全自動多通量箱系統的製作方法
2023-04-24 03:19:46 1
專利名稱：全自動多通量箱系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及陸地生態系統監測領域，具體的說是一種監測陸地生 態系統與大氣間的C02交換通量的全自動多通量箱系統。
背景技術：
陸地生態系統與大氣間co2交換是全球碳循環的最重要組成部
分，是判斷陸地生態系統是"碳源"或"碳匯"的重要指標。科學地
測定其co2交換通量一直是陸地生態系統碳循環研究的核心工作之
一。提髙觀測的效率和減少觀測對自然的幹擾，是科學精確地估算區
域和全球尺度上的陸地生態系統與大氣間C02交換量的關鍵。目前較 好的是採用動態通Jt箱紅外C02分析儀法進行監測,而釆用多個通量
箱進行多點連續監測，是監測技術的發展方向。自動通量箱的自動開 啟系統一般採用電動機驅動或汽缸驅動，目前的大部分通量箱只能夠
在一個地點進行相對連續的觀測(Fang and Moncrieff 19訴)，或者在有 限的幾個地點用若干小通量箱進行相對連續的觀測(Law改 al2001，Drewitt, 2002)。 土壤呼吸存在空間變異(Rochette "a/.1991， McGinn ef a/.1998，Kelliher " a/.1999，Rayment and Jarvis2000)，而且小 的通量箱邊緣效應明顯，易於造成較大的誤差(NoraianeM/.1997)。 所以，全自動、大尺寸、多通量箱系統對於co2的測定變得很有意義。 Jill Bubier利用由10個大尺寸通量箱組成的閉路循環觀測系統對冬季積雪情況下的COz釋放特徵進行了研究，實現了相對連續的半自動監 測，但是每個通量箱的湖定需要18分鐘，3個小時後才能夠對同一個 點進行第二次測定，連續性受到影響，同時，其通量箱自動控制技術 有待提髙，沒有實現全天候自動循環監測。梁乃申開發出一套由16 個大尺寸通量箱組成的開放氣路循環系統，並應用此系統對林地C02 釋放作了研究，證明了該系統的可靠性。然而該系統所霈平衡時間較 長，每個箱霈要20分鐘，這可能阻礙了雨水和凋落物的進入，同時， 因為閉合時間長通量箱內部環境會有較大改變，特別是溫度升高效 應，這不利於農田生態系統、草原生態系統、林業生態系統內部的林 窗等光照充分的地方的測定(Naishen Liang， 2003)。此外，通蠹箱的 開閉用數據採集器控制，控制能力不夠，每次需要6個箱一起關閉才 能循環，在反映空間變異時有很大的局限。目前已有系統主要問題與 不足是，自動控制技術落後，不能全天候在多個地點快速連續監測， 並且對被觀測對象的擾動較大，進而影響測量的精確性。
發明內容
本發明的目的為提供一種反應速度快、高頻率、能在多個地點進 行全天候連續循環監測，對被監測對象擾動小的全自動多通量箱系 統。
實現上述發明目的的技術方案如下
全自動多通量箱系統，包括空氣壓縮機、紅外C02分析儀、緩衝 器、乾燥器、過濾器、流量計、氣泵、數據採集器和多個通量箱，所 述通量箱側蜜及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥i該多通閥分出若干支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱內的氣缸連接每一通量箱由設有一電磁閥的氣路管道連接一多通閥，多通閥的總管依次連接緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、紅外co2 分析儀、氣泵後與另一多通閥的總管連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環氣路，紅外C02分析儀通過電路與一數據採集器連接，所述系統中和氣缸相連，用於 控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用於控制循環氣路的電磁間皆通過電路與一邏輯控制器連接。所述通量箱內還安裝有一風扇，該風扇通過電路與上述邏輯控制器連接。
所述通量箱的個數可根據實際情況來確定， 一般在6個以上，30 個一下就能達到要求，效果較好的採用18-20個即可。
所述通量箱上蓋上設有一氣管，連通通量箱內外。
所述通量箱的上蓋上固定有"U"形加強筋，加強筋可採用金屬或髙強度材料製作。
本發明擁有壓力補償機制，通量箱頂部和外部連通的管道平衡了箱內外氣壓，使C02以正常模式釋放，有效避免了通量箱內壓力改變對測量結果的影響。通過測定證明系統是穩定的，數據是可靠的。具 有如下優點(1)對環境改變最小。通量箱在一個循環裡除測量時都 處於開放狀態，這較好的促進了箱內外能量的交換，使通量箱內外溫度，特別是和土壤呼吸相關性最好的地表溫度內外差異不顯著。同時， 因為箱蓋大部分時間處於打開狀態，雨、雪、凋落物都可以進入通量 箱，為恰當描述地表C02釋放提供了保證。在測定NEE時，因為通量箱蓋和四壁都採用訴％透光率的亞克力板，有效保證了光線的進 入，使結果更接近真實。如果在森林生態系統內部或者果園內部測定地表植被(草、低矮灌叢、苔蘚)的NEE效果更好。(2)取樣面 積大，有效的減小了 "邊緣效應"(3)快速。只要3分鐘就可以完 成對一個樣點的測定。比同類系統快出15到17分鐘。這樣就有效抑 制了通量箱閉合後的升溫效應，使內外環境差別儘可能縮小。而且， 更為重要的是使測定時間密度更大，樣點更多成為現實。(4)多箱。 本系統含有多個通量箱，比目前世界上公開發表的文獻記載中含通量 箱數目多。多箱的好處在於，其一，測定NEE時，較多的重複可以 有效避免偶然現象造成的誤差。比如，浮雲的影響。其二，反映地表 C02釋放或者土壤呼吸的空間變異並且使代表性更強；其三，可以允. 許不同水平的較多重複，方便比較研究。(6)自動。系統可完全自動 運行不用人力。數據自動採集、記錄。(7)維護保養簡單易行。(8) 連續。該系統可以在正常電力供應下一直連續運行。這使生態系統碳 動態的連續變化測定變成了現實。實現了全天候監測，而且密度更為 集中。(9)經濟。18個通量箱共用一臺C02分析儀，相對於商品儀 器而言是非常經濟的。(10)原位監測，採樣測量時對觀測對象擾動 小。
圖1為本發明的結構框圖
圖2為本發明中控制裝置的結構框圖
圖3為本發明中採樣分析裝置的結構框圖
圖4為本發明中通量箱的結構示意圖
圖5為本發明實施例進行監測的麥田生態系統與大氣間Ca交換
通量圖
圖6為本發明實施例進行監測的麥田土壤呼吸和果園土壤呼吸
圖
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
如圖1和2所示，全自動多通量箱系統，採用18個通量箱，包 括控制裝置和採樣分析裝置，控制裝置包括空氣壓縮機和通量箱，所 述通量箱側壁與上蓋間裝有一氣缸2,空氣壓縮機連接一多通閥，該 多通閥分出18個支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱 內的氣缸連接，所述電磁閥通過電路與一邏輯控制器連接，所述通量 箱內還安裝有一風扇3，該風扇通過電路與邏輯控制器連接；採樣分 析裝置包括紅外CQ2分析儀、緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、氣 泵、數據採集器和通量箱，所述數據採集器通過電路與紅外C02分析 儀連接，紅外C02分析儀的進氣口通過氣路管道依次與流量計、過濾
器、乾燥器、緩衝器連接，緩衝器與一多通閥的總管連接，多通閥分 出若干支路，每一支路上設有一電磁閥後與一通量箱相連通，形成流
入氣路，紅外C02分析儀的出氣口通過氣路管道連接一氣泵，氣泵連
接一多通閥的總管，該多通閥分出若干支路，每一支路上設有一電磁 閥後與一通Jl箱相連通，形成流出氣路，氣路上的電磁闕與一邏輯控 制器相連接。流入氣路位於通量箱體的一側靠上位置，對側的靠下位置為流出氣路。
通量箱是長、寬、髙均為50cm的正方體，框架是由鋁合金製成。 箱體四壁採用透明的亞克力板(透光率98%),並通過雙面密封膠條和 鋁合金框架粘接起來用蠊釘固定。箱蓋採用較厚的亞克力板(透光率 98%)，與箱體間用普通合頁連結。為了防止箱蓋的熱脹冷縮變形，箱 蓋的外表面固定有高強度U型鋁合金板。箱體與箱蓋間鑲有高密度密 封條以提高氣密性。
當一個循環開始時，邏輯控制器控制一通量箱的電磁閥打開，空 氣壓縮機給汽缸供氣,汽缸回縮，通量箱蓋在氣缸臂拉力作用下關閉。 同時，固定在汽缸上的風扇開始工作，攪拌空氣，與此同時，在同一 邏輯控制器控制下，該通量箱的流入氣路和流出氣路的電磁閥打開， 其他通量箱對應的電磁閥關閉，在氣泵作用下，從該通量箱中流出的 氣體都要經由管道先流過控制其氣路的電磁閥，而後流經控制流入氣 體的多通閥，之後，經過緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計，進入 C02分析儀，隨後經由多通閥，流經控制回流氣路的電磁閥，流回通 量箱，構成閉路循環。第180秒時，在邏輯控制器的控制下，電磁閥 工作，汽缸伸展開，通量箱蓋在氣缸臂推力作用下打開，風扇同步停 止工作，流入氣路和流出氣路的電磁閥關閉。在上一個通量箱蓋打開 的同時，下一個通量箱關閉，內部風扇開始工作，與之對應的控制流 入與流出的電磁閥打開，開始相同的閉路循環過程，同樣歷時180秒。 以此類推，蓬個閉合打開，在多個地點循環測定。當所有的箱都測定 過後，系統停止6分鐘後，重新從第一個通量箱開始進行下一輪循環測定，這樣同一 通量箱進行測量的間隔為1小時，較為適宜。
結合圖5和圖6，對使用本發明全自動多通量箱系統進行觀測加 以說明，4月21日到4月22日在中國科學院長武農業生態試驗站對 小麥田和果園進行了研究。4月21日，小麥田生態系統與大氣間的 C02生態系統淨收支(iVEE， Net Ecosystem Exchange)如圖6 (a)所示，在0: 00到6: OO間整體表現為釋放，從0: 00到4: 00變化相 對平緩，5: 00有所降低，6: 00略有升高，7: 00左右，生態系統 由釋放C02轉化為吸收固定C02。在9: OO時間段，小麥生態系統吸 收固定COz的強度達到最大，然後降低，到18: OO生態系統再次由 吸收固定C02轉為釋放C02，表現為由負值逐漸變為正值。19: 00 時，生態系統釋放C02的強度最小。生態系統釋放C02水平在晚上 20- 00時間段最大，然後逐漸降低。由4月21日和22日兩天的連 續觀測結果來看，小麥生態系統淨收支的日變化的特點是，晚間變化 相對平緩，早上7: 00左右，晚上19: 00左右是生態系統吸收固定 和釋放的轉折時間點，上午9: 00到10: 00生態系統的吸收固定強 度最大。連續2d的夜間麥田生態系統的排放強度分別在3.34~ 6.92 limol m'2* s"間變化。在晴天呈現近似單峰變化。連續2d的C02 吸收最大強度分別為-15.9 u mol. m-2 s'1和-17.1 n mol nf2 ， s"。連續 觀測2d的麥田生態系統與大氣間的C02交換通量平均值為-2.35 u mol nT2 s",即該時期的麥田生態系統整體上吸收固定C02的能力強於釋放C02的能力。
果園和麥田的土壩呼吸速率的日變化趨勢如圖6(b)，果園的平
均呼吸速率是6.61umoPnr2's"，麥田是3.87 u mol m-2 m'2's"。果園 土壤的呼吸強度在15: 00到16: OO左右最大，約9.81111101.111-2*8-1 到lO"mol nf2. s"。麥田土壤的呼吸強度分別在16: 00和12: 00 左右最大，約5.2 u mol iif2 s"到5.4 u mol nT2. s"。
權利要求1. 全自動多通量箱系統，包括空氣壓縮機、紅外CO2分析儀、緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、氣泵、數據採集器和多個通量箱，其特徵為所述通量箱側壁及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥，該多通閥分出若干支路，支路上設有一電磁閥，每一支路與一通量箱內的氣缸連接；每一通量箱由設有一電磁閥的氣路管道連接一多通閥，多通閥的總管依次連接緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、紅外CO2分析儀、氣泵後與另一多通閥的總管連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環氣路，紅外CO2分析儀與一數據採集器連接，所述系統中和氣缸相連，用於控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用於控制循環氣路的電磁閥皆通過電路與一邏輯控制器連接。
2. 根據權利要求1所述的全自動多通量箱系統，其特徵為所述通 量箱的個數為18-20個。
3. 根據權利要求1或2所述的全自動多通量箱系統，其特徵為所 述通覽箱內還安裝有一風扇，該風扇通過電路與邏輯控制器連接u
4. 根據權利要求i或2所述的全自動多通量箱系統，其特徵為所 述迎量箱上蓋上設有一氣管，連逋通量箱內外。
5. 根據權利要求1或2所述的全自動多通量箱系統，其特徵為所 述通量箱的上蓋上固定有U形加強筋。
6. 根據權利要求1或2所述的全自動多通量箱系統，其特徵為所 述通量箱上蓋內側邊緣設有密封圈。
專利摘要本實用新型為一種全自動多通量箱系統，包括空氣壓縮機、紅外CO2分析儀、緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、氣泵、數據採集器和多個通量箱，所述通量箱側壁及上蓋間裝有一氣缸，空氣壓縮機連接一多通閥，該多通閥分出若干支路，每一支路上設有一電磁閥，每一支氣路與一通量箱內的氣缸連接；每一通量箱由設有一電磁閥的氣路連接一多通閥，依次連接緩衝器、乾燥器、過濾器、流量計、紅外CO2分析儀、氣泵後與另一多通閥連接，該多通閥分出的每一支路連接一通量箱，每一支路上設有一電磁閥，形成循環氣路。紅外CO2分析儀與通過電路一數據採集器連接。所述系統中和氣缸相連，控制氣缸伸縮的電磁閥，以及通量箱上用於控制循環氣路的電磁閥皆通過電路與一邏輯控制器連接。該實用新型具有反應速度快、高頻率、能在多個地點進行全天候連續循環監測、對被觀測對象擾動小的優點。
文檔編號G01N35/00GK201078754SQ20072014295
公開日2008年6月25日 申請日期2007年4月20日 優先權日2007年4月20日
發明者宋文質, 張紅星, 王效科 申請人:中國科學院生態環境研究中心;張紅星;王效科