CN110954572B - 一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置属于检测仪器设备；三向导通阀分别与气体流量开关、微型真空泵和石英管热裂解室连通，惰性气体罐与气体流量开关连通，在石英管热裂解室的下方设置电加热控制器，球阀将石英管热裂解室与多级冷却装置连通，环形空间传感器阵列配装在密闭气室内，密闭气室与多级冷却装置和排气阀连通，环形空间传感器阵列通过信号变换电路依次与嵌入式数据采集处理器、计算机模式识别系统串连接；本装置利用土壤气味特性实现和完成对土壤养分的定性、定量检测，具有结构新颖、独特、检测土壤养分项目多、检测结果精准、检测效率高、适用能力强的特点，为测土配方施肥技术的推广应用提供了技术支持。

Description

一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置
技术领域
本发明属于检测仪器设备，具体涉及一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置。
背景技术
随着科学技术的发展，作为精细农业重要组成部分之一的土壤精确施肥，就需要根据土壤的类型、组成成分和不同农作物的差异性制定科学合理的施肥配方，以期达到高产、高效进行农作生产的目的。而实现此目的的首要条件是对土壤养分的准确检测。
目前，对于土壤养分测量的主要方法有实验室化学检测法、离子电极选择法和近红外光谱分析法等。化学检测法是最基本的检测方法，虽然检测结果准确，但存在耗时、耗力，需要专门的仪器和化学试剂，且检测完的化学试剂可能污染环境等缺点；离子电极选择法采用电化学传感器对土壤浸提液中的硝态氮、速效钾进行测量，其易用性、成本和集成性较化学检测法有一定的优势，但存在受环境因素影响较大、检测精度不高和性能易退化等不足；近红外光谱分析法虽然可以较为精确的检测出土壤的总碳、总氮等物质的含量，但易受土壤质地、颜色、含水率和表面粗糙度的影响。
气味是物质的重要特性之一，是能够反映出物质本质特征的信息。有经验的土壤学家可以根据土壤的气味判断土质的优劣。因此，研究一种通过人工嗅觉系统对土壤气味的检测，完成和实现对土壤养分快速有效检测的装置十分必要。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，结合农业生产对土壤养分检测的实际需要，研究设计一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，该装置通过对土壤气味的检测，完成和实现对土壤养分的快速、准确测定，达到土壤养分检测项目多、检测结果精准、检测快速高效、检测成本低廉、为测土配方施肥提供技术支持的目的。
本发明的目的是这样实现的：三向导通阀分别与气体流量开关、微型真空泵和石英管热裂解室连通，惰性气体罐与气体流量开关连通，在所述石英管热裂解室的下方设置电加热控制器，球阀将石英管热裂解室与多级冷却装置连通，环形空间传感器阵列配装在密闭气室内，所述密闭气室与多级冷却装置和排气阀连通，所述环形空间传感器阵列通过信号变换电路依次与嵌入式数据采集处理器、计算机模式识别系统串连接，至此构成一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置。
本发明利用土壤气味特性，通过对土壤中具有明显气味的芳烃、木质素、酚类物质、多糖、含氮化合物的定性、定量检测得到土壤养分检测结果，具有结构新颖、独特、实用、检测土壤养分项目多、检测结果精准、检测效率高、检测成本低、适用能力强的特点，为我国农业生产测土配方施肥新技术推广应用提供了技术支持。
附图说明
图1是一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置总体结构示意图；
图2是多级冷却装置结构示意图；
图3是环形空间传感器阵列结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是环形空间传感器阵列三维示意图。
图中件号说明：
1、惰性气体罐、2、气体流量开关、3、三向导通阀、4、微型真空泵、5、石英管热裂解室、6、土壤样本、7、电加热控制器、8、球阀、9、多级冷却装置、9-1、第一水箱、9-2、第二水箱、9-3、第三水箱、9-4、玻璃弯管、10、环形空间传感器阵列、10-1、第一环形电路、10-2、第二环形电路、10-3、第三环形电路、10-4、第四环形电路、10-5、气体传感器、10-6、塑料杆、11、密闭气室、12、排气阀、13、信号变换电路、14、嵌入式数据采集处理器、15、计算机模式识别系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，三向导通阀3分别与气体流量开关2、微型真空泵4和石英管热裂解室5连通，惰性气体罐1与气体流量开关2连通，在所述石英管热裂解室5的下方设置电加热控制器7，球阀8将石英管热裂解室5与多级冷却装置9连通，环形空间传感器阵列10配装在密闭气室11内，所述密闭气室11与多级冷却装置9和排气阀12连通，所述环形空间传感器阵列10通过信号变换电路13依次与嵌入式数据采集处理器14、计算机模式识别系统15串连接。
所述多级冷却装置9由第一水箱9-1、第二水箱9-2和第三水箱9-3连接构成，一根呈多段弯曲状的玻璃弯管9-4依次置于第一水箱9-1、第二水箱9-2和第三水箱9-3中，在第一水箱9-1、第二水箱9-2和第三水箱9-3内分别加注水温逐渐降低的冷却水。
所述环形空间传感器阵列10包括第一环形电路10-1、第二环形电路10-2、第三环形电路10-3、第四环形电路10-4、塑料杆10-6和可分别定性定量检测芳烃、木质素、酚类物质、多糖、含氮化合物气味的多个气体传感器10-5，其中，第一环形电路10-1、第二环形电路10-2、第三环形电路10-3、第四环形电路10-4由塑料杆10-6固定支撑连接成一体，整体呈喇叭形空间结构，在第一环形电路10-1、第二环形电路10-2、第三环形电路10-3和第四环形电路10-4上分别安装数量不等的气体传感器10-5。
所述电加热控制器7的升温速率为30-50℃/min，热裂解温度为300-500℃。
所述信号变换电路13包括可将气体传感器10-5的电阻变化转换成电压变化的多个信号变换器。
所述嵌入式数据采集处理器14包括相互连通的嵌入式处理器、显示模块、输入模块、存储单元和通讯接口。
所述计算机模式识别系统15由土壤气味特征提取器、土壤气味分类识别器和土壤气味知识库构成，所述土壤气味分类识别器分别与土壤气味特征提取器和土壤气味知识库连通。
本发明的工作流程为：
(1)热裂解阶段：将土壤样本6放置在石英管热裂解室5的中央裂解区域，开启电加热控制器7，使温度以30-50℃/min的速率升至300-500℃，完成土壤样本6的裂解；
(2)送气阶段：热裂解阶段完成后，打开惰性气体罐1和球阀8，设置气体流量开关2的流量，使石英管热裂解室5中土壤样品6裂解出的气体在惰性气体的推动下，经过多级冷却装置9的冷却后，注入到密闭气室11中；
(3)检气阶段：密闭气室11中的环形空间传感器阵列10实时监测识别具有明显气味的芳烃、木质素、酚类物质、多糖、含氮化合物热裂解气体及其浓度，气体传感器10-5信号的变化通过信号变换电路13的转换，变成嵌入式数据采集处理器14中嵌入式处理器可以识别的电压信号，被嵌入式处理器所采集；嵌入式处理器将采集的数据显示和存储，并传输至计算机模式识别系统15中；
(4)模式识别阶段：嵌入式数据采集处理器14中嵌入式处理器采集的数据传输至计算机模式识别系统15的特征提取器内，经计算机模式识别系统15中的土壤气味分类识别器、土壤气味知识库依次识别、处理、比对后得到被测土壤养分检测结果；
(5)洗气阶段：检测完成后，微型真空泵4开始作业，使空气经三向导通阀3后依次清洗石英管热裂解室5、多级冷却装置9和密闭气室11中气体残留，由排气阀12排出。

Claims (6)

1.一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：三向导通阀(3)分别与气体流量开关(2)、微型真空泵(4)和石英管热裂解室(5)连通，惰性气体罐(1)与气体流量开关(2)连通，在所述石英管热裂解室(5)的下方设置电加热控制器(7)，球阀(8)将石英管热裂解室(5)与多级冷却装置(9)连通，环形空间传感器阵列(10)配装在密闭气室(11)内，所述密闭气室(11)与多级冷却装置(9)和排气阀(12)连通，所述环形空间传感器阵列(10)通过信号变换电路(13)依次与嵌入式数据采集处理器(14)、计算机模式识别系统(15)串连接；
所述环形空间传感器阵列(10)包括第一环形电路(10-1)、第二环形电路(10-2)、第三环形电路(10-3)、第四环形电路(10-4)、塑料杆(10-6)和可分别定性定量检测芳烃、木质素、酚类物质、多糖、含氮化合物气味的多个气体传感器(10-5)，其中，第一环形电路(10-1)、第二环形电路(10-2)、第三环形电路(10-3)、第四环形电路(10-4)由塑料杆(10-6)固定支撑连接成一体，整体呈喇叭形空间结构，在第一环形电路(10-1)、第二环形电路(10-2)、第三环形电路(10-3)和第四环形电路(10-4)上分别安装数量不等的气体传感器(10-5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述多级冷却装置(9)由第一水箱(9-1)、第二水箱(9-2)和第三水箱(9-3)连接构成，一根呈多段弯曲状的玻璃弯管(9-4)依次置于第一水箱(9-1)、第二水箱(9-2)和第三水箱(9-3)中，在第一水箱(9-1)、第二水箱(9-2)和第三水箱(9-3)内分别加注水温逐渐降低的冷却水。
3.根据权利要求1所述的一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述电加热控制器(7)的升温速率为30-50℃/min，热裂解温度为300-500℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述信号变换电路(13)包括可将气体传感器(10-5)的电阻变化转换成电压变化的多个信号变换器。
5.根据权利要求1所述的一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述嵌入式数据采集处理器(14)包括相互连通的嵌入式处理器、显示模块、输入模块、存储单元和通讯接口。
6.根据权利要求1所述的一种基于热裂解和人工嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述计算机模式识别系统(15)由土壤气味特征提取器、土壤气味分类识别器和土壤气味知识库构成，所述土壤气味分类识别器分别与土壤气味特征提取器和土壤气味知识库连通。
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