CN100558227C - 一种能控制co2浓度的植物生长培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，包括密封的并设有开启装置的植物生长室组件(2)，其由透明材料制成；出管(4)的一端与植物生长室组件(2)的内腔相通、另一端依次通过三通转接阀I(5)、管I(6)、气泵(7)和出气管(71)与CO₂气体平衡组件(8)相连，CO₂气体平衡组件(8)依次通过管II(9)、气体缓冲罐(10)、管IV(16)、CO₂检测组件(12)、管III(11)、三通转接阀II(13)和进管(1)与植物生长室组件(2)的内腔相连；连接管(14)的两端分别与三通转接阀I(5)和三通转接阀II(13)相连。使用本发明的装置能提高对CO₂浓度的精确控制，还能解决自然光照不足的问题。

Description

一种能控制CO2浓度的植物生长培养装置

技术领域

本发明涉及一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置。

背景技术

当今，大气CO₂的浓度升高导致全球气候变化已成为人们关注的焦点；因此，有关CO₂浓度升高对植物生长的影响也成为目前的研究热点，对植物生长过程的CO₂浓度进行精确控制是开展这方面研究的关键。然而，目前市场上现有的适用于植物生长的CO₂培养箱品种很少，不但价格昂贵(质量较好的每台价格达数十万元)，而且CO₂浓度控制精度并不高(±75ppm)，难以满足某些对试验处理精度高的要求。而且，当系统中CO₂浓度要求低于大气CO₂浓度时，现有的CO₂培养箱是无法实现的。此外，现有的CO₂培养箱还经常出现因光照强度不足导致植物生长不良等现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，使用该装置能提高对CO₂浓度的精确控制，还能解决自然光照不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，包括密封的并设有开启装置的植物生长室组件，还包括三通转接阀I、带有出气管的气泵、CO₂气体平衡组件、气体缓冲罐、CO₂检测组件和三通转接阀II，植物生长室组件由透明材料制成；出管的一端与植物生长室组件的内腔相通、另一端依次通过三通转接阀I、管I、气泵和出气管与CO₂气体平衡组件相连，CO₂气体平衡组件依次通过管II、气体缓冲罐、管IV、CO₂检测组件、管III、三通转接阀II和进管与植物生长室组件的内腔相连；连接管的两端分别与三通转接阀I和三通转接阀II相连。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的改进：CO₂气体平衡组件包括密封的气体平衡槽、pH计、调碱瓶和调酸瓶，气体平衡槽内设有充气头和pH电极；调碱瓶和调酸瓶分别与气体平衡槽的内腔相连通，pH计与pH电极相连；出气管与充气头相连，管II与气体平衡槽的内腔相连通。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的进一步改进：CO₂检测组件包括依次相连的CO₂检测仪、CO₂感应器和CO₂浓度检测室，CO₂浓度检测室分别与管III和管IV相连通。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的进一步改进：植物生长室组件包括生长室底座和底部设有开口的植物生长室，在生长室底座上设有“回”型的水封槽，植物生长室的开口与水封槽相吻合。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的进一步改进：植物生长室内设有温度计。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的进一步改进：气体缓冲罐内设有气体搅拌器。

作为本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的进一步改进：气体缓冲罐与植物生长室的内腔体积比≥10。

本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，是根据在固定pH和温度条件下，碳酸氢钠溶液与空气中CO₂分压存在平衡关系的原理；并采用缓冲装置的方法，经多次反复研究试验所得。其能有效控制植物生长过程中所需的CO₂浓度，使CO₂浓度的控制精度明显提高(在±50ppm以内)。而且由于植物生长室组件由透明材料制成，因此植物的生长能直接采用自然光源，即解决了光照强度不足影响植物生长的问题。本发明的优点具体如下：

1)、只要通过调节气体平衡槽中碳酸氢钠溶液的pH，即可达到控制系统中CO₂浓度之目的，是一种全新的CO₂浓度控制方法。

本发明中CO₂气体平衡组件的设计可谓是一种全新的CO₂浓度控制方法。现有技术中，调节控制生长箱中CO₂浓度的方法主要通过直接施加CO₂气体来实现，该方法不但CO₂浓度不易控制(波动大)，而且无法实现当试验要求CO₂浓度低于大气CO₂浓度的要求。而本发明的调节方法采用了CO₂气体平衡液的pH控制方法，不但控制方法简单、CO₂浓度波动小，而且可满足实现系统中CO₂浓度低于大气CO₂浓度试验处理的要求。

2)、本发明设置了用于存储CO₂的气体缓冲罐，由于气体缓冲罐的体积比植物生长室的体积大得多，对整个系统的CO₂浓度变化可起到较好的缓冲作用，从而可大大提高对整个系统CO₂浓度的控制精度。

由于本发明的CO₂气体平衡调节浓度波动小，再加上气体缓冲罐的设置，从而使CO₂浓度的控制精度显著提高，目前商品化CO₂生长箱的控制精度为±75ppm，而本发明的控制精度可达±50ppm以内。

3)、植物生长室采用透明材料制作，因此可采用自然光源进行植物培养，既解决了人工气候箱常因光照强度不足出现植物生长不良的缺陷，又可使培养条件更接近田间实际情况。所设计的“回”型的水封槽，既保证了整个系统的密封性，又能非常方便打开植物生长室组件对植物进行浇水、取样、测定等作业。

本发明的植物生长室可根据试验要求随意设计其尺寸大小，可满足个体差异很大的不同植物的培养要求。而现有的商品化CO₂生长箱的内胆空间是固定的，无法满足上述要求。

4)、本发明制作成本低廉，整套装置只需5000元人民币；而现有的质量较好的商品化CO₂生长箱每台售价高达数十万元人民币。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置的结构示意图。

具体实施方式

图1给出了一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，包括密封的并设有开启装置的植物生长室组件2、三通转接阀I 5、带有出气管71的气泵7、CO₂气体平衡组件8、气体缓冲罐10、CO₂检测组件12和三通转接阀II 13。

该密封的并设有开启装置的植物生长室组件2包括生长室底座21和植物生长室22。植物生长室22是一个底面敞开(即没有底部)的长方体盒，因此底面敞开处即形成开口221。植物生长室22可用3mm透明有机玻璃板制作，尺寸可根据供试植物的大小来确定。温度计3的一端穿过植物生长室22的顶面，位于植物生长室22的内腔；用于检测植物生长室22内腔的温度。为了保证整个装置的密封性，温度计3与植物生长室22的顶面之间应该保持无间隙地接触。生长室底座21可用5mm厚PVC板制作，其长和宽分别比植物生长室22横截面的长与宽各大15mm。在生长室底座21上焊接两个均为5mm厚的PVC板制作、且高度相等的大方框和小方框，小方框套在大方框内，且小方框与大方框的中心相重叠；因此形成了一个“回”型的水封槽23，水封槽23的深度为8cm(即大方框和小方框的高度均为8cm)。

植物生长室22的开口221能自如地插入此水封槽23内；此时，植物生长室22的外表面与大方框的内表面之间留有1-2mm的空隙，植物生长室22的内表面与小方框的外表面之间也留有1-2mm的间隙。

在植物生长室22的右侧面靠近顶面5cm的高度处设置出气口，出管4的一端与此出气口密封相连；因此，出管4通过此出气口与植物生长室22的内腔相连通。在植物生长室22的左侧面靠近底部10cm的高度处设置入气口，此入气口位于出气口的斜对角方向，进管1的一端与此入气口密封相连；因此，进管1通过此入气口与植物生长室22的内腔相连通。

CO₂气体平衡组件8包括密封的气体平衡槽82、pH计84、调碱瓶85和调酸瓶86，pH计84可选用小数点两位读数的普通pH计。气体平衡槽82可采用10升左右的可密封容器(如玻璃瓶、桶装水水桶等)加上作为密封塞的橡皮塞组成。在气体平衡槽82内设有充气头81和pH电极83；pH电极83的连线穿过橡皮塞后与位于气体平衡槽82外部的pH计84相连。调碱瓶85的输液管的一端和调酸瓶86的输液管的一端分别穿过橡皮塞后位于气体平衡槽82的内腔。pH电极83的连线、调碱瓶85的输液管以及调酸瓶86的输液管与橡皮塞之间均为无间隙的接触。

CO₂检测组件12包括相连的CO₂检测仪121和CO₂感应器122；CO₂感应器122的一端位于CO₂浓度检测室123内。CO₂检测仪121可选用普通便携式CO₂检测仪。

出管4的另一端依次通过三通转接阀I 5、管I 6、气泵7和出气管71相连，出气管71的另一端穿过气体平衡槽82上的橡皮塞后与充气头81相连。管II 9的一端穿过气体平衡槽82上的橡皮塞后位于气体平衡槽82的内腔，另一端与气体缓冲罐10的内腔的上部相连通。同样，出气管71和管II 9与橡皮塞之间均为无间隙的接触。

在气体缓冲罐10内腔的顶部固定有气体搅拌器15，此气体搅拌器15具体为一个小吊扇，此小吊扇附带的电线穿过气体缓冲罐10的顶部后位于气体缓冲罐10的外部；为了保持密封性，此电线必须与气体缓冲罐10的顶部无间隙的接触。小吊扇起气体搅拌器的作用，以充分均匀混合气体缓冲罐10内的气体。气体缓冲罐10可选用民用屋顶不锈钢贮水罐。在条件允许情况下，气体缓冲罐10的体积越大，控制CO₂浓度的精度就越高；因此气体缓冲罐10与植物生长室22的内腔体积比最好≥10。

管IV 16的一端与气体缓冲罐10的内腔的下部相连通，另一端则依次通过CO₂浓度检测室123、管III11与三通转接阀II 13相连通。三通转接阀II 13与进管1相连通，且三通转接阀II 13还通过连接管14与三通转接阀I 5相连通。

本发明的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，具体工作过程如下：

1、在调碱瓶85内装入1mol的NaOH溶液，在调酸瓶86内装入1mol的HCl溶液。

2、在气体平衡槽82内装入5升0.5mol NaHCO₃溶液，使pH电极83的电极头刚好浸入NaHCO₃溶液。使充气头81能沉入气体平衡槽82中的NaHCO₃溶液的底部。

3、将供试植物放入生长室底座21上的小方框内，然后将植物生长室22的开口221插入水封槽23内；用0.01mol HCl溶液灌满水封槽23。由于0.01mol HCl溶液能够防止水溶解吸收CO₂，因此可使整个装置形成一个密闭的气体可循环系统。

4、CO₂浓度的调试：

先分别转动三通转接阀I 5和三通转接阀II 13，使管I 6、连接管14和管III11连通；此时，三通转接阀I 5与出管4不相通，三通转接阀II 13与进管1不相通。

再分别打开pH计84(此pH计84需事先用pH标准液进行标定)、小吊扇(即气体搅拌器15)和CO₂检测仪121的电源；并开启气泵7，控制气泵7的气体流量约为20L/分钟。

此时，气体将依次通过出气管71和充气头81进入气体平衡槽82内的NaHCO₃溶液进行CO₂平衡；pH计84能通过pH电极83对气体平衡槽82内的NaHCO₃溶液进行检测。气体平衡槽82内的气体再经过管II 9进入气体缓冲罐10，在小吊扇的均匀混合的作用下，气体接着通过管IV 16、CO₂浓度检测室123和管III11进入三通转接阀II 13，再依次通过连接管14、三通转接阀I 5、管I 6，最后回入气泵7，形成一个密闭的气体回路。从管IV 16进入CO₂浓度检测室123的气体，由CO₂感应器122感应，即可由CO₂检测仪121检测出其CO₂浓度。

当CO₂检测仪121和pH计84读数稳定时，说明整个系统中的浓度已达到平衡。然后根据植物生长处理所需的CO₂设定浓度进行系统CO₂浓度的调节。若此时系统的CO₂浓度低于设定浓度，可打开调酸瓶86的滴液开关，使调酸瓶86中的HCl溶液缓慢滴入气体平衡槽82内的NaHCO₃溶液中；这样系统中的CO₂浓度开始逐渐上升，当快达到设定的CO₂浓度时减缓或间歇加酸，直至系统CO₂浓度到达设定浓度为止。若此时系统的CO₂浓度高于设定浓度时，则启用调碱瓶85，方法类同于使用调酸瓶86；目的是使CO₂浓度逐渐下降。在整个调试过程最好能纪录系统在不同CO₂浓度条件下达到平衡时的CO₂浓度、pH值和温度数据，可利用这些数据作一条该温度下NaHCO₃溶液pH与系统CO₂浓度的关系曲线，从该曲线可查出系统达到某一CO₂浓度值时所对应的NaHCO₃溶液pH值，可作为CO₂浓度设定值调试的参考。

注意：调酸瓶86和调碱瓶85挂的位置需有足够高度，否则会因系统有一小压差而导致瓶中酸或碱无法滴出，甚至发生酸、碱液从调酸瓶86和调碱瓶85的相应进气小管喷出的危险。

5、植物生长培养与CO₂浓度控制：

转动三通转接阀I 5，使出管4与管I 6连通；此时，三通转接阀I 5与连接管14不相通。转动三通转接阀II 13，使管III11与进管1连通；此时，三通转接阀II 13与连接管14不相通。使调试好的气体通过植物生长室22进行循环，实现对植物生长室22的CO₂浓度进行控制。气体的流动具体如下：

气体缓冲罐10内的气体依次通过管IV 16、CO₂浓度检测室123、管III11、三通转接阀II 13和进管1进入植物生长室22内；然后再依次通过出管4、三通转接阀I 5、管I 6、气泵7、出气管71和充气头81进入气体平衡槽82内的NaHCO₃溶液进行CO₂平衡，气体平衡槽82内的气体再通过管II 9进入气体缓冲罐10，从而形成一个密闭的气体回路。

6、在培养过程中，每天早晨需对系统CO₂浓度进行一次调校，即进行上述步骤4的工作。若植物生长量较大而气体缓冲罐10的体积较小时，最好能在中午也进行一次步骤4的调校工作。

气体平衡槽82内的NaHCO₃溶液需每周更换一次。

如果将调碱瓶85以及调酸瓶86的滴液开关均设定为自动滴定装置，再将上述2个自动滴定装置通过信号线分别与CO₂检测仪121或pH计84相连，则可实现本发明的完全自动控制之目的。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，包括密封的并设有开启装置的植物生长室组件(2)，其特征是：还包括三通转接阀I(5)、带有出气管(71)的气泵(7)、CO₂气体平衡组件(8)、气体缓冲罐(10)、CO₂检测组件(12)和三通转接阀II(13)，所述植物生长室组件(2)由透明材料制成；出管(4)的一端与植物生长室组件(2)的内腔相通、另一端依次通过三通转接阀I(5)、管I(6)、气泵(7)和出气管(71)与CO₂气体平衡组件(8)相连，所述CO₂气体平衡组件(8)依次通过管II(9)、气体缓冲罐(10)、管IV(16)、CO₂检测组件(12)、管III(11)、三通转接阀II(13)和进管(1)与植物生长室组件(2)的内腔相连；连接管(14)的两端分别与三通转接阀I(5)和三通转接阀II(13)相连；所述气体缓冲罐(10)与植物生长室组件(2)中的植物生长室(22)的内腔体积比≥10。

2、根据权利要求1所述的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，其特征是：所述CO₂气体平衡组件(8)包括密封的气体平衡槽(82)、pH计(84)、调碱瓶(85)和调酸瓶(86)，所述气体平衡槽(82)内设有充气头(81)和pH电极(83)；调碱瓶(85)和调酸瓶(86)分别与气体平衡槽(82)的内腔相连通，pH计(84)与pH电极(83)相连；出气管(71)与充气头(81)相连，管II(9)与气体平衡槽(82)的内腔相连通。

3、根据权利要求2所述的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，其特征是：所述CO₂检测组件(12)包括依次相连的CO₂检测仪(121)、CO₂感应器(122)和CO₂浓度检测室(123)，所述CO₂浓度检测室(123)分别与管III(11)和管IV(16)相连通。

4、根据权利要求3所述的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，其特征是：所述植物生长室组件(2)包括生长室底座(21)和底部设有开口(221)的植物生长室(22)，在生长室底座(21)上设有“回”型的水封槽(23)，植物生长室(22)的开口(221)与水封槽(23)相吻合。

5、根据权利要求4所述的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，其特征是：所述植物生长室(22)内设有温度计(3)。

6、根据权利要求5所述的能控制CO₂浓度的植物生长培养装置，其特征是：所述气体缓冲罐(10)内设有气体搅拌器(15)。