CN110839446B - 一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，所述实验舱系统由多个实验舱构成，用于设置不同的温度、湿度、气压及不同的参数变化序列方案，所述实验舱包括实验舱基础结构和实验舱设备系统，所述实验舱基础结构由从内到外依次设置的隔热内壁、铅镉铜复合板、钢板、钢架和隔热外墙构成，所述实验舱设备系统包括气压控制系统、温湿控制系统、排水排气系统、三控数据采集系统和综合调控系统，可以在实验室环境中稳定营造地下0‑2km深度的高压环境，同时在气压控制的条件下精准协同调控温度和湿度，从而进行农业环境参数的耦合控制，并隔绝宇宙射线、氡、天然γ射线及建筑材料中核素产生的辐射，营造接近真实的深地农业环境。

Description

一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统
技术领域
本发明涉及农业环境技术领域，具体为一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统。
背景技术
地表水土等资源的过度开发和环境恶化给人类发展带来前所未有的挑战，地下空间资源的开发与利用已成为人类关注的重要内容。当前，国内外对地下农业的研究基本还停留在以J.R.Smith提出的垂直空间农业、Svalbard Global SeedVault种子库(单纯种子封存，保证多样性)、废弃矿井试种(前苏联，寒冷环境制约下的稳产与高产)、地下车库或浅层防空洞试种(英国、日本、美国)等方面，但这些地下种植模式大多只是一种概念性的尝试，缺少从水、温、光照、气压控制到地下空间生态系统的系统性研究。目前该领域的研究需要围绕如何利用地下环境提升地面农业产量及品质，如何利用地下空间种植作物，如何实现地下地面农业生态系统联合调控等关键科学及技术问题展开研究。
但是目前尚缺少模拟深地农业环境的封闭实验系统，常规的环境实验室难以营造苛刻的水分、温度、光照、气压等参数条件，无法对诸多系统环境参数进行联合调控，难以针对深地相对封闭或狭小空间环境中对水、碳、氮、磷等物质循环与能量传递机制进行表征。同时，深地环境与地面环境所受的辐射条件也不同，它隔绝了大部分宇宙射线及建筑材料中核素产生的辐射，而现有农业环境实验室少有隔绝辐射的措施。
因此，从常规的环境参数控制到气压调控和辐射隔绝，十分需要一套完整的实验舱系统对深地农业环境进行模拟。本发明为一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，其存在的技术难点主要有两个方面。
(一)高压舱室的结构稳定问题。空气压强是影响植物生长的关键要素，为了模拟地球深部的高大气压环境，需要通过技术手段增加试验舱室内的空气压强。根据理论计算和实际测量，深度每下降100m，压强增加约1.26kPa，目前国内具有的深地实验室垂直深度超过1km，则模拟实验舱墙面所承受的推力达到1.3t/m2以上。因此，为了使地面建立的模拟舱能有效模拟深部高压环境，需要对实验舱体结构进行考究，一方面在运行过程中防止舱体倾覆、破裂、爆炸，另一方面使舱体结构能兼容多种控制设备精准协同运转，共同完成高压环境的农业环境模拟。
(二)高压舱室的气体循环与湿度、温度的耦合控制问题。舱室内部的空气压强来源于风压机增压，在压强调控过程中涉及剧烈的气体交换，将造成舱室内部的湿度和温度条件改变。同理，在条件湿度和温度的过程中也将影响气体压强，气体状态的控制十分困难。因此，需要对高压舱室的气体循环、湿度、温度进行耦合控制，营造稳定的参数环境。
目前封闭的实验舱系统主要涉及温度和湿度控制，不涉及包括气压控制在内的多参数联合控制。例如ZL208721651U为一种恒温恒湿气态污染物检测实验舱，涉及室内环境检测技术领域领域，仅通过湿度调节装置、温度调节装置、温湿度检测装置来控制温度和湿度，不具备气压控制的功能。而对于动植物实验需要的ZL209203616U，是一种动物实验舱及其系统，主要模拟不同压强和不同氧气浓度的实验环境，主体结构为有机玻璃，气压调控仅限于小范围的波动，无法承受深地环境所具有的高压。ZL109876873A为一种动压变温实验舱，主要是模拟高空环境的实验舱结构，主要目的是模拟飞机在高空出现事故时的温度和压强下降的过程，模拟历时短暂，不具有增压、增湿、增温的功能，无法满足农业科学研究需要。
现有的实验室难以有效模拟深地农业环境，无法为深地资源开发利用提供科研条件。因此，本发明涉及一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，可以在实验室环境中稳定营造地下0-2km深度的高压环境，同时在气压控制的条件下精准协同调控温度和湿度，从而进行农业环境参数的耦合控制，并隔绝宇宙射线、氡、天然γ射线及建筑材料中核素产生的辐射，营造接近真实的深地农业环境，为地球深部资源开发利用研究提供科研平台。
基于此，本发明设计了一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，所述实验舱系统由多个实验舱构成，用于设置不同的温度、湿度、气压及不同的参数变化序列方案，所述实验舱包括实验舱基础结构和实验舱设备系统，所述实验舱基础结构由从内到外依次设置的隔热内壁、铅镉铜复合板、钢板、钢架和隔热外墙构成，所述实验舱设备系统包括气压控制系统、温湿控制系统、排水排气系统、三控数据采集系统和综合调控系统；
实验舱的综合调控系统为PLC控制器和电脑所包含的硬件和软件组成，PLC控制器和电脑分别连接气压控制系统、温湿控制系统、排水排气系统、三控数据采集系统，PLC控制器101与电脑102相连，用GTU数据传送模块进行数据传输，通过操作系统对实验舱进行整体控制。
优选的，所述实验舱整体通过钢架下部的化学螺栓与地面相结合，当相邻两个所述实验舱的设计压强差为0-2×104Pa时，所述化学螺栓采用的规格为M10-M24，数量为2-15/m，在相邻两个所述实验舱舱室设计为相对高压和高温舱室时，所述化学螺栓数量增加1-3.5/m。
优选的，所述钢板焊接于铅镉铜复合板和钢架之间，所述钢板在每个实验舱舱室内使用的六个面，厚度均为4-10mm，与所述钢板的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊。
优选的，所述钢架有矩管和立柱焊接而成，矩管的规格为30×20×0.6-2.0mm至160×80×4.0-10.0mm，立柱规格为DN40-DN200热轧无缝钢管，矩管之间、矩管和立柱之间的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊。
优选的，所述钢板和钢架之间由焊接锚点进行约束，焊接锚点贯穿钢板和钢架，直径为1.5-3cm，数量为4-20/m2。
优选的，所述隔热内壁和隔热外墙构成所述实验舱内部的隔热层，隔热内壁和隔热外墙的主要材料为聚氨酯，表面为合成材料，内部具有龙骨支撑，隔热外墙的表面为凹凸形状，与钢架契合形成一体结构；所述铅镉铜复合板2的总厚度为80-150mm，其中铅板厚度为79-123mm，镉板厚度为0.2-12mm，铜板厚度为0.8-15mm。
优选的，所述实验舱的气压控制系统由高压风机、风机风温度计、风机风通量计和风管构成，风管与高压风机连接，风机风温度计和风机风通量计连接于风管和高压风机之间，所述风机风温度计和风机风通量计分别用于检测进风温度和进风通量。
优选的，所述实验舱的温湿控制系统由电极式加湿器、加湿器温度计、电热增温器、增温器温度计、特种高压空调、空调风通量计和空调风温度计构成，
电极式加湿器，用于增加实验舱内的湿度，加湿量为5-40kg/h；
电热增温器，用于微调实验舱内的温度，增温量通过综合调控系统控制，功率为1-8kW；
加湿器温度计，用于监测电极式加湿器运转时的实时温度；
增温器温度计，用于监测电热增温器运转时的实时温度；
特种高压空调，用于高效调节实验舱内部温度；
空调风通量计，用于监测特种高压空调的进风通量；
空调风温度计，用于监测空调进风温度。
优选的，所述实验舱的排水排气系统包括排水井、排水管、排水泵、排水阀、排气管和排气阀组成，所述排气管通过安装于排气管上的排气阀与实验舱相连接，所述排水阀、排水泵和排水井依次通过排水管相连接，所述排水井安装于实验舱的内部。
优选的，所述实验舱的三控数据采集系统包括室内温度传感器、室内湿度传感器和室内压强传感器，所述室内温度传感器、室内湿度传感器和室内压强传感器用于分别实时监控各个舱室内部的温度、湿度、压强数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.地下不同深度的空气压强模拟。可以通过舱内压强条件模拟地下0-2km深度的高压环境，空气压强调节响应时间不超过30分钟；空气压强在稳定运行过程中的波动不超过±2％RH。
2.地下农业环境参数联合调控。可以通过总控制系统实现内部“精准协同三控”，即控温、控湿、控压强，共同快速达到设定值，并在改变其中某个参数时不引起其他参数的大幅波动。
3.营造低辐射背景值环境。可以通过实验舱墙面对辐射的阻挡，在地面模拟深地环境的低辐射背景值条件，探究植物在深地环境中的生理生化特征。
4.可以兼顾多种植物的生长需求。一方面实验舱通过合理的结构设计，满足良好的力学性能，同时具有较大内部空间的，可满足小型模式植物如拟南芥(Arabidopsisthaliana(L.)Heynh.)到大型农作物如玉米(Zea mays L.)的生长；另一方面配置的总控系统可以对舱内不同植物生长所需的不同光量、水量、气量进行调节，并设置不同的参数变化序列方案，研究多种类型植物在多种环境因子变化规律下的生理生化特征。
5.有强大的自动化监控功能，具有良好的升级适配特性。本发明可根据需要研究的科学问题配置不同的设备，包括特殊气体输送与监控、特殊条件的水分循环、生物量估算设备等，将增加的特种设备整合进总控系统，形成全新的自动控制程序，满足多种研究目的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实验舱基础结构结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-隔热内壁；2-铅镉铜复合板；3-钢板；31-焊接锚点；4-钢架；41-矩管；42-立柱；43-化学螺栓；5-隔热外墙；6-气压控制系统；61-高压风机；62-风机风温度计；63-风机风通量计；64-风管；7-温湿控制系统；71-电极式加湿器；711-加湿器温度计；72-电热增温器；721-增温器温度计；73-特种高压空调；731-空调风通量计；732-空调风温度计；8-排水排气系统；81-排水井；82-排水管；83-排水泵；84-排水阀；85-排气管；86-排气阀；9-三控数据采集系统；91-室内温度传感器；92-室内湿度传感器；93-室内压强传感器；10-综合调控系统；101-PLC控制器；102-电脑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，实验舱系统由多个实验舱构成，用于设置不同的温度、湿度、气压及不同的参数变化序列方案，实验舱基础结构由隔热内壁1，铅-镉-铜复合板2，钢板3，钢架4，隔热外墙5构成。实验舱的设备系统包括气压控制系统6，温湿控制系统7，排水排气系统8，三控数据采集系统9，综合调控系统10。
实验舱整体通过钢架4下部的化学螺栓43与地面相结合。为了约束相邻实验舱的设计压强差和温度调节引起的形变和位移，需要使用相应数量和规格的化学螺栓43，以起到稳定舱室的作用。当相邻实验舱的设计压强差为0-2×104Pa时，化学螺栓43需要采用的规格为M10-M24，数量为2-15/m，在相邻舱室设计为相对高压和高温舱室时，该舱室钢架4底部的化学螺栓数量增加1-3.5/m。
实验舱内部的气密性通过钢板3之间的焊接来保证。钢板3在每个舱室内使用的6面，厚度为4-10mm，钢板3之间的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊。当舱室内部设计压强为1.01×105Pa-2.0×105Pa，温度设计值为5-40℃时，焊接电流保证为80-160A，氩气流量为8-10L/min，焊接层次1-4，焊缝宽度为6-13mm，同时避免气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，保障舱室的结构稳定性和气密性。
实验舱内部压强的主要承受结构为钢架4，由矩管41和立柱42焊接而成。当舱室内部设计压强为1.01×105Pa-2.0×105Pa，温度设计值为5-40℃时，矩管41的规格为30×20×0.6-2.0mm至160×80×4.0-10.0mm，立柱42规格为DN40-DN200热轧无缝钢管，矩管41之间、矩管41和立柱42之间的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊，焊接电流保证为80-160A，氩气流量为8-10L/min，焊接层次1-4，焊缝宽度为6-13mm，同时避免气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，保障钢架4结构的稳定性。
实验舱内部由于压强和温度改变对钢板3和钢架4之间引起的相对形变和位移由焊接锚点31进行约束。当舱室内部设计压强为1.01×105Pa-2.0×105Pa，温度设计值为5-40℃时，焊接锚点31贯穿钢板3和钢架4，直径为1.5-3cm，数量为4-20/m2。
实验舱内部温度需要稳定维持，隔热层包括隔热内壁1和隔热外墙5。隔热内壁1和隔热外墙5的主要材料为聚氨酯，表面为合成材料，内部具有龙骨支撑。隔热外墙5的表面为凹凸形状，与钢架4契合形成一体结构。
实验舱为模拟深地弱辐射条件，采用铅-镉-铜复合板2隔绝宇宙射线、氡、天然γ射线及建筑材料中核素产生的辐射。铅-镉-铜复合板2的总厚度为80-150mm，其中铅板厚度为79-123mm，镉板厚度为0.2-12mm，铜板厚度为0.8-15mm。
实验舱的气压控制系统6由高压风机61，风机风温度计62，风机风通量计63，风管64构成。当舱室内部设计压强为1.01×105Pa-2.0×105Pa，温度设计值为5-40℃时，高压风机61的风量为500-2000m3/h，机外静压为5-50kPa；使用风机风温度计62监测进风温度；使用风机风通量计63监测进风通量。
实验舱的温湿控制系统7由电极式加湿器71，加湿器温度计711，电热增温器72，增温器温度计721，特种高压空调73，空调风通量计731，空调风温度计732构成。电极式加湿器71用于增加实验舱内的湿度，加湿量为5-40kg/h；电热增温器72用于微调实验舱内的温度，增温量通过系统计算控制，以精确调整实验舱的温度，功率为1-8kW；加湿器温度计711用于监测电极式加湿器71运转时的实时温度；增温器温度计721用于监测电热增温器72运转时的实时温度；特种高压空调73用于高效调节实验舱内部温度，可在实验舱内部高压状态下运行，制冷量2-8kW，制热量3-10kW；空调风通量计731监测特种高压空调73的进风通量；空调风温度计732监测空调进风温度。
实验舱的排水排气系统8包括排水井81，排水管82，排水泵83，排水阀84，排气管85，排气阀86组成。排水井主要收集实验舱内的冷凝水等滞水，因为舱内需要维持高压环境，所以排水井需要一定的储水能力，以便在试验周期结束时排水，因此在舱内湿度控制范围为20％RH～99％RH时，排水井81的储水容量为2-80L。
实验舱的三控数据采集系统9包括室内温度传感器91，室内湿度传感器92，室内压强传感器93。三控数据采集系统9用于实时监控各个舱室内部的温度、湿度、压强数据。
实验舱的综合调控系统10为PLC控制器101和电脑102所包含的硬件和软件组成。PLC控制器101需要连接的数据采集器包括风机风温度计62，风机风通量计63，加湿器温度计711，增温器温度计721，空调风通量计731，空调风温度计732，室内温度传感器91，室内湿度传感器92，室内压强传感器93；PLC控制器22需要连接的控制单元包括高压风机61，电极式加湿器71，电热增温器72，特种高压空调73，排水泵83排水阀84，排气阀86。PLC控制器101与电脑102相连，用GTU数据传送模块等技术手段进行数据传输，通过操作系统对实验舱进行整体控制。
实验舱的内部温度控制通过室内温度传感器91获取数据，数据采样频率为0.1-10/s，将10-60s数据的平均值与设定值进行比较，如果T平均≤T下限，则特种高压空调73开始运作，如果T平均＞T上限，则特种高压空调73停止运作。
实验舱的内部湿度控制通过室内湿度传感器92获取数据，数据采样频率为0.1-10/s，将10-60s数据的平均值与设定值进行比较，如果RH平均≤RH下限，则电极式加湿器71开始运作，如果RH平均＞RH上限，则特种电极式加湿器71停止运作。
实验舱的内部压强控制通过室内压强传感器93获取数据，数据采样频率为0.1-10/s，将10-60s数据的平均值与设定值进行比较，如果P平均≤P下限，则高压风机61开始运作，如果P平均＞P上限，则高压风机61停止运作。
实验舱的内部温度、湿度、压强需要按设定序列值逐级变化，或精确地小幅调整多个参数时，需要启动实验舱精准协同调控机制。精准协同调控机制的启动条件为温度在10-120min内调整幅度为±2-5℃，或湿度在10-120min内调整幅度为±5-15％RH，压强在10-120min内调整幅度为±1-50kPa。
系统通过数据采集器获取实验舱内不同设备输入、输出及实验舱内部整体的气体状态数据，基于理想气体状态方程，综合计算高压风机61，电极式加湿器71，电热增温器72，特种高压空调73在单位时间额定功率状态下运行的热力学效应，通过电脑102中内置的基因优化算法获得合理的控制方案，由PLC控制器101对控制单元进行调控，以获得快速精确的参数调节效能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种用于模拟深地农业环境的封闭实验舱系统，其特征在于：所述实验舱系统由多个实验舱构成，用于设置不同的温度、湿度、气压及不同的参数变化序列方案，所述实验舱包括实验舱基础结构和实验舱设备系统，所述实验舱基础结构由从内到外依次设置的隔热内壁、铅镉铜复合板、钢板、钢架和隔热外墙构成，所述实验舱设备系统包括气压控制系统、温湿控制系统、排水排气系统、三控数据采集系统和综合调控系统；
实验舱的综合调控系统为PLC控制器和电脑所包含的硬件和软件，PLC控制器和电脑分别连接气压控制系统、温湿控制系统、排水排气系统、三控数据采集系统，PLC控制器与电脑相连，用GTU数据传送模块进行数据传输，通过操作系统对实验舱进行整体控制；
所述实验舱整体通过钢架下部的化学螺栓与地面相结合，当相邻两个所述实验舱的设计压强差为0-2×104 Pa时，所述化学螺栓采用的规格为M10-M24，数量为2-15 /m，在相邻两个所述实验舱舱室设计为相对高压和高温舱室时，所述化学螺栓数量增加1-3.5 /m；
所述钢板焊接于铅镉铜复合板和钢架之间，所述钢板在每个实验舱舱室内使用的六个面，厚度均为4-10mm，与所述钢板的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊；
所述钢架由矩管和立柱焊接而成，矩管的规格为30×20×0.6-2.0 mm至160×80×4.0-10.0 mm，立柱规格为DN40-DN200热轧无缝钢管，矩管之间、矩管和立柱之间的结合处采用氩弧焊打底，电焊满焊；
述钢板和钢架之间由焊接锚点进行约束，焊接锚点贯穿钢板和钢架，直径为1.5-3 cm，数量为4-20 /m2；所述隔热内壁和隔热外墙构成所述实验舱内部的隔热层，隔热内壁和隔热外墙的主要材料为聚氨酯，表面为合成材料，内部具有龙骨支撑，隔热外墙的表面为凹凸形状，与钢架契合形成一体结构；所述铅镉铜复合板的总厚度为80-150 mm，其中铅板厚度为79-123 mm，镉板厚度为0.2-12 mm，铜板厚度为0.8-15 mm；
所述实验舱的气压控制系统由高压风机、风机风温度计、风机风通量计和风管构成，风管与高压风机连接，风机风温度计和风机风通量计连接于风管和高压风机之间，所述风机风温度计和风机风通量计分别用于检测进风温度和进风通量；所述实验舱的温湿控制系统由电极式加湿器、加湿器温度计、电热增温器、增温器温度计、特种高压空调、空调风通量计和空调风温度计构成，
电极式加湿器，用于增加实验舱内的湿度，加湿量为5-40 kg/h；
电热增温器，用于微调实验舱内的温度，增温量通过综合调控系统控制，功率为1-8kW；
加湿器温度计，用于监测电极式加湿器运转时的实时温度；
增温器温度计，用于监测电热增温器运转时的实时温度；
特种高压空调，用于高效调节实验舱内部温度；
空调风通量计，用于监测特种高压空调的进风通量；
空调风温度计，用于监测空调进风温度；
所述实验舱的排水排气系统包括排水井、排水管、排水泵、排水阀、排气管和排气阀组成，所述排气管通过安装于排气管上的排气阀与实验舱相连接，所述排水阀、排水泵和排水井依次通过排水管相连接，所述排水井安装于实验舱的内部；
所述实验舱的三控数据采集系统包括室内温度传感器、室内湿度传感器和室内压强传感器，所述室内温度传感器、室内湿度传感器和室内压强传感器用于分别实时监控各个舱室内部的温度、湿度、压强数据。
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