一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置及方法
【專利摘要】本發明一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置，主要包括：機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分；氣體變換機構實現氣體的采集、暫時存儲和氣體的分別測量；二氧化碳濃度測量模塊將輸入的氣體進行實時測量；電氣控制部分通過單片機對氣體變換機構和測量模塊進行控制，并通過嵌入的GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊將GPS信息、風速風向信息和測量信息發送至無線網絡，然后傳輸至遠端接收器。本發明具有現場多點實時測量和遠程數據傳輸功能，能夠在農田等環境中自動進行同一地點不同梯度的二氧化碳濃度測量，并能夠將數據發送至遠端。
【專利說明】一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置及方法
(-)【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量裝置，尤其是一種用于農田光合作用產生的二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置。
(二)【背景技術】
[0002]二氧化碳(CO2)濃度是許多領域需要實時監測和分析的重要數據，對二氧化碳濃度的監測應用于農業生產、環境保護等領域。二氧化碳是造成溫室效應的重要因素，同時二氧化碳還是植物光合作用的主要原料，是農作物進行碳匯的主要途徑，因此有關農田內二氧化碳濃度的監控與測量，對于農情信息采集、農田碳匯、二氧化碳施肥、提高作物產量具有重要意義。
[0003]農田近地氣層二氧化碳濃度梯度觀測是農田二氧化碳濃度測定的重要組成部分，是通過對同一地點不同高度分別進行二氧化碳濃度測量得出的濃度梯度分布。目前二氧化碳濃度梯度觀測有兩種方法:一種是用幾臺測試儀在不同高度同時進行觀測；另一種是一臺儀器工作，按時在各個高度上迅速采樣，隨即分別測出不同高度空氣中二氧化碳濃度。這兩種方法各有利弊:第一種方法測量準確，但成本較高不適于大面積農田使用；第二種方法主要有兩個缺陷，一是容易受人為的影響，如采樣者呼出的二氧化碳、人工測量引起的氣體擾動等，影響精確度；二是資料不連續、不同步，觀測高度也受限制。且以上兩種方法都需要人工操作讀數，易受人為因素影響，不利于進行數據的實時采集和遠程獲取。因此，發明一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置具有重要的現實意義。
(三)發明專利內容
[0004]針對上述技術問題，本發明專利提供了一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置及控制方法，該設備具有現場多點實時測量和遠程數據傳輸功能，安裝好后能夠在農田等環境中自動進行同一地點不同梯度高度的二氧化碳濃度測量，并能夠將數據發送至遠端。
[0005]一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置，主要包括:機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分；機械支架由底座、立柱和多個肢架組成，用于測量時固定測量裝置和導氣管；氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥和微型氣泵組成的，實現氣體的采集、暫時存儲和氣體的分別測量；二氧化碳濃度測量模塊采用紅外測量的方式，將輸入的氣體進行實時測量；電氣控制部分通過單片機對氣體變換機構和測量模塊進行控制，并通過嵌入GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊將GPS信息、風速風向信息和測量信息發送至無線網絡，然后傳輸至遠端接收器。
[0006]所述機械支架由一個底座、立柱和多個肢架組成。所述底座是一個下面帶有長釘上面帶有圓柱形長孔的圓盤型結構，所述圓柱形長孔用于固定立柱，所述長釘用于將整個支架固定在土壤中。所述立柱標記有公制刻度，用以標記測量高度；所述肢架為桿狀一端焊接有鋼管固定夾使肢架可活動的垂直固定在立柱上。所述肢架在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可以調整，肢架可以以一定的角度、不同的高度垂直安裝在立柱周圍，長導氣管固定在各肢架上。
[0007]所述氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥、微型氣泵和一個氣體質量流量控制器(MFC)構成；所述氣體變換機構有若干個支路構成。每個支路由導氣管、一個二位三通電磁閥和一個微型氣泵組成。所訴導氣管分為長導氣管、短導氣管和連接導氣管，長導氣管長度可根據后述的公式計算確定，長導氣管一端安裝有鵝頸彎管并接通到大氣中，鵝頸彎管可以防止氣體交換，長導氣管另一端連接在二位三通電磁閥的進氣口上，長導氣管與二位三通電磁閥之間安裝有微型氣泵，短導氣管和連接導氣管一端分別連接在二位三通電磁閥的兩個出氣口上，短導氣管另一端連接大氣，連接導氣管另一端連接在多通接頭上；各個支路的連接導氣管通過一個多通接頭連接在干路氣管上，干路氣管長度以適宜為宜，氣體質量流量控制器(MFC)安裝在干路氣管上緊接在多通接頭后面，可以控制氣體的流量并測量壓力值；干路氣管另一端接入二氧化碳濃度測量模塊進行濃度測試。
[0008]所述二氧化碳濃度測量模塊采用紅外二氧化碳測量方式。該模塊的原理是當紅外光通過待測氣體時這些氣體分子對特定波長的紅外光具有吸收作用，其吸收關系服從朗博一比爾吸收定律，由此可通過計算透過待測氣體的紅外光的強度變化確定待測氣體濃度。該模塊的主要結構是由一個紅外光源、紅外接收器及管狀氣室組成；紅外光源和紅外接收器分別在管狀氣室的兩端；紅外光源是紅外光的發射裝置；紅外接收器是紅外光的接受裝置；氣室用于盛放待測氣體，兩端有進氣口和出氣口。
[0009]所述電氣控制部分包括GPS接收模塊、測量控制器、風速風向模塊和GPRS無線通訊模塊。所述GPS接收模塊用于獲取測量儀所在的地理位置信息(即GPS信息)，并通過串口發送到測量控制器；所述測量控制器用于控制氣體變換機構中泵、閥的變換，讀取GPS信息、風速風向信息和測量結果的計算；所述風速風向模塊用于測量進行二氧化碳濃度測量時所在位置的風速風向信息。所述GPRS無線通訊模塊可通過其內置的無線網絡通訊功能與遠程終端設備建立聯系，將測量信息、GPS接收模塊獲取的GPS信息、風速風向信息傳輸至遠端接收器；所述二氧化碳測量模塊、GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊通過串行通訊方式與測量控制器聯接。
[0010]一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置控制過程為:
(1)各模塊初始化，待機狀態等待指令
(2)測量裝置的GPRS無線通訊模塊接受指令，并對指令進行解析，確定采樣間隔、采樣頻率等要素，并根據公式4計算出氣體質量流量控制器的流量控制量，并讀取GPS接收模塊獲取的本發明測量裝置所在的地理位置信息。
(3)測量控制器控制泵、閥進行工作，具體過程如下:
a)工作前，切換所有二位三通電磁閥工作位置，使各支路長導氣管與短導氣管連通`，同時開啟所有微型氣泵進行抽氣，開啟一定時間U1 V/U)后同時關閉所有微型氣泵，此時，長導氣管內布滿了從外界抽入的待測氣體，長導氣管起到暫時儲氣的作用。抽氣完成后讀取當前風速風向信息。
b)支路I的二位三通閥切換位置，使支路I與干路氣管連通，開啟支路I的微型氣泵將支路I中長導氣管內的氣體泵入二氧化碳測量濃度測量模塊進行測量。測量控制器通過氣體質量流量控制器對流入二氧化碳測量模塊的氣體體積V’進行計算，當V’ MV-Vtl)/2時，測量控制器開始讀取二氧化碳測量模塊讀數，當V’ MV+VJ/2時，停止讀取。
C)支路I和支路2的二位三通電磁閥同時切換位置，使支路I斷開與干路氣管相連，支路2與干路氣管連通，開啟支路2的微型氣泵對支路2長導氣管內的氣體按照步驟b)中所述方法進行測量，測量完成后，支路2和支路3的二位三通閥同時切換位置，對支路3長導
氣管中的氣體進行測量......以此類推，分別測定所有支路的氣體二氧化碳濃度。
(4)將測定的所有支路的氣體二氧化碳濃度信息暫存，若采樣未結束重復執行步驟
(3)，若結束對步驟3)讀取的二氧化碳濃度信息進行補償計算，將計算結果和GPS信息和風速風向信息打包上傳至遠端接收器。測量完成儀器關機。
[0011]本發明一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置硬件及控制信息計算: 二氧化碳測量模塊響應時間:T
微型氣泵提供的額定流量=Qtl 支路總數為:Ν
二氧化碳濃度測量所需的最小體積為QciT,為滿足測量要求，所抽取的氣體應留有測量余量，因此設每根長導氣管內從外界抽入的待測氣體為體積為V，選取長導氣管暫存的氣體中最中間的部分氣體參與測量，設計參與測量的氣體體積為Vtl(V) 則長導氣管兩端的氣體余量為(V-Vtl)/2，設計參數計算如下:
【權利要求】
1.一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置，主要包括:機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分； 所述機械支架由一個底座、立柱和多個肢架組成；所述底座是一個下面帶有長釘上面帶有圓柱形長孔的圓盤型結構；所述立柱上標記有公制刻度；所述肢架為桿狀一端焊接有鋼管固定夾使肢架可活動的垂直固定在立柱上； 所述氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥、微型氣泵和一個氣體質量流量控制器MFC構成；所述氣體變換機構設計有若干個支路構成；每個支路由導氣管、一個二位三通電磁閥和一個微型氣泵組成；所訴導氣管分為長導氣管、短導氣管和連接導氣管，長導氣管一端安裝有鵝頸彎管并接通到大氣中，長導氣管另一端連接在二位三通電磁閥的進氣口上，長導氣管與二位三通電磁閥之間安裝有微型氣泵，短導氣管和連接導氣管一端分別連接在二位三通電磁閥的兩個出氣口上，短導氣管另一端連接大氣，連接導氣管另一端連接在多通接頭上；各個支路的連接導氣管通過一個多通接頭連接在干路氣管上，質量流量控制器MFC安裝在干路氣管上緊接在多通接頭后面；干路氣管接入二氧化碳濃度測量模塊； 所述電氣控制部分包括GPS接收模塊、測量控制器、風速風向模塊和GPRS無線通訊模塊；所述二氧化碳測量模塊、GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊通過串行通訊方式與測量控制器聯接。
2.如權利要求1所述一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置的控制過程為: (1)各模塊初始化，待機狀態等待指令； (2)測量裝置的GPRS無線通訊模塊接受指令，并對指令進行解析，確定采樣間隔、采樣頻率等要素，并根據公式4計算出氣體質量流量控制器的流量控制量，并讀取GPS接收模塊獲取的本發明測量裝置所在的地理位置信息； (3)測量控制器控制泵 、閥進行工作，具體過程如下: a)工作前，切換所有二位三通電磁閥工作位置，使各支路長導氣管與短導氣管連通，同時開啟所有微型氣泵進行抽氣，開啟一定時間h > V/U后同時關閉所有微型氣泵，此時，長導氣管內布滿了從外界抽入的待測氣體，長導氣管起到暫時儲氣的作用；抽氣完成后讀取當前風速風向信息； b)支路I的二位三通閥切換位置，使支路I與干路氣管連通，開啟支路I的微型氣泵將支路I中長導氣管內的氣體泵入二氧化碳測量濃度測量模塊進行測量；測量控制器通過氣體質量流量控制器對流入二氧化碳測量模塊的氣體體積V’進行計算，當V’ MV-Vtl)/2時，測量控制器開始讀取二氧化碳測量模塊讀數，當V’ > (V+V0) /2時，停止讀取； c)支路I和支路2的二位三通電磁閥同時切換位置，使支路I斷開與干路氣管相連，支路2與干路氣管連通，開啟支路2的微型氣泵對支路2長導氣管內的氣體按照步驟b)中所述方法進行測量，測量完成后，支路2和支路3的二位三通閥同時切換位置，對支路3長導氣管中的氣體進行測量......以此類推，分別測定所有支路的氣體二氧化碳濃度； (4)將測定的所有支路的氣體二氧化碳濃度信息暫存，若采樣未結束重復執行步驟(3)，若結束對步驟(3)讀取的二氧化碳濃度信息進行補償計算，將計算結果和GPS信息和風速風向信息打包上傳至遠端接收器；測量完成儀器關機； 本發明控制過程中涉及的控制信息計算如下: 二氧化碳測量模塊響應時間:T微型氣泵提供的額定流量=Qtl 支路總數為:N 二氧化碳濃度測量所需的最小體積為QciT,為滿足測量要求，所抽取的氣體應留有測量余量，因此設每根長導氣管內從外界抽入的待測氣體為體積為V，選取長導氣管暫存的氣體中最中間的部分氣體參與測量，設計參與測量的氣體體積為Vtl, VMPQJ，則長導氣管兩端的氣體余量為(V-Vtl)/2，設計參數計算如下:
3.根據權利要求1所述的一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置其特征在于所述的長導氣管為軟管，可伸展至不同高度。
4.根據權利要求1所述的一種二氧化碳濃度梯度分布原位同步測量裝置其特征在于所述的氣體變換機構中的氣 體質量流量控制器MFC也可采用節流閥和氣壓計實現。
【文檔編號】G01N21/35GK103454241SQ201310409664
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】苑進, 寧堂原, 王侃, 李楊, 劉雪美 申請人:山東農業大學