CN106092870A - 一种模拟大气条件变化的实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟大气条件变化的实验系统，包括供气系统、运输系统、目标空间、监测系统；位于供气系统内部的气流动力源与运输系统的一端相连，并将载气气体送入与运输系统另一端连接的目标空间，位于供气系统内部的污染气体源提供污染气体，通过分流装置分流后经软管进入运输系统侧部的小孔，使污染气体与载气一起进入目标空间；位于目标空间内部的监测系统实时监测空间内对应信息，用于反馈调节。本发明所述实验系统在满足实验需求的基础上实现了低成本、高稳定、易变化的目标，且能够达到一种污染不同梯度或多种污染复合的实验目的。
Description
技术领域
本发明属于大气模拟研究领域，具体涉及一种模拟大气条件变化的实验系统。
背景技术
工业革命以来，人类活动的加剧、化石燃料的大量使用、汽车尾气急剧增加、含N化肥的广泛应用等，使得大气环境发生了一系列变化。二氧化碳浓度的增加，使全球气温逐年升高，温室效应明显，各种极端天气愈发频繁；氮氧化物的增加则使得空气中的光化学污染日益加剧，近地层大气中臭氧浓度增加。近地层大气条件的变化，对多种农作物产生了影响，而在目前的气候变化趋势下，在未来作物将会产生如何响应，需要在稳定的空间内种植作物，甚至进行长时间的年季实验。现有的模拟方法主要有：
1、静态室法。该方法包括封闭气室和温室，可以实现室内环境的稳定变化，但与实际情况相差较大，不能较好地模拟真实田间情况，目前已经很少使用，基本处于被淘汰状态。
2、传统开顶式气室法。该方法利用传统OTC-1型气室，重点关注某条件的目标变化，如臭氧或二氧化碳气体浓度变化，强行加入空气过滤器，导致气室内部与真实大气状况产生较大差异；该方法会导致气室内部温度的升高，且在阳光充足的时间尤其明显；对于稳定气体如二氧化碳，该方法的浓度控制系统可以保证，但对于臭氧等易衰减气体，该方法的室外传感器分析方式则会导致气室内真实值与检测值存在差异，真实值常高于检测值。
3、自由大气法 (FACE)。该方法直接在大田模拟气候变化，作物在农田中生长，最贴近现实情况，但就实验而言，该方法极易受多种因素影响，速度很小的风就能引起实验环境的波动，为实验带来极大不稳定性；为了取得具有科学性、代表性的实验样品，需要设置较多重复或采集较多样品，增大了实验人员的劳动成本；实验小区之间需要间隔较大，建造成本极大，极大的规模也带来了极大的运营成本。
发明内容
本发明针对目前的模拟方法，不能在贴近自然情形的情况下实现大气条件变化的稳定维持的难题，提供了一种接近自然，条件稳定，价格低廉，灵活自由，维护简易的模拟系统。
一种模拟大气条件变化的实验系统，包括供气系统、运输系统、目标空间、监测系统；位于供气系统内部的气流动力源与运输系统的一端相连，并将载气气体送入与运输系统另一端连接的目标空间，位于供气系统内部的污染气体源提供污染气体，通过分流装置分流后经软管进入运输系统侧部的小孔，使污染气体与载气一起进入目标空间；位于目标空间内部的监测系统实时监测空间内对应信息，用于反馈调节。
所述的供气系统还包括温度调节器，用于调节控制供气系统及载气的温度。
所述的污染气体源包括二氧化碳气瓶、高纯氧气瓶和臭氧发生器。
所述的气流动力源为轴流风机。
所述的软管的个数为至少一个, 软管的直径为0.5-0.7cm。
所述的运输系统主体为直径20cmPVC硬管，外包1cm厚用于保温的海绵板，所述的运输系统2侧部设置至少一个小孔。
所述的目标空间主体为OTC-1型气室，采用不锈钢管做骨架、3mm厚玻璃做表面的透明半封闭空间。
所述的监测系统包括二氧化碳分析仪、臭氧浓度监测仪和温度计。
所述的温度调节器为空调。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）所述实验平台在满足实验需求的基础上实现了低成本、高稳定、易变化的目标。
（2）所述实验平台达到一种污染不同梯度或多种污染复合的实验目的。
附图说明
图1是本发明所述实验平台整体结构示意图。
图2是本发明所述实验平台内部结构示意图。
图3为采用本发明所述实验平台测定2015年3月21日臭氧浓度日变化图。
图4为采用本发明所述实验平台测定2015年3月10日至2015年5月30日臭氧浓度变化图。
具体实施方式
如图1和图2，本发明所述的一种模拟大气条件变化的实验系统，包括供气系统1、运输系统2、目标空间3、监测系统4，位于供气系统1内部的气流动力源7与运输系统2的一端相连，并将载气气体送入与运输系统2另一端连接的目标空间3，位于供气系统1内部的污染气体源5提供污染气体，通过分流装置8分流后经软管进入运输系统2侧部的小孔，使污染气体与载气一起进入目标空间3；位于目标空间3内部的监测系统4实时监测空间内对应信息，用于反馈调节。分流后污染气体由运输系统2侧部的小孔进入运输系统2，可根据需要设置一根或多根、一种或多种软管，以达到一种污染不同梯度或多种污染复合的实验目的。
本发明主要对目标空间3主体即改进后的OTC-1型开顶式气室进行控制。目标空间3主体由不锈钢骨架和3mm玻璃构成，顶部换气口上方10cm处有一透明有机玻璃板，保证了透光性和通气性，同时具有较高的机械强度。气室上部由边长1m的正八边形收口至边长0.5m正八边形（45°倾斜向内收拢），形成换气口。气室为正八棱柱，边长为1m，高2m，体积为14m3，气室底部为不锈钢板，板上均匀布满直径5mm小孔，钢板上放置两个不锈钢架台（高20cm）用于安放实验用盆栽，以防止堵住小孔，造成气室内气体的不均匀。钢板下方为高25cm的气体混匀室，气体在气流动力源7的推动下经过运输系统2进入该混匀室，在该空间内达到空气与外加条件的混合均匀的目的。运输系统2主体为直径20cmPVC硬管，外包1cm厚用于保温的海绵板，所述的运输系统2侧部设置至少一个小孔，运输系统2一端连接目标空间3的气体混匀室中部，另一端与供气系统1中设置的气流动力源7（轴流风机）相连。在需要控制温度时，在供气系统1内设置温度调节器6（可采用空调），同时在运输系统2上包裹1cm厚海绵板用于保温。轴流风机排风量应满足气室内每分钟2-3次的换气频率。
将目标气体利用软管，导入运输系统2侧壁设置的小孔，与气流动力源7推送的空气进行混合，软管需和气瓶、发生器出气口匹配，采用内径0.6厘米的软管。需要改变某气体浓度，则将软管与污染气体源5的某污染气体相连，插入两条软管即可达到两种气体复合，多条软管则为多种气体复合，且通过改变软管条数，也可以控制形成不同气体浓度梯度。温度则由供气系统1内设置温度调节器6，控制轴流风机推送气体的温度，到达控制目标空间3内部温度的目的。利用监测系统内设置的二氧化碳检测仪、臭氧监测仪、温度计等在目标空间3中进行实时监测条件变化，将相应监测设备置于目标空间3内部，真实反映内部情况。反馈目标空间3内部信息，调节二氧化碳、臭氧流量，空调温度，进行实时调节，达到实验目标要求。
在已进行的三季作物生长实验中，预设实验处理臭氧浓度比对照处理（正常大气）高40nL/L，实验整个进程目标增大浓度与预设浓度差异分别为1.5%、4.75%和-0.75%，且差异均不显著。如图3所示，在2015年3月21日臭氧浓度日变化图中，目标处理（臭氧浓度升高40nL/L）臭氧日平均浓度为75.36nL/L，比正常大气臭氧平均浓度36.67nL/L高38.69nL/L，与预设目标差异3.27%。在图4中，2015年3月10日至2015年5月30日，目标处理臭氧平均浓度为80.2nL/L，比正常大气39.6nL/L高40.6nL/L，与预设目标差异1.5%。
在本发明的模拟大气条件变化的实验系统中，已经成功进行了两季小麦、一季水稻的种植实验，并得到了一定的成果。在满足实验需求的基础上实现了低成本、高稳定、易变化的目标，这是其它方法难以实现的。本发明为模拟大气条件变化的相关实验提供了良好的手段。
总之，本发明所述的实验平台模拟成本低，仅需要建造若干改进后气室，将自然大气进行目标化改动，通过风机经由管道通入气室底部即可，由监测系统结果反馈调节改动程度，到达模拟状态，在某一实验地点的一段时间内，不需要其他改动、维护。
本发明提供的实验系统灵活多变，可以实现二氧化碳、臭氧、温度等条件的灵活复合，且仅需要进行部分改动或增加。二氧化碳由于其稳定性，较之臭氧更容易控制，污染气体仅需要在进气管道中打一小孔，将二氧化碳气瓶或臭氧发生器出气口利用细小软管（臭氧需用聚四氟乙烯内衬的PVC管）连接至小孔，将气体引入即可，在气室内利用相应监测仪进行监测，反馈调节，从而达到控制目的。温度控制需要风机处于相对密闭空间，利用空间中空调调节温度。在阳光充足的夏天，若无空调控制，气室内温度可达到45℃左右（室外温度约38℃），即使在春、秋天，阳光充足时室内温度仍可高约2-3℃在气室中加入若干温度计（多点分布）即可监测室内温度，进行调节。利用空调可将室内温度控制在不高于室外1℃以内。
Claims (9)
1.一种模拟大气条件变化的实验系统，包括供气系统(1)、运输系统(2)、目标空间(3)、监测系统(4)；其特征在于，位于供气系统(1)内部的气流动力源(7)与运输系统(2)的一端相连，并将载气气体送入与运输系统(2)另一端连接的目标空间(3)，位于供气系统(1)内部的污染气体源(5)提供污染气体，通过分流装置(8)分流后经软管进入运输系统(2)侧部的小孔，使污染气体与载气一起进入目标空间(3)；位于目标空间(3)内部的监测系统(4)实时监测空间内对应信息，用于反馈调节。
2.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的供气系统(1)还包括温度调节器(6)，用于调节控制供气系统(1)及载气的温度。
3.如权利要求2所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的温度调节器(6)为空调。
4.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的污染气体源(5)包括二氧化碳气瓶(9)、高纯氧气瓶(11)和臭氧发生器(10)。
5.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的气流动力源(7)为轴流风机。
6.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的软管的个数不少于一个，软管的直径为0.5-0.7cm。
7.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的运输系统(2)主体为直径20cmPVC硬管，外包1cm厚用于保温的海绵板，所述的运输系统(2)侧部设置至少一个小孔。
8.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的目标空间(3)主体为OTC-1型气室，采用不锈钢管做骨架、3mm厚玻璃做表面的透明半封闭空间。
9.如权利要求1所述的模拟大气条件变化的实验系统，其特征在于，所述的监测系统(4)包括二氧化碳分析仪、臭氧浓度监测仪和温度计。
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