CN101000288B - 大气水汽梯度取样装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生态工程技术领域。利用常见材料，设计出一种适用于在野外缺乏观测塔和植被低矮的地区，进行较严格的大气水汽梯度取样的大气水汽梯度取样装置。该大气水气取样装置主要由多层可扩展支架和冷凝系统共同组成。它具有简易灵活，方便野外使用的特点，且能严格保证水汽的原始组成不变，为今后开展相关研究提供了简便高效的取样设备。
Description
一、技术领域
本发明属于生态工程技术领域。涉及一种利用常见材料，在野外缺乏观测塔和植被低矮的地区，按一定高度梯度，进行较严格的大气水汽样品采集的大气水汽梯度取样装置。
二、背景技术
生态系统中生物与环境之间存在一个特殊的“物质薄层”，其属性既受其两侧的外界环境和生命活动的直接影响，也反过来作用于层外的无机环境及生命活动。这一特殊的物质薄层被称为生态边界层，它是生态系统和外界环境相互作用的关键地带。对于陆生生态系统来说，它通过与大气交界处的生态边界层和外界进行着H2O、CO2等物质流的活跃的交换，影响和改造着大气环境，从而对全球环境和气候变化施加着重要影响。因此，研究生态边界层的物质能量交换具有重要意义。对生态系统与外界大气水汽交换的研究即是其中重要内容之一。
为研究生态系统与外界的水汽交换，经常必须对其边界层的水汽进行梯度取样，以用于进行各种实验测定。在植被高大的森林生态系统试验地，无疑必须建有足够高的观测塔才能进行这一操作；而在无观测塔的低矮植被地区，如草地和低矮的灌木林，则为进行这一取样建造专门的观测塔就变得不必要；同时观测塔也不可能随处建立，如何在这些地区用简易和便携的装备进行水汽的梯度取样对开展相关实验至关重要。另外，在采集水汽时还必须严格保证水汽的原始组成不变。目前国内相关研究少有涉及水汽的取样，因此也就无相关理想设备可以满足这一要求；而国外所采用的相关设备对国内大部分实验室来说代价过高。针对此，我们设计了本大气水汽梯度取样装置。
三、发明内容
本发明的目的是：
利用常见材料，设计出一种适用于在野外缺乏观测塔的地区，按一定高度梯度，进行较严格的大气水汽样品采集的大气水汽梯度取样装置。
本发明的方案是：
该大气水汽取样装置主要由简易多层可扩展支架和水汽冷凝系统共同组成。
简易多层可扩展支架用于按梯度摆放水汽冷凝系统及相关大气参数测量设备，由多层圆形盘片，多节可伸缩铁杆和支脚组成。圆形盘片为直径300毫米、厚度3毫米的圆形薄铁皮制成，涂漆，盘片圆心处有3-5毫米直径的细钢筋焊成的围栏，围栏高30毫米，直径50毫米，用于摆放和固定水汽冷凝系统。每层盘片上下表面皆在距盘片边缘3毫米处的圆周上以等间距焊有孔径3毫米的螺丝口3个，用于铆定可伸缩铁杆。可伸缩铁杆为一节直径15毫米不锈钢内杆套在另一根直径17毫米不锈钢外杆中制成，距外杆上端30毫米处有长度调节旋钮，可按取样高度梯度要求调整铁杆长度，最短和最长长度分别为80毫米和150毫米；其两端分别有15毫米长螺丝连接头，距上端50毫米处焊有铁环，以备仪器装好后可用绳索将铁环与地面固定物相连以固定仪器。使用时预制备用盘片和可伸缩铁杆若干，实验时盘片层数可按需要增减。支脚3个，每个长500毫米，用于支撑整个支架，位于底层盘片之下，上端为15毫米长螺丝连接头，与底层盘片垂直连接，下端尖，可以插入地下，见图1、图2。
水汽冷凝系统主要由冷凝管、微型真空泵、制冷杯组成，为收集水汽的关键部件。冷凝管为一玻璃冷阱，由内外管组成；其内管总长345毫米，内管外径8毫米；内管于距上端50毫米处插入外管与外管结合；距接合处20毫米处有长50毫米、内径8毫米的玻璃管与外管垂直连通，此为冷凝管出气口；外管内径10毫米，长300毫米，于距其上端30毫米处被一磨口分成上下两段。工作时在磨口处涂以4号真空脂以保证气密性，接好外管，将冷凝管插入制冷杯中开始抽气，空气由冷凝管内管进入，经外管流出，此过程中空气中水汽被冷凝在冷凝管内。制冷杯为高270毫米、口径60毫米的真空杯中倒入70％容积的95％乙醇-液氮混合物而组成，乙醇-液氮混合物温度-117℃。微型真空泵最大抽气速率为0.5升/分钟，标准工作电压为12伏，在本冷凝系统中所用实际电压为6伏，抽气速率约0.25升/分钟。微型真空泵通过内径5毫米橡皮管与冷凝管连接。每层盘片上微型真空泵的电源开关都通过足够长的导线与泵体连接，以使所有层微型真空泵的开关都在接近地面高度而便于统一控制，见图3-4。本发明的效果在于：
本发明适用于在缺乏观测塔和植被平均高度不高于4000毫米，空气相对湿度不高于75％的野外环境下，按一定高度梯度进行较严格的大气水汽样品采集，能严格保证水汽的原始组成不变，为相关研究所必须的取样提供了简便高效的实验装置。
四、附图说明
图1大气水汽梯度取样系统剖面图。a.圆形盘片，b.螺丝口，c.铁环，d.可伸缩铁杆，e.长度调节旋钮，f.围栏，g.水汽冷凝系统，h.支脚；测量单位：毫米。
图2圆形盘片和可伸缩铁杆放大图。a.圆形盘片，b.螺丝口，c.铁环，e.长度调节旋钮，f.围栏，i.可伸缩铁杆的内杆，j.可伸缩铁杆的外杆，k.螺丝连接头，；测量单位：毫米。
图3水汽冷凝系统剖面图。1.冷凝管内管，m.冷凝管外管，n.冷凝管外管磨口，o.真空杯，p.酒精/液氮混合物，q.电源，r.橡皮管，s.电源开关，t.导线，u.微型真空泵；测量单位：毫米。
图4冷凝管放大图。m.冷凝管外管，v.内管进气口，w.外管出气口，n.冷凝管外管磨口，x.气流方向；测量单位：毫米。
五、具体实施方式
该装置在川西北卧龙自然保护区巴郎山高山草甸生态系统投入了使用，效果良好。在晴朗、无风或少风、大气相对湿度低于50％的3天进行了实验，抽气时间为每日10时至16时，每隔两小时进行一次；抽气梯度为0毫米、500毫米、1000毫米、2000毫米、3500毫米；每次抽气持续20分钟，每次可获得大气液态水样品0.8-1.5毫升，足够用于同位素测定等实验。其具体使用方法如下：
第一步，组装仪器。按前述要求准备好所有部件。两到三人协作，首先将组装好的水汽冷凝系统放在一层盘片圆心处的围栏中。如需进行其他参数测量，可同时放好相关仪器。两人托住盘片，另一人向盘片下表面螺丝连接口中铆入可伸缩铁杆，按实验要求调节好长度，并在铁杆下端接好下一层盘片，放入冷凝系统。此时托盘片者将已装好部分往上提，负责安装者继续向下安装下一层盘片。依此类推，按实验具体要求组装好整个装置。最后将支脚用力插入土中固定。如有必要，可另用绳索从不同方向将架上铁环和地面相连以增加稳固性。
第二步，同时接通所有微型真空泵，开始抽气。
第三步，抽气20分钟后停止抽气。按第一步相反方向拆卸系统，取出冷凝管并将内管从最上端敲断，使其完全掉入外管中，用封口膜将外管封好。
第四步，将装有大气水样的冷凝管带回实验室，并接到真空抽提系统中将管中水抽提出来，密封并低温保存，以备实验测定。
最后，由于大气中水以气态存在，如一次抽取所得样品量不足，可反复多次抽取直至样品量满足实验要求为止。
Claims (2)
1.一种大气水汽梯度取样装置，其特征在于该装置采用了简易多层可扩展支架和水汽冷凝系统；该支架包括多层圆形盘片、多节可伸缩铁杆和支脚，圆形盘片为直径300毫米、厚3毫米的圆形薄铁皮，圆心处焊有高30毫米、直径50毫米的围栏，每层盘片上下表面皆在距盘片边缘3毫米处的圆周上以等间距焊有孔径3毫米螺丝口3个；可伸缩铁杆长度可调，最短和最长长度分别为80毫米和150毫米；支脚为末端尖的500毫米铁杆，与底层盘片通过螺丝口垂直连接；该水汽冷凝系统，由冷凝管、制冷杯、微型真空泵组成，冷凝管为一玻璃冷阱，由内外管组成，其内管总长345毫米，内管外径8毫米，内管插入外管与外管结合，内管上端比外管上端高50毫米，距外管上端20毫米处有长50毫米，内径8毫米的玻璃管与外管垂直连通，外管内径10毫米，长300毫米，于距其上端30毫米处被一磨口分成上下两段；制冷杯为高270毫米真空杯中倒入70％容积的95％乙醇-液氮混合物而组成；微型真空泵最大抽气速率为0.5升/分钟，标准工作电压为12伏，在本冷凝系统中所用实际电压为6伏，抽气速率为0.25升/分钟。
2.根据权利要求1所述装置的应用方法，其特征在于该装置适合于在缺乏观测塔和植被平均高度不高于4000毫米，空气相对湿度不高于75％的野外环境下，按一定高度梯度进行较严格的大气水汽样品采集；具体方法为：第一步，组装仪器，两到三人协作，将组装好的水汽冷凝系统放在一层盘片圆心处的围栏中，同时向盘片上放入其他相关仪器，两人托住盘片，另一人向盘片下表面螺丝连接口中铆入可伸缩铁杆，按实验要求调节好长度，并在铁杆下端接好下一层盘片，放入相关设备，此时托盘片者将已装好部分往上提，安装者继续向下安装下一层盘片，依此类推，按实验具体要求组装好整个装置，最后将支脚用力插入土中固定；第二步，同时接通所有微型真空泵，开始抽气；第三步，抽气20分钟后停止抽气，按第一步相反方向拆卸系统，取出冷凝管并将内管从最上端敲断，使其完全掉入外管中，用封口膜将外管封好；第四步，将装有大气水样的冷凝管带回实验室，并接到真空抽提系统中将管中水抽提出来，密封并低温保存，以备实验测定。
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