一種用於溫室氣體排放通量監測的自動氣體樣品採集站的製作方法

2023-10-22 08:04:22 1

一種用於溫室氣體排放通量監測的自動氣體樣品採集站的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於自動溫室氣體通量監測過程中的氣體樣品自動採集站。該採集站包括一電源系統，一主控系統，一自動靜態箱，一水密封系統，一自動靜態箱升降系統，一採氣系統，一注氣系統，一定位系統和一樣品盤收集系統。本發明的主要工作流程是電源供電，主控系統依次控制蓋箱，加水密封，採氣，定位樣品瓶，注氣，同時記錄採氣時的環境狀況。一次氣體樣品採集完後，控制自動靜態箱打開，等待下一次採樣時間到達時再開始採樣。主控系統可以現場按鍵操作發送指令，也可以遠程無線控制其運行或發送狀態報告。本發明主要適用於農業、林業、草地及自然生態系統環境中排放出的溫室氣體全自動採樣監測，也可用於其它大氣環境監測中的氣體自動取樣。
【專利說明】—種用於溫室氣體排放通量監測的自動氣體樣品採集站
【技術領域】:
[0001]本發明涉及自動氣體樣品採集，特別是指一種用於監測大氣環境條件中氣體排放通量的自動樣品採集裝置，主要用於研究農田、草地和林地(低矮林木)土壤及相應生長的植物體向大氣中排放溫室氣體的速率監測時氣體樣品自動採集裝置，也可用於其它氣體環境中的氣體樣品自動採集。
【背景技術】:
[0002]氣候變化是目前全人類必須面對的最重要的問題之一，主要是氣候總體趨勢變暖，對整個地球環境及全人類生活的方方面面都產生著重要的影響。目前的科學研究表明:氣候變暖主要是人類活動排放的大量溫室氣體，導致大氣環境整體增溫造成的。據國際氣候變化研究最權威機構政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出:氣候變暖95%可能是由於化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動排放的溫室氣體(主要包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等)導致大氣中溫室氣體濃度增加所引起的。自1750年人類工業化文明以來，人類活動大大加速了向大氣中排放溫室氣體，使其濃度急劇增加，三種最主要的溫室氣體二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的濃度值分別從工業化前的280,0.72和0.27ppm增加到2012年393、1.819和0.325ppm,而且目前的增幅仍在加速，在過去的130多年中(1880?2012年)，全球平均地表氣溫升高0.85°C。未來氣候將進一步變暖，預計到21世紀末氣溫將至少上升1.5°C。
[0003]2007年在峇里島舉行的全球氣候變化第13次締約方大會上發達國家對發展中國家提出了溫室氣體可測量、可報告和可證實的具體要求，這需要大量的樣品採集分析才能實現。中國目前的溫室氣體排放總量已躍居世界第一，在大會談判中中國在應對氣候變化和減排溫室氣體方面所面臨的壓力越來越大。溫室氣體的排放監測是進行氣候變化研究的基礎，其測定的方法主要是通過在被測地塊表面罩上密閉的靜態箱，間隔一定的時間抽取一個氣體樣品，使用氣相色譜測定每個氣體樣品中溫室氣體濃度，通過抽取的多個樣品中溫室氣體濃度的變化情況計算出溫室氣體的排放通量，也即溫室氣體的排放速度。目前氣體樣品的採集絕大多數還是採用人工採集的方式進行。
[0004]人工氣體樣品採集主要有幾大劣勢:1)樣品採集工作量十分巨大。有時單個點樣品的採集就至少需2個人配合去蓋箱、採集、記時等重複性工作，如果是多個點進行對比採樣研究時，由於需要採樣的時間可比性，每個採樣點需要I人，就需要多人同時對不同點採樣，人力需求更大；2)人工對採樣的幹擾大。人工採集樣品時採樣人自身呼吸的CO2以及腳步活動、蓋箱取氣等工作對土壤的擾動都會對樣品採集產生較大的幹擾；3)不便於全天候採樣。當天氣狀況不好、時間點不合適或夜晚需要採樣時，人工採樣就受到很大的限制；4)人工採樣個體誤差大，易出錯。採樣會因不同人的操作方式產生差異，而且人工採樣計時不可能很準確，而氣體通量的計算是嚴格按單位時間來計算的，操作的快慢使得計算的誤差變大，同時人為的可能失誤也會對氣體採集產生一定的影響。
[0005]為了克服人工氣體樣品採集時的不利因素，本發明擬研製一種全自動的溫室氣體採集站，可以在無人值守的條件下依據設定的採樣時間及要求實現自動開關密閉箱、自動採集氣體樣品並貯存於密封真空瓶中，由人工定期更換氣體樣品瓶，實現溫室氣體樣品的自動採集。
[0006]國內外目前也有一些自動氣體採樣的裝置，比較典型的有使用球膽和負壓自動採集樣品，它適用於長時間大氣環境平均空氣品質的樣品收集，採集的是長時間空氣品質的一個平均值，不適合於溫室氣體通量的觀測，自動化程度也不高；還有比較典型一類的是可攜式的氣體取樣器，主要是用於現場空氣品質的採樣檢測，其也只適用於單個樣品的採集，也必須有人的現場參與才能實現。目前還沒有研究溫室氣體通量的全自動採集裝置。
[0007]本發明將使用電池加太陽能板供電，可以全天候工作，還可遠程控制，主要用於需要大量溫室氣體樣品採集的科學研究中，將極大地提高溫室氣體監測中氣體樣品採集的效率，為應對氣候變化服務。

【發明內容】
:
[0008]針對上述人工採樣的不利條件，本發明的主要目的是發明一種與靜態箱相結合的全自動氣體採集裝置，可以用於野外環境中全天候和長時間無人值守時，自動採集溫室氣體通量監測樣品並貯存於真空樣品瓶中。並且可以遠程監控、參數設置和發送採樣命令，提高野外大氣環境研究中的自動樣品採集水平。
[0009]為實現上述功能，本發明提供了一種能遠程操控的自動溫室氣體監測樣品採集裝置，其特徵在於包含:一電源系統、一主控系統、一自動靜態箱、一水密封系統、一靜態箱升降系統、一採氣系統、二注氣系統、一定位系統和一樣品收集系統。其中所述電源系統包括一太陽能板、一固定杆、一蓄電池、一充電控制模塊、一電源穩壓模塊和一防水控制箱，主要用於整個取 樣裝置的電力供應；所述主控系統包括一主控板、一信號輸入模塊組、一主控晶片、一顯示晶片、一液晶顯示屏、四按鍵、一信號輸出模塊組、一無線通訊模塊、一天線、一控制箱和一固定杆，此系統控制整個裝置依照設定的程序進行數據的採集、各部件的協同動作，還負責遠程通訊及控制；所述自動靜態箱包括一主框架、一聚碳酸酯板、一風扇、一空氣溫度探頭、一防福射罩、一空氣溼度探頭、一底座、一土壤溫度探頭和一土壤水分探頭，主要用於形成一個密閉的空間，以便進行氣體濃度的採集和通量計算；所述水密封系統包括一擱板、一水箱、一電磁閥、二水管、兩固定螺釘、一水槽和一水位開關，主要功能是自動控制水槽中的水位，將所述自動靜態箱採用水密封，保證取樣時的密閉性；所述自動靜態箱升降系統包括一導向支撐管、一直流減速電機、一升降臂、一絲杆、二滑塊、一基座、一導向槽、二磁感應探頭、一磁鐵和二固定杆，主要通過升降動作控制所述自動靜態箱的打開和封閉，同時，所述導向槽上還有偏轉槽，使所述自動靜態箱在非採氣時間偏轉一定的角度，降低所述自動靜態箱對被測地塊的影響；所述米氣系統包括一底板、六氣管、一米氣泵、一回氣電磁閥、一通道選擇電磁閥、二針頭座、二採氣針頭和兩密封圈，主要用於將所述自動靜態箱內的氣體通過所述採氣泵、所述氣管及所述電磁閥，輸送到所述採氣針頭，為氣體的採集貯存作準備；所述注氣系統包括一進針電機、三固定螺釘、一絲杆、一進針滑塊、一導向杆、一探頭固定板、兩磁感應探頭和一磁鐵，主要用於所述採氣針頭的上下運動注射氣體；所述定位系統包括一定位電機、一中軸、^槽、^銷、一軸承、一螺姆、一定位螺釘、一底蓋、二磁感應探頭、多個磁鐵、多個腳墊及多個固定螺釘，此系統主要是通過所述定位電機的旋轉及磁鐵和探頭的定位，將所述採氣針頭定位到需要的位置，保證採氣的準確進行；所述樣品盤收集系統包括一上盤、一中盤、一下盤、十八氣瓶、十八密封蓋、八雙頭螺柱、八空心管、十三磁鐵和一外罩，主要用於盛裝所述氣瓶並自動定位到所述採氣針頭的下方，保證樣品採集的準確進行。
[0010]採用了上述技術方案的本發明具有以下優點:
[0011]1、由於本發明中集成了太陽能板、蓄電池和無線通訊模塊，可以通過太陽能保證系統的電力供應，使本系統不受外部電力限制，可在野外無電力供應條件下長期自動運行，而且能通過遠程無線通訊了解系統的工作狀態及發送採樣指令，保證了其自動化的優勢；
[0012]2、本發明採用絲杆提升靜態箱，節省電力並保證了高的可靠性，而且當自動靜態箱提升到頂端後會發生偏轉，極大地降低了自動靜態箱對被測地塊的影響；另外，靜態箱採用自動補水的水密封系統，保證了自動靜態箱的密閉性；
[0013]3、本發明的氣路系統採用回氣電磁閥形成一閉合氣路，可以實現用自動靜態箱內的氣體衝洗採氣管道，保證了採氣的純度，同時也避免了因採氣對自動靜態箱內壓力的影響；另外，氣路中還含通道選擇閥，可以增加可自動採集氣體樣品的數量，提高自動化效率；
[0014]4、本發明的絲杆升降定位、採氣針頭運動及樣品盤的轉動定位均採用磁鐵與磁感應探頭定位方式，這種非接觸式定位既保證了運動的順暢，又保證了定位的精度；另外，用於樣品盤中氣瓶定位的磁感應探頭位於樣品盤的最外沿，定位路程長，定位精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0015]圖1是本發明的總體構造示意圖
[0016]圖2是本發明自動靜態箱底及水密封系統構造示意圖
[0017]圖3是本發明導向槽頂部局部放大圖
[0018]圖4是本發明針頭座剖視圖
[0019]圖5是本發明進針滑塊俯視圖
[0020]圖6是本發明中軸頂部端面正視圖
[0021]圖7是本發明中軸底部端面正視圖
[0022]圖8是本發明樣品盤上盤正視圖
[0023]圖9是本發明樣品盤中盤正視圖
[0024]圖10是本發明樣品盤下盤正視圖
[0025]圖11是發明密封瓶蓋剖視圖
[0026]圖12是發明控制工作流程圖
【具體實施方式】:
[0027]如圖1所示，本發明「一種用於溫室氣體排放通量監測的自動樣品採集站」包括一電源系統10、一主控系統20、一自動靜態箱30、一水密封系統40、一靜態箱升降系統50、一採氣系統60、二注氣系統70、一定位系統80和一樣品收集系統90共9大部分，下面以這9大部分的組成結構、裝配及功能實現分別進行介紹。
[0028]如圖1所示的電源系統10包括蓄電池11、充電控制模塊12、太陽能板13、電源穩壓模塊14、電線15、固定杆16和控制箱18。蓄電池11作為整個裝置的電力來源，一方面通過電線與充電控制模塊12及太陽能板13相連，使系統通過太陽能板13吸收太陽的能量，經充電控制模塊12轉換後將太陽能存蓄於蓄電池13中；另一方面，蓄電池13中的電力通過電線15輸出，經電源穩壓模塊14穩壓後，給主控板21供電，保證整個裝置的電力供應。太陽能板13背面通過螺釘(圖1中未示)將固定杆16的上端與太陽能板13相連，固定杆16的下端直接插入大地17中，用於固定太陽能板13。蓄電池11、充電控制模塊12和電源穩壓模塊14均裝入控制箱18中，防止外部風、雨和輻射等對其性能的影響。
[0029]如圖1所示的主控系統20包括主控板21、信號輸入模塊組22、主控晶片23、顯示晶片24、無線通訊模塊25、液晶顯示屏26、按鍵27、信號輸出模塊組28、天線29和固定杆16。主控板21是本發明的控制中心，集成有電源穩壓模塊14、信號輸入模塊組22、主控晶片23、顯示晶片24、無線通訊模塊25和信號輸出模塊組28，各模塊擔負相應的功能動作，其中主控晶片負責控制主控板21上所有其它部件的工作。電源穩壓模塊14用於保持蓄電池13供給的整個系統電壓的穩定。信號輸入模塊組22用於接收所有外部探頭的信號。信號輸出模塊組28是主控板通過此模塊向外部的動作部件發送執行命令。顯示晶片24通過電線15與液晶顯示屏26相連，用來顯示系統的狀態，通過按鍵27操作可以控制主控系統運行。無線通訊模塊25與天線29構成遠程發射和接收通訊系統，既可以無線發送系統的狀態及數據，也可以接收遠程主機發送來的信號，實現遠程參數設置、狀態查詢和操控運行。信號輸出模塊組28使用電線15與各功能執行部件相連，輸出控制命令使各功能部件協同工作實現自動氣體採集。主控系統20中除天線29在控制箱18外部以外，其餘部件均安裝於防水控制箱18中，控制箱18通過螺釘與固定杆16相連,並通過固定杆16插入大地17中固定。
[0030]如圖1所示的自動靜態箱30包括主框架31、聚碳酸酯板32、底座33、空氣溫度探頭34、防輻射罩35、空氣溼度探頭36、土壤溫度探頭37、土壤水分探頭38和風扇39。主框架31由不鏽鋼棒無縫焊接而成一個圓村形框架，在圓柱形主框架31的側面及頂部分別覆蓋有聚碳酸酯板32，聚碳酸酯板32以螺釘(圖1中未示)固定於主框架上，並使用透明密封膠密封。在主框架31的內部懸掛有空氣溫度探頭34和空氣溼度探頭36，其中空氣溫度探頭的上部還安裝有一防輻射罩35，用來防止太陽輻射對溫度測定的影響。靜態箱的底座33的結構圖如圖2所示，底座33內部是一圓柱形不鏽鋼管，下端插入大地17中，在底座33的內部圓柱管外面中間部位垂直無縫焊接一圓環狀不鏽鋼板，然後在所焊接的圓柱形板的外沿向上垂直無縫焊接一圓柱形不鏽鋼管，且這一圓柱形管的高度要低於底座33內部圓柱管的高度，使底座33的外部圓柱管、圓環狀不鏽鋼板內圓柱管無縫焊接形成一個外低內高的水槽47，而且主框架31覆蓋聚碳酸酯板32後的外徑要大於水槽47的內徑且小於水槽47的外徑，當自動靜態箱30的主框架31的底端垂直降入水槽47內，並且水槽47內充滿水時，可以將自動靜態箱內部空氣與外部空氣密封隔絕。在底座33內地上部種植有植物331，在底座33內地下部埋設有土壤溫度探頭37和土壤水分探頭38。在自動靜態箱內部頂端還裝有一風扇39,用來測定時混勻箱內氣體。
[0031]如圖1所示的水密封系統40包括擱板41、水箱42、電磁閥43、水管44、固定螺釘45、水位開關46和水槽47。擱板41是折彎為90度直角的不鏽鋼板，使用螺釘(圖1中未示)固定於底座33上，在擱板41上放置有水箱42，並用固定螺釘45安裝有電磁閥43，水箱42與電磁閥43及電磁閥43與水槽47之間使用水管連接，水槽47內還安裝有一水位開關46，當需要注水時，打開電磁閥43，水箱42內的水通過水管44及電磁閥43注入到水槽47中，到注水達到水位開關46的設定值後，主控板21會發送指令關閉電磁閥43而停止注水。
[0032]如圖1所示的自動靜態箱升降系統50包括導向支撐管51、直流減速電機52、升降臂53、絲杆54、滑塊55、基座56、導向槽57、磁感應探頭58、磁鐵59和固定杆16。導向支撐管51是一段厚壁不鏽鋼管，在管的頂端焊接有固定片，用來使用固定螺釘45固定直流減速電機52，在導向支撐管51正對自動靜態箱30的一面開有一條導向槽57，圖3是導向槽57的局部放大圖，如圖3所示導向槽57的上部還有兩個斜向上的偏轉槽571和偏轉槽572，在偏轉槽572的下方導向支撐管51的外部還固定有一個磁感應開關58,在導向支撐管51內部軸心有一段絲杆54，絲杆54上部中心有一圓孔，直流減速電機52的軸可以伸入絲杆54內部，兩者使用固定螺釘45連接，在絲杆54上穿設有兩個配套的圓柱形滑塊55，滑塊55中心的螺紋與絲杆54上的螺紋配套。升降臂53是由二根平行的不鏽鋼實心棒和一根豎直的不鏽鋼實心棒焊接為圖1中所示的形狀，升降臂的一頭使用螺釘固定於自動靜態箱30的主框架31上，另一端則穿過導向槽57使用螺釘(圖1中未示)與上下滑塊55相連。在下滑塊上還打孔埋設有一個圓柱形磁鐵59。導向支撐管51焊接於一塊不鏽鋼基座56上，基座56上有兩個固定孔，使用固定柱16釘入大地17中，將自動靜態箱升降系統50固定於地上。自動靜態箱30的升降通過直流減速電機52的旋轉帶動滑塊55運動，由於升降臂53隻能導向槽57中運動，使得滑塊55帶動升降臂53及相連的自動靜態箱主框架31 —起運動，當滑塊55上升到導向槽頂部時，由於導向槽571和導向槽572的同時偏轉，帶動自動靜態箱30向同一方向偏轉,這樣可以減少自動靜態箱的遮蔽對被測定植物生長的影響，固定於滑塊55上的磁鐵及固定於導向支撐管51外的磁感應探頭可以使系統檢測到自動靜態箱升降的到位程度。
[0033]如圖1所不的米氣系統60包括底板61、氣管62、米氣泵63、回氣電磁閥64、通道選擇電磁閥65、針頭座66、密封圈67、內採氣針頭68、外採氣針頭69和側孔681。採氣泵63、回氣回氣電磁閥64和通道選擇電磁閥65都使用固定錫釘45固定於底板61上,底板61上有孔供兩根氣管62穿過並通入針頭座66中心。自動靜態箱30內的氣體從伸入其內部的氣管62處進入,經米氣泵63抽動並經出口氣管62輸送入回氣電磁閥64,回氣電磁閥64是一個二位三通電磁閥，當其不通電處於關閉狀態時，左邊進氣口與頂部出氣口相通，氣體可再由頂部出口處相連氣管回輸到密閉的自動靜態箱30，這樣起到用待採集的自動靜態箱30內的氣體衝洗採氣所使用的氣管62的作用，保證抽取的氣體與自動靜態箱30內的氣體最大程度接近。當回氣電磁閥64打開時，其頂部的出口關閉，同時右邊的出氣口打開，氣管62內的氣體由米氣泵63抽取輸送到通道選擇電磁閥65,通道選擇電磁閥65的結構與回氣電磁閥64相似，當其不通電關閉時，左邊進氣口與頂部出氣口相通，當其通電打開時，左邊進氣口只與右邊出氣口相通，主控板21通過打開或關閉此閥可以選擇不同的氣體通道將氣體輸送到中空的內採氣針頭68或外採氣針頭69，在內採氣針頭68或外採氣針頭69接近針尖部側面有一圓形的側孔681，可防止進針時密封墊的碎沫堵塞針頭。針頭座66以固定螺釘45可固定於進針滑塊73上，圖4給出了其剖面圖，其左右兩邊均有一個固定螺釘45可穿過的螺釘孔661，在針頭座的中心有一個可供氣管62通過的進氣管孔662，針頭座66的下部有螺紋可供連接針頭，如圖1中所示內採氣針頭68和外採氣針頭69內部均有螺紋可以旋設於針頭座66上，氣管62穿過針頭座66後，套設有「O」型密封圈67，當內採氣針頭68或外採氣針頭69與針頭座66擰緊時壓緊「O」型密封圈67，保證針頭座66、氣管62與外採氣針頭68或內採氣針頭69之間不漏氣。
[0034]如圖1所示的注氣系統70包括進針電機71、固定螺釘45、進針絲杆72、進針滑塊73、導向杆74、探頭固定板75、鎖緊螺釘76、磁感應探頭58和磁鐵59。圖1顯示了兩套注氣系統70，現以靠近中心的注氣系統70來介紹其結構，進針電機71使用固定螺釘45固定於底板61上，進針電機71的軸穿過底板61，在進針電機71的下方有一個進針絲杆72，進針絲杆72的頂部中心徑向有一個圓孔，進針電機71的軸伸入到進針絲杆72的中心圓孔中，並使用固定螺釘45固定。在進針絲杆72上穿設有一圓柱形的進針滑塊73，圖5顯示了進針滑塊的俯視圖，進針滑塊73中心螺紋孔731與進針絲杆72外螺紋配套，滑塊左側有一個固定針座66的針座槽732，在針座槽732中有一個針座孔733和兩個針座固定螺紋孔734，可以將針座66安裝於進針滑塊73上並使用固定螺釘45固定。在進針滑塊73的右側有一個導向孔735，可以將導向杆74穿設其中用於導向，在進針滑塊73的最右側還埋設有一磁鐵59，用於針頭位置的感知。圖1中顯示了導向杆的安裝，其端部採用過盈配合的方式插入到底板61中，與底板61垂直並且穿過進針滑塊73的導向孔735。在導向杆74旁側有一個探頭固定板75，此探頭固定板折彎呈90度直角豎直放置，與底板61平行的一面通過固定螺釘45固定於底板61上，使豎直放置的一面與導向杆74平行，當進針電機71轉動帶動進針絲杆72轉動時，由於導向杆73的導向作用，使得進針滑塊73在進針絲杆72上作直線運動，當進針滑塊73運到到進針絲杆72的最上端或最下端進，在與其上面的磁鐵59正對的地方，在探頭固定板74上分別使用強力膠水粘接一個磁感應探頭，用來感知進針滑塊是否運動到位，從而可以指示出固定在進針滑塊73上的針頭座66上的針頭是否運動到位。在進針絲杆72的末端還採用螺紋連接固定有一個鎖定螺釘76，用來防止進針滑塊73旋轉滑出進針絲杆72。
[0035]如圖1所示的定位系統80包括定位電機81、中軸82、卡槽83、卡銷84、軸承85、螺母86、定位螺釘87、底蓋88、磁感應探頭58、磁鐵59、腳墊89及固定螺釘45。定位電機81使用固定螺釘45固定於外罩98上，為旋轉定位提供動力。定位電機81的軸伸入中軸82的內部，在定位電機81的電機軸徑向有一小孔，可以將一圓柱形的卡銷84過盈配合穿過電機軸，使卡銷84垂直於電機軸。圖6顯示了中軸82頂端俯視圖，中軸82的頂端中心有一個圓孔821，定位電機81的電機軸可以伸入其中，與中心圓孔821相連的還有一個長條形的卡槽83，將電機軸對準圓孔821，將卡銷84對次卡槽83即可將定位電機81與中軸82卡接起來。圖7顯示了中軸82底端俯視圖，在中軸82的底端中心有一軸承85，在軸承85的兩邊各有一固定用的螺釘孔822。中軸82通過兩個固定螺釘45穿過下盤93固定在下盤93上。在中軸82的最大端有一底蓋88，底蓋88是一個圓形的帶螺紋的蓋子，正中心有螺紋孔，在底蓋88上採用粘接的方式固定有腳墊89，使底蓋88可以立於地上。有一定位螺釘87穿過底蓋88中心的螺紋孔後，使用螺母86鎖緊，再穿過下盤93伸入軸承85的中心孔。
[0036]如圖1所示的樣品收集系統90包括上盤91、中盤92、下盤93、氣瓶94、密封蓋95、雙頭螺柱96、空心管97、磁鐵59和外罩98。樣品盤上盤91俯視圖如圖8所示，盤上以圓周方式均勻分布有兩圈氣瓶孔911，本發明上盤91內圈有6個氣瓶孔911，外圈有12個氣瓶孔911，在上盤91盤中心與每個氣瓶孔911中心相連的延長線與盤外沿相交處均埋設一個圓柱形磁鐵59，由於上盤91中心與內圈氣瓶孔911與外圈氣瓶孔911連線有重合，本實施例中外圈磁鐵共有12個，另外，在上盤的外沿還有一個反向安裝磁鐵591，用來定位上盤的初始位置，上盤92上還有四個螺釘固定孔912，中心有一個可供中軸穿過的軸心孔913。中盤92的俯視圖如圖9所示，其與上盤91的主要不同是沒有埋設磁鐵59和反向磁鐵591，盤上也分內外兩圈均勻分布有氣瓶孔921、螺釘固定孔922和軸心孔913。下盤93的俯視圖如圖10所示，與中盤92的區別是沒有氣瓶孔，增加了兩個螺釘固定孔931，軸心孔933變小，螺釘固定孔932的相對位置與中盤92上的一致。如圖1所示，上盤91、中盤92和下盤93的連接採用雙頭螺柱96和空心管97，固定螺釘45從下盤93的固定螺釘孔932的下面穿過，再穿過空心管97和中盤92的固定螺釘孔922後旋入雙頭螺柱96內，另一固定螺釘45從上盤91上的固定螺釘孔912穿過盤體後旋入雙頭螺柱96內，上盤91、中盤92和下盤93的對應四個螺釘孔均採用這種方式連接成一個完整的樣品盤99，再將中軸82從上盤91的軸心孔913穿入，再穿過中盤92的軸心孔922後與下盤93緊密接觸，再使用固定螺釘45從下盤93的下部螺釘固定孔931穿過後旋入到中軸82的螺釘固定孔822中，將樣品盤99與中軸82連接起來。在樣品盤99的氣瓶孔911中放置有螺口氣瓶94，在螺口氣瓶94上旋緊有密封蓋95，圖11是密封蓋95的剖視圖，密封蓋內有圓片狀密封用橡膠墊951，瓶蓋中心有一可供針頭68穿過的圓孔952，密封蓋95採用螺紋951與螺口氣瓶94相連，當密封蓋95旋緊後,橡膠墊951可以保證氣瓶94的密封。如圖1所不，在底盤88的上部有一外罩98，外罩98採用透明塑料製成，呈倒扣圓柱形的大螺口瓶形狀，使用螺紋連接於底盤88上，在外罩98的上部採用雙頭螺柱66和固定螺釘45與底板61連接，外罩98與底板61至少使用三個雙頭螺柱66連接固定，保證其連接牢固。在外罩98內壁正對於上盤91的其中一個磁鐵59和反向磁鐵591的位置，分別粘接有一個磁感應探頭58用來感知樣品盤99的旋轉位置。樣品瓶94的定位方式是:使用定位電機81提供動力順時針轉動中軸82，中軸82帶動固定於其底部的樣品盤99 一起順時針轉動，當上盤91上的反向磁鐵591轉動到其對應的固定於外罩上的磁感應探頭58的位置時，主控系統20將其設定為初始位置，氣瓶的編號置為0，然後樣品盤繼續順時針轉動，當每轉動到上盤中一個磁鐵59與磁感應探頭相對應時，使對應的樣品盤99上內圈或外圈的氣瓶94則正好轉到注射針頭68的上方定位，為採集氣體做準備，樣品盤每轉動一個磁鐵58的位置，則樣品盤99內圈或外圈的氣瓶94計數就增加一個瓶位，當樣品盤從起始位置旋轉一圈又轉到反向磁鐵591的位置時，氣瓶94又從O開始重新定位計數。
[0037]以上介紹了本發明的各功能部分的裝配及功能實施方式，現結合圖1和圖12來說明本發明總體配合實施方式。當如上所述的各部件按照圖1的方式安裝完成後，將空氣溫度探頭34、空氣溼度探頭36、土壤溫度探頭37、土壤水分探頭38、水位開關46和所有的磁感應探頭58使用電線15從信號輸入模塊組22接入主控板21，將風扇39、電磁閥43、直流減速電機52、回氣電磁閥64、通道選擇電磁閥65、進針電機71和定位電機81從信號輸出模塊組28接入主控板21，使主控系統能對本發明裝置的所有電動部件進行控制。
[0038]如圖12所示的工作流程圖，當電源系統10給主控系統20供電後，主控系統20進行上電自檢，檢測系統各個部件是否正常，並將系統各部件復位，如果上電自檢不能通過，則在液晶屏上顯示錯誤信息並將此出錯信息通過無線模塊進行發送；如果上電自檢通過後，採樣器需要進行採樣參數的設置，參數的設置可以通過遠程終端無線傳輸設置，也可以通過板載的按鍵27來設置；當採樣的參數設置好後，可以通過遠程終端或按鍵發布運行命令，開始自動採樣的流程，此時採樣器處於一種等待採樣時間到達的準備狀態，此過程中可以接收設置或動作指令；當時間到達設定的採樣時間後，採樣器進入採樣進程，如圖1所不，由米樣器的主控系統20給靜態箱30發送蓋箱命令,給直流減速電機52通電使電機軸帶動絲杆54旋轉，絲杆54帶動滑塊55在導向槽57的作用下作直線下降運動，和滑塊55相連的升降臂53帶著靜態箱主框架31 —起作直線下降運動，直至滑塊上的磁鐵59被固定在支撐管51底部的磁感應探頭58感應到後停止，這時靜態箱主框架31正好落在底座33的水槽47中，完成蓋靜態箱動作；此時打開電磁閥43，水箱42中的水通過水管44流入到水槽47中，當水位開關46指示水槽47中的水位已達到預設的高度時，水槽47中的水將靜態箱主框架31與底座33密封起來，此時關閉電磁閥43，切斷水的注入，完成加水密封動作；隨後主控系統打開風扇39，混勻自動靜態箱30內的氣體，緊接著打開採氣泵63，靜態箱30內氣體經氣管62由採氣泵63抽取，經回氣電磁閥64頂部出口再次由氣管62回送到自動靜態箱30中，此過程主要目的是使用自動靜態箱內的氣體衝洗採氣的管道，減少管道中殘存的氣體對採氣的影響；清洗管道完成後，系統打開回氣電磁閥64，使氣體從回氣電磁閥64的右側流出並進入通道選擇電磁閥65，系統根據採氣的需要打開或關閉通道選擇閥，使氣流通達到內採氣針頭68或外採氣針頭69，此過程的作用是用來自自動靜態箱31內的氣流衝洗採氣針頭及其連接管道，保證採氣的純度；接著主控系統20控制樣品瓶的定位，其流程是定位電機81旋轉並帶動連接的中軸82和樣品盤的上盤91、中盤92、下盤93 —起旋轉，氣瓶94放置於樣品盤上也一併旋轉，在上盤的外沿分布有磁鐵59和反向安裝磁鐵591，反向安裝磁鐵用於指示樣品盤的初始位置，磁鐵59用於指示樣品盤是對應瓶位的位置，當樣品盤旋轉到相應的瓶位位置，使得相應的磁鐵59被磁感應探頭感應到時,停止轉動，內採氣針頭68或外採氣針頭69也停於待採集的氣瓶94的上方，完成瓶的定位動作；接下來是進針採氣，其動作流程是當針頭及相應管道衝洗完成後，進針電機71旋轉帶動進針絲杆72，進針絲杆72帶動進針滑塊73，進針滑塊73在導向杆74上滑動，帶動相連的內採氣針頭68或外採氣針頭69向下移動，針頭刺破下方已抽真空的氣瓶94的密封蓋95的橡膠墊951，插入到真空氣瓶94中，橡膠墊951在彈性的作用下緊密抱緊針頭使針頭與橡膠墊951密封，當進針滑塊73的磁鐵59被探頭固定板75下部的磁感應探頭58探測到時停止進針，此時經採氣泵63抽取的自動靜態箱30中的氣體通過氣管62、回氣電磁閥64、通道選擇電磁閥65及針頭側孔681壓入到氣瓶94中採集氣體；接下來完成當次採樣點採氣動作，此過程主要包括退針、關採氣泵63、關電磁閥64、關風扇39四個動作，退針動作與進針動作相反，其流程是進針電機71反向旋轉帶動針絲杆72、進針滑塊73以及與其相連的內採氣針頭68或外採氣針頭69向上運動，將針頭從氣瓶94中拔出，當進針滑塊73的磁鐵59被探頭固定板75上部的磁感應探頭58探測到時停止運動，完成退針動作；緊接著退針動作完成後，主控系統20控制關閉採氣泵63、關閉回氣電磁閥64和風扇39，緊接著記錄採氣時的系統的狀態數據，完成第I個採樣點的採氣過程，為了測定氣體通量的準確性，一般在蓋箱的情況下要採集4?5點次；接下來主控系統20判斷採樣點是否結束，如果沒有結束，系統進入等待下一個採樣點時間的狀態，當到達下一個採樣點時間後，系統將執行如圖1所示的從開風扇39到關風扇39的流程進行採氣；當最後一個採樣點結束後，主控系統打開自動靜態箱31，其動作流程是與蓋箱相反，由採樣器的主控系統20給直流減速電機52反向通電使電機軸帶動絲杆54逆時針旋轉，絲杆54帶動滑塊55、升降臂53和靜態箱主框架31 —起在導向槽57的引導下作直線上升運動，當滑塊55上的磁鐵59被固定在支撐管51頂部的磁感應探頭58感應到後停止，自動靜態箱31完全打開；當靜態箱主框架31打開後，主控系統檢查所有設定的採樣任務是否完成，如沒有完成，則系統進入等待下次採樣時間狀態，如果所有採樣任務已經結束，系統就完成了整個採樣過程，進入待機狀態，準備接收新的採樣命令；如圖12所示的流程圖虛框部分，在採樣的過程中如果出錯，則主控系統會停止採樣，並回到採樣的初始狀態，在屏幕上報告錯誤信息，並通過無線遠程發送出錯信息報告。
[0039]本發明是為溫室氣體通量自動監測設計，也可以不連接自動靜態箱，在程序上設定與自動靜態箱30相關的動作均不執行，直接採集大氣環境中的氣體，可以用於任何大氣環境監測中的氣體樣品自動採集。
【權利要求】
1.一種監測大氣環境條件中氣體排放通量的自動氣體樣品採集裝置，包含電源系統、主控系統、自動靜態箱、水密封系統、靜態箱升降系統、採氣系統、注氣系統、定位系統和樣品收集系統九大部分，其特徵在於，此氣體自動採集裝置安裝於野外植物生長環境，可通過蓄電池和太陽能板獲取裝置所需的電能，通過主控制系統控制自動靜態箱、靜態箱升降系統和水密封系統來控制自動靜態箱的開閉，通過定位系統將樣品盤定位到所需的位置，通過採氣系統從密閉的自動靜態箱採集氣體，通過注氣系統將採集的氣體注入到真空氣瓶中。
2.如權利要求1所述的自動氣體樣品採集裝置，其特徵在於，所述自動靜態箱採用直流減速電機帶動絲杆及滑塊在導向槽內滑動，所述導向槽具有偏轉機構，在抬升到頂部時可以自動偏轉。
3.如權利要求1所述的自動氣體樣品採集裝置，其特徵在於，所述的自動靜態箱採用電磁閥控制密封用水的自動加入，當達到預設水位高度時能自動停止加水，保證自動靜態箱的密封。
4.如權利要求1所述的自動氣體樣品採集裝置，其特徵在於，所述定位系統的上盤外側有若干正向或反向安裝的磁鐵，在旋轉時能被磁感應探頭感應到，從而能定位放置於樣品盤上的氣瓶。
5.如權利要求1和權利要求4所述的自動氣體樣品採集裝置，其特徵在於，所述定位系統的中軸上端有一卡槽，下端有一軸承，可以方便地裝卸樣品盤和取放氣瓶，當使用定位螺釘鎖固後，軸承結構可以保證旋轉定位。
6.如權利要求1所述的自動氣體樣品採集裝置，其特徵在於，其主控系統含有按鍵及無線控制模塊，既可通過按鍵進行操控，也可以通過無線發送方式進行參數設置和發送操控命令，並且當裝置運行出錯時，可以遠程發送錯誤報告。
【文檔編號】G01N1/22GK103926115SQ201410141455
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】萬運帆, 李玉娥, 高清竹, 遊松財, 秦曉波, 劉碩, 馬欣, 王斌, 張衛紅 申請人:中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所, 萬運帆