CN105154158A

CN105154158A - 一种森林土壤甲烷收集装置

Info

Publication number: CN105154158A
Application number: CN201510583195.1A
Authority: CN
Inventors: 沈燕; 何功秀; 黄志宏
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明涉及一种森林土壤甲烷收集装置，包括太阳能板、操控装置、测量装置、锯齿装置、收集器、履带行走轮结构、拉手、直流电机、电池充电口、储蓄电池、机械外壳、扰动器；太阳能板安装在操控装置的外部；锯齿装置安装在直流电机的上部；履带行走轮结构设置在直流电机的底部位置；拉手设置在收集器的外部；扰动器设置在机械外壳上。本发明利用太阳能板发电，储蓄电池储电，通过显示屏显示操作，扰动器设置为叉式，破坏储气层的有机层，促使甲烷气溢出，利用跟踪器和信号灯对甲烷气体存在区域进行指示，收集装置在移动底座结构和受压弹簧的配合下完成甲烷气体的收集，提高了工作效率，降低了劳动程度。

Description

一种森林土壤甲烷收集装置

技术领域

本发明属于机械工程领域，尤其涉及一种森林土壤甲烷收集装置。

背景技术

目前，甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小含氢量最大的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。但是，现有的森林土壤甲烷收集装置存在的使用不方便，劳动强度大、工作效率低的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种森林土壤甲烷收集装置，以解决现有的森林土壤甲烷收集装置存在的使用不方便、劳动强度大、工作效率低的问题。

本发明的目的旨在提供一种森林土壤甲烷收集装置，该森林土壤甲烷收集装置包括太阳能板、操控装置、测量装置、锯齿装置、收集器、履带行走轮结构、拉手、直流电机、电池充电、储蓄电池、机械外壳、扰动器；

所述太阳能板安装在操控装置的外部，所述测量装置安装在机械外壳的前面中间，所述锯齿装置安装在直流电机的上部，所述收集器安装在履带行走轮结构的上部；

所述履带行走轮结构设置在直流电机的底部，该履带行走轮结构设置有驱动模块，驱动模块包括微处理器、PWM控制器、IGBT控制器、电流传感器与电机组，所述微处理器的输出端依次与所述PWM控制器、所述IGBT控制器与所述电机组的输入端电连接，所述电机组的输出端与所述PWM控制器的输入端电连接，所述电机组的电机中均是安装有三个霍尔位置传感器；

所述储蓄电池设置在电池充电口的左侧焊接位置；

所述操控装置包括传感球、压力块、受压弹簧、固定螺母、陶瓷基板、旋转环和移动底座结构，所述受压弹簧设置在固定螺母的下部位置，所述移动底座结构设置在受压弹簧的底部；

所述锯齿装置包括拉手、卡槽、卡扣、锯齿刀片、条形齿板、太阳能板和工作指示灯，所述卡扣和相应的卡槽对应；所述拉手安装在锯齿刀片后面位置；所述收集器包括显示屏、平面调节按键、跟踪器、信号灯和电极管，所述平面调节按键通过电性连接设置在跟踪器的的右侧；所述拉手设置在收集器的外部，所述扰动器设置在机械外壳一侧。

进一步，所述传感球设置在受压弹簧的中间位置，该传感球采用多个压力圆形球状传感球；

所述压力块设置在传感球的下部位置，所述陶瓷基板设置在压力块的下部位置；所述旋转环设置在陶瓷基板的上部，所述旋转环具体采用多个轴承组成的旋转环；

所述移动底座结构包括升降杆、调节螺栓、连接卡扣、滚动轮和支撑内轮，所述调节螺栓设置在支撑内轮的上部；

所述升降杆设置在支撑内轮的上部，所述升降杆具体采用30厘米至60厘米不锈钢材料制成的可调节升降杆；所述连接卡扣设置在支撑内轮的上部连接位置，所述连接卡扣具体采用2个碗扣式的连接卡扣；所述滚动轮设置在支撑内轮的外部，所述滚动轮具体采用2个，所述滚动轮具体采用聚氨酯万向轮。

进一步，所述PWM控制器包括：

第一积分电路，该第一积分电路与该PWM控制器的输出端连接，用于对PWM控制器输出端输出的脉冲信号进行积分并进行平稳化处理，来产生该控制PWM控制器输出的脉冲信号的等效电压值；

运算放大电路，该运算放大电路与所述第一积分电路的输出端连接，用于对PWM控制器输出的脉冲信号所等效的电压值分别进行放大和缩小，来产生PWM控制器输出的脉冲信号的等效电压值的上限值和下限值；

第二积分电路，该第二积分电路与所述电机组的输出端连接，用于对电机组输出的脉冲信号进行积分并进行平稳化处理，来产生电机组输出的脉冲信号的等效电压值；及一反馈比较器，该反馈比较器与所述运算放大电路的输出端及该第二积分电路的输出端连接，用于比较电机组输出的脉冲信号的等效电压值与PWM控制器输出的等效电压值的上限值及下限值，并产生一比较结果至PWM控制器；PWM控制器根据该比较结果调整输出的脉冲信号的占空比，来调整电机组的转速。

进一步，所述运算放大电路输出误差的补偿方法包括：

步骤一，获得差动对分别具有的多个原始跨导值；

步骤二，依据多个原始跨导值，获得差动对当中的多个需调整的差动对各自的一跨导差值；

步骤三，依据跨导差值与原始跨导值，获得需调整的差动对各自的一经调整的跨导值；以及

步骤四，利用经调整的跨导值来分别调整需调整的差动对的跨导，以使输出电压在输入电压的多种组合的情况下均能符合一期望值；依据需调整的差动对的经调整的跨导值，来调整需调整的差动对当中每一个内的多个输入晶体管的宽长比；依据需调整的差动对的经调整的跨导值，来调整需调整的差动对当中每一个内的一偏压电流的电流值；

差动对的数目为4，以及多种组合当中每一个下输入电压的期望值实质上等于(NVH+MVL)/(N+M)，VH与VL分别为多种电平当中的一高电平与一低电平，N与M为在组合下输入电压为高电平与低电平的个数；

差动放大器包括第一至第四差动对，以及第一至第四差动对的第二输入端所接收的输入电压的特定组合为(VH、VL、VL、VL)或(VH、VH、VH、VL)，其中VH与VL分别为多种电平当中的一高电平与一低电平；

第二与第三差动对是需经调整的差动对；

第二与第三差动对的跨导差值相等；

特定组合为(VH、VL、VL、VL)，第二与第三差动对当中每一个的跨导差值等于以及第二与第三差动对的经调整的跨导值分别为gm_L-Δgm，其中gM_H为特定组合下第一差动对的原始跨导值，gm_L为特定组合下第二至第四差动对当中每一个的原始跨导值；

差动放大器包括第一至第四差动对，以及第一至第四差动对的第二输入端所接收的输入电压的多种组合包括：(VH、VH、VH、VH)、(VH、VL、VL、VL)、(VH、VH、VL、VL)、(VH、VH、VH、VL)以及(VH、VH、VH、VH)。

进一步，所述锯齿刀片安装在条形齿板的右侧外部，所述锯齿刀片具体采用多个铝合金材料制成的锯齿刀片；所述条形齿板设置在拉手的前部，所述条形齿板具体采用不锈钢材料制成的长方体齿板；所述拉手包括固定螺母，所述拉手具体采用可拉伸皮带制成，所述固定螺母具体采用2个可调节螺母，安装在拉手的两端；所述太阳能板设置在卡扣的左侧，所述太阳能板具体采用2个长方形晶体硅太阳能电池板；所述工作指示灯通过电性连接设置在太阳能板的上部，所述工作指示灯具体采用LED红色指示灯。

进一步，所述显示屏通过电性连接设置在平面调节按键的上部，所述显示屏具体采用多点式电容触摸屏；所述信号灯通过电性连接设置在平面调节按键的右侧，所述信号灯具体采用LED绿色信号灯；所述电极管通过电性连接设置在平面调节按键的下部，所述电极管具体采用LED发光电极管。

进一步，所述测量装置包括刻度尺、伸缩手柄、旋转挡片、尺座和防滑护垫，所述旋转挡片设置在尺座的上部左侧；所述刻度尺设置在旋转挡片的右侧位置，所述刻度尺具体采用不锈钢材料制成的可折叠刻度尺；所述伸缩手柄设置在刻度尺的左侧，所述伸缩手柄具体采用PE塑料制成的根据距离的远近可调节伸缩手柄；所述防滑护垫设置在尺座的外部，所述防滑护垫具体采用硅胶材料制成的具有防滑纹的防滑护垫。

进一步，所述履带行走轮结构包括行走链条和滚动滑轮，所述行走链条安装在滚动滑轮的外部；所述滚动滑轮设置在行走链条的中部，所述滚动滑轮具体采用橡胶材料制成的轮胎和不锈钢材料制成的刚环，所述滚动滑轮具体采用2个。

进一步，所述PWM控制器采集所述电机组三相交流侧电压、三相电流和直流侧电压，将三相交流侧电压和直流侧电压分别进行Clarke变换，获得αβ坐标系下的电压信号；将所述αβ坐标系下的电压信号进行相序分离，获得正序和负序的电压分量；将三相电流进行Clarke和Park变换，获得dp坐标系下的电流信号，将所述dp坐标系下的电流信号进行相序分离，获得正序和负序的电流分量；将获得的正序和负序的电压、正序和负序的电流分量采用PWM控制算法计算获得正负序电流环给定值。

进一步，所述电流传感器实时采集所述电机组的三相电流信号ia、ib、ic，经克拉克变换、帕克变换后作为矢量控制系统的电流环的反馈量；利用所述霍尔位置传感器检测电机组的转子位置及转速信号，并将转速值作为矢量控制系统的速度环的反馈量；将速度环的反馈值与给定值进行比较，将比较结果送入所述PWM控制器，并将PWM控制器的输出量作为电机的电流给定。

本发明利用太阳能板发电，储蓄电池储电，通过显示屏显示操作，扰动器设置为叉式，破坏储气层的有机层，促使甲烷气溢出，利用跟踪器和信号灯对甲烷气体存在区域进行指示，收集装置在移动底座结构和受压弹簧的配合下完成甲烷气体的收集，提高了工作效率，降低了劳动程度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的森林土壤甲烷收集装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的操控装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的锯齿装置结构示意图；

图4是本发明实施例提供的收集器结构示意图；

图5是本发明实施例提供的PWM控制器的内部结构图；

图中：1、太阳能板；2、操控装置；2-1、传感球；2-2、压力块；2-3、受压弹簧；2-4、固定螺母；2-5、陶瓷基板；2-6、旋转环；2-7、移动底座结构；2-7-1、升降杆；2-7-2、调节螺栓；2-7-3、连接卡扣；2-7-4、滚动轮；2-7-5、支撑内轮；3、测量装置；3-1、刻度尺；3-2、伸缩手柄；3-3、旋转挡片；3-4、尺座；3-5、防滑护垫；4、多功能装置；4-1、拉手；4-2、卡槽；4-3、卡扣；4-4、锯齿刀片；4-5、条形齿板，4-6、太阳能板；4-7、工作指示灯；5、收集装置；5-1、显示屏；5-2、平面调节按键；5-3、跟踪器；5-4、信号灯；5-5、电极管；6、履带行走轮结构；6-1、行走链条；6-2、滚动滑轮；7、拉手；8、直流电机；9、电池充电口；10、储蓄电池；11、机械外壳；12、扰动器；13、第一积分电路；14、第二积分电路；15、运算放大电路；16、反馈比较器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

如附图1至附图5所示：

一种森林土壤甲烷收集装置，包括太阳能板1、操控装置2、测量装置3、锯齿装置4、收集器5、履带行走轮结构6、拉手7、直流电机8、电池充电口9、储蓄电池10、机械外壳11、扰动器12；所述的太阳能板1安装在操控装置2的外部；所述的锯齿装置4安装在直流电机8的上部；所述的拉手7设置在收集器5的外部；所述的履带行走轮结构6设置在直流电机8的底部位置；所述的储蓄电池10设置在电池充电口9的左侧焊接位置；所述的测量装置3安装在机械外壳11的前面中间位置；所述的操控装置2包括传感球2-1，压力块2-2，受压弹簧2-3，固定螺母2-4，陶瓷基板2-5，旋转环2-6和移动底座结构2-7，所述的受压弹簧2-3设置在固定螺母2-4的下部位置，所述的移动底座结构2-7设置在受压弹簧2-3的底部位置；所述的多功能装置4包括拉手4-1，卡槽4-2，卡扣4-3，锯齿刀片4-4，条形齿板4-5，太阳能板4-6和工作指示灯4-7，所述的卡扣4-3和相应的卡槽4-2对应；所述的拉手4-1安装在锯齿刀片4-4后面位置；所述的收集器5包括显示屏5-1，平面调节按键5-2，跟踪器5-3，信号灯5-4和电极管5-5，所述的平面调节按键5-2通过电性连接设置在跟踪器5-3的的右侧，所述的扰动器12设置在机械外壳11的一侧；

所述履带行走轮结构设置有驱动模块，该驱动模块包括微处理器、PWM控制器、IGBT控制器、电流传感器与电机组，所述微处理器的输出端依次与所述PWM控制器、所述IGBT控制器与所述电机组的输入端电连接，所述电机组的输出端与所述PWM控制器的输入端电连接，所述电机组的电机中均是安装有三个霍尔位置传感器；

所述的电流传感器实时采集所述电机组的三相电流信号ia、ib、ic，经克拉克变换、帕克变换后作为矢量控制系统的电流环的反馈量；利用所述霍尔位置传感器检测电机组的转子位置及转速信号，并将转速值作为矢量控制系统的速度环的反馈量；

将速度环的反馈值与给定值进行比较，将比较结果送入所述PWM控制器，并将PWM控制器的输出量作为电机的电流给定。

所述的传感球2-1设置在受压弹簧2-3的中间位置，所述的传感球2-1具体采用多个压力圆形球状传感球。

所述的压力块2-2设置在传感球2-1的下部位置，所述的压力块2-2具体采用橡胶材料制成的压力块，防水性能好。

所述的陶瓷基板2-5设置在压力块2-2的下部位置，所述的陶瓷基板2-5具体采用铜层或者铜钨层，厚度为20微米-800微米，铜层或者铜钨层上可覆盖金层，金层厚度为0.02微米-0.2微米。

所述的旋转环2-6设置在陶瓷基板2-5的上部，所述的旋转环2-6具体采用多个轴承组成的旋转环，旋转方便，安全可靠。

所述的移动底座结构2-7包括升降杆2-7-1，调节螺栓2-7-2，连接卡扣2-7-3，滚动轮2-7-4和支撑内轮2-7-5，所述的调节螺栓2-7-2设置在支撑内轮2-7-5的上部。

所述的升降杆2-7-1设置在支撑内轮2-7-5的上部，所述的升降杆2-7-1具体采用20厘米至60厘米不锈钢材料制成的可调节升降杆，升降方便。

所述的连接卡扣2-7-3设置在支撑内轮2-7-5的上部连接位置，所述连接卡扣2-7-3具体采用2个碗扣式的连接卡扣。

所述的滚动轮2-7-4设置在支撑内轮2-7-5的外部，所述的滚动轮2-7-4具体采用2个，所述的滚动轮具体采用聚氨酯万向轮，移动方便，安全实用。

所述PWM控制器包括：

第一积分电路13，该第一积分电路13与该PWM控制器的输出端连接，用于对PWM控制器输出端输出的脉冲信号进行积分并进行平稳化处理，来产生该控制PWM控制器输出的脉冲信号的等效电压值；

运算放大电路15，该运算放大电路15与所述第一积分13电路的输出端连接，用于对PWM控制器输出的脉冲信号所等效的电压值分别进行放大和缩小，来产生PWM控制器输出的脉冲信号的等效电压值的上限值和下限值。

进一步，所述运算放大电路输出误差的补偿方法包括：

步骤一，获得差动对分别具有的多个原始跨导值；

第二与第三差动对是需经调整的差动对；

第二与第三差动对的跨导差值相等；

第二积分电路14，该第二积分电路14与所述电机组的输出端连接，用于对电机组输出的脉冲信号进行积分并进行平稳化处理，来产生电机组输出的脉冲信号的等效电压值；及一反馈比较器16，该反馈比较器16与所述运算放大电路15的输出端及该第二积分电路14的输出端连接，用于比较电机组输出的脉冲信号的等效电压值与PWM控制器输出的等效电压值的上限值及下限值，并产生一比较结果至PWM控制器；PWM控制器根据该比较结果调整输出的脉冲信号的占空比，来调整电机组的转速。

所述的锯齿刀片4-4安装在条形齿板4-5的右侧外部，所述的锯齿刀片4-4具体采用多个铝合金材料制成的锯齿刀片，提高了工作效率，降低了劳动程度。

所述的条形齿板4-5设置在拉手4-1的前部，所述的条形齿板4-5具体采用不锈钢材料制成的长方体齿板。

所述的拉手4-1包括固定螺母，所述的拉手4-1具体采用可拉伸皮带制成，所述的固定螺母具体采用2个可调节螺母，安装在拉手的两端，固定拉伸方便。

所述的太阳能板4-6设置在卡扣4-3的左侧，所述的太阳能板4-6具体采用2个长方形晶体硅太阳能电池板，有利于减少用电量，使用寿命长，从而安全可靠。

所述的工作指示灯4-7通过电性连接设置在太阳能板4-6的上部，所述的工作指示灯4-7具体采用LED红色指示灯。

所述的显示屏5-1通过电性连接设置在平面调节按键5-2的上部。

所述的信号灯5-4通过电性连接设置在平面调节按键5-2的右侧，所述的信号灯5-4具体采用LED绿色信号灯。

所述的电极管5-5通过电性连接设置在平面调节按键5-2的下部，所述的电极管5-5具体采用LED发光电极管。

所述的测量装置3包括刻度尺3-1，伸缩手柄3-2，旋转挡片3-3，尺座3-4和防滑护垫3-5，所述的旋转挡片3-3设置在尺座3-4的上部左侧。

所述的刻度尺3-1设置在旋转挡片3-3的右侧位置，所述的刻度尺3-1具体采用不锈钢材料制成的可折叠刻度尺，携带方便。

所述的伸缩手柄3-2设置在刻度尺3-1的左侧，所述的伸缩手柄3-2具体采用PE塑料制成的根据距离的远近可调节伸缩手柄伸缩方便，使得施工过程简单。

所述的防滑护垫3-5设置在尺座3-4的外部，所述的防滑护垫3-5具体采用硅胶材料制成的具有防滑纹的防滑护垫，防滑效果好。

所述的履带行走轮结构6包括行走链条6-1和滚动滑轮6-2，所述的行走链条6-1安装在滚动滑轮6-2的外部。

所述的滚动滑轮6-2设置在行走链条6-1的中部，所述的滚动滑轮6-2具体采用橡胶材料制成的轮胎和不锈钢材料制成的刚环，所述的滚动滑轮6-2具体采用2个，移动行走方便。

所述的扰动器12设置为叉式，有利于破坏储气层的有机层，促使甲烷气溢出，扰动器采用人工扰动或机械扰动。

本发明利用太阳能板1发电，储蓄电池10储电，通过显示屏5-1显示操作，扰动器设置为叉式，破坏储气层的有机层，促使甲烷气溢出，利用跟踪器5-3和信号灯5-4对甲烷气体存在区域进行指示，收集装置5在移动底座结构2-7和受压弹簧2-2的配合下完成甲烷气体的收集，提高了工作效率，降低了劳动程度。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的技术方案保护范围。

Claims

1.一种森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，该森林土壤甲烷收集装置包括太阳能板、操控装置、测量装置、锯齿装置、收集器、履带行走轮结构、拉手、直流电机、电池充电、储蓄电池、机械外壳、扰动器；

所述储蓄电池设置在电池充电口的左侧焊接位置；

2.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述传感球设置在受压弹簧的中间位置，该传感球采用多个压力圆形球状传感球；

3.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述PWM控制器包括：

4.如权利要求3所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述运算放大电路输出误差的补偿方法包括：

步骤一，获得差动对分别具有的多个原始跨导值；

第二与第三差动对是需经调整的差动对；

第二与第三差动对的跨导差值相等；

特定组合为(VH、VL、VL、VL)，第二与第三差动对当中每一个的跨导差值等于以及第二与第三差动对的经调整的跨导值分别为gmL-Δgm，其中gMH为特定组合下第一差动对的原始跨导值，gmL为特定组合下第二至第四差动对当中每一个的原始跨导值；

5.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述锯齿刀片安装在条形齿板的右侧外部，所述锯齿刀片具体采用多个铝合金材料制成的锯齿刀片；所述条形齿板设置在拉手的前部，所述条形齿板具体采用不锈钢材料制成的长方体齿板；所述拉手包括固定螺母，所述拉手具体采用可拉伸皮带制成，所述固定螺母具体采用2个可调节螺母，安装在拉手的两端；所述太阳能板设置在卡扣的左侧，所述太阳能板具体采用2个长方形晶体硅太阳能电池板；所述工作指示灯通过电性连接设置在太阳能板的上部，所述工作指示灯具体采用LED红色指示灯。

6.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述显示屏通过电性连接设置在平面调节按键的上部，所述显示屏具体采用多点式电容触摸屏；所述信号灯通过电性连接设置在平面调节按键的右侧，所述信号灯具体采用LED绿色信号灯；所述电极管通过电性连接设置在平面调节按键的下部，所述电极管具体采用LED发光电极管。

7.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述测量装置包括刻度尺、伸缩手柄、旋转挡片、尺座和防滑护垫，所述旋转挡片设置在尺座的上部左侧；所述刻度尺设置在旋转挡片的右侧位置，所述刻度尺具体采用不锈钢材料制成的可折叠刻度尺；所述伸缩手柄设置在刻度尺的左侧，所述伸缩手柄具体采用PE塑料制成的根据距离的远近可调节伸缩手柄；所述防滑护垫设置在尺座的外部，所述防滑护垫具体采用硅胶材料制成的具有防滑纹的防滑护垫。

8.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述履带行走轮结构包括行走链条和滚动滑轮，所述行走链条安装在滚动滑轮的外部；所述滚动滑轮设置在行走链条的中部，所述滚动滑轮具体采用橡胶材料制成的轮胎和不锈钢材料制成的刚环，所述滚动滑轮具体采用2个。

9.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述PWM控制器采集所述电机组三相交流侧电压、三相电流和直流侧电压，将三相交流侧电压和直流侧电压分别进行Clarke变换，获得αβ坐标系下的电压信号；将所述αβ坐标系下的电压信号进行相序分离，获得正序和负序的电压分量；将三相电流进行Clarke和Park变换，获得dp坐标系下的电流信号，将所述dp坐标系下的电流信号进行相序分离，获得正序和负序的电流分量；将获得的正序和负序的电压、正序和负序的电流分量采用PWM控制算法计算获得正负序电流环给定值。

10.如权利要求1所述的森林土壤甲烷收集装置，其特征在于，所述电流传感器实时采集所述电机组的三相电流信号ia、ib、ic，经克拉克变换、帕克变换后作为矢量控制系统的电流环的反馈量；利用所述霍尔位置传感器检测电机组的转子位置及转速信号，并将转速值作为矢量控制系统的速度环的反馈量；将速度环的反馈值与给定值进行比较，将比较结果送入所述PWM控制器，并将PWM控制器的输出量作为电机的电流给定。