CN106885875A - 一种气体通量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体通量测量系统，适合应用于如冠层光合速率等的大规模测量场景。其技术方案为：包括检测器、控制器、采样气路、以及至少一个同化箱，控制器分别连接每一同化箱的顶盖以控制其关闭或打开，采样气路分别与同化箱上的通气口连接，检测器连接采样气路，信号采集器连接检测器，控制器在控制同化箱顶盖关闭或打开的同时控制采样气路连通到处于关闭状态的同化箱，处于关闭状态的同化箱内的气体通过采样气路输送到检测器，检测器检测气体浓度信号。

Description

一种气体通量测量系统

技术领域

本发明涉及一种气体通量的测量系统，尤其涉及针对植物或土壤气体通量的高效测量系统。

背景技术

在植物学和生态学领域，植物、土壤的二氧化碳、水蒸气、氧气、臭氧、甲烷等气体的通量是基本的测量指标，检测这些指标对研究植物生长，土壤微生物，生态环境等方面具有重要意义。

到目前为止，一些学者设计研发了一些可以连续检测冠层光合速率、呼吸速率和蒸腾速率的同化箱。如申请人之前的专利201320891829.6实现了自动化的冠层光合速率和蒸腾速率，即二氧化碳通量和水蒸气通量的检测。但是这些检测方法利用一套传感器只能检测一个同化箱内的通量，检测效率较低。由于传感器或检测器通常价格较为昂贵，大规模应用的成本极高。

国外许多学者开发的同化箱用于测量田间小区田块的冠层蒸腾速率和光合速率。Reicosky和Peters(1977)提出了利用同化箱对田间小区冠层蒸腾速率进行快速测量。Reicosky等(1990)总结了利用可在田间使用的同化箱测量和计算冠层二氧化碳气体交换速率的方法。Bugbee(1992)设计了闭路式冠层同化箱。Steduto等(2002)开发的自动冠层同化箱可以监控全天的冠层光合和蒸腾，但是该同化箱的顶盖是掀开式，即顶盖的一侧边沿与箱体之间安装转轴，再利用卷扬机将顶盖从水平旋转到约竖直位置，其不足之处是在有风天气稳定性差，且仅由顶盖重力通常很难压紧密封条，气密性不容易保证。Muller等(2009)研发了用于测量小麦冠层光合作用的开路式同化箱。Pérez-Priego(2010)设计制作了用于测量整株树的闭路式冠层同化箱。

国内许多研究人员关注植物群体冠层光合和产量的关系，且分别研制同化箱用于测量实验。新疆的周抑强等(1997)利用冠层同化箱对棉花群体光合特性进行研究；新疆石河子大学的马富裕(1998)介绍了利用闭路式同化箱以棉花为主测量群体冠层光合作用速率的方法；山东农科院玉米研究所的王庆成等(2001)利用闭路式同化箱通过测量玉米冠层光合作用研究不同品种，不同株型对冠层光合的影响；中国农大的李明和施生锦(2006)研发了开路式作物群体光合与蒸散连续测定系统；台州学院和中科院寒区旱区研究所的高松等(2011)采用Licor公司的LI-8100土壤碳通量测量仪结合北京力高泰公司定做的同化箱对荒漠植物梭梭的群体光合进行了研究。本申请人之前的专利申请201520133143.X也揭示了用于稳定的自动化测量的垂直开启式同化箱。

国内外学者设计开发的这些同化箱，都是基于单个植物小区、单个土壤地块的实验设备。如果想要测量多个植物小区或土壤地块，就需要使用多套仪器。而每套仪器配备的气体检测设备较为昂贵，这也是目前类似设备尚未大规模使用的原因之一。

因此，本领域迫切需要开发改进高效率的气体通量检测设备。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种气体通量测量系统，适合应用于如冠层光合速率等的大规模测量场景。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种气体通量测量系统，包括检测器、控制器、采样气路、以及至少一个同化箱，控制器分别连接每一同化箱的顶盖以控制其关闭或打开，采样气路分别与同化箱上的通气口连接，检测器连接采样气路，信号采集器连接检测器，控制器在控制同化箱顶盖关闭或打开的同时控制采样气路连通到处于关闭状态的同化箱，处于关闭状态的同化箱内的气体通过采样气路输送到检测器，检测器检测气体浓度信号。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，系统还包括：

信号采集器，检测器将检测出的气体浓度信号传送到信号采集器中予以记录。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，控制器定时输出多路信号，将各路信号通过步进电机或气缸驱动各个同化箱的顶盖。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，同化箱是通过步进电机或气缸驱动自动实现其顶盖的关闭或打开。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，采样气路进一步包括：

主气泵，连通检测器，给检测器供应所要检测的气体；

辅助气泵，设置在采样气路中，排除采样气路中的残余气体；

第一电磁阀组，具有一个主路和至少一个支路，第一电磁阀组的主路与检测器的进气口相连；

第二电磁阀组，具有一个主路和至少一个支路，第二电磁阀组的主路与检测器的出气口相连；

至少一个第一采样管，每一第一采样管的一端连接在第一电磁阀组的支路上，另一端连通每一同化箱以将气体从同化箱输送到检测器内；

至少一个第二采样管，每一第二采样管的一端连接在第二电磁阀组的支路上，另一端连通每一同化箱以将气体从检测器输送到同化箱内。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，自动同化箱的数量为3至20个。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，主气泵和辅助气泵的流量为每分钟1至5升。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，第一采样管和第二采样管的内径为2至8毫米，第一采样管和第二采样管的材料包括聚乙烯、聚氨基甲酸乙酯、聚四氟乙烯。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，检测器包括红外气体分析器、湿度计或气体浓度传感器。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，信号采集器以0.1秒至3秒的时间间隔记录气体浓度信号的数据。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，所述气体通量测量系统所测量的气体是植物冠层或土壤气体。

根据本发明的气体通量测量系统的一实施例，植物冠层或土壤气体包括二氧化碳、水蒸气、氧气、臭氧、甲烷。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明将多个同化箱集成到一起，利用控制器依次切换来实现利用一套传感器检测多个植物或土壤的某种气体(如二氧化碳、水蒸气、氧气、臭氧、甲烷等)释放或吸收速率。本发明区别于传统技术的效果在于由于对传统的单一冠层同化箱进行了多箱体集成设计和改进，使得测量气体通量效率显著提高，在相同成本下，测量效率最高可达10倍以上，这一改进的测量方法可以实现大规模田间测量气体通量，，如冠层光合速率等，为一系列需要大规模测量能力的应用，如育种筛选等，提供了切实可行的方法。

附图说明

图1示出了本发明的气体通量测量系统的较佳实施例的整体示意图。

图2示出了本发明的气体通量测量系统的采样气路及检测器的局部细化结构图。

图3示出了本发明的气体通量测量系统进行气体通量测量的细化示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的气体通量测量系统的较佳实施例的整体结构。如图1所示，本实施例的气体通量测量系统包括三大部分：检测器1、控制器及采样气路2、以及至少一个同化箱3。同化箱的个数较佳的为3至20个，在附图中示出为6个。检测器1可以是红外气体分析器、湿度计或气体浓度传感器，连接采样气路。采样气路分别与各个同化箱上的通气口连通。本发明的气体通量测量系统所测量的气体较佳的是植物冠层或土壤气体，具体包括二氧化碳、水蒸气、氧气、臭氧或者甲烷。

本实施例中的同化箱3为闭路式同化箱，闭路式同化箱是通过密闭同化箱后，测量内部气体浓度在密闭环境下的瞬时变化率，计算得到气体通量，虽然不是稳定状态下测量，但在气体浓度较小下降范围(<10％)内就可以得到变化率，其内部环境变化较小，该技术结构简单，便于操作。

图2示出了气体通量测量系统的采样气路及检测器的局部的详细结构。请同时参见图2，采样气路包括主气泵23、辅助气泵24、第一电磁阀组21、第二电磁阀组22。

控制器分别连接每一个同化箱的顶盖以控制器关闭或打开。具体而言，控制器的其中一个具体示例是图3所示的信号发生器25，定时输出多路信号，将各路信号通过步进电机或驱动电磁阀组和气缸驱动各个同化箱的顶盖。当然，同化箱的顶盖的关闭或打开可以通过步进电机或气缸驱动来程序化的自动实现。

主气泵23连通检测器1，给检测器1供应所要检测的气体。辅助气泵24设置在采样气路中，排除采样气路中的残余气体。主气泵23和辅助气泵24的流量为每分钟1至5升。第一电磁阀组21具有一个主路和至少一个支路，其主路与检测器1的进气口相连。第二电磁阀组22具有一个主路和至少一个支路，其主路与检测器1的出气口相连。

第一电磁阀组21的各个支路上连接了各个第一采样管，第一采样管4的另一端连通每一个同化箱以将气体从同化箱3输送到检测器1内。第二电磁阀组22的各个支路上连接了各个第二采样管，第二采样管5的另一端连通每一个同化箱以将气体从检测器1输送到同化箱3内。第一采样管和第二采样管的内径为2至8毫米，而材料包括聚乙烯(PE)、聚氨基甲酸乙酯(PU)、聚四氟乙烯(PTFE)等。

较佳的，系统还包括信号采集器26，检测器1将检测到的气体浓度信号传送到信号采集器26中予以记录，信号采集器是以0.1秒至3秒的时间间隔记录气体浓度信号的数据，从而根据气体浓度随着时间变化曲线计算植物或土壤的气体通量。

图3示出了本发明的气体通量测量系统进行气体通量测量的过程。请同时参见图3，空气压缩机7提供驱动同化箱3自动顶盖开关的气缸，这一过程由驱动电磁阀组6控制来实现依次检测不同的同化箱。第一电磁阀组21和第二电磁阀组22分别切换采样气路的进、出气路到当前关闭的同化箱。驱动电磁阀组6、第一电磁阀组21和第二电磁阀组22同步受到来自信号发生器25的信号控制。主气泵23和辅助气泵24用来采集样品气体到检测器内，其中辅助气泵24可以用来排除采样气路的残余气体，而主气泵23用来给检测器供应样品气体。检测器1检测到气体浓度信号后，传送给信号采集器26实现对同化箱3内的气体浓度变化实时测量。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (12)

1.一种气体通量测量系统，其特征在于，包括检测器、控制器、采样气路、以及至少一个同化箱，控制器分别连接每一同化箱的顶盖以控制其关闭或打开，采样气路分别与同化箱上的通气口连接，检测器连接采样气路，信号采集器连接检测器，控制器在控制同化箱顶盖关闭或打开的同时控制采样气路连通到处于关闭状态的同化箱，处于关闭状态的同化箱内的气体通过采样气路输送到检测器，检测器检测气体浓度信号。

2.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，系统还包括：

信号采集器，检测器将检测出的气体浓度信号传送到信号采集器中予以记录。

3.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，控制器定时输出多路信号，将各路信号通过步进电机或气缸驱动各个同化箱的顶盖。

4.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，同化箱是通过步进电机或气缸驱动自动实现其顶盖的关闭或打开。

5.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，采样气路进一步包括：

主气泵，连通检测器，给检测器供应所要检测的气体；

辅助气泵，设置在采样气路中，排除采样气路中的残余气体；

第一电磁阀组，具有一个主路和至少一个支路，第一电磁阀组的主路与检测器的进气口相连；

第二电磁阀组，具有一个主路和至少一个支路，第二电磁阀组的主路与检测器的出气口相连；

至少一个第一采样管，每一第一采样管的一端连接在第一电磁阀组的支路上，另一端连通每一同化箱以将气体从同化箱输送到检测器内；

至少一个第二采样管，每一第二采样管的一端连接在第二电磁阀组的支路上，另一端连通每一同化箱以将气体从检测器输送到同化箱内。

6.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，自动同化箱的数量为3至20个。

7.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，主气泵和辅助气泵的流量为每分钟1至5升。

8.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，第一采样管和第二采样管的内径为2至8毫米，第一采样管和第二采样管的材料包括聚乙烯、聚氨基甲酸乙酯、聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的气体通量测量系统，其特征在于，检测器包括红外气体分析器、湿度计或气体浓度传感器。

10.根据权利要求2所述的气体通量测量系统，其特征在于，信号采集器以0.1秒至3秒的时间间隔记录气体浓度信号的数据。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体通量测量系统，其特征在于，所述气体通量测量系统所测量的气体是植物冠层或土壤气体。

12.根据权利要求11所述的气体通量测量系统，其特征在于，植物冠层或土壤气体包括二氧化碳、水蒸气、氧气、臭氧、甲烷。