CN110824140B

CN110824140B - 土壤碳通量测量装置

Info

Publication number: CN110824140B
Application number: CN201911008193.4A
Authority: CN
Inventors: 周国模; 曾松伟; 吴晓平; 莫路锋; 周宇峰
Original assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN110824140A

Abstract

一种土壤碳通量测量装置，包括贮气筒（7）、基座（2）、机架（4）、活动式贮气筒盖（12）、筒盖升降装置（13）、筒盖平移装置（15）、传感器、显示器和系统控制微机，其贮气筒由上部的固定式筒体（16）、下部的活动式筒体（17）和套在两筒体外的薄型弹性套（24）组合而成，下部活动式筒体由多片纵向呈圆周排列的弧形面滑片合围而成，每片能随样地表面的凹凸不平作上下伸缩调整。本装置专用于测定土壤碳通量，具有对待测样地表面情况的适应性强、封闭性好、搜集和抽取到的样气的代表性强，更符合设计要求，误差小等优点。本装置的平移或上下升降的动力传动均在二维条件中进行，定位准确、合缝性好、不易故障和损坏。

Description

土壤碳通量测量装置

技术领域

本发明涉及一种土壤碳通量测量装置，具体是一种一定面积内的土壤及其植物根部、微生物、蚯蚓等动物吐纳CO₂所反映出的碳通量测量装置。

背景技术

碳通量是碳循环研究中一个最基本的概念，它表示生态系统通过某一生态断面的碳元素的总量。土壤碳通量能很好地反映土壤呼吸及其相关参数，对于研究陆地生态系统碳循环有重要作用，因此需要对土壤碳通量作长时间、连续、精准的测量，需对一个难以做到密闭要求的环境中，尽量创造封闭的条件，以减小测量误差，从而对测量装置提出了很高的要求。现有一些相关的土壤碳通量测量装置，不甚注重尽量密闭的问题，抽取的测量用气体误差较大。

如：CN209132271U、CN209132270U、CN209132272U、CN209132273U公开了一种碳通量监测装置及其关键部件的专利技术，该装置有基座、安装平板和支撑板，安装平板上开有监测孔，孔周有密封环，两种罩体通过铰接件、电机、驱动臂、弯折臂直臂、弹性直臂、前叉臂、后叉臂等多环节的传动，分别罩扣在监测孔周围的密封环上。罩体离待测地面有一定高度，罩体内的气室与其外的大气是十分通畅的，大风天气尤其突出，抽取样气的代表性差、误差极大，密封圈形同虚设。该装置两罩体交换应用的传动机构环节过多，且是三维移动，易损坏，扣合难以合缝、密闭易落空。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种贮气筒下口与待测地面接触的、不甚平整的地面也适用的、封闭性好、气样较能代表实际情况的、启闭盖体的传动平稳、动力消耗少、平移和升降装置按两维概念设计、合缝较好、不易损坏的一种土壤碳通量测量装置。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

本土壤碳通量测量装置，包括基座、安装在基座上的机架、贮气筒、贮气筒上口带密封圈的可移动式筒盖、筒盖上开有抽气管插孔、筒盖有配套的升降机构和平移机构、传感器、显示窗和系统控制微机，所述的贮气筒由上部的固定式筒体、下部的活动式筒体以及套在上下两筒体外的薄型弹性套组合而成；固定式筒体内壁上有多个呈圆周排列用于作定向滑道的纵向键槽形孔和凸轴，所述的活动式筒体是由与纵向键槽形孔等数量的多片纵向呈圆周排列的弧形面滑片合围而成，固定式筒体壁和活动式筒体的弧形面滑片为有一定厚度的刚性片，每片弧形面滑片上部有一个滑键，滑键上开有用于定位弧形面滑片和弹性绳的环形槽，滑键插入纵向键槽形孔内后在两个环形槽上安装有两个卡环以夹住弧形面滑片和弹性绳，组成弧形面滑片的上下滑动和导向部件；每两个纵向键槽形孔之间的下方安装有一个缠绕弹性绳用的凸轴，弹性绳呈波浪形走向一一间隔逐一缠绕在滑键和凸轴上；基座下方有三只支撑脚，其中一只为高度可调式支撑脚，该支撑脚触地端可调换成锥形或多针形；贮气筒盖中心部安装有升降调节螺杆和配套的固定式螺母及伺服电机壹，组成贮气筒盖升降机构，筒盖的侧旁另有一个平移机构的伺服电机壹，并配有滑道、滑板、动力传动机构、限位器，它们共同组成贮气筒盖平移机构，基座上开有安装贮气筒体的定位孔；限位器有上限位器、下限位器、左限位器和右限位器；传感器逐个串接在抽气管道上，传感器有按需选装的CO₂传感器、气体压力传感器、气体流量传感器、温度传感器和湿度传感器。

整个装置外部配有活动式外罩，外罩上有显示窗和控制按钮。

所述的上部固定式贮气筒体与下部活动式筒体两者在整个贮气筒体的中部互相贴合，贴合部为环形带状区，其宽度为弧形面滑片长度的2/3-3/4；滑键与纵向键槽形孔的配合是带有滑键的弧形面滑片的内壁紧贴开有纵向键槽形孔的固定式筒体外壁，每个滑键插入对应的每个纵向键槽形孔内。

所述弧形面滑片下缘触地边呈平直边或锯齿边，下缘触地边的长度大于1cm的为锯齿边，小于1cm的为平直边。

所述的刚性的固定式筒体和弧形面滑片的厚度，竹木或硬塑材料制作的为2-4mm，金属质的为1-2mm。

本发明的有益效果是注重于多环节的封闭性，使获取的气样尽量客观地符合实际要求，代表性强、误差小、正确度高，活动式贮气筒的弧形面滑片均由弹性绳自行根据样地地面的平整度，是否触碰到粗砂粒、小石块、树叶与小柴棍的情况，作上下伸缩或由下缘的锯齿边作微小挤压而避开，余下的少许缝隙由最外层的弹性套围堵封闭，对不同状态的地面适应性强；传动机构二维设计，运动精度高、合缝性好、动能消耗少、运动空间小，不易受周围植物阻挡，且不易故障和损坏。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体示意图。

图2是本发明去外罩后显示的立体结构示意图。

图3是本发明的高低可调式支撑脚结构简图。

图4是本发明的贮气筒非工作状态下的结构轴侧图。

图5是本发明的贮气筒工作状态下的结构轴侧图。

图6是本发明的上部固定式贮气筒筒体结构轴侧图。

图7是本发明的弧形面滑片结构示意图（放大）。

具体实施方式

本发明下面参照附图并用实施例作进一步说明。

如图1-7所示，本土壤碳通量测量装置，包括基座2、安装在基座上的机架4、贮气筒7、贮气筒上口带密封圈的可移动式筒盖12、筒盖上开有抽气管插孔、筒盖有配套的升降机构13和平移机构15、传感器、显示窗和系统控制微机，所述的贮气筒7由上部的固定式筒体16、下部的活动式筒体17以及套在上下两筒体外的薄型弹性套24组合而成；固定式筒体内壁上有多个呈圆周排列用于作定向滑道的纵向键槽形孔20和凸轴23，所述的活动式筒体是由与纵向键槽形孔等数量的多片纵向呈圆周排列的弧形面滑片25合围而成，固定式筒体壁和活动式筒体的弧形面滑片为有一定厚度的刚性片，每片弧形面滑片上部有一个滑键21，滑键上开有用于定位弧形面滑片25和弹性绳22的环形槽27，滑键插入纵向键槽形孔内后在两个环形槽上安装两个卡环夹住弧形面滑片和弹性绳，组成弧形面滑片的上下滑动和导向部件；每两个纵向键槽形孔20之间的下方安装有一个缠绕弹性绳用的凸轴23，弹性绳呈波浪形走向一一间隔逐一缠绕在滑键21和凸轴23上；基座下方有三只支撑脚，其中一只为高度可调式支撑脚1，该支撑脚触地端可调换成锥形19或多针形18；所述筒盖12中心部安装有升降调节螺杆和配套的固定式螺母及伺服电机壹14-1，所述升降调节螺杆、配套的固定式螺母及伺服电机壹14-1共同组成升降机构13，所述筒盖12的侧旁另有一个伺服电机贰14-2，所述伺服电机贰14-2并配有滑道10、滑板11、动力传动机构、限位器3共同组成平移机构15；基座2上开有安装贮气筒7的定位孔；限位器有上限位器、下限位器、左限位器和右限位器；传感器逐个串接在抽气管道上，传感器有按需选装的CO₂传感器、气体压力传感器、气体流量传感器、温度传感器和湿度传感器。

整个装置外部配有活动式外罩5，外罩上有显示窗8和控制按钮9。

所述上部的固定式筒体16与下部的活动式筒体17两者在整个贮气筒7的中部互相贴合，贴合部呈环形带状区，其宽度为弧形面滑片25长度的2/3-3/4；滑键与纵向键槽形孔的配合是带有滑键的弧形面滑片25的内壁紧贴开有纵向键槽形孔20的固定式筒体外壁，每个滑键21插入对应的每个纵向键槽形孔20内。

所述弧形面滑片25下缘触地边呈平直边或锯齿边26，下缘触地边的长度大于1cm的

为锯齿边，小于1cm的为平直边。

所述上部的固定式筒体16和弧形面滑片25的厚度，竹木或硬塑材料制作的为2-4mm，金属质的为1-2mm。

本土壤碳通量测量装置工作时，先按附图所示将贮气筒部件组装成一个完整的装置，再根据土壤CO₂测量样地所处位置的情况，采用人工将装置安放在所选定的位置上，调整其支撑脚到高位，压紧贮气筒，然后调节定位脚，直到每只脚都与土壤表面良好接触且力求不影响样地原有状态，使待测地面与贮气筒中心垂直，整个装置达到稳定状态，再把原卷成圆环形的弹性套24往下展开，套于全部活动式筒体外，且遮住该筒体与地面之间接触的缝隙。启动电源，根据程序对筒盖12进行横向平移，由两侧的限位器3控制移动到合理位置，然后再对筒盖进行向下移动，达到下限位器控制的贮气筒上缘密封位置时停止，然后启动抽气泵，从贮气筒7内抽气，根据流量大小，达到规定时间后完成第1次取样，启动筒盖升降电机14，提起筒盖，至上限位器3，然后启动横向移动电机14，到右限位器3，停顿一定时间使换气结束后再按上述步骤进行第2、第3…取样，直到完成该测量点的所有取样。在微机的指令下，传感器测得的CO₂含量等数字通过显示窗8显示。

贮气筒7的活动式筒体17中的每一片弧形面滑片25，只要在其下缘触地时触碰到柴棍、砂粒、石子甚至岩块时，在纵向键槽形孔20、滑键21、弹性绳22的共同作用下，作上下滑动。若砂粒小，柴棍细，则锯齿形的下缘边便可自动避开；若遇到凸包或凹坑，则准对凸包或凹坑上的弧形面滑片会集体上提或下压，封闭性较好。薄型弹性套24之所以要求薄型，主要是为控制该套套在贮气筒7外时内收弹力的大小，内收弹力将弧形面滑片25包得过紧，造成弹性绳22的牵拉力拉不动或难以使弧形面滑片复位。筒盖12的升降机构13与平移机构15，是公知的常用部件，不细述；传感器与限位器的安装是常识，电路分布的模块化布局在前述对比文件中公开，属现有技术。本发明的主要技术贡献在于贮气筒的设计。

固定式筒体16和活动式筒体17的弧形面滑片25要求刚性材料制作且有一定厚度，除牢固耐用需要外，主要是考虑当贮气筒外的弹性套向下展开套在下部活动式筒体时，刚性、一定厚度和有一条宽度占为弧形面滑片25长度2/3-3/4的贴合部，能确保活动式筒体呈规整的圆筒形。贴合区域呈一个环状的带形区域。本发明注重贮气筒的多环节的密封，包括筒盖底面的密封圈对筒体上口的密封、弹性外套对纵向键槽形孔、弧形面滑片与弧形面滑片之间的接触缝隙、活动式筒体与地面之间的触地缝隙的密封，一句话：全部缝隙都被封住，只留下无法也不能密封的土壤海绵状结构本身的毛细孔。设置可上下滑动的弧形面滑片，目的是当触地缝中触碰大小不等的石块时，都能稳妥地放置装置，都能将筒体调整至中心轴与地面垂直，这是现有技术未曾公开过的。

Claims

1.一种土壤碳通量测量装置，包括基座（2）、安装在基座上的机架（4）、贮气筒（7）、贮气筒上口带密封圈的可移动式筒盖（12）、筒盖上开有抽气管插孔、筒盖有配套的升降机构（13）和平移机构（15），本装置还有传感器、显示窗（8）和系统控制微机，其特征是所述的贮气筒（7）由上部的固定式筒体（16）、下部的活动式筒体（17）以及套在上下两筒体外的薄型弹性套（24）组合而成；固定式筒体内壁上有多个呈圆周排列用于作定向滑道的纵向键槽形孔（20）和凸轴（23），所述的活动式筒体是由与纵向键槽形孔等数量的多片纵向呈圆周排列的弧形面滑片（25）合围而成，固定式筒体壁和活动式筒体的弧形面滑片为有一定厚度的刚性片，每片弧形面滑片上部有一个滑键（21），滑键上开有用于定位弧形面滑片（25）和弹性绳(22)的环形槽（27），滑键插入纵向键槽形孔内后在两个环形槽上安装两个卡环夹住弧形面滑片和弹性绳，组成弧形面滑片的上下滑动和导向部件；每两个纵向键槽形孔（20）之间的下方安装有一个缠绕弹性绳（22）用的凸轴（23），弹性绳呈波浪形走向一一间隔逐一缠绕在滑键（21）和凸轴（23）上；基座下方有三只支撑脚，其中一只为高度可调式支撑脚（1），该支撑脚触地端可调换成锥形（19）或多针形（18）；所述筒盖（12）中心部安装有升降调节螺杆和配套的固定式螺母及伺服电机壹（14-1），所述升降调节螺杆、配套的固定式螺母及伺服电机壹（14-1）共同组成升降机构（13），所述筒盖（12）的侧旁另有一个伺服电机贰（14-2），所述伺服电机贰（14-2）并配有滑道（10）、滑板（11）、动力传动机构、限位器（3）共同组成平移机构（15）；基座（2）上开有安装贮气筒（7）的定位孔；限位器有上限位器、下限位器、左限位器和右限位器；传感器逐个串接在抽气管道上，传感器有按需选装的CO₂传感器、气体压力传感器、气体流量传感器、温度传感器和湿度传感器。

2.如权利要求1所述的土壤碳通量测量装置，其特征是整个装置外部配有活动式外罩（5），外罩上有显示窗（8）和控制按钮（9）。

3.如权利要求1所述的土壤碳通量测量装置，其特征是所述上部的固定式筒体（16）与下部的活动式筒体（17）两者在整个贮气筒（7）的中部互相贴合，贴合部为环形带状区，其宽度为弧形面滑片（25）长度的2/3-3/4；滑键与纵向键槽形孔的配合是带有滑键的弧形面滑片（25）的内壁紧贴开有纵向键槽形孔（20）的固定式筒体外壁，每个滑键（21）插入对应的每个纵向键槽形孔（20）内。

4.如权利要求1所述的土壤碳通量测量装置，其特征是所述弧形面滑片（25）下缘触地边呈平直边或锯齿边（26），下缘触地边的长度大于1cm的为锯齿边，小于1cm的为平直边。

5.如权利要求1所述的土壤碳通量测量装置，其特征是所述上部的固定式筒体（16）和弧形面滑片（25）的厚度，竹木或硬塑材料制作的为2-4mm，金属质的为1-2mm。