、氣體收集頭、土壤水分溫度探頭、呼吸室、排氣管、電磁閥、CO2分析器、閉路氣室、過濾器、質量流量傳感器、CO2吸收器、數據存貯器、通信接口、液晶顯示器顯示和鍵盤、單片機、環境傳感器、脈衝寬度調速器、氣體採樣泵、管路溫溼度傳感器、大氣採樣管、電磁島閥、根系氣體採樣管組成，該裝置可以自動的實現用一個紅外CO2分析器測量和記錄多個測量點的呼吸，完成在野外原位長期自動測量，克服了現有土壤CO2通量原位測定只能反映土壤與大氣界面的通量、不能細化土壤呼吸分量、不能多個實驗區域的重複對比觀測、操作不便以及不易攜帶等缺陷。
文檔編號G01N33/24GK202033357SQ201020589410
公開日2011年11月9日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者李新, 林而達, 盛鈺, 趙成義 申請人:中國科學院新疆生態與地理研究所