CN107367587B - 一种小麦田间模拟综合增温试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种田间模拟综合增温试验装置，包括上、下敞口的增温箱，增温箱的箱壁设置有水路回流加热片单元，所述水路回流加热片单元(20)之间首尾顺序连通且沿着增温箱(10)的箱壁周向方向布置，位于首端的水路回流加热片(20)的热水入口与分体设置的换热单元的热水出口连通，位于尾端的水路回流加热片(20)的热水出口换热单元的回水口连通，本发明增温箱，可真实的模拟大气增温，增温箱通过水路回流加热片方式增温，可准确对待试验植物的生长环境温度进行控制，提高试验数据的准确度，并且能够达到节能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及环境、土壤温度等研究工程设备技术领域，具体地说是一种能源节约、工作效率高、占用空间小和增温稳定的田间模拟综合增温试验装置。
背景技术
随着全球环境温室气体的增加，环境温度逐渐增加，联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)2007年报告指出：全球平均气温在过去的100年里升高了0.56-0.92℃，21世纪内预计仍将上升1.4-5.8℃。中国陆地温度将以每100年2.5℃的幅度递增，近50年，我国地表平均气温增幅1.11℃，高于全球同期水平。冬春季增温幅度已超过全球年平均气温增幅，且我国在1990年后经历了连续17个暖冬。特别是近些年国内的温度增高形势，给科学研究带来了更多的挑战。小麦的生长需要适宜的温度，温度的大幅升高不利于小麦的稳定生长。如何研究增温和高温环境下小麦的生长情况一直是该领域的难题，在科学研究的过程中，如何高效地、稳定地、能源节约解决环境以及土壤增温，应用工具简化研究受到了越来越多的关注。现有增温装置，都只是单一增温源，或者是增温不稳定，增温装置过于复杂，不能很好的研究增温对小麦的影响，获得的试验数据不够准确。鉴于小麦属于密植作物的特殊性，需要研发一套专门针对小麦增温的装置。由于市面上常用的增温装置，部分是封闭式增温，不能很好的模拟真实的大气环境；部分装置是单一增温源，例如远红外增温，黑体灯增温，以及电阻丝增温，由于是全生育期增温或阶段性长期增温，能耗过高，且增温不够均匀，不能够缓缓增温；几乎所有的增温装置都是装置个体增温，由于控温器件自身的限制，不能保证不同装置间温度增加的均一性；单独的电热和太阳能增温源，可以封闭式管理，防止室外增温用电的不安全性。国外进口产品价格高昂，并不能在国内大面积的推广，因此降低了产品的普及率，同时在产品的维护方面，也不便于管理和与厂商协商使用中产生的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种田间模拟综合增温试验装置，可准确对待试验植物的生长环境温度进行控制，提高试验数据的准确度，并且能够达到节能的目的。
为实现上述目的，本组合结构发明采用的技术方案是：
田间模拟综合增温试验装置，包括上、下敞口的增温箱，所述增温箱的的内侧壁上设有水路回流加热片单元，所述水路回流加热片单元首尾顺序连接且沿着增温箱的箱壁周向方向布置，位于首端的水路回流加热片的热水入口与分体设置的换热单元的热水出口连通，位于尾端的水路回流加热片的热水出口换热单元的回水口连通。
本发明还存在的附加特征在于：
所述增温箱包括透明材质制成的底部箱壁，所述水路回流加热片单元包括换热翅片，所述回流加热片单元可拆卸式设置在底部箱壁的下端，距箱体底部高度50cm为宜。
相邻水路回流加热片之间通过连接软管连通。
所述相邻水路回流加热片单元的换热翅片的两端分别设置插头和插管，相邻水路回流加热片的插头与插管之间插接配合形成密封连接；所述插头与换热管、插管与换热管之间至少有一个采用柔性件连接。
所述增温箱每个侧面的箱壁包括底部箱壁和分体连接在底部箱壁上方的升降箱壁，所述的每个侧面的底部箱壁上均设置有用于固定水路回流加热片单元的横梁，所述横梁的两端转动式设置在增温箱的竖向框架上，所述横梁的转动带动增温箱的每个侧面的底部箱壁翻转。
所述水路回流加热片的换热翅片上下方向凸伸有两组挂片，所述呈L形板状结构，所述横梁上设置有与挂片对应的开口，所述两组挂片凸伸至开口内。
所述箱壁的上端设置有升降箱壁，所述升降箱壁与高度调节机构连接，高度调节机构用于调节升降箱壁上下移动。
所述升降箱壁的上端设置有高度传感器，所述高度传感器的检测端水平且与植物的冠层顶端初始高度平齐，当所述高度传感器感应到植物的冠层顶端因自然生长而高出高度传感器的检测端高度时，所述高度传感器用于将采集的数据传送至高度调节机构的控制单元，所述控制单元通过控制高度调节机构用于提升升降箱壁至高度传感器的检测端与植物的冠层的实时高度齐平，且所述升降箱壁的底端始终低于底部箱壁的顶端。
所述升降箱壁及箱壁的边缘均设置在矩形框架上，所述矩形框架的四个边框均为两段式结构，矩形框架的边框之间铰接连接，矩形框架的两段式边框之间铰接连接。
位于尾端的水路回流加热片单元的热水出口与回流箱的进水口连通，所述回流箱的出水口通过水泵与太阳能集热器的其中一个入水口连通，所述太阳能集热器的另一入水口与蓄水箱连通，所述太阳能集热器的出水口与增温混水箱的入水口连通，所述增温混水箱内设有加热控制单元，所述加热控制单元用于调节增温混水箱的出水温度。
所述增温箱的箱壁上端设有温度传感器，所述温度传感器用于检测增温箱内外的环境温度差；当检测的温度差小于预设温差值时，所述加热控制单元启动加热；当检测的温度差等于预设温差值时，所述加热控制单元停止加热；当所述检测的温度差大于预设温差值时，所述加热控制单元停止加热，蓄水箱的水泵启动，水泵将蓄水箱的冷水加入增温混水箱，并在所述增温混水箱的上部设有回流口与蓄水箱连通。
与现有技术相比，本发明具备的技术效果为：
1、本试验装置能很好的结合电加热和太阳能集热，从而有效实现对温度的控制，而且还能达到节能的目的；
2、本装置采用水暖增温，增温稳定且均匀；
3、本装置的增温箱采用的是敞开式增温，可真实的模拟大气增温；
4、本装置体积较小，方便田间小区试验研究的开展；
5、本装置采用唯一增温综合系统，保证了不同增温箱温度的一致性；同时也可设置不同增温梯度，增加试验的多元化。
6、本装置增温系统可封闭式管理，防止田间电线过多，造成安全隐患。
附图说明
图1是田间模拟综合增温试验装置的平面结构示意图；
图2是田间模拟综合增温试验装置的系统温度调控单元示意图；
图3是田间模拟综合增温试验装置的增温箱结构示意图；
图4是多个增温箱的连接结构示意图；
图5是水路回流加热片单元相互连接的结构示意图；
图6是增温箱的主视图；
图7至图9是水路回流加热片单元与横梁安装的三种状态示意图；
图10和图11是框架的两种状态结构示意图。
具体实施方式
结合图1至图11，对本发明作进一步地说明：
田间模拟综合增温试验装置，包括增温箱10，增温箱10呈上下敞口状布置，增温箱10的箱壁设置有水路回流加热片单元20，水路回流加热片单元20首尾顺序连接且沿着增温箱10的箱壁下方周向方向布置，位于首端的水路回流加热片单元20的热水入口与换热单元的热水出口连通，位于尾端的水路回流加热片单元20的热水出口换热单元的回水口连通。
上述的水路回流加热片单元20可沿着增温箱10的箱壁竖直方向间隔设置两层，可增强对增温箱10的增温效率，并且能在短时间内实现对增温箱10内空气的增温。
本实施例增温箱10为上下敞口结构，其内部围设有自然生长的植物，可真实的模拟大气增温，增温箱内的水路回流加热片采用单元式首尾顺序连接的结构，并且采用可拆卸连接方式，可以实时调整不同生长季节下增温箱内的水路回流加热片数量，从而易于控制增温箱内外环境温度差，从而提高植物在模拟环境下的生长试验数据的准确度。
作为本发明的优选方案，增温箱10包括透明材质制成的箱壁，可优选亚克力材质，因为亚克力材质不仅透光度好，而且耐腐蚀，不影响小麦的正常光照。
水路回流加热片单元20包括中空换热翅片21，当热水从该水路回流加热片单元20内的中空腔室流过时，可稳定的提升箱体内的环境温度，从而达到预设的箱体内外环境温度差。
相邻水路回流加热片单元20之间可以直接通过连接软管23连通，也可以将水路回流加热片单元20的换热翅片21的两端分别设置插头211和插管212，相邻水路回流加热片单元20的插头211与插管之间插接配合形成密封连接；插头211与换热翅片21、插管212与换热翅片21之间至少有一个采用柔性件连接，从而可以方便加热片单元连接操作。
如图所示，增温箱10每个侧面的箱壁包括底部箱壁11和分体连接在底部箱壁上方的升降箱壁12，为了方便实现对水路回流加热片单元20的检修等操作，每个侧面的底部箱壁上均设置有用于固定水路回流加热片单元20的横梁30，横梁30的两端转动连接在增温箱10两箱壁之间的竖向框架上，横梁30的转动带动增温箱10的每个侧面的底部箱壁向外翻转，从而使安装有水路回流加热片单元20的箱壁面翻转到外面，在箱体外即可对水路回流加热片单元20的检修、更换等作业。
如图所示，横梁30上可设置止转销31，止转销插置在增温箱10的通孔内对其箱壁进行固定。作为优选，止转销31凸伸出横梁30的一端，止转销31的凸伸端设置有定位环，在定位环和横梁30之间设置有支撑弹簧33，利用支撑弹簧33的弹力将止转销31凸伸至通孔内，构成对箱壁的固定；当然在遇到大风等恶劣天气时为了有效保护增温箱10固定的稳定性，底部箱壁也可以临时不加定位销，由于水路回流加热片单元20设在底部箱壁的下端，可以通过自重进行摆动，让大风通过，避免增温箱被吹倒。
结合图6所示，为方便实现对水路回流加热片单元20的安装固定，水路回流加热片单元20的换热翅片22上下方向凸伸有两组挂片24，呈L形板状结构，横梁30上设置有与挂片24对应的开口32，两组挂片24凸伸至开口32内；
该处的水路回流加热片单元20的两组挂片24凸伸至开口32内，并且在水路回流加热片20自身重力的作用下，使得两组挂片24挂设在开口32上，从而极为方便实现对水路回流加热片20的安装固定，当需要检修或者更换时，通过翻转箱壁，只需要将两组挂片24从开口32内抽出，即可将水路回流加热片单元20拆卸下来。
发明人研究发现，若增温箱10的箱壁11顶端相对植物冠层顶端过高或过低，对空气流通性有较大影响，而且极为不利于整个增温箱10的温度控制，对试验数据误差产生较大影响，而当增温箱顶端高度高于小麦的冠层高度25±5cm的情况下，增温效果较好；
对此，通过调节升降箱壁12的高度，进而使得升降箱壁12的顶端高度高于小麦的冠层高度25±5cm，确保增温效果。
本发明增温箱10的升降条件可以通过手动机械调节，也可以通过自动感应升降等方式调节。采用手动方式物理调节时，具体可以通过在增温箱10的升降箱壁12上的活动连接调节螺母，升降箱壁12的下端设置有调节螺栓，调节螺栓与调节螺母螺纹配合，通过旋拧调节螺母，实现对升降箱壁12高度的调整。采用自动感应调节时，优选方案是，在升降箱壁12的距顶端端以下25±5cm位置设置高度传感器13，具体可以是远红外传感器，高度传感器13的检测端水平，初始状态下，高度传感器13的检测端高度与植物的冠层顶端初始高度平齐，当所述高度传感器13感应到植物的冠层顶端因自然生长而高出高度传感器13的检测端高度时，高度传感器13将采集的数据传送至高度调节机构的控制单元(单片机)，单片机经数据分析后，输出指令，控制高度调节机构提升升降箱壁12至高度传感器13的检测端与植物的冠层的实时高度齐平，且升降箱壁12的底端始终低于底部箱壁的顶端，也即是说可以通过现有的自动感装置应始终保持增温箱箱壁的顶端高出植物冠层25±5cm。该高度调节机构也可以通过步进电机等现有升降机构来实现对其进行高度的调整，从而实现对升降箱壁12高度的调整，而步进电机通过单片机控制，单片机通过接收高度传感器13的数据，并通过数据比对，输出信号，启停步进电机。由于单片机控制采用的是本领域常规技术手段，在此不再描述。
为进一步提高该装置的运输及安装便捷度，结合图10和图11所示，升降箱壁12及底部箱壁11的箱壁的边缘均设置在矩形框架14上，矩形框架14的四个边框均为两段式结构，矩形框架14的边框之间铰接连接，矩形框架14的两段式边框之间铰接连接；
该处的矩形框架14采用不锈钢材质制成，不仅防锈，可确保对装置的其他结构的支撑强度，该处的矩形框架14的两段式边框之间铰接连，并且矩形框架14的边框之间铰接连接，从而在运输时，可将该矩形框架14折叠起来，从而可减少该矩形框架14运输时占用的空间，当运输至试验田时，将该矩形框架14固定在试验地面上，将底部箱壁11及升降箱壁12安装在矩形框架14上，并且将其他附属设备分别固定在该装置上，十分方便安装及运输。
如图所示，具体地，位于首端的水路回流加热片单元20的热水入口与增温混水箱50的出水口连通，位于尾端的水路回流加热片单元20的热水出口与回流箱70的进水口连通，所述回流箱70的出水口通过水泵60与太阳能集热器40的其中一个入水口连通，所述太阳能集热器40的另一入水口与蓄水箱51通过水泵连通，太阳能集热器40的出水口与增温混水箱50的入水口连通，所述增温混水箱50内设有加热控制单元41，所述加热控制单元41用于调节增温混水箱50的出水温度。
而加热控制单元也可以采用人工控制或智能控制；人工控制时，在增温箱内外分别设置温度连续记录仪，通过读取温度记录仪的温度差来判断是是否需要给循环水进行加热或降温。而采用人工智能控制时，可在增温箱10的箱壁上端设有温度传感器80，所述温度传感器用于自动检测增温箱10内外的环境温度差，并将温度差反馈给加热控制单元的单片机；当检测的温度差小于预设温差值时，通过单片机启动加热控制单元4加热，直至温度差等于预设温度差时停止；当检测的温度差等于预设温差值时，单片机控制加热控制单元41停止加热；当所述检测的温度差大于预设温差值时，单片机控制加热控制单元41停止加热，同时蓄水箱51的水泵启动，水泵将蓄水箱51的冷水加入增温混水箱50中，并在所述增温混水箱50的上部设有回流口与蓄水箱51连通，通过降低增温箱内的水温以控制温度差。智能控制采用的是现有技术手段实现，再此不再描述。
为获得不同温度下的小麦生长数据，结合图3所示，增温箱10平行间隔设置有多个，增温混水箱50的出水口通过连接管路与水路回流加热片单元20的热水入口连通，连接管路上设置有电磁阀25。
通过在连接管路上设置的电磁阀25来控制导入不同增温箱10内的水路回流加热片20的热水量，从而有效地实现对不同增温箱10内的温度的控制，以获得不同温度下的小麦的生产数据。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：包括上、下敞口的增温箱(10)，所述增温箱(10)的内侧壁设有水路回流加热片单元(20)，所述水路回流加热片单元(20)之间首尾顺序连通且沿着增温箱(10)的箱壁周向方向布置，位于首端的水路回流加热片单元(20)的热水入口与分体设置的换热单元的热水出口连通，位于尾端的水路回流加热片单元(20)的热水出口换热单元的回水口连通；
所述增温箱(10)每个侧面的箱壁包括底部箱壁(11)和分体连接在底部箱壁上方的升降箱壁(12)，所述的每个侧面的底部箱壁(11)上均设置有用于固定水路回流加热片单元(20)的横梁(30)，所述横梁(30)的两端转动式设置在增温箱(10)的竖向框架上，所述横梁(30)的转动带动增温箱(10)的每个侧面的底部箱壁(11)向外翻转。
2.根据权利要求1所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：所述水路回流加热片单元(20)包括中空的换热翅片(21)，所述回流加热片单元(20)可拆卸式设置在底部箱壁(11)的下端。
3.根据权利要求1所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：相邻水路回流加热片单元(20)之间通过连接软管(23)连通。
4.根据权利要求2所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：相邻的所述水路回流加热片单元(20)的换热翅片(21)的两端分别设置插头(211)和插管(212)，相邻的所述水路回流加热片单元(20)的插头(211)与插管(212)之间插接配合形成密封连接；所述插头(211)与换热翅片(21)、插管(212)与换热翅片(21)之间至少有一个采用柔性件连接。
5.根据权利要求2所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：所述水路回流加热片单元(20)的换热翅片(21)上下方向凸伸有两组挂片(24)，呈L形板状结构，所述横梁(30)上设置有与挂片(24)对应的开口(32)，所述两组挂片(24)凸伸至开口(32)内。
6.根据权利要求1所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：所述升降箱壁(12)与高度调节机构连接，所述高度调节机构用于调节升降箱壁(12)上下移动。
7.根据权利要求6所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：所述升降箱壁(12)的上端设置有高度传感器(13)，所述高度传感器(13)的检测端水平且与植物的冠层顶端初始高度平齐。
8.根据权利要求1所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于：位于首端的水路回流加热片单元(20)的热水入口与换热单元中的增温混水箱(50)的出水口连通，位于尾端的水路回流加热片单元(20)的热水出口与回流箱(70)的进水口连通，所述回流箱(70)的出水口通过水泵(60)与太阳能集热器(40)的其中一个入水口连通，所述太阳能集热器(40)的另一入水口与蓄水箱(51)连通，所述太阳能集热器(40)的出水口与增温混水箱(50)的入水口连通，所述增温混水箱(50)内设有加热控制单元(41)，所述加热控制单元(41)用于调节增温混水箱(50)的出水温度。
9.根据权利要求8所述的田间模拟综合增温试验装置，其特征在于，所述增温箱(10)的箱壁上端设有温度传感器(80)，所述温度传感器用于检测增温箱(10)内外的环境温度差。
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