CN110456005B - 无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统。无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，包括步骤：S1、确定待测区域，将密闭箱扣在待测区域上；S2、将外界空气通过碱性溶液后，输入所述密闭箱中，混合均匀；S3、将密闭箱中的气体输入到二氧化碳测量仪中进行测量，并生成测量值数列；S4、使用无流量变量公式对所述测量值数列进行数据拟合，计算得到二氧化碳通量。相较于现有技术，本发明提供的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统，相比于传统的动态箱法，去掉了流量计设备，在计算中同样使用无流量变量公式，保证测量精度不变基础上，设备更加简单，成本更低，是本领域的极大进步。

Description

无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳测量技术，特别是无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统。
背景技术
大气环境中二氧化碳部分来自土壤中有机物腐烂分解后从土壤表面的析出。动态密闭箱法二氧化碳通量测量是利用外置泵或二氧化碳测量仪的内置泵将外界空气主动引入动态密闭箱，地表析出的二氧化碳与空气混合后，送入二氧化碳测量仪，测量从动态密闭箱引出的空气中二氧化碳的浓度。动态密闭箱法比较客观真实，是目前认为比较理想的一种测量二氧化碳通量的方法，传统的动态密闭箱法都需要一个流量计测量泵的流率，而高精度电子流量计比较昂贵，总的设备主要靠国外进口，一般的科研单位难以承受，需要研发一种设备简单，造价不高，且能够高精度计算二氧化碳通量的方法。
申请号为200610169662.7的专利文献中公开了一中土壤二氧化碳通量原位测定方法，但是静态箱法的一种使用，没有解决动态箱法的需要设备昂贵的根本性问题。
多年来，对于二氧化碳通量的测算一直都是要么购买昂贵的计量设备，要么就要使用诸如上述专利文献中的规避动态箱法的测量方法，造成结果不够客观，也很难把握计算的精度。因此本领域存在极大不足，尤其是对检测设备精简，算法改良方面，亟需发明人进行研发与创新。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统，不用考虑泵的流率这个参数，通过对现有的计算方法进行修正，能够快速通过简单的计算方法得到的较准确的二氧化碳通量。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，包括步骤：
S1、确定待测区域，将密闭箱扣在待测区域上；
S2、将外界空气通过碱性溶液后，输入所述密闭箱中，混合均匀；
S3、将密闭箱中的气体输入到二氧化碳测量仪中进行测量，并生成测量值数列；
S4、使用无流量变量公式对所述测量值数列进行数据拟合，计算得到二氧化碳通量。
优选的所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，所述步骤S2具体为：
泵抽入外界空气通过所述碱性溶液进入密闭箱，再送入所述二氧化碳测量仪中，使得所述二氧化碳测量仪内部的二氧化碳浓度与所述密闭箱内的二氧化碳浓度平衡。
优选的所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，所述无流量变量公式为：
Figure GDA0003139874880000021
其中，J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；t为集二氧化碳的时间；
利用式(3)对所述测量值数列中的所有测量值数据进行数据拟合，得到二氧化碳通量J和比例常数K。
优选的所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，所述无流量变量公式的推导过程为：
由于泵的流率较大，二氧化碳测量仪内的二氧化碳浓度与密闭箱内的二氧化碳浓度相等，外界环境空气中的二氧化碳进入密闭箱前被碱溶液去除二氧化碳；
密闭箱内二氧化碳浓度CV(t)变化为：
Figure GDA0003139874880000022
J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；L为泵的流率；λeff为有效泄漏常数，包括密闭箱内二氧化碳的泄漏系数λleak和反扩散系数λb；t为集二氧化碳的时间。
K为比例常数：
Figure GDA0003139874880000031
初始值CV(0)为环境中的二氧化碳浓度，利用二氧化碳测量仪测量得到，式(1)解为式(3)。
优选的所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，所述步骤S3具体为：
S31、所述二氧化碳测量仪测量并输出二氧化碳浓度的测量值；
S32、按照时间顺序，生成测量值数列，判断所述测量值数列中的测量值是否趋于恒定值，若是，则执行步骤S4；若否，则预定时间后执行步骤S31。
一种用于所述方法的测算二氧化碳通量装置，包括装有碱性溶液的瓶、密闭箱、泵、二氧化碳测量仪，所述瓶出气口与所述密闭箱的进气口连接，所述密闭箱的出气口通过所述泵与所述二氧化碳测量仪的进气口连接。
优选的所述的测算二氧化碳通量装置，所述密闭箱为一端开口的密封容器。
一种测算二氧化碳通量系统，包括：测量模块、计算模块；
所述测量模块，包括所述的测算装置，用于测量二氧化碳浓度，生成并输出所述测量值数列；
所述计算模块，用于对所述测量值数列进行数据拟合，得到二氧化碳通量和比例常数。
优选的所述的测算二氧化碳通量系统，所述测量模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述测量值数列是否收敛。
相较于现有技术，本发明提供的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法及装置和系统，相比于传统的动态箱法，去掉了流量计设备，在计算中同样使用无流量变量公式，保证测量精度不变基础上，设备更加简单，成本更低，是本领域的极大进步。
附图说明
图1是本发明提供的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法流程图；
图2是本发明提供的实施例2的设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请一并参阅图1，本发明提供无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，包括步骤：
S1、确定待测区域，将密闭箱扣在待测区域上；并在所述密闭箱与待测区域连接的位置进行密封处理；
S2、将外界空气通过碱性溶液后，输入所述密闭箱中，混合均匀；
S3、将密闭箱中的气体输入到二氧化碳测量仪中进行测量，并生成测量值数列；
S4、使用无流量变量公式对所述测量值数列进行数据拟合，计算得到二氧化碳通量。
具体的，传统的动态箱法测量方法中，考虑到所述外界空气与所述密闭箱中的气体的混合，需要控制并读取所述外界空气进入密闭箱的速率，同时相应的计算公式要用速率值进行计算。本发明提供的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，不考虑所述外界空气进入所述密闭箱的速率，只要使用所述二氧化碳测量仪中进行多次测量，生成所述测量值数列，并记录每次测量的时间点，将所述测量值数列使用无流量变量公式进行计算，就可以精准的将待测区域的二氧化碳通量计算得到，精简了流量计这一设备，设备更加简单，无流量变量公式没有流量值变量的参与，计算更加简单。
作为优选方案，本实施例中，泵将外界的空气抽入密闭箱，再送入所述二氧化碳测量仪中，使得所述二氧化碳测量仪内部的二氧化碳浓度与所述密闭箱内的二氧化碳浓度平衡。
作为优选方案，本实施例中，所述无流量变量公式为：
Figure GDA0003139874880000051
其中，J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；t为集二氧化碳的时间；
利用式(3)对所述测量值数列中的所有测量值数据进行数据拟合，得到二氧化碳通量J和比例常数K。
所述无流量变量公式的推导过程为：
由于泵的流率较大，二氧化碳测量仪内的二氧化碳浓度与密闭箱内的二氧化碳浓度相等，外界环境空气中的二氧化碳进入密闭箱前被碱溶液去除二氧化碳；
密闭箱内二氧化碳浓度CV(t)变化为：
Figure GDA0003139874880000052
J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；L为泵的流率；λeff为有效泄漏常数，包括密闭箱内二氧化碳的泄漏系数λleak和反扩散系数λb；t为集二氧化碳的时间。
K为比例常数：
Figure GDA0003139874880000053
初始值CV(0)为环境中的二氧化碳浓度，利用二氧化碳测量仪测量得到，式(1)解为式(3)。
具体的，所述式(3)是将式(1)和式(2)进行求解后的结果，K作为比例常数出现。所述测量值数列在取得后，使用所述式(3)进行数据拟合，完成之后即可得到所述二氧化碳通量J的最终计算值和比例常数K的最终值，理论上，只要取得多组数据就可以进行数据拟合计算，数据越多计算的精度越精准。应当说明的是，本算法最终按照测量数据进行数据拟合，在所述比例常数K未知的情况下，进行计算，则可以直接通过数据拟合的方式计算出所述二氧化碳通量J和比例常数K。计算简单，设备需求低。
数据拟合：又称曲线拟合，是一种把现有数据透过数学方法来代入一条数式的表示方式。
作为优选方案，本实施例中，所述步骤S3具体为：
S31、所述二氧化碳测量仪测量并输出二氧化碳浓度的测量值；
S32、按照时间顺序，生成测量值数列，判断所述测量值数列中的测量值是否趋于恒定值，若是，则执行步骤S4；若否，则预定时间后执行步骤S31。
具体的，为了获得最高精准的计算值，所述测量值数列中的测量值趋于恒定值的情况下是计算精度的情况。此时，每执行一次步骤S31，即为几个周期。
实施例2
请一并参阅图2，本发明还提供一种测算二氧化碳通量装置，包括装有碱性溶液的瓶1、密闭箱2、泵3、二氧化碳测量仪4，所述瓶1出气口与所述密闭箱的进气口连接，所述密闭箱的出气口通过所述泵与所述二氧化碳测量仪的进气口连接。
具体的，所述瓶1内装有碱性溶液，具有进气孔和出气孔，除进气孔与出气孔外，其余部分密封；所述外界空气通过所述瓶内的碱性溶液后进入所述密闭箱，进入所述密闭箱中的外界空气都经过所述碱性溶液。
作为优选方案，本实施例中，所述密闭箱为一端开口的密封容器。所述密闭箱除所述开口以及所述进气口与所述出气口外，其余部分密封。
实施例3
本发明还提供一种测算二氧化碳通量系统(未示图)，包括：测量模块、计算模块；
所述测量模块，包括所述的测算装置，用于测量二氧化碳浓度，生成并输出所述测量值数列；
所述计算模块，用于对所述测量值数列进行数据拟合，得到二氧化碳通量和比例常数。
作为优选方案，本实施例中，所述测量模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述测量值数列是否收敛。具体的，所述收敛为所述趋于恒定值。
本实施例中，使用所述测量模块通过所述测量二氧化碳通量的方法中的步骤S1-步骤S2进行测量二氧化碳的浓度，然后生成所述测量值数列，并将所述测量值数列输入到所述计算模块中，所述计算模块利用所述无流量变量公式进行数据拟合，就可以得到所述二氧化碳通量和比例常数，而所述二氧化碳通量为所需数据。利用本系统，则去除了流量计设备，成本极大节约，并利用所述无流量变量公式进行计算，此公式是经过大量的创造性劳动获得，为本领域极大进步。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、确定待测区域，将密闭箱扣在待测区域上；
S2、将外界空气通过碱性溶液后，输入所述密闭箱中，混合均匀；
S3、将密闭箱中的气体输入到二氧化碳测量仪中进行测量，并生成测量值数列；
S4、使用无流量变量公式对所述测量值数列进行数据拟合，所述无流量变量公式为：
Figure FDA0003172712570000011
其中，J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；t为集二氧化碳的时间；CV(t)为密闭箱内二氧化碳浓度；CV(0)为环境中的初始二氧化碳浓度；
利用式(3)对所述测量值数列中的所有测量值数据进行数据拟合，得到二氧化碳通量J和比例常数K。
2.根据权利要求1所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
泵抽入外界空气通过所述碱性溶液进入密闭箱，再送入所述二氧化碳测量仪中，使得所述二氧化碳测量仪内部的二氧化碳浓度与所述密闭箱内的二氧化碳浓度平衡。
3.根据权利要求1所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，其特征在于，所述无流量变量公式的推导过程为：
由于泵的流率较大，二氧化碳测量仪内的二氧化碳浓度与密闭箱内的二氧化碳浓度相等，外界环境空气中的二氧化碳进入密闭箱前被碱溶液去除二氧化碳；
密闭箱内二氧化碳浓度CV(t)变化为：
Figure FDA0003172712570000012
J为被测介质表面二氧化碳通量；S为密闭箱的底面积；V为集密闭箱体积；L为泵的流率；λeff为有效泄漏常数，包括密闭箱内二氧化碳的泄漏系数λleak和反扩散系数λb；t为集二氧化碳的时间；
K为比例常数：
Figure FDA0003172712570000021
初始值CV(0)为环境中的二氧化碳浓度，利用二氧化碳测量仪测量得到，式(1)解为式(3)。
4.根据权利要求1所述的无流量计动态箱法测量二氧化碳通量方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31、所述二氧化碳测量仪测量并输出二氧化碳浓度的测量值；
S32、按照时间顺序，生成测量值数列，判断所述测量值数列中的测量值是否趋于恒定值，若是，则执行步骤S4；若否，则预定时间后执行步骤S31。
5.一种用于权利要求1-4任一所述方法的测算二氧化碳通量装置，其特征在于，包括装有碱性溶液的瓶、密闭箱、泵、二氧化碳测量仪，所述瓶出气口与所述密闭箱的进气口连接，所述密闭箱的出气口通过所述泵与所述二氧化碳测量仪的进气口连接。
6.根据权利要求5所述的测算二氧化碳通量装置，其特征在于，所述密闭箱为一端开口的密封容器。
7.一种测算二氧化碳通量系统，其特征在于，包括：测量模块、计算模块；
所述测量模块，包括权利要求5所述的测算二氧化碳通量装置，用于测量二氧化碳浓度，生成并输出所述测量值数列；
所述计算模块，用于对所述测量值数列进行数据拟合，得到二氧化碳通量和比例常数。
8.根据权利要求7所述的测算二氧化碳通量系统，其特征在于，所述测量模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述测量值数列是否收敛。
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