CN103197048A - 气动式土壤气体通量测定装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种气动式土壤气体通量测定装置，包括土环(1)、支腿(2)、底座(31)、气室(7)、控制箱(24)和横梁(10)，其特征在于：所述的底座(31)的下面设有土环(1)和支腿(2)，上面设有气室(7)和控制箱(24)，所述的土环(1)贯穿底座(31)上的圆孔，所述的控制箱(24)顶部设有活塞杆(26)，活塞杆(26)与横梁(10)相连，在横梁(10)的另一端设有过线轴(9)，过线轴(9)的下端与气室(7)固定在一起，气室(7)与土环(1)为同心圆，且面积大于土环(1)，所述的控制箱(24)与底座(31)之间设有密封垫。以解决自动通量测定装置测量稳定性差、能耗大、不利于装箱运输的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种生态学的自动测量装置领域，具体为一种气动式土壤气体通量测定装置, 以及一种使用气动式土壤气体通量测定装置的测量方法。
背景技术
陆地土壤呼吸是气体从土壤进入大气的主要途径，与全球气候变化密切相关。土壤呼吸具有明显的季节和日变化动态，其季节动态与温度变化特征密切相关，另外，影响土壤呼吸的因素很多，除了土壤的通透性等物理特性和土壤微生物特征外，气温、土温、湿度、大气CO2 浓度、土壤无机养分和有机质的含量与组成等都会影响土壤呼吸。
温室气体含量的日益增加，是造成地球温室效应的主要原因之一。土地利用部分所固定的大量碳被保留在土壤有机质和植被中，全球土壤碳贮量约为植被中碳贮量的1.5倍，对土壤碳库的库容及其动态变化进行研究，是当前生态学研究的热点方向。现在的土壤碳呼吸是利用CO2分析仪测定气体交换室中CO2浓度变化来准确反映，使用该方法时需要用到测量室，目前已经发展到使用自动通量箱测定，在国内已有相关研究人员进行该方面的研究，如公开号为：CN102288545A、CN101949919A、CN101162225、CN1987421、CN202008480U、CN2605571，但是在使用这些装置时容易出现测量结果误差较大的情况，设备的一体化差，封装性差，同时，由于采用电机控制，测量稳定性不好，电机驱动在户外工作易受风沙灰尘等干扰，能耗高，用电量大，不利于野外长时间工作。在非工作状态时，气室位置不能手动回位，野外操作不方便，不便于装箱运输。
发明内容
本申请的目的在于提供一种气动式土壤气体通量测定装置，以解决自动通量测定装置测量稳定性差、能耗大、不利于装箱运输的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种气动式土壤气体通量测定装置，包括土环(1)、支腿(2)、底座(31)、气室(7)、控制箱(24)和横梁(10)，其特征在于：所述的底座(31)的下面设有土环(1)和支腿(2)，其上面设有气室(7)和控制箱(24)，所述的土环(1)贯穿底座(31)上的圆孔，所述的控制箱(24)顶部设有活塞杆(26)，活塞杆(26)与横梁(10)相连，在横梁(10)的另一端设有过线轴(9)，过线轴(9)的下端与气室(7)固定在一起，气室(7)与土环(1)为同心圆，且面积大于土环(1)。
进一步，所述控制箱(24)上还设有复位开关(19)。
进一步，所述控制箱(24)上设有通信接口(20)和温度传感器接口(21)。
进一步，所述通信接口(20)和温度传感器接口(21)上设有防水的盖子。
进一步，所述控制箱(24)设有与套管(12)相通的套管接口(25)，所述的套管接口(25)为防水接头，所述控制箱(24)上还设有进气口(22)和出气口(23)。
进一步，所述的控制箱(24)内部设有二位四通电磁阀(36)、阀板(27)、气泵(30)和气缸(35)，所述的气泵(30)上设有活塞杆(26)。
进一步，所述的阀板(27)上设有阀板A口(27-1)、阀板B口(27-2)、阀板P口(27-3)和阀板R口(27-4)，所述的气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，其中气泵进气口(30-1)与阀板R口(27-4)相连接，气泵出气口(30-2)与阀板P口(27-3)相连接，阀板A口(27-1)与气缸进气口(35-1)相连接通，阀板B口(27-2)与气缸出气口(35-2)相连通。
进一步，所述阀板(27)、气泵(30)和电路控制板(29)安装在元件安装板(28)上，所述阀板(27)的电路与电路控制板(29)相连接。
进一步，所述的控制箱(24)内还包括气泵(30)，在气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，其中气泵进气口(30-1)与阀板A口(27-1)相连接。
进一步，所述的控制箱(24)底部设有控制箱安装螺钉(32)，底座(31)上有与控制箱安装螺钉(32)相对应的固定孔。
进一步，所述的控制箱(24)与底座(31)之间设有密封垫。
另外，本发明还提供一种测量方法，所述方法包括：
a) 当在野外需要进行土壤呼吸的测量时，实验人员将气动式土壤气体通量测定装置和测量主机拿到野外实验地点；
b) 将土环(1)提前24小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响；
c) 安装气动式土壤气体通量测定装置，调节支腿(2)，确保土环(1)穿过底座(31)，但土环(1)最高处与底座(31)的平面相差在20mm-25mm；
d) 固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成气动式土壤气体通量测定装置滑动；
e) 将电源线与信号线通过通信接口(20)与气动式土壤气体通量测定装置连接，确保气动式土壤气体通量测定装置电力充足，且通讯信号正常；
f) 将外接温度传感器插头插入温度传感器接口(21)中；
g) 通过快速接头将主机上的进气管和出气管分别与进气口(23)和出气口(22)连接；
h) 打开主机上的控制开关对测量点进行测定。
进一步，还包括将气动式土壤气体通量测定装置上的气室(7)回位的方法：
a) 测量结束时，气室(7)未回到初始位置，实验人员按压复位开关(19)，气室(7)会随着活塞杆(26)的转动回到实验初始状态，即扣压在土环(1)上；
b) 断开气动式土壤气体通量测定装置上的进气口(22)和出气口(23)；
c) 拔出通信接口(20)上的电源和信号插头，再取出温度传感器接口(21)上的温度传感器插头，再将通信接口(20)和温度传感器接口(21)上的盖子盖好；
d) 将气动式土壤气体通量测定装置与土环(1)进行脱离，松开紧固螺丝(6)，将四个支腿(2)置于与底座(31)平行的状态。
本发明具有以下优点：
1） 本装置采用气路驱动，能耗低、气室动作平稳，产生振动少，实验误差更小；
2） 本发明高度一体化，所有位置设有防水装置，密封性能好，不受风沙灰尘干扰，在户外工作不易受风沙灰尘等干扰；可以有效避免户外工作时雨水对装置的破坏；
3） 具有气室回位装置，便于气动式土壤气体通量测定装置的包装、运输和安装。
附图说明
图1是气动式土壤气体通量测定装置结构示意图
图2是气动式土壤气体通量测定装置正面结构图
图3是控制箱(24)的外形结构图
图4是控制箱(24)内部结构图
图5是图2去除控制箱(24)后的结构图
图6是阀板(27)的结构图
土环1；支腿2；压制环3；螺钉孔4；密封圈5；紧固螺丝6；气室7；防护罩8；过线轴9；横梁10；水平球11；套管12；把手13；支脚转轴14；支脚下沿15；支脚滑槽16；支座长下沿17；底盘下沿18；复位开关19；通信接口20；温度传感器接口21；进气口22；出气口23；控制箱24；套管接口25；活塞杆26；阀板27；元件安装板28；电路控制板29；气泵30；底座31；控制箱安装螺钉32；压板33；O形圈34；气缸35；二位四通电磁阀36；气缸进气口35-1；气缸出气口35-2；气缸缓冲阀35-3；阀板A口27-1；阀板B口27-2；阀板P口27-3；阀板R口27-4；气泵进气口30-1；气泵出气口30-2。
具体实施方式
如图1和2所示，气动式土壤气体通量测定装置主要包括土环(1)、支腿(2)、底座(31)、气室(7)和控制箱(24)。在底座(31)的下面设有土环(1)，在其两边各设有两个支座长下沿(17)和底盘下沿(18)，在支座长下沿(17)和底盘下沿(18)上装有通过支脚转轴(14)连接在一起的支腿(2)，支腿(2)上设有支脚滑槽(16)，支腿(2)的转动以支脚转轴(14)为圆心、支脚滑槽(16)为轨迹进行高度调节，与现在有通过上下滑轨调节相比，其优点在于，由于气动式土壤气体通量测定装置工作时，容易产生上下振动，如果为上下滑轨时，则滑轨与振动方向相同容易发生位移，如果采用本转动机构，底座(31)与支腿(2)通过紧固螺丝(6)紧固在一起，其支脚滑槽(16)与振动方向不同，具有较好的稳固性，不会产生偏移，另一方面，上下滑槽式，机身的重力由紧固螺丝与支脚产生的摩擦力来克服；支脚转轴与半圆滑槽式，机身的重力由转轴和紧固螺丝共同克服，紧固螺丝处的摩擦力减少，故不易发生位移，更稳固。
当气动式土壤气体通量测定装置为非工作状态，需要打包运输时，支腿(2)可以沿支脚滑槽(16)的轨迹折叠成与底座(31)相平行的状态，且可以通过支腿(2)上的支脚下沿(15)，同侧的支腿(2)可以相互紧搭在一起。
底座(31)的左半部分为非测量区，设有把手(13)，便于搬运时握持，右半部分为测量区。
在底座(31)的测量区下部设有土环(1)，上部设有密封圈(5)，压制环(3)通过螺钉孔(4)紧扣在密封圈(5)上，将密封圈(5)紧压固定在底座(31)上。
在底座(31)的非测量区上装有控制箱(24)，控制箱(24)设有控制箱安装螺钉(32)，底座(31)上有与控制箱安装螺钉(32)相对应的固定孔。控制箱(24)的顶部设有与横梁(10)相连活塞杆(26)，横梁(10)的右边连有过线轴(9)，过线轴(9)的下方设有防护罩(8)，防护罩(8)与气室(7)紧扣在一起。气室(7)的内部为空心，其在测量时或非工作状态时紧扣在土环(1)上。
如图3所示，控制箱(24)的下方设有控制箱安装螺钉(32)，在其侧面设有通信接口(20)和温度传感器接口(21)，其中，通信接口(20)和温度传感器接口(21)上设有盖子，通信接口(20)可与测量主机相连接，温度传感器接口(21)可外接温度传感器，并与电路控制板(29)上的信号控制装置相连，能够直接将温度传感器的数据读取。在控制箱(24)的侧上部设有进气口(22)和出气口(23)，其可直接与主机上的进出气口相连通。在出气口(23)的上方设有复位开关(19)，复位开关(19)与电路控制板(29)相连接，在通电的情况下，可控制气室(7)恢复到紧扣状态。
在控制箱(24)侧面的中上部设有套管接口(25)，套管接口(25)上设有防水接头，以防止在野外工作时，雨水进入控制箱(24)内部，破坏其气泵和控制电路。控制箱(24)与底座(31)之间设有密封垫，以防止雨水从控制箱(24)的底部进入控制箱(24)内部。
如图4和5所示，控制箱(24)内部设有二位四通电磁阀(36)、阀板(27)、气泵(30)和气缸(35)，其中，气缸(35)为旋转式夹紧气缸，气缸(35)上设有活塞杆(26)。阀板(27)安装在元件安装板(28)上，其电路与电路控制板(29)相连接，在阀板(27)上设有阀板A口(27-1)、阀板B口(27-2)、阀板P口(27-3)，在阀板(27)的旁边设有气泵(30)，在气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，阀板(27)上设有阀板A口(27-1)、阀板B口(27-2)、阀板P口(27-3)和阀板R口(27-4)，所述的气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，其中气泵进气口(30-1)与阀板R口(27-4)相连接，气泵出气口(30-2)与阀板P口(27-3)相连接，阀板A口(27-1)与气缸进气口(35-1)相连接通，阀板B口(27-2)与气缸出气口(35-2)相连通。通过二位四通电磁阀(36)对气路方向的控制，带动气缸(35)，进而实现对气室(7)的提升、转动和回位动作的控制。
实施方式一：
a) 当在野外需要进行土壤呼吸的测量时，实验人员将气动式土壤气体通量测定装置和测量主机拿到野外实验地点；
b) 将土环(1)提前24小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响；
c) 安装气动式土壤气体通量测定装置，调节支腿(2)，确保土环(1)穿过底座(31)，但其最高处与底座(31)的平面相差在20mm-25mm；
d) 固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成气动式土壤气体通量测定装置滑动；
e) 将电源线与信号线通过通信接口(20)与气动式土壤气体通量测定装置连接，确保气动式土壤气体通量测定装置电力充足，且通讯信号正常；
f) 将外接温度传感器插头插入温度传感器接口(21)中；
g) 通过快速接头将主机上的进气管和出气管分别与出气口(23)和进气口(22)连接；
h) 打开主机上的控制开关对测量点进行测定。
实施方式二：
当实验结束时，现有的土壤呼吸测量仪不能将气室通过调节回到初始位置，而本气动式土壤气体通量测定装置可以通过如下操作回位：
a) 测量结束时，气室(7)未回到初始位置，实验人员按压复位开关(19)，气室(7)会随着活塞杆(26)的转动回到实验初始状态，即扣压在土环(1)上；
b) 断开气动式土壤气体通量测定装置上的进气口(22)和出气口(23)；
c) 拔出通信接口(20)上的电源和信号插头，再取出温度传感器接口(21)上的温度传感器插头，再将通信接口(20)和温度传感器接口(21)上的盖子盖好；
d) 将气动式土壤气体通量测定装置与土环(1)进行脱离，松开紧固螺丝(6)，将四个支腿(2)置于与底座(31)平行的状态。
虽然上面列举了一些特定实施例来说明和描述本发明，但并不意味着本发明仅局限于其中的各种细节。相反地，在等价于权利要求书的范畴和范围内可以不偏离本发明精神在各种细节上做出各种修改。说明书中未写明的气管安装、气体输送、气体分析、气缸控制和测量主机部分为本领域常用装置和公知常识，市场上已有相关配套产品，例如理加联合的SF-3000测量主机，未详细描述的部分为本领域的公知常识，在此，不再述说。同时，本发明中说的自动测定装置，不局限于土壤二氧化碳通量的测量，本领域人员可以由此联想到连接其他类型的气体分析仪，测量其他气体通量的，以及稳定同位素。
Claims (10)
1.一种气动式土壤气体通量测定装置，包括土环(1)、支腿(2)、底座(31)、气室(7)、控制箱(24)和横梁(10)，其特征在于：所述的底座(31)的下面设有土环(1)和支腿(2)，其上面设有气室(7)和控制箱(24)，所述的土环(1)贯穿底座(31)上的圆孔，所述的控制箱(24)顶部设有活塞杆(26)，活塞杆(26)与横梁(10)相连，在横梁(10)的另一端设有过线轴(9)，过线轴(9)的下端与气室(7)固定在一起，气室(7)与土环(1)为同心圆，且面积大于土环(1)，所述的控制箱(24)与底座(31)之间设有密封垫。
2.根据权利要求1所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述控制箱(24)上设有复位开关(19)。
3.根据权利要求1所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述控制箱(24)上设有通信接口(20)和温度传感器接口(21)。
4.根据权利要求1所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述通信接口(20)和温度传感器接口(21)上设有防水的盖子。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述控制箱(24)设有与套管(12)相通的套管接口(25)，所述的套管接口(25)为防水接头，所述控制箱(24)上还设有进气口(22)和出气口(23)。
6.根据权利要求5所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述的控制箱(24)内部设有二位四通电磁阀(36)、阀板(27)、气泵(30)和气缸(35)，所述的气泵(30)上设有活塞杆(26)。
7.根据权利要求6所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述的阀板(27)上设有阀板A口(27-1)、阀板B口(27-2)、阀板P口(27-3)和阀板R口(27-4)，所述的气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，其中气泵进气口(30-1)与阀板R口(27-4)相连接，气泵出气口(30-2)与阀板P口(27-3)相连接，阀板A口(27-1)与气缸进气口(35-1)相连接，阀板B口(27-2)与气缸出气口(35-2)相连接，所述阀板(27)、气泵(30)和电路控制板(29)安装在元件安装板(28)上，所述阀板(27)的电路与电路控制板(29)相连接，所述的控制箱(24)内还包括气泵(30)，在气泵(30)上设有气泵进气口(30-1)和气泵出气口(30-2)，其中气泵进气口(30-1)与阀板A口(27-1)相连接。
8.根据权利要求8所述的一种气动式土壤气体通量测定装置，其特征在于：所述的控制箱(24)底部设有控制箱安装螺钉(32)，底座(31)上有与控制箱安装螺钉(32)相对应的固定孔。
9.一种使用根据权利要求9所述装置的测量方法，所述方法包括：
a) 当在野外需要进行土壤呼吸的测量时，实验人员将气动式土壤气体通量测定装置和测量主机拿到野外实验地点；
b) 将土环(1)提前24小时预压入土壤中，最大程度减少对土壤呼吸的影响；
c) 安装气动式土壤气体通量测定装置，调节支腿(2)，确保土环(1)穿过底座(31)，但土环(1)最高处与底座(31)的平面相差在20mm-25mm；
d) 固定支腿(2)，将支腿(2)上的紧固螺丝(6)拧紧，以免在测量过程中造成气动式土壤气体通量测定装置滑动；
e) 将电源线与信号线通过通信接口(20)与气动式土壤气体通量测定装置连接，确保气动式土壤气体通量测定装置电力充足，且通讯信号正常；
f) 将外接温度传感器插头插入温度传感器接口(21)中；
g) 通过快速接头将主机上的进气管和出气管分别与出气口(23)和进气口(22)连接；
h) 打开主机上的控制开关对测量点进行测定。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，还包括将气动式土壤气体通量测定装置上气室(7)回位的方法：
a)测量结束时，气室(7)未回到初始位置，实验人员按压复位开关(19)，气室(7)会随着活塞杆(26)的转动回到实验初始状态，即扣压在土环(1)上；
b)断开气动式土壤气体通量测定装置上的进气口(22)和出气口(23)；
c)拔出通信接口(20)上的电源和信号插头，再取出温度传感器接口(21)上的温度传感器插头，再将通信接口(20)和温度传感器接口(21)上的盖子盖好；
d)将气动式土壤气体通量测定装置与土环(1)进行脱离，松开紧固螺丝(6)，将四个支腿(2)置于与底座(31)平行的状态。
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