CN112601947A - 农业采样系统及相关方法 - Google Patents

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D·科赫
K·利维
M·奥内尔
H·斯普里奇特
R·哈曼
A·瓦卡里
T·谢弗
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Abstract

一种自动计算机控制的采样系统和相关方法，用于收集、处理和分析农业样本的各种化学特性，诸如植物可用营养物。采样系统允许以同时并发或半并发的方式针对不同的分析物或化学特性处理和分析多个样本。有利地，该系统可以在“如收集的”条件下处理土壤样本，而无需干燥或研磨。该系统一般包括样本制备子系统和化学分析子系统，样本制备子系统接收由探头收集子系统收集的土壤样本并产生浆料(即，土壤、植被和/或肥料和水的混合物)，而化学分析子系统处理制备的浆料样本，以量化样本的多种分析物和/或化学特性。样本制备子系统和化学分析子系统可以被用于分析土壤、植被和/或肥料样本。

Description

农业采样系统及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2018年7月10日提交的美国临时专利申请No.62/696,271、于2018年9月11日提交的美国临时专利申请No.62/729,623、于2018年10月15日提交的美国临时专利申请No.62/745,606、于2019年1月16日提交的美国临时专利申请No.62/792,987、于2019年4月5日提交的美国临时专利申请No.62/829,807、于2019年6月12日提交的美国临时专利申请No.62/860,297的优先权权益。前面列出的所有申请的全部内容都通过引用并入本文。
背景技术
本发明总体而言涉及农业采样和分析，并且更具体地涉及用于执行土壤和其它类型的农业相关的采样和化学特性分析的全自动系统。
周期性土壤测试是农业的重要方面。测试结果提供了有关土壤的化学组分的宝贵信息，诸如植物可用的营养物和其它重要特性(例如，氮、镁、磷、钾、pH等的水平)，使得可以向土壤添加各种改良剂以最大化作物产量和质量。
在一些现有的土壤采样过程中，将收集的样本干燥、研磨、添加水，然后过滤，以获得适合分析的土壤浆料。将萃取剂添加到浆料中，以提取植物可用的营养物。然后将浆料过滤以产生澄清溶液或上清液，将其与化学试剂混合以进行进一步分析。
期望改进对土壤、植被和肥料的测试。
发明内容
本发明提供了一种用于收集、处理和分析土壤样本的各种化学特性(诸如植物可用的营养物)的自动化计算机控制的采样系统(下文中称为“土壤采样系统”)和相关方法。采样系统允许以同时并发或半并发的方式相对连续和快速地相继处理和分析多个样本，以分析不同的分析物(例如，植物可用的营养物)和/或化学特性(例如，pH)。有利的是，该系统可以在“如收集的”条件下处理土壤样本，而无需前面所述的干燥和研磨步骤。
本系统一般包括样本制备子系统和化学分析子系统，样本制备子系统接收由探头收集子系统收集的土壤样本，并产生用于进一步处理和化学分析的浆料(即，土壤、植被和/或肥料和水的混合物)，化学分析子系统从样本制备子系统接收并处理制备的浆料样本，从而对样本的分析物和/或化学特性进行量化。所描述的化学分析子系统可以被用于分析土壤、植被和/或肥料样本。
在一个实施例中，样本制备系统一般包括混合器-过滤器装置，其将处于“如采样的”条件(例如，未干燥且未研磨)的收集的原始土壤样本与水混合以形成样本浆料。然后，混合器-过滤器装置在从装置提取浆料期间过滤浆料，以便在化学分析子系统中进行处理。化学分析子系统处理浆料，并执行萃取剂和变色试剂添加/混合的一般功能，将浆料样本离心以产生澄清的上清液，最后进行感测或分析以检测分析物和/或化学特性(诸如经由比色分析)。
虽然本文可以针对处理土壤样本来描述采样系统(例如，样本收集、制备和处理)，这表示所公开的实施例的一类用途，但是应该理解的是，包括该装置的相同系统和相关过程还可以被用于处理其它类型的农业相关样本，包括但不限于植被/植物、草料、肥料、饲料、牛奶或其它类型的样本。因此，本文公开的本发明的实施例应当被广泛地认为是农业采样系统。因而，本发明显然不限于仅用于针对感兴趣的化学特性来处理和分析土壤样本。
附图说明
通过具体实施方式和附图，将更加全面地理解本发明，其中相似的元件被相似地标记，并且其中：
图1是根据本公开的土壤采样分析系统的示意性流程图；
图2是示出采样分析系统的每个子系统的功能方面的流程图；
图3是样本制备子系统的混合设备的顶部透视图；
图4是其底部透视图；
图5是其分解顶部透视图；
图6是其分解底部透视图；
图7是其前视图；
图8是其第一侧视图；
图9是其第二相对侧视图；
图10是其顶视图；
图11是其底视图；
图12是其前视截面图；
图13是其侧视截面图；
图14是安装在混合设备顶部的样本收集/定积站的侧视截面图，其包括处于打开位置的上部夹管阀和处于闭合位置的下部夹管阀；
图15是其第一顺序图，示出了土壤样本在下部夹管阀中分级以待混合并且混合腔室的挡块处于闭合位置；
图16是其第二顺序图，示出了上部夹管阀闭合；
图17是其第三顺序图，示出了下部夹管阀打开并且土壤样本沉积在混合设备中；
图18是其第四顺序图，示出了第二土壤样本在下部夹管阀中分级以待混合；
图19是其第五顺序图，示出了如定向流向箭头所指示的那样将水与土壤样本一起添加到混合设备；
图20是其第六顺序图，示出了混合设备将土壤样本和水混合以制备浆料；
图21是其第七顺序图，示出了从混合设备中移除浆料并将水注入到混合腔室中用于清洗，并且混合腔室的挡块处于打开位置；
图22是混合设备的第二实施例的顶部透视图；
图23是其底部透视图；
图24是其后视图；
图25是其顶视图；
图26是其底视图；
图27是其顶视图；
图28是其分解顶视图；
图29是其分解底视图；
图30是其第一侧视截面图，示出了处于闭合位置的混合设备；
图31是其第二侧视截面图；
图32是其第三侧视截面图，示出了处于打开位置的混合设备；
图33是图22的混合设备的可移动挡块的顶部透视图；
图34是其底部透视图；
图35是取自图31的放大细节；
图36是取自图32的放大细节；
图37是挡块和混合设备壳体接口的放大细节；
图38是可用在混合设备的第一实施例中的过滤器保持器的顶部透视图；
图39是其底部透视图；
图41是其侧视图；
图41是其截面图；
图42是可耦合到保持器的过滤器的透视图；
图43是离心机的第一实施例的顶部透视图；
图44是其底部透视图；
图45是其前视图；
图46是其后视图；
图47是其第一侧视图；
图48是其第二侧视图；
图49是其顶视图；
图50是其底视图；
图51是其顶部分解透视图；
图52是其底部分解透视图；
图53是其前视截面图；
图54是其侧视截面图；
图55是离心机的流体交换坞的顶部透视图；
图56是其底部透视图；
图57是离心机的旋转管轮觳的顶部透视图；
图58是其底部透视图；
图59是离心机的离心管的分解透视图，该离心管用于安装在管轮觳上；
图60是其第一顶视图；
图61是取自图60的截面图；
图62是其第二顶视图；
图63是取自图62的截面图；
图64是用于离心管的锁定帽的顶部透视图；
图65是其底部透视图；
图66是用于管轮觳的盖组件的顶部透视图，示出了处于非离心垂直位置的离心管；
图67是其视图，示出了处于枢转的离心水平位置的离心管；
图68是管轮觳和流体交换坞的底部分解透视图；
图69是离心机的活塞可移动驱动系统的第一前透视图；
图70是其第二正透视图；
图71是侧视截面图，示出了其离心管处于水平位置的离心机；
图72是其第一截面顺序图，示出了处于非旋转的第一上部对接位置的离心机和驱动机构；
图73是第二截面顺序图，示出了处于非旋转的第二下部未对接位置的离心机和驱动机构；
图74是第三截面顺序图，示出了处于低速旋转的第二下部未对接位置的离心机和驱动机构；
图75是第四截面顺序图，示出了处于高速旋转的第二下部未对接位置的离心机和驱动机构，用于使浆料样本离心；
图76是驱动机构的顶部分解透视图；
图77是用于对上清液执行比色分析的吸光度分析池的侧视图；
图78是处于第一操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图79是处于第二操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图80是处于第三操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图81是处于第四操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图82是处于第五操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图83是处于第六操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图84是处于第七操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图85是处于第八操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图86是处于第九操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图87是处于第十操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图88是处于第十一操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图89是处于第十二操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图90是处于第十三操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图91是处于第十四操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图92是处于第十五操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图93是处于第十六操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图94是处于第十七操作模式配置的土壤采样和处理系统的示意性流程图；
图95是混合设备的驱动机构的顶部截面图；
图96是具有多个化学处理楔的微流体处理盘的顶部透视图，每个化学处理楔被配置为用于执行完整的土壤浆料处理和化学分析的独立处理训练；
图97是其底部透视图；
图98是其部分分解透视图，带有流体耦合到下面所示的微流体处理盘的流体交换坞；
图99是其底部透视图；
图100是微流体处理盘的侧视图；
图101是其顶视图；
图102是其底视图；
图103是一个处理楔的透视图，示出了其流导管和外部流体连接；
图104是示意性流程图，示出了在第一操作模式配置下的微流体处理盘的单个化学处理楔的微流体流分布网络及其流体微部件的布置；
图105是其在第二操作模式配置下的示意性流程图；
图106是其在第三操作模式配置下的示意性流程图；
图107是其在第四操作模式配置下的示意性流程图；
图108是其在第五操作模式配置下的示意性流程图；
图109是其在第六操作模式配置下的示意性流程图；
图110是其在第七操作模式配置下的示意性流程图；
图111是其在第八操作模式配置下的示意性流程图；
图112是其在第九操作模式配置下的示意性流程图；
图113是其在第十操作模式配置下的示意性流程图；
图114是其在第十一操作模式配置下的示意性流程图；
图115是其在第十二操作模式配置下的示意性流程图；
图116是其在第十三操作模式配置下的示意性流程图；
图117是其在第十四操作模式配置下的示意性流程图；
图118是其在第十五操作模式配置下的示意性流程图；
图119是其在第十六操作模式配置下的示意性流程图；
图120是与图104-119中所示的用于测量分析物的流分析池窗口相关联的发光二极管(LED)发射二极管组件和LED接收二极管组件的侧视截面图；
图121是其顶部截面图；
图122是独立的吸光度流分析池的顶部透视图；
图123是其底部透视图；
图124是其分解透视图；
图125是其前视图；
图126是其侧视图；
图127是其顶部平面图；
图128是其底部平面图；
图129是其前视截面图；
图130是被配置为与图96的微流体处理盘一起使用的离心机的第二实施例的前视顶部透视图；
图131是其底部后透视图；
图132是其前分解透视图；
图133是其后分解透视图；
图134是其前视图；
图135是其侧视截面图；
图136是取自图135的详细视图；
图137是犁刀组件的第一实施例的前透视图，该犁刀组件具有用于从农业领域收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图138是其后透视图；
图139是其前分解透视图；
图140是其后分解透视图；
图141是其前视图；
图142是其后视图；
图143是其侧视图；
图144是其侧视截面图；
图145是图137的犁刀组件的凸轮环的透视图；
图146是其平面图；
图147是图137的犁刀组件的样本收集探头的分解透视图；
图148是其透视图，示出了凸轮环的凸轮轨道探头致动机构；
图149A是处于第一旋转位置的犁刀组件的侧视图，示出了处于第一打开位置的用于收集土壤样本的探头；
图149B是其放大细节的透视图；
图150A是处于第二旋转位置的犁刀组件的侧视图，示出了处于第一打开位置的探头可移动地嵌入地面中以捕获土壤样本；
图150B是其放大细节的透视图；
图151A是处于第三旋转位置的犁刀组件的侧视图，示出了处于第一打开位置的探头，其中有捕获的土壤样本；
图151B是其放大细节的透视图；
图152A是处于第四旋转位置的犁刀组件的侧视图，示出了在从探头排出捕获的土壤样本之后探头处于第二突出位置；
图152B是其放大细节的透视图；
图153是犁刀组件的第二实施例的前透视图，该犁刀组件具有用于从农田收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图154是其后透视图；
图155是其前分解透视图；
图156是其后分解透视图；
图157是其前视图；
图158是其后视图；
图159是其侧视图；
图160是其侧视截面图；
图161是图153的犁刀组件的链轮式分度凸轮环的透视图；
图162是其平面图；
图163是图161的凸轮环的链轮分度段的侧视截面图；
图164是其侧视透视图；
图165是探头刀片、凸轮环和收集探头组件的放大截面图；
图166是探头的分解透视图；
图167是示出处于打开位置以收集土壤样本的探头的平面图；
图168是其平面图，示出了处于闭合位置的探头，用于不捕获土壤样本或维持捕获的土壤样本；
图169是探头和链轮的内端的透视图；
图170是探头的外端的透视图；
图171是与分度凸轮环啮合的链轮的透视图；
图172是取自图171的放大细节；
图173A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第一操作位置与分度凸轮环啮合；
图173B是其侧视图；
图174A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第二操作位置与分度凸轮环啮合；
图174B是其侧视图；
图175A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第三操作位置与分度凸轮环啮合；
图175B是其侧视图；
图176A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第四操作位置与分度凸轮环啮合；
图176B是其侧视图；
图177A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第五操作位置与分度凸轮环啮合；
图177B是其侧视图；
图178A是图153的犁刀组件的顶部平面图，其中链轮在第六操作位置与分度凸轮环啮合；
图178B是其侧视图；
图179是犁刀组件的第三实施例的前透视图，该犁刀组件具有用于从农田收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图180是其后透视图；
图181是其分解透视图；
图182是其前视图；
图183是其后视图；
图184是其侧视图；
图185是其侧视截面图；
图186是示出犁刀刀片和收集探头布置细节的放大图；
图187是示出当犁刀刀片旋转时收集探头的各种旋转位置的平面图；
图188是示出犁刀组件的用于收集不同深度的土壤样本的可替代变化的平面图；
图189是犁刀组件的第四实施例的后透视图，该犁刀组件具有用于从农田收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图190是其前分解透视图；
图191是其后视图；
图192是其前视图；
图193是其侧视图；
图194是其侧视截面图；
图195是示出犁刀刀片和收集探头布置细节的放大透视图，其中探头的收集端口处于闭合位置；
图196是其放大透视图，示出了处于打开位置以收集土壤样本的收集端口；
图197是犁刀组件的第五实施例的前透视图，该犁刀组件具有用于从农田收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图198是其后透视图；
图199是其前视图；
图200是其后视图；
图201是示出犁刀刀片和收集探头布置细节的放大图；
图202是其侧视图；
图203是其侧视截面图；
图204是示出了处于打开位置以收集土壤样本的收集探头的放大透视图细节；
图205是其视图，示出了处于闭合位置的收集探头；
图206是示出了处于打开位置以收集土壤样本的收集探头的两个收集端口的放大透视图细节；
图207是犁刀组件的第六实施例的前透视图，该犁刀组件具有用于从农田收集土壤样本的样本收集装置或探头；
图208是图207的犁刀组件的弹性柔性凸轮环的前透视图；
图209是其后透视图；
图210是其前分解透视图；
图211是其后分解透视图；
图212是其侧视图；
图213是其侧视截面图；
图214是其前视图；
图215是其后视图；
图216是其部分截面图；
图217是犁刀组件的第七实施例的前透视图，该犁刀组件具有带有层压刀片组件的样本收集装置或探头，用于从农田收集土壤样本；
图218是其后透视图；
图219是其第一前分解透视图，示出了四种替代类型的样本收集探头，它们可以在犁刀组件中如图所示一起使用或单独使用；
图220是其第二前分解透视图；
图221是其前视图；
图222是其后视图；
图223是其侧视图；
图224是取自图221的其第一侧视截面图；
图225是取自图221的其第二侧视截面图；
图226是第一截面透视图，示出了两种类型的收集探头的第一集合；
图227是第二截面透视图，示出了两种其它类型的收集探头的第二集合；
图228是示出第一类型的收集探头的放大截面透视图；
图229是示出第二类型的收集探头的放大截面透视图；
图230是示出第三类型的收集探头的放大截面透视图；
图231是示出第四类型的收集探头的放大截面透视图；
图232是犁刀刀片的侧视截面图，示出了前述第二类型的收集探头；
图233是其前视图；
图234是犁刀刀片的侧视截面图，示出了前述第一类型的收集探头；
图235是其前视图；
图236是犁刀刀片的侧视截面图，示出了前述第三类型的收集探头；
图237是其前视图；
图238是犁刀刀片的侧视截面图，示出了前述第四类型的收集探头；
图239是其前视图；
图240是犁刀刀片的一部分的横向截面图，示出了前述第二类型的收集探头；
图241是犁刀刀片的一部分的横向截面图，示出了前述第一类型的收集探头；
图242是犁刀刀片的一部分的横向截面图，示出了前述第三类型的收集探头；
图243是犁刀刀片的一部分的横向截面图，示出了前述第四类型的收集探头；
图244A是犁刀刀片的透视图，示出了用于前述第二类型的收集探头的径向狭槽；
图244B是其视图，示出了安装在狭槽中的第二类型的收集探头；
图245A是犁刀刀片的透视图，示出了用于前述第一类型的收集探头的径向狭槽；
图245B是其视图，示出了安装在狭槽中的第二类型的收集探头；
图246A是犁刀刀片的透视图，示出了用于前述第三类型的收集探头的径向狭槽；
图246B是其视图，示出了安装在狭槽中的第二类型的收集探头；
图247A是犁刀刀片的透视图，示出了用于前述第四类型的收集探头的径向狭槽；
图247B是其视图，示出了安装在狭槽中的第二类型的收集探头；
图248A是前述第二类型的收集探头的透视图；
图248B是其横向截面图；
图249A是前述第一类型的收集探头的透视图；
图249B是其横向截面图；
图250A是前述第三类型的收集探头的透视图；
图250B是其横向截面图；
图251A是前述第四类型的收集探头的透视图；
图251B是其横向截面图；
图252是根据本公开的被配置为执行土壤采样和分析的农具的第一实施例的顶视图；
图253是根据本公开的被配置为执行土壤采样和分析的农具的第二实施例的侧视图；
图254是根据本公开的被配置为执行土壤采样和分析的农具的第三实施例的侧视图；
图255是根据本公开的被配置为执行土壤采样和分析的农具的第四实施例的顶部透视图；
图256是可安装在图96的微流体处理盘中的盘上气动隔膜微型泵的分解透视图；
图257是其侧视截面图，示出了处于未致动位置的微型泵；
图258是其视图，示出了处于致动位置的微型泵；
图259是图96的微流体处理盘的加热处理楔的透视图；
图260是其分解图；
图261是示出土壤样本处理和分析系统的流程图，该系统具有微孔过滤器代替离心机，用于从制备的土壤浆料和萃取剂混合物中分离上清液；
图262是用于从土壤浆料中分离上清液的多孔串联类型过滤器之一的透视图；
图263是示出在图96的微流体处理盘中实施的土壤样本处理和分析系统的流程图，该系统具有集成的微孔过滤器代替离心机，用于从制备的土壤浆料和萃取剂混合物中分离上清液；
图264是可与本文公开的土壤分析和处理系统一起使用的车载水过滤系统的第一实施例的示意图；
图265是可与本文公开的土壤分析和处理系统一起使用的车载水过滤系统的第二实施例的示意图；
图266是可与本文公开的土壤分析和处理系统一起使用的车载水过滤系统的第三实施例的示意图；
图267示出了可以与图264-266的水过滤系统一起使用的颗粒过滤器单元的示例；
图268是旋转式上清液提取设备的顶部透视图，该设备用于通过离心从土壤浆料中提取上清液；
图269是其顶部分解透视图；
图270是其底部分解透视图；
图271是其流体板的底部视图，示出了在板中形成的多个上清液分离设备；
图272是图271的上清液分离设备的第一实施例的平面图；
图273是图271的上清液分离设备的第二实施例的平面图；
图274是图271的上清液分离设备的第三实施例的平面图；
图275是图271的上清液分离设备的第四实施例的平面图；
图276是图268的上清液提取设备的部分侧视截面；
图277是示出了上清液分离设备的密封特征件的平面图；
图278是其第一放大透视图；
图279是其第二放大透视图；
图280是图268的上清液提取设备的下部夹持板的顶部透视图；
图281是描绘利用图282中所示的压缩土壤测试装置对各种土壤类型执行测试得出的实际测得的活塞位移与压缩力的关系的曲线图；
图282是压缩土壤测试装置的示意图；
图283是用于土壤测试的称重容器的示意图；
图284是基于体积和质量的分析系统的示意图，该系统用于确定所收集的“原始”土塞或样本的水分含量；
图285是浆料体积测量设备的示意图；
图286是用于在第一操作位置制备土壤浆料的离心机的替代实施例的侧视截面图；
图287是示出第二操作位置的视图；
图288是具有滑动门的土壤称重容器的透视图；
图289是呈称重盘管形式的称重设备的示意图，该称重盘管用于测量制备的土壤浆料的重量；
图290是处于第一操作模式的管状称重容器的示意图；
图291是其在第二操作模式下的视图；
图292是茶壶形状的称重容器的示意图；
图293是示出用于对浆料进行称重的基于振动频率响应的称重设备的第一实施例的示意图；
图294是示出用于对浆料进行称重的基于振动频率响应的称重设备的第二实施例的示意图；
图295是具有移动磁体类型称重系统的浆料称重盘管的示意图；
图296是具有快速断开管道连接器的浆料称重盘管的示意图，该快速断开管道连接器用于使称重盘管与互连的流导管的作用隔离开；
图297是包括用于对浆料进行称重的定制荷重元件的浆料称重盘管的示意图；
图298是定制荷重元件的示意图；
图299是用于浆料称重设备的隔离安装装置的第一实施例的侧视示意图；
图300是用于浆料称重设备的隔离安装装置的第二实施例的侧视示意图；
图301是示出浆料称重站的示意图；以及
图302是用于控制本文公开的系统和装置的基于可编程处理器的中央处理单元(CPU)或系统控制器的示意性系统图。
所有附图不一定是按比例绘制的。除非另有明确说明，否则在一个图中编号出现但在其它图中未编号出现的部件是相同的。除非另有明确说明，否则在本文中对出现在带有相同完整编号但具有不同字母后缀的多个附图中的完整附图编号的引用应被解释为一般参考所有这些附图。
具体实施方式
本文通过参考示例性(“示例”)实施例来说明和描述本发明的特征和益处。旨在结合附图来阅读示例性实施例的这些描述，这些附图应当被认为是整个书面描述的一部分。因而，本公开明确地不应当限于这些示例性实施例，这些示例性实施例说明可以单独存在或以特征的其它组合存在的特征的一些可能的非限制性组合。
在本文公开的实施例的描述中，对方向或朝向的任何引用都仅仅是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对术语(诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”)及其派生词(例如，“水平地”、“向下”、“向上”等)应当被解释为是指所讨论的附图中所描述或所示出的朝向。这些相对术语仅仅是为了方便描述，并且不要求以特定的朝向来构造或操作装置。诸如“附着”、“固定”、“连接”、“耦合”、“互连”之类的术语和类似术语是指这样的关系：结构直接地或者通过中间结构间接地彼此固定或附着，除非另有明确说明，否则包括可移动的或刚性的附着或关系。
如贯穿本文所使用的，本文公开的任何范围被用作描述该范围内的每个值的简写。范围内的任何值都可以被选择作为范围的终点。此外，本文引用的所有参考文献通过引用整体并入本文。在本公开中的定义与所引用的参考文献的定义冲突的情况下，以本公开为准。
化学品可以是溶剂、萃取剂和/或试剂。溶剂可以是用于制作如本文所述的浆料的任何流体。在优选实施例中，溶剂是水，因为它容易获得，但是可以使用任何其它溶剂。溶剂既可以被用作溶剂也可以被用作萃取剂。气体可以是任何气体。在优选实施例中，气体是空气，因为它容易获得，但是可以使用任何气体。
测试物质是指上清液、滤液或上清液和滤液的组合。当在本说明书中以特定形式(上清液或滤液)使用时，也可以使用其它形式的测试物质。
流体输送机可以是泵、压差或泵和压差的组合。
图1是根据本公开的土壤采样系统3000的示意性流程图。图2是描述采样系统的每个子系统的功能方面的流程图。本文公开的子系统共同提供了对农田中收集的土壤样本的完整处理和化学分析、样本制备以及最终化学分析。在一个实施例中，系统3000可以结合在机动采样车上，该机动采样车被配置为横穿农田以从田地的各个区域收集和处理土壤样本。这允许准确地生成田地的全面营养物和化学简档，以便基于对样本中植物可用的营养物和/或化学特性的量化来快速方便地识别每个区域所需的土壤改良剂和施用量。系统3000有利地允许针对各种植物可用的营养物同时对多个样本进行处理和化学分析。
土壤采样系统3000一般包括样本探头收集子系统3001、样本制备子系统3002和化学分析子系统3003。在2017年11月7日提交的美国专利申请No.15/806,014中完整描述了样本采集子系统3001和机动采样车；该申请通过引用并入本文，从而形成本公开的组成部分。样本收集子系统3001一般执行从田地提取和收集土壤样本的功能。样本可以是土塞或土芯的形式。收集的土芯被转移到容纳室或容器中，从而由样本制备子系统3002进一步处理。
样本制备子系统3002一般执行以下功能：在混合器-过滤器装置100中接收土壤样本芯，对土壤样本进行体积/质量量化，基于土壤的体积/质量添加预定量或预定体积的经过滤的水，并且混合土壤和水的混合物以产生土壤样本浆料，从混合器-过滤器装置中移出或转移浆料，并且对混合器-过滤器装置进行自清洁以处理下一个可用的土壤样本。
化学分析子系统3003一般执行以下功能：从子系统3002的混合器-过滤器装置100接收土壤浆料，添加萃取剂，在第一腔室中将萃取剂和浆料混合以提取感兴趣的分析物(例如，植物可用的营养物)，将萃取剂-浆料混合物离心以产生澄清的液体或上清液，将上清液移出或转移到第二腔室，注入试剂，在保持时间段内保持上清液-试剂混合物以允许与试剂进行完全化学反应，诸如经由比色分析来测量吸光度，并且协助清洁化学分析装备。
现在将进一步详细描述样本制备和化学分析子系统3002、3003及其装备或部件。
混合器-过滤器装置
图3-18描绘了样本制备子系统3002的混合器-过滤器装置100的第一实施例。混合器-过滤器装置100具有基本垂直的结构，并且限定对应的垂直中心轴线VA1。装置100一般包括：混合容器101，其限定在容器中居中的向上开口的内部混合腔室102；流体歧管底架120；电动马达121；以及可移动的活塞致动的挡块组件130。这些部件被布置为限定串联样本处理单元。混合元件140机械地耦合到马达121并且部署在混合腔室102中，用于产生样本浆料。马达121可以部署在马达壳体126内部并由马达壳体126支撑，在一个非限制性实施例中，马达壳体126可以是圆柱形的。马达壳体126可以固定地安装到歧管底架120的底侧，进而从底架支撑马达121。在一个实施例中，马达121和壳体126可以与中心轴线VA1同轴地对准。
在一个实施例中，混合容器101可以具有基本上圆柱形的主体。除了占据容器101的上部的向上开口的混合腔室102之外，在容器主体中还形成有向下开口的居中的清洁端口105，该清洁端口105与混合腔室流体连通以允许在通过容器进行的样本处理之间清洁腔室。在一个实施例中，容器清洁端口105可以具有大体沙漏形状，并限定向内倾斜或成斜坡的环形安置表面105a。清洁端口105的安置表面105a下方的向外张开的部分105b在张开的部分和安置表面之间限定了直径更窄的喉部105c(图12和图13中最佳地示出)。混合腔室102和清洗端口105共同形成垂直的流体通道，该垂直的流体通道与中心轴线VA1同轴地对准，该中心轴线完全穿过混合容器101以在处理土壤样本之间冲洗和倾倒混合腔室102的内容物。
在一种构造中，流体歧管底架120可以具有部分圆柱体，其具有一对相对的平坦侧面120a和在平坦侧面之间延伸的一对弧形弯曲侧面120b。平坦侧面提供了方便的位置，用于诸如经由螺纹紧固件(未示出)将流入口和出口喷嘴122、123和安装支架103安装到那里。但是，在其它可能的配置中，底架120的主体可以具有其它形状，包括完全圆柱形、直线形、多边形或具有各种其它形状。底架主体的构造不限制本发明。底架120的上表面可以是成斜坡的或成角度的，以在清洗混合容器101的混合腔室102时更好地排出水和碎屑，如本文中进一步描述的。
流体歧管底架120包括垂直定向的中心通道124，以及与中心通道流体耦合并与其流体连通的相对的入口和出口流导管125、126。中心通道124可以与中心轴线VA1同轴地对准。在一种构造中，流导管125、126可以相对于垂直中心通道124水平和垂直定向。入口喷嘴122螺纹地且流体地耦合到入口流导管125。类似地，出口喷嘴123螺纹地且流体地耦合到出口流导管125。在一个实施例中，喷嘴122、123可以具有自由端，该自由端被构造为用于流体连接到流管道。中心通道124和入口/出口流导管125、126可以通过任何合适的方法(诸如在一些实施例中通过钻孔或打孔)在流体耦合底架120的主体中形成。歧管底架120可以由任何合适的金属或非金属材料形成。在一个实施例中，底架120可由金属(诸如钢或铝)制成。
参考图5-6和图12-13，活塞致动的挡块组件130包括垂直伸长的挡块131，该挡块131包括顶端131a和底端131b。挡块131可以具有大体上圆柱形的主体构造，其包括在上部形成的直径增大的头部132，该头部132部署在混合容器101的混合腔室102中。在一个实施例中，挡块头部132的直径可以大于喉部105c处的容器清洁端口105的直径，使得挡块不能沿着垂直方向从混合腔室102向下轴向地撤回。挡块头部132被构造为并且可操作以与混合容器101的混合腔室102形成可密封的啮合。更具体地，挡块头部132限定环形密封表面133，该环形密封表面133与在混合容器101的混合腔室102中形成的配合的环形安置表面105a密封地啮合。环形密封件134在密封表面133处安装在挡块头部132上，该环形密封件134在一个实施例中可以是弹性体或橡胶O形环。O形环密封地啮合混合容器101的安置表面105a，以在混合腔室102的底部形成防漏密封以闭合混合容器清洁端口105。
在增大的头部132下方的挡块131的圆柱形下部的直径可以比混合容器清洁端口105的喉部105c窄，从而允许该下部穿过喉部。在一个实施例中，挡块131的底端131b可以是在外部有螺纹，并且能够在中心通道124处螺纹地安装到流体歧管底架120的顶部。挡块131的带螺纹的底端131b与中心通道124的内部带螺纹的上部螺纹啮合(例如，参见图12-13)。
挡块131还包括与中心轴线VA1和流体歧管底架120的中心通道124同轴对准的垂直定向的中心孔144。孔144从顶端131a到底端131b完全穿过挡块131延伸。中心孔144在顶部与容器101的混合腔室102流体连通，并且在孔的底部与流体歧管底架120的中心通道124流体连通。
如图12和图13中所示，马达驱动轴142延伸通过挡块131的中心孔144和流体歧管底架120的中心通道124。这在驱动轴142与中心孔144和通道124之间形成环形空间或流通道。因此，环形流通道提供了向混合容器101的混合腔室102添加水以及从混合腔室102提取完全混合的水和土壤样本浆料以进行进一步处理和化学分析的流体路径。
虽然挡块131和流体歧管底架120被描绘为分离的分立部件，但是应该认识到的是，在其它实施例中，挡块和底架可以是铸造、模制和/或机加工的一体式整体结构的整体部分，以提供所公开的特征。
现在参考图5-6和图12-13，混合元件140一般包括刀片组件141，该刀片组件141固定地安装在耦合到马达121的垂直马达驱动轴142的顶部。因此，刀片组件141可与驱动轴142一起旋转。在一个实施例中，驱动轴142可以通过轴密封件142a和柔性马达耦合组件143耦合到马达121。密封件142a被构造为在驱动轴142和歧管底架120之间形成水密密封。驱动轴142可旋转地部署在挡块131的中心孔144和流体歧管底架120的中心通道124中并完全延伸通过它们。
在一个实施例中，刀片组件141可以通过螺纹紧固件固定地耦合到驱动轴142的顶端。刀片组件141定位在混合腔室102中，并且包括多个向上和向下成角度的刀片以提供土壤和水浆料在混合腔室中的最优混合。刀片可以由金属形成，并且在一个实施例中由耐腐蚀金属(诸如不锈钢)形成。可以使用其它材料。
刀片组件141与挡块131的顶端131a轴向间隔开并定位在其上方，从而使驱动轴142的顶端暴露在混合容器101的混合腔室102中，如图12和图13中所示。刀片组件的这个安装位置还将挡块131中的中心孔144的顶部暴露于混合容器101的混合腔室102，以使流体双向流入/流出混合腔室。
在一个实施例中，提供了一种过滤器组件，其包括部分带螺纹的过滤器保持器145和可分离的环形过滤器146，以过滤从混合腔室102中提取的浆料。图38-42示出了孤立的保持器和过滤器。过滤器保持器145包括具有垂直中心孔147a的主体，该中心孔与多个周向布置的径向开口147b连通，以将水注入到容器101的混合腔室102中，并从腔室中提取浆料。孔147a与挡块131的中心孔144连通，以完成歧管底架120和混合腔室102之间的流体路径。马达驱动轴142通过保持器的中心孔147a被容纳。环形过滤器146包括部署在中心孔147a与混合腔室102之间的环形筛146a。筛包括多个预选尺寸的开口，以从土壤浆料中滤除较大的固体或颗粒。在一个实施例中，筛146a可以是具有直线开口的筛网的形式。筛的材料可以是金属的或非金属的。
保持器145包括带螺纹的底端或杆148，该底端或杆148螺纹耦合到挡块中心孔144的内部带螺纹的上部(在图12-16中最佳地示出，并且在图38-42中详细示出)。过滤器保持器的顶端149沿着直径方向增大，以便当保持器被旋入挡块时将环形过滤器146截留在它和挡块131的顶部131a之间。过滤器146安装到保持器145，并且筛146a覆盖径向开口147b以过滤从混合腔室102提取的浆料。顶端149可以包括诸如六角形(所示出的)或其它形状的工具构造，以有利于将保持器145螺纹安装到挡块131。值得注意的是，如图所示，过滤器保持器145的中心孔147a完全延伸通过顶端和底端149、148，以允许驱动轴142完全穿过保持器。
挡块131固定地耦合到可移动活塞组件150，该可移动活塞组件150与活塞组件的移动一致地操作以致动和改变挡块的位置。参考图5-6和图12-16，活塞组件150包括环形活塞151、弹簧152、弹簧保持环154和一对活塞密封环153，在一个实施例中，该一对活塞密封环可以是弹性体或橡胶O形环。活塞151可以具有套筒状构造，并且可以包括底端和顶端。活塞151可滑动地收纳在形成于混合容器101中的向下开口的环形空间155中，在混合容器101的圆柱形外侧壁101a与底部中心清洁端口105之间。活塞151可以在环形空间155中在上部和下部位置之间向上和向下移动。
活塞151的顶部可以具有直径增大的顶部外缘157，该顶部外缘157具有用于安装一对密封环153的面向外的环形凹槽。如图所示，外缘157从活塞151的主体径向向外突出。一个密封环153是在活塞和容器101之间提供内侧密封的内部密封环，并且另一个密封环153是提供外侧密封的外部密封环。
通过固定地附接到容器底部的保持环154，活塞弹簧152被收纳并保持在混合容器101的环形空间155中。弹簧152的顶端作用在活塞151的顶部外缘157的底侧，而底端作用在保持环153上。弹簧152将活塞151在容器101的环形空间155内向上偏置到上部位置。在一个非限制性实施例中，弹簧152可以是螺旋盘绕的压缩弹簧。可以使用其它适当类型的弹簧。
活塞151可以通过大体上U形的安装支架103从流体歧管底架120支撑并机械地耦合到流体歧管底架120。在一个实施例中，支架103可以包括下部，该下部由固定地附接到底架120的相对侧的一对横向间隔开的板状支脚103a以及固定地附接到活塞151的下侧的一对向上延伸的板状臂103b形成。每个支脚103a可以包括横向开口孔104，以容纳耦合到底架120的、延伸通过孔的入口和出口喷嘴122、123。在一个实施例中，安装支架103可以通过螺纹紧固件103d固定地附接到活塞151和底架120(例如，参见图11)。当然可以使用安装支架的其它构造和附接方法。
安装支架103和歧管底架120的组合共同形成了将挡块131耦合到活塞151的大致刚性的机械连杆。因此，当活塞151被致动时，流体歧管底架120、马达121/马达壳体126和挡块131与活塞151一致地作为单个单元向上和向下移动。由此，活塞151充当挡块131的致动器，并且可操作以控制和改变挡块的位置。
在一个实施例中，活塞151可以由加压的空气气动地操作。活塞151被构造为用于弹簧复位操作。可以认为容器101的环形空间155形成环形活塞圆柱体，活塞151在该环形活塞圆柱体中向上和向下移动。空气交换端口156通过容器101的沿着周向延伸的外侧壁101a形成并流体连接到环形空间155的顶部(例如，参见图14)。端口156与位于活塞151上方的环形空间155的区域流体连通。
在操作中，活塞151通常被弹簧152向上偏置到图16中所示的上部位置。为了将活塞151移动到容器101的环形空间155中的下部位置，将加压的空气引入环形空间中，并经由空气交换端口156施加到活塞顶部外缘157(例如，参见图14和定向空气流箭头)。气压迫使活塞向下，从而压缩弹簧。必须持续施加气压以抵抗弹簧152的偏置作用而将活塞151保持在下部位置。为了使活塞返回其上部位置，加压的空气通过空气交换端口156从容器101中的环形空间155向外排出(例如，参见定向流箭头，图16)。然后，弹簧152将活塞151向上推回其在图14中的上部弹簧偏置位置。
需要注意的是，空气交换端口156经由图1中所示的空气供应阀3032经由诸如柔性和/或刚性软管或管道3021之类的合适的流导管流体连接到压缩空气的加压源(诸如压缩机3030和储气罐3031)。管道3021可以是金属的或非金属的。在一些实施例中，含氟聚合物类型的浆料管道由于其固有的不粘特点而可以用于在系统中的各个位置输送浆料，从而使其非常适用于土壤浆料。FEP(氟化乙烯丙烯)是可以使用的一种氟聚合物的具体示例。FEP由于其不粘特点而类似于使用基于聚四氟乙烯的PTFE材料，但是FEP有利地在标准管道形成实践中更加透明和可塑。
具有排气端口的三通空气阀155a可以流体耦合到端口156并位于端口156的上游(例如，参见图19)，以便对容器环形空间155加压或者将空气从环形空间排放到大气中。
通过致动活塞组件150，挡块131相对于混合容器101在垂直方向上在下部闭合位置(例如，参见图19-20)和上部打开位置(例如，参见图21)之间可轴向移动。在闭合位置处，挡块头部132与容器混合腔室102中的环形安置表面105a密封地啮合。这个位置闭合并堵塞底部容器清洁端口105。这个位置与容器101中的活塞151的下部对应(例如，参见图18和图19)。
相反，在打开位置，挡块131的挡块头部132使容器混合腔室102中的安置表面105a脱离啮合。这个位置与活塞151的上部位置对应(例如，参见图21)。因此，这个位置打开清洁端口105，并建立清洁流路径，从而在对土壤样本进行混合并定积之后，用经过滤的水冲洗并清洁混合腔室102，以准备下一个要进行混合和定积的土壤样本。当挡块头部132处于打开位置时，在挡块131与混合腔室102的内壁之间形成环形清洁路径和区域，该环形清洁路径和区域围绕挡块以整个360度延伸。
值得注意的是，当被致动时，附接到挡块131的流体歧管底架120、附接到底架的马达壳体126(其中装有马达121)和具有驱动轴142的刀片组件141一起作为单个单元与挡块131一起在下部闭合位置和上部打开位置之间移动。
为了半并发地对多个土壤样本进行处理、分级和测试，提供了串联阀和相关部件的组件，如图14-18中所示。该组件还被配置为并且可操作以使土壤样本定积，从而表示并共同形成样本收集/定积站160-1。样本的定积用于间接地量化样本的质量，以确定要添加在混合腔室102中的水的适当量(即，水/土比)，从而制备具有适当稠度或粘度的样本浆料，以用于进一步处理和化学测试。在一个实施例中，限定样本收集/定积站的组件包括一对垂直堆叠的挤压阀或夹管阀160和161、限定流体耦合在阀之间的内部增压室(plenum)162的中间套环163，以及定积容器164。容器164是压力容器，在其中限定了已知体积的初始定积腔室168。腔室168流体耦合到加压空气源，诸如由在容器的入口侧的管道21中的空气阀167控制的压缩机-罐组件30、31。腔室168还经由由另一个空气阀167控制的出口管165流体耦合到增压室162。
在一个实施例中，夹管阀160、161可以是空气致动的。夹管阀在本领域中是已知的并且可商购，以控制固体材料(诸如土壤)的流。每个夹管阀160/161包括阀体160a/161a，阀体160a/161a限定了内部空间，该内部空间包含柔性可折叠隔膜或套筒160b/161b，如图所示。套筒可以由任何合适的弹性体材料(诸如橡胶、丁腈、丁基、硅或其它)制成。每个阀160、161包括由三通空气阀169控制的空气交换端口166，该三通空气阀在一个位置处包括排气端口。下部阀161密封且流体耦合到混合容器101并且与混合腔室102流体连通。
在打开位置，阀160、161的套筒160b、161b以大致平行的关系间隔开以允许材料流过阀(例如，参见图14，上部阀160)。为了闭合阀，将空气注入到包围套筒的内部空间中，该内部空间对阀的内部加压。这使套筒塌缩成闭合的收缩位置以密封其自身以阻止材料的流动(例如，参见图14，下部阀161)。为了使阀160例如返回到打开位置，将空气通过空气交换端口166从套筒160b周围的内部空间放回，并经由三通阀169的排气端口排放到大气中。
现在将参考图14-18简要描述土壤样本的分级和样本的定积(即，通过体积/压力分析技术确定土壤样本的质量或体积)。这有助于识别要添加到样本中以产生期望稠度(水/土比)的水的适当的量。这些初步处理步骤在制备浆料之前完成。参考图302，图14-18中所示和以下描述的过程可以由基于处理器的控制系统2800自动控制和监视，该控制系统2800包括可编程中央处理单元(CPU)(例如，处理系统)，在本文中称为系统控制器2820，诸如在于2017年11月7日提交的共同未决美国专利申请No.15/806,014中公开的，其通过引用并入本文。如下面在其它地方进一步描述的，系统控制器2820可以包括一个或多个处理器、非暂态有形计算机可读介质、可编程输入/输出外围设备，以及通常与功能齐全的基于处理器的控制器相关联的所有其它必要的电子配件。
处理系统2820还可以控制混合器-过滤器装置100以及样本制备子系统3002的其它部分的操作，以及本文中其它地方详细描述的化学分析子系统3003的操作。这提供了用于指导和协调本文所述系统和部件的所有操作的统一控制系统。
在过程按某些顺序开始时，两个夹管阀160、161最初都可以处于打开位置。接下来，图14示出了夹管阀160、161现在处于准备好从探头收集子系统3001(例如，参见图1)接收土壤样本(其可以包括一个或多个土芯的混合)的位置。首先闭合下部阀161，并且上部阀160保持打开。如果尚未加压，那么此时也可以选择向定积腔室168“充气”以节省处理时间。在充气步骤期间，闭合来自定积容器167的出口阀167。接下来，使用来自本文先前描述的探头收集子系统3001的加压空气将土壤样本吹入阀160中，如图15中所示。土壤沉积在下部阀161的套筒161b的顶部上。
接下来如图16中所示闭合上部阀160。这建立了临时密封或捕获的包含土壤的预定体积，为方便起见，在本文中将其称为土壤“分级腔室”170。腔室170通过闭合的阀161与混合腔室101流体隔离。分级腔室170由增压室162以及上部阀和下部阀160、161的闭合套筒之间的内部空间共同形成。然后由处理系统2820测量并读取定积腔室168的初始压力读数Pi。为了准确，可以在短时间内对压力读数Pi求平均。接下来，打开定积腔室168和分级腔室170之间的出口阀167，以使来自定积容器164的加压的空气进入分级腔室。既然出口阀已经打开，那么在流体连通的分级腔室170和定积腔室168之间压力平衡。然后，由系统2820测量并读取最终压力Pf，该压力Pf低于加压且预先隔离时的仅定积腔室168的Pi。为了准确，也可以在短时间内对压力读数Pf取平均值。压力读数Pf表示在包括分级腔室170、定积腔室168以及其间的阀和管道的体积中测得的总压力。
接下来，处理系统2820自动间接地计算等于“体积”的土壤“质量”，以确定添加到混合腔室中的水的适当量，以实现期望的水/土比和浆料的稠度。可以使用波义耳定律来计算土壤的体积：Pi*Vp＝Pf(Vp+Vc-Vs)，其中Vc＝分级腔室170的体积；Vp＝初始定积腔室168的体积；Vs＝土壤的体积；Pi＝定积腔室168的初始压力；并且Pf＝如上所述的分级腔室170和定积腔室168的连接的体积的最终平衡压力。针对Vs求解该方程，以识别分级腔室170中的要倒入混合容器101中的土壤的体积。然后，处理系统2820基于预编程的水/土比来计算要添加的水的量或体积，以产生用于化学分析的样本浆料的适当稠度或粘度。将认识到的是，可以使用土壤样本的其它可能的定积方法。
一旦样本已经定积，就可以开始制备浆料。如图17中所示，打开下部阀161以将土壤样本倾倒或添加到容器101的混合腔室101中。这消除了临时分级腔室170，直到下一个样本被处理并定积为止。上部阀160此时保持闭合。但是，为了将下一个等待的样本分级以制备浆料，可以闭合下部阀161，打开上部阀160以接收下一个样本，如图18中所示。这个操作可以与混合器-过滤器装置100中的第一样本的处理半并发地发生。
图19示出了来自农田的处于“如收集的”条件下的土壤样本“S”，该土壤样本首先被装载到混合容器101的混合腔室102中。此时，挡块131处于本文先前所述的下部闭合位置，以闭合底部容器清洁端口105。在一些情况下，样本可以由几个土芯组成，用于生成表示平均分析的混合样本化学简档。
经过滤的水(FW)由水泵3304(图1)泵送到混合器-过滤器装置100，并通过入口喷嘴122(参见定向箭头)注入流体歧管底架120中。水径向流入中心通道124，然后轴向向上通过该通道和挡块131中的中心孔144，并通过环形过滤器146径向进入混合腔室102的下部区域。混合腔室101底部的这个流体引入位置有助于使腔室底部的土壤流体化(注意，为清楚起见，这些图仅示出了混合刀片组件141上方的土壤，但认识到土壤实际上将填满腔室的整个下部)。在该过程的一些实施方式中，可以在添加土壤样本之前首先将水添加到混合腔室101中并且混合刀片组件141以低的空转速度(RPM)运转。混合腔室101中填充有预定体积或预定量的经过滤的水，以实现预编程到处理系统2820中的期望的水/土比(例如，4:1等)，以产生适当稠度的浆料(SL)用于处理和分析。需要的水量在本文先前描述的定积站的定积步骤期间确定。
接下来，图20示出了混合步骤。水和土壤混合物通过刀片组件141进行混合，刀片组件141以预定的全混合速度(RPM)旋转，以快速且高效地制备具有适当稠度的样本浆料(SL)。为了帮助实现彻底和快速的混合，可以在混合腔室101中设置多个沿着周向间隔开的混合突起172，其径向向内突出到腔室中(图10中最佳示出)。突起172与混合刀片组件141相互作用以促进彻底混合。在一个实施例中，可以设置两对沿着直径相对的混合突起172；但是，可以使用更多或更少的突起和其它布置。在所示的一个实施例中，突起172在顶部平面图中可以具有圆形剖面。
一旦浆料已经充分混合，就在从化学分析子系统3003的浆料泵3333抽吸的情况下，通过出口喷嘴123从混合腔室102中提取浆料(参见定向流箭头)。可替代地，如果需要将浆料输送到浆料泵，那么可以根据系统的流动力学添加浆料转发泵。需要注意的是，在提取步骤期间，挡块131保持在下部闭合位置以密封混合容器101的清洁端口105。在操作中，浆料一般向内流过在过滤器壳体145上位于中心的环形筛146进入挡块131的中心孔144，并轴向向下通过歧管底架120的孔和中心通道124到达出口喷嘴123。环形筛146具有开口，该开口的尺寸被确定为防止预定尺寸的来自田地样本的土壤或其它嵌入颗粒(例如，小石头等)进入挡块131和歧管底架120。因为浆料流过在马达驱动轴142与中心孔和通道144、124之间形成的环形空间或流动通道，所以筛防止这种稍微受限的流空间堵塞。浆料提取步骤可以优选地在将混合刀片组件141的速度降低到较慢的空转速度的情况下进行。可替代地，刀片组件可以完全停止。
应当注意的是，在混合步骤期间，由于混合刀片的离心作用，由细小土壤颗粒的团聚组成的废渣主要靠着混合腔室102周围的垂直壁堆积。与沿着混合腔室的壁使用的其它可能的浆料提取位置相比，通过环形过滤器146从混合腔室的下部中心部分提取浆料有利地最小化了过滤器的堵塞。
接下来，图21示出了混合腔室102的冲洗和清洁步骤，将对其进行简要描述。挡块131从浆料提取步骤起最初仍处于闭合位置。在混合腔室清洁过程的一种实施方式中，可以使用两阶段冲洗和漂洗来彻底清洁腔室。在第一初始阶段，混合刀片组件141以缓慢的空转速度运转，同时挡块131从下部闭合位置向上移动至上部打开位置。这在混合腔室102的底部打开了容器清洁端口105。挡块131通过活塞组件150的致动以本文先前描述的方式移动。在清洁出口105保持打开时，冲洗水(例如，过滤水FW)通过入口喷嘴122和有筛的壳体145注入并喷射到混合容器101的混合腔室102中。冲洗水遵循由定向流动箭头指示的从入口喷嘴122到混合腔室的流动路径。来自腔室102的冲洗水和污泥的混合物向下和向外流动通过清洗端口105和由清洗端口形成的360度开放清洗区域以排出废物(参见定向废物流箭头)。至此结束了初始的冲洗和漂洗阶段。
在第二最终冲洗和漂洗阶段中，通过将挡块131移动到闭合位置以堵塞清洗端口105来重新闭合混合腔室102，同时将冲洗水继续注入到混合腔室中。现在，混合腔室105开始短暂地注满水。混合刀片组件141的速度在几秒钟内增加到全速，以在水中夹带附着到混合腔室壁上的任何污泥残留物。通过升高挡块131第二次打开混合腔室清洁端口105，以冲洗出水和污泥混合物。这样就完成了对混合腔室102的清洁。值得注意的是，初始和最终冲洗和漂洗阶段都在短短的几秒钟内快速地相继完成。
一旦混合腔室102已经被彻底清洁，挡块131就经由活塞组件150的操作再次返回到下部闭合位置，以准备串行接收并处理下一个土壤样本。图2中总结了上述对土壤样本定积、混合浆料和清洁混合腔室的处理步骤。
混合器-过滤器装置替代实施例
图22-37描绘了可以与样本制备子系统3002一起使用的混合器-过滤器装置200的替代实施例。混合器-过滤器装置200一般包括下部混合容器201、上部混合器壳体203、可垂直移动的弹性体挡块210以及诸如经由螺纹紧固件或其它手段耦合到马达驱动轴220的混合刀片组件240。驱动轴220耦合到用于旋转刀片组件240的电动马达222。为了简化，仅在图22中示出了马达222。驱动轴220在混合器壳体203中居中并且限定混合器-过滤器装置的垂直中心轴线VA2。
容器201限定土壤存储腔202，其用于容纳要混合的土壤样本(例如，参见图28-29)以制备用于化学分析的浆料。容器201可以诸如经由密封件204密封地且可分离地耦合到混合器壳体203的底部，密封件204在一个实施例中可以是O形环，以防止容器与上部壳体203之间的界面处的泄漏。在一些实施例中，容器201的底201-1可以可选地相对于容器壁201-2和混合器壳体203移动，并且由活塞组件201-3形成(以虚线示出)。这允许土壤样本朝着刀片420升高以增强混合。
上部混合器壳体203包括轴向中心腔207，其如图所示穿透壳体的顶部和底部并在其间延伸。在一个实施例中，腔207的横截面可以是基本上圆形的，从而形成界定该腔的内部圆柱形侧壁205b。在一个实施例中，侧壁205b的一部分可以包括平坦部分205a。
中心开口207的下部限定向下开口的混合腔207a，该混合腔207a在弹性体挡块210的下方形成，包含混合刀片组件240。当容器耦合到上部壳体203时，土壤容器201的混合腔207a和土壤存储腔202共同限定混合腔室205。混合腔室205用于制备土壤和水的浆料混合物。腔室205的直径可以小于中心腔207的上部的直径，从而在其间形成阶梯状过渡部，该阶梯状过渡部限定环形安置表面206。在一个实施例中，安置表面206可以被倒角，从而产生倾斜于中心轴线VA2定向的成角度或倾斜的安置表面。刀片组件240可旋转地部署在混合腔室205中。
壳体203还包括用于将经过滤的水注入到混合腔室205中的入口端口208和用于提取浆料的沿着径向相对的出口端口209。可选地包括阀的通风口208a与壳体203的入口端口208和中心腔207流体连通，以在混合操作之前将空气从腔中排出。在一些实施例中，整个壳体和腔室可以经由旋转耦合件201-4(例如，参见图30)成角度地倾斜，使得通风口/阀209在系统中处于高点并且浆料提取在水位以下进行(以避免随浆料提取空气)。入口端口208和清洁端口105可以是具有三通阀的单个端口，以控制流入和流出的材料。
虽然混合器-过滤器装置100的混合刀片组件41和驱动轴142从底部进入混合腔室102，但是需要注意的是，当前的刀片组件240和驱动轴22从顶部进入混合腔室202。这种布置有利地降低了防止水沿着驱动轴从腔室泄漏所需的轴密封件的复杂性。
弹性体挡块210至少部分地部署在混合器壳体203的中心腔207中，如图28和图29中最佳示出的。另外参考图21-23和图30-32，混合腔室205在挡块210的下方形成。挡块210具有大体圆柱形的主体，其包括顶部215、底部214以及在其间延伸的圆柱形侧壁216。圆形的中心轴向通道211在顶表面和底表面之间轴向延伸并穿透顶表面和底表面。在一个实施例中，底部214可以是凹形的，横截面限定为弧形剖面，以进一步促进浆料的充分混合。挡块210组件还可以包括下部驱动轴环密封件214以防止流体沿着轴从混合腔室205泄漏，并包括将轴支撑在挡块的轴向中心通道211内的上部套环轴承221。
径向延伸的环形密封凸缘213从挡块210的主体向外突出，以与混合器壳体203中的中心腔207的侧壁形成密封。凸缘213是柔韧的、柔性的，并且形成为弹性体挡块210的一体的整体结构部分。在一个实施例中，当处于未变形状态时，凸缘213可以向上张开(向上反转)。保持环213-1将凸缘213锁定在混合器壳体203上的适当位置。壳体可以包括环形肩部213-2以促进啮合凸缘(例如，参见图37)。凸缘213与腔207的侧壁啮合并形成密封。可以通过壳体203的入口端口208将水注入到挡块210的环形凸缘213下方的混合腔室205的部分中，以制备浆料。在壳体203中设置有开放式通风口208a，用于在混合器-过滤器装置200的初始设置期间从挡块210的凸缘213下方的腔室排出空气。
挡块210可在腔207中在下部就座位置与上部未就座位置之间轴向向上和向下移动。如本文中进一步描述的，这在挡块和混合器壳体203之间形成可打开和可闭合的环形界面，用于过滤浆料和在样本之间冲洗混合腔室205。
挡块210还包括向上开口的环形空间212，该环形空间212在其中容纳弹簧231(例如，参见图30-32)。在一个实施例中，弹簧231可以是螺旋盘绕的压缩弹簧。弹簧231通过可拆卸地安装到混合器壳体203上的盖板230而保持在环形空间中。弹簧231的顶端作用在盖板230的底侧上，并且弹簧231的底端作用在挡块210上，以将挡块偏置到下部就座位置。
挡块210固定地耦合到驱动轴220，该驱动轴的一端进而可旋转地耦合到马达222，并且混合刀片组件240形成内联可移动组件或单元。可以通过诸如经由升高或降低马达支架(未示出)抬升可移动单元来在下部位置和上部位置之间移动挡块210。刀片组件240与嵌入在挡块主体中的密封件214啮合，当马达升高时，该密封件214将挡块210向上拉。这个动作进而压缩弹簧231，该弹簧231用于在马达降低时迫使挡块向下返回到下部位置。
根据替代混合器-过滤器装置200的一个独特方面，该装置被配置为从混合器中提取的浆料中过滤掉大的土壤颗粒或碎屑(例如，石头)，而无需使用常规的可能容易堵塞的网状过滤筛。装置200还提供可打开/可闭合的过滤界面，其允许在处理样本之间冲洗和清洁混合腔室。
为了提供过滤和冲洗功能，在挡块210的圆柱形侧壁216的底部处形成环形安置表面217。安置表面217可以相对于中心轴线VA2倾斜或成角度。当挡块210在上部未就座位置和下部就座位置之间移动时，安置表面217就可选择地与其在混合器壳体203上的配合的安置表面206啮合。因而，安置表面217与安置表面206具有互补的角度以形成平面与平面间的界面，从而建立环形安置区域。
如图34中最佳示出的，在挡块210的安置表面217中形成多个径向定向的流通道或凹槽218。凹槽218在周向上间隔开，并且优选地围绕安置表面217延伸360度。当挡块处于其下部就座位置时，安置表面217和206相互啮合。但是，凹槽217保持打开以形成小直径流通道的阵列，通过该小直径流通道可以经由泵(诸如浆料泵3333)的抽吸从混合腔室205中提取浆料(例如，参见图1)。浆料沿着径向向外通过通道流入环形流增压室240，该环形流增压室240形成在挡块210的环形凸缘213下方的壳体中心腔207的部分中。浆料从增压室240流经混合器壳体203的出口端口209到泵。流增压室240还与进水端口208流体连通，除了其用于提取浆料的作用之外，还用于接收水并将其注入到混合腔室205中。选择挡块210上的流凹槽218的直径，以用作阻止直径比该凹槽大的大颗粒和碎屑与浆料一起被提取的过滤器。
现在将简要描述用于冲洗和清洁混合腔室205的挡块210的操作。图30-31、图35和图37示出了处于下部就座位置的挡块。安置表面217和206相互啮合，从而在挡块210和混合器壳体203之间形成闭合的环形界面241。由于流凹槽218仍然是流增压室240和混合腔室205之间的唯一开放的流路径，因此这个就座位置执行过滤功能。一旦制备好浆料并通过凹槽218从混合器-过滤器装置中提取浆料，挡块210就被升高到上部未就座位置(例如，参见图32和图36)。这使安置表面217和206脱离啮合，从而将环形界面241完全打开完整的360度，通过其将流增压室240和混合腔室205流体连接。挡块210仅需要升高足够远以在安置表面206和217之间形成周向连续的开口。当挡块210升高到未就座位置时，环形凸缘213的周缘保持与混合腔室205的侧壁摩擦啮合，并且通过保持环213-1的操作而静止。照此，凸缘213将变形并挠曲，而不是简单地沿着侧壁向上滑动。在非限制性示出的实施例中，凸缘213通常可以在向上翻转的位置预先成角度(例如，参见图31)，并且当凸缘随着挡块210的升高而变形时，凸缘213可以改变为水平位置(例如，参见图32)。在任何情况下，关键是环形界面214优选地在其整个圆周上完全打开。然后可将清洗水注入、混合并从混合腔室205中冲洗出来，以清洗混合器-过滤器装置100，从而将污泥从腔室中带出，以排出废物。这个冲洗步骤还对在过滤浆料时可能已经被较大的颗粒或碎屑堵塞的任何流凹槽218进行清洁。一旦完成，挡块210就返回到下部就座位置以用于下一个混合循环。
在其它可能的实施例中，流凹槽218可以替代地在混合器壳体203的环形安置表面206上形成，并且挡块210上的环形安置表面217可以替代地具有平坦的面。挡块可以由任何天然或合成弹性体材料(诸如天然橡胶、合成丁基橡胶或氯丁橡胶或其它弹性体材料)形成。上述混合器-过滤器装置200的其余部件可以由任何合适的金属或非金属材料制成。
在一些实施例中，混合器-过滤器装置200可以在成角度的位置(诸如在从大约30-60度(包括30-60度)到水平的范围内)使用。在这种配置中，入口端口208和通风口208a优选地定位在顶部的混合器-过滤器装置的最高点处。
在一些实施方式中，在将土壤样本沉积在容器中之后，可以升高和降低混合容器201以使其与混合器壳体203啮合。
化学分析子系统
参考图1，化学分析子系统3003总体包括浆料泵3333和混合盘管、包括水罐3302和泵3304的供水系统、通风口3306、包括萃取剂罐和泵3310的萃取剂系统3308、包括试剂罐3314和泵3316的试剂系统、上清液泵3312和混合盘管3318、包括坞3340和离心管3350的离心机3400，以及吸光度分析池3320。前述部件和系统经由合适的流导管(诸如但不限于管道3021，其可以是金属的、非金属的或其组合)流体耦合在一起。现在将进一步描述化学分析子系统3003的每个部件以及子系统的操作。
浆料泵3333可以是流体耦合到混合器-过滤器装置100或者替代的混合器-过滤器装置200的任何合适类型的泵。更具体而言，泵3333可以经由管道3021分别流体耦合到混合器-过滤器装置100或200的混合腔室102或205。泵3333被配置为并且可操作以使用子系统3003从腔室中提取混合的土壤样本浆料以进行化学分析。在一个实施例中，浆料泵3333可以是蠕动容积泵；但是，可以使用其它合适类型的泵。
浆料泵3333经由管道3021流体耦合到水泵3304、通风口3306和萃取剂泵3310。在一个实施例中，水泵3304从水罐3302中吸取水，水罐3302保持水的储备或供应(诸如经过滤的水)，用于冲洗和清洁浆料泵管道回路，如本文进一步所述。通风口3306允许泵3333将空气吸入浆料泵管道回路中，以帮助清洁回路。萃取剂泵3310从保持供应或储备萃取剂的萃取剂罐中抽吸。
水泵3304、萃取剂泵3310、试剂泵3316和上清液泵3313也可以是容积式泵，以调节提供给图1中所示的采样系统部件的相应流体的流量。
在此时特别需要注意的是，为了方便起见，图1仅描绘了土壤采样系统3000的单个化学处理链3000A，其包括提取系统、试剂系统、上清液泵3312、离心管3350、混合盘管3318和分析池3320。这个处理链3000A被配置为并且可操作以提取和分析土壤浆料中的植物可用的单一营养物或分析物(例如，钾、氮、磷等)。当被实现时，采样系统3000实际上可以包括多个化学处理链(例如，3000B、3000C、3000D等)，其操作以同时并行地而不是以逐个串行的方式提取和分析多种营养物或分析物。这有利地节省了处理时间，并针对所有感兴趣的营养物或分析物提供了土壤样本的完整简档。每个处理链由单个浆料泵3333、供水系统、通风口3306和离心机3400提供服务，它们经由管道3021的单独平行管路并联地流体耦合到每个处理链。
离心机3400是土壤采样系统3000的化学分析子系统3003的中央样本处理部件，该部件提供了被配置为同时并行处理多个浆料样本以对不同营养物或分析物进行化学分析的单个单元。现在将在讨论采样系统的操作之前进一步详细描述离心机和相关配件。
首先参考图43-56，离心机3400包括支撑壳体3401，该支撑壳体3401一般包括垂直的主支撑板3402、上支撑板3403和平行于上支撑板3403定向的下支撑板3405。下支撑板3405包括相对大的中心开口3415，用于通过其接纳活塞机构3600，如本文进一步所述。上支撑板3403和下支撑板3405在垂直方向上间隔开，并且可以如所示的实施例中所示水平定向，从而限定被部分或完全封住的样本处理腔室3501。每个支撑板3403、3405具有经由合适的机械连接方法(诸如但不限于焊接、钎焊、螺纹紧固件、粘合剂、夹子、互锁特征件(例如，凸片/狭槽)或其它及其组合)以悬臂方式附接到垂直支撑板3402的一个外围侧或端部。在一个实施例中，如图所示，支撑板3403和3405可以垂直于主支撑板3402定向。
离心机壳体3401还包括安全防护罩组件3404，该安全防护罩组件3404包括多个防护罩3409。当高速自旋时，防护罩封住在本文中进一步描述的离心机3400的旋转部件，从而在装备故障的情况下提供安全功能。防护罩3409可以包括弧形弯曲的防护罩、直的防护罩或其组合，如在所示实施例中所描绘的，其中前防护罩是弯曲的。直防护罩3409可以通过在每个顶端/底端上垂直延伸的突片而固定到壳体3401，该突片与在上支撑板3403和下支撑板3405中形成的互补构造的狭槽互锁。
弯曲的防护罩3409可以通过成对的弧形弯曲的上防护罩支撑件3407-1、中间防护罩支撑件3407-2和下防护罩支撑件3407-3而安装到上支撑板3403和下支撑板3405。防护罩支撑件可以具有半圆形的形状，并且如图所示垂直间隔开。在一个实施例中，每个防护罩支撑件包括接纳防护罩3409的向内开口的凹部3410，以及当安装时将防护罩捕获在凹部中的每个相对端上的向内弯曲的钩子3411。防护罩支撑件3407-1、3407-2和3407-3的半径与防护罩3409的半径互补，以提供相对紧密和牢固的安装。多个垂直延伸的支柱3408分别在上防护罩支撑件3407-1和下防护罩支撑件3407-3之间延伸。每个支柱3408的顶端和底端可以用容纳在防护罩支撑件中的配合狭槽3412中的细长突片3411端接，如图51最佳示出的。可以使用将支柱3408耦合到防护罩支撑件的其它方法。支柱3408保持上防护罩支撑件3407-1和下防护罩支撑件3407-3之间的间隔，并为防护罩组件3404增加刚性。防护罩支撑件3407-1、3407-2和3407-3可以焊接或钎焊到支柱3408上以完成刚性结构。
在一个实施例中，防护罩支撑件3407-1、3407-2、3407-3的组件可以经由垂直延伸的枢轴杆3414可枢转地耦合到壳体3401(例如，参见图43和图51)。这允许防护罩3409可枢转地打开以使得能够进入壳体内部的处理腔室3501。枢轴杆3414延伸通过支撑板3403、3405的每个相对侧上的安装孔3413。安装孔3413定位在支撑件3407-1和3407-3的外侧端部附近，其布置为接纳穿过其中的杆3414。如图43中所示，防护罩支撑件3403和3405的外侧端部可以与上下支撑板3403和3405的一部分重叠，从而为防护罩支撑件的端部提供支撑。
虽然公开了成对的上防护罩支撑件3407-1、中间防护罩支撑件3407-2和下防护罩支撑件3407-3，但是在其它实施例中，可以替代地提供单个一体的上防护罩支撑件、中间防护罩支撑件和下防护罩支撑件。在其它实施例中，可以省略中间防护罩支撑件。当然可以使用其它机构或技术来代替防护罩支撑件以将防护罩3409安装到离心机壳体3401，这并不限制本发明。
在各种实施例中，壳体板3402、3403和3405、防护罩支撑件3407-1、3407-2和3407-3以及支柱3408可以由任何合适的金属或非金属材料形成。在非限制性实施例中，可以使用铝。防护罩3409可以是金属的、非金属的或其组合。在一个实施例中，弯曲的防护罩3409可以由透明的抗冲击塑料材料形成，以允许观察离心机的操作。在一些实施例中，直防护罩3409可以由相同的材料或金属形成。
离心机3400还包括马达驱动机构3450-1，该马达驱动机构3450-1包括通过驱动机构旋转的垂直定向且可旋转的主驱动轴3700、耦合到驱动轴3700的旋转管轮觳3500，以及固定的流体交换歧管或坞3430。管轮觳3500被构造为用于以可枢转的方式安装和支撑多个样本离心管3450，如本文进一步所述。驱动机构3450-1可以由活塞机构3600作为一个单元相对于离心机壳体3401升高和降低，该离心机壳体3401可以固定地附接到支撑结构。这些部件中的每一个及其相互作用将在下面描述。如下面例示的，旋转管轮觳3500可在对接位置和非对接位置之间移动。可替代地，流体交换歧管或坞3430可以被驱动，或者旋转管轮觳3500和流体交换歧管或坞3430两者都可以被驱动以彼此对接或脱离。
马达驱动机构3450-1的主驱动轴3700垂直定向并且限定旋转轴线RA(例如，参见图47)，从而产生离心机3400的垂直中心线以用于参考目的。诸如经由锥形耦合器3706固定地耦合到驱动轴3700的下端的管轮觳3500(例如，参见图53和图71)被轴旋转或自旋以处理土壤样本。在一个实施例中，驱动机构3450-1可以包括双马达，双马达包括较大的主马达3705和较小的分度马达3704。在一个实施例中，马达由基本平面的上部和下部马达支撑件3701、3702支撑，该上部和下部马达支撑件可以由具有矩形构造的矩形金属板或非金属板制成。在一个实施例中，马达支撑件由多个管状间隔件3703垂直间隔开，以维持马达支撑件之间的间隔。每个间隔件都固定到上马达支撑件3701，并通过水平伸长的狭槽3710可滑动地连接到下马达支撑件3702(例如，参见图76)。因此，上马达支撑件可以相对于下马达支撑件可滑动地移动。在一个实施例中，可以设置四个间隔件3703，在马达支撑件3701、3702的四个拐角中的每一个附近有一个间隔件。值得注意的是，马达支撑件3701、3702是自由浮动的并且没有固定地附接到离心机壳体3401，以允许经由活塞机构3600的操作来升高和降低驱动机构，如本文中进一步描述的。
主马达3705包括由主马达的马达轴驱动的相关联的主齿轮3707。分度马达3704类似地包括由分度马达的马达轴驱动的相关联的分度齿轮3708。齿轮3707和3708都可选择性地与主驱动皮带轮齿轮3709啮合，该主驱动皮带轮齿轮3709诸如经由紧定螺钉或其它手段固定地附接到主驱动轴3700的顶端。图95中所示的齿形同步皮带(timing belt)3713缠绕并可操作地互连所有三个齿轮，以提供用于旋转主驱动轴3700的皮带驱动系统。
为了调整同步皮带3713中的张力，上马达支撑件3701在两个相对的方向之一上朝着或远离主驱动轴3700滑动，主驱动轴3700经由安装孔以水平位置固定在下马达支撑件3702中。主马达和分度马达3705、3704经由各自的安装孔以水平位置固定到上马达支撑件3701。上马达支撑件3701相对于下马达支撑件3702来回滑动允许用户适当地获得皮带中的适当张力。当调整皮带张力时，间隔件3703将在下部马达支撑件中的它们各自的狭槽3710中滑动。
主马达3705用于以相对高的速度旋转旋转管轮觳3500，以离心土壤样本。分度马达3704用于相对于流体交换坞3430在旋转位置适当地对准管轮觳并对其进行分度，以在由轮毂和坞承载的离心管3450之间交换流体。在一个实施例中，分度马达3704可以是步进马达，其输出用于啮合主驱动轴3700并以非常小的离散步长增量旋转主驱动轴3700，以实现坞和管轮觳之间的适当旋转对准。这允许主驱动轴的非常精确的速度控制和定位(即，运动控制)，其可以由系统可编程控制器控制。步进马达与管轮觳3500和离心机壳体3401上的分度特征协作，以在毂处于对接位置时实现坞3430与管轮觳3500之间适当的旋转对准。这确保流体交换坞3430中的流通道3434的集群3433与形成在离心管3450的顶表面中的流端口3451同心地对准，从而在管轮觳3500处于上对接位置时交换流体。在一个实施例中，可以提供旋转传感器(未示出)(诸如霍尔效应传感器)，该传感器检测主驱动轴的旋转位置并将其传送给系统控制器，系统控制器进而可以控制步进马达的操作和主驱动轴3700的旋转位置。
参考图43-56，坞3430包括具有中心开口3435的大致盘形的环形主体，该中心开口可以与旋转轴线RA同轴地对准，以使驱动轴3700从中穿过。坞3430诸如经由螺纹紧固件或其它手段固定地附接到上支撑板3403，并且与壳体3401保持静止。在一个实施例中，坞主体可以具有大体上固态的金属或非金属结构。在一个实施例中，坞3430可以由塑料形成。多个流孔或通道3434垂直延伸通过流体交换坞3430的顶表面3431和底表面3432，并通过它们之间的主体。流通道3434可以布置为集群3433，集群3433的数量和样式与离心管3450的数量及管的顶表面中形成的流端口的集群3451的数量匹配并且一致。当离心管3450选择性地与坞3430配合及啮合时，流端口3451和流通道3434同心地对准并且流体连通。这允许将样本浆料注入到离心管3450中并从中提取。在一种配置中，可以提供三个流通道3434和导管3451的集群。其它实施例在每个集群中可以具有更多或更少的孔/导管。
坞3430中的每个流通道3434的下端可以终止于喷嘴3436，该喷嘴3436可以至少部分地插入开口的流端口3451中，以在其间形成流体密封连接(例如，参见图56)。在一个实施例中，可以将喷嘴3436部署在形成在坞3430的底表面3432中的向下开口的孔的内部，从而形成从坞向下延伸的销状突起。
现在参考图43-52和图57-58，旋转管轮觳3500具有大致盘形的主体，其包括与旋转轴线RA同轴对准的中心开口3515，以使驱动轴3700从中穿过。锥形耦合器3706固定到驱动轴3700的底端，该锥形耦合器将管轮觳3500固定到驱动轴。在一个示例中，衬套3508进而可以经由螺纹紧固件(未示出)固定到驱动轴3700。
旋转管轮觳3500被构造为将离心管3450可枢转地安装到轮毂，以离心其中有样本浆料的管。轮毂3500包括顶表面3510、相对的底表面3511以及在所述表面之间延伸的周向延伸的外围侧壁3512(在图57中最佳示出)。旋转轮毂3500包括穿过侧壁3512形成的多个径向向外开口的外围凹部3502；对于每个离心管3450有一个凹部。凹部3502进一步向上和向下打开。这允许离心管3450在离心机旋转至高速时径向向外和向上枢转。在一个实施例中，外围凹部3502可以具有大体上直线的形状，并且可以沿着直径相对地成对布置。在一种构造中，可以设置八个凹部；但是，取决于所使用的离心管数量和要分析的土壤营养物，可以设置更多或更少的凹部。
另外参考图59-65，每个离心管3450可以通过枢轴销3459(在图57和图59中示出)可枢转地安装在相应的外围凹部3502中。枢轴销3459的相对端被接纳在形成于凹部3502的每一侧上的向上开口的销槽3503中，销槽3503也朝着凹部向内开口(例如，参见图57)。狭槽3503的深度仅部分地延伸穿过坞3500的厚度(在顶表面3510和底表面3511之间测量)，使得狭槽不会穿透底表面。这形成了可以啮合枢轴销3459的安置表面。枢轴销3459插入穿过离心管3450形成的横向定向通孔3454，使得销的端部保持暴露。因此，为此目的，枢轴销3459的长度优选地大于在通孔3454的方向上测得的离心管的横向宽度。当被安装时，销3459跨过每个管3450内的凹部3502。
为了将枢轴销的暴露的端部锁定和捕获在狭槽3503中，在一个实施例中设置了锁定帽3505，如图64和图65最佳示出的。为了将每个离心管3450安装到管轮觳3500，首先将枢轴销3459之一穿过通孔3454插入，使得销的每一端保持暴露。管3450被插入到外围凹部3502中，而销3459跨越凹部定位在销槽3503上方。离心管3450在凹部3502中向下降低，直到枢轴销3459端部进入并完全安置在一对销槽3503内。然后将锁定帽3505之一与每个狭槽3503啮合，以将销锁定在狭槽中。在一个实施例中，锁定帽3505可以被构造为与狭槽3503形成卡扣配合。在其它实施例中，代替于卡扣锁定配合或者除了卡扣锁定配合之外，还可以通过气动盖组件将锁定帽3505保持在销槽3503上的适当位置。
空气动力学盖组件的主要目的是在旋转时实现管轮觳3500组件的流线形，以减少由于空气动力学损失而引起的动力输入和噪声，因为否则带有离心管的管轮觳会充当空气叶轮。盖组件包括上盖3520和下盖3521，上盖3520和下盖3521在一个实施例中诸如经由螺纹紧固件或其它机械紧固方法固定到轮毂。图51-54示出了盖。因此，轮毂3500被夹在盖之间并被压缩，如描绘完整的轮毂组件的图66和图67中进一步所示。如所指出的，盖组件还有利地用于将锁定帽3505捕获在上盖3520下方。
继续参考图51-54和图66-67，上盖3520和下盖3521中的每一个都可以具有盘形主体，该盘形主体包括中心开口3522和在其顶表面和底表面之间完全穿过该盖形成的多个矩形管开口3523。管开口3523可以以围绕中心开口的圆周图案布置，并且如图所示是径向伸长的。管开口3523被布置为与形成在轮毂3500中的外围凹部3502的布局和布置一致，使得安装的离心管3450暴露在盖内(例如，参见图66-67)。管开口3523的径向长度的尺寸优选地被设计为当由离心机3400旋转时允许安装的离心管在开口内完全向外和向上摆动(参见图67)。离心管3452各自可在当旋转管轮毂3500静止时图66中所示的垂直位置与当轮毂被驱动机构全速旋转时图67中所示的水平位置之间成角度地移动。这确保样本由于重力或旋转加速度而经受的加速度始终远离管端口。管3450优选地被构造为具有更靠近管的顶表面3452定位的通孔3454，使得顶表面基本上与上盖3520的顶表面3524齐平，或如图66中所看到的优选地略微升高并突出到顶表面之上以与坞3430的底表面3432啮合，从而在管的流端口3451和坞3500的流通道3434之间形成密封连接，如本文先前所述。在垂直位置，离心管3450在下盖3521的底表面3525下方向下突出，使得离心管的高度的大部分在底表面3525下方延伸(例如，参见图53-54)。
为了确保离心管3450的流端口3451的集群和流体交换坞3500的流通道3434的集群之间适当地成角度对准，离心机3400还包括分度机构，该分度机构包括部署在旋转管轮觳3500和离心机壳体3401之中/之上的配合的分度特征。在一个实施例中，管轮觳3500上的分度特征包括多个周向间隔开并且向上开口的分度凹部3530，该分度凹部3530在轮毂的顶表面3510上围绕中心开口3515形成(例如，参见图57)。凹部3530与部署在离心机壳体3401中的多个互补构造且向下突出的分度突起3531配合，所述分度突起3531以与分度凹部相同的圆周图案布置。在一个实施例中，分度突起3531可以形成在环形分度环3533上，该环形分度环3533通过任何合适的手段固定地附接到流体交换坞3430的底表面3432(例如，参见图68)。具有分度突起3531的环3533表示分度系统的固定部件，而具有分度凹部3530的旋转管轮觳3500是可移动部件。在其它实施例中，替代地，分度凹部3530可以在环3533上，而突起3531位于轮毂上。环3533还包括中心开口3534，用于使主驱动轴3700和活塞支撑管3604从中穿过。前述配合分度特征与分度马达3704结合使用以实现分度凹部和突起之间的旋转对准，从而当旋转管轮觳3500处于上对接位置时允许将突起插入凹部中。
为了便于描述，现在参考图59-63和这些图中的离心管3450的垂直朝向，认识到，当离心机被操作时，当管被离心力可枢转地旋转时，管在本文先前描述的垂直位置和水平位置之间改变。离心管3450一般用于从土壤样本浆料和萃取剂混合物中分离出澄清的上清液，以进行化学分析。在一个非限制性实施例中，离心管3450可以各自具有矩形长方体，该矩形长方体包括顶表面3452、相对的底表面3453以及在顶表面和底表面之间垂直延伸的四个侧面3458。每个管3450的主体在构造上可以是完全或部分坚固的。在一个实施例中，离心管3450可以由注模塑料形成。流端口3451穿透顶表面3452，用于引入浆料-萃取剂混合物并在对浆料-萃取剂混合物进行离心之后提取澄清的上清液。这些端口包括浆料端口3455-1、上清液提取端口3457-1和清洁端口3456-1。每个端口流体连接到其各自的流体导管3455-2、3456-2和3457-2，它们从管3450内的端口垂直向下延伸。浆料导管和清洁导管3455-2和3456-2可以分别垂直定向并经由横流导管3460流体连接(例如，参见图61)。上清液提取导管3457-2与离心管3450的中心线CT以及流导管3455-2和3456-2成角度倾斜。导管3457-2流体连接到浆料导管3455-2(例如，参见图63)。没有导管穿透管3450的底表面3453。在一些实施例中，浆料导管3455-2、清洁导管3456-2和上清液提取导管3457-2可以具有高的长度直径比(L/D)，以在离心管3450水冲洗和清洁期间产生高速流，从而彻底清洁管子。在一些实施例中，每个导管的L/D可以大于10。
根据另一方面，离心机3400包括活塞机构3600，该活塞机构3600可操作以相对于固定壳体3401升高和降低马达驱动机构3450-1和可操作地耦合到它的旋转管轮觳3500。首先参考图70和图71，活塞机构3600包括限定内部腔室3603的圆柱体3601、包括环形活塞环3602的活塞3605以及延伸穿过套筒和腔室3603的细长驱动支撑管3604。圆柱体3601内的复位弹簧3607向下偏压活塞环。马达驱动轴3700垂直地延伸通过支撑管3604并且可相对于不经由马达驱动机构3450-1的操作而旋转的管旋转。轴向间隔开的环形轴承3608在管的每个端部支撑驱动轴3700进行旋转移动(图71)。支撑管3604和活塞缸3601的底部通过环形密封件3609(例如，参见图72)被流体密封到流体交换坞3430，该环形密封件3609允许该管向上或向下滑动通过坞。
圆柱体3601经由圆柱体支撑构件3406(例如，参见图53-54)固定地附接到壳体3401，并且因此在活塞的操作期间保持静止。支撑构件3406可以具有板状主体，并经由互锁的突片和狭槽固定到壳体主支撑板3402。可以使用将支撑构件3406附接到板3402的其它模式，包括例如焊接或紧固件。在一个实施例中，圆柱体3601可以通过螺纹紧固件耦合到支撑构件3406。
另外总体上参考图43-54和图70-71，活塞3605可滑动地部署在内部圆柱体腔室3603内部，以在其中向上/向下移动。活塞头部3602在该头部的圆周表面内部和外部都设有环形密封件(例如，O形环)。这在腔室3603内在头部3602与支撑管3604和缸3601之间形成了防泄漏的流体密封，以在其中保持用于操作活塞的空气或液压流体。
活塞头部3602在管的端部之间的位置处固定地附接到支撑管3604。支撑管3604的顶端进而固定地附接到下部马达支撑件3702。因而，当活塞被致动时，活塞缸3601中的活塞3605上下移动，使得附接有马达驱动器和轮觳的支撑管3604向上/向下移动(比较图72和73)。这使管轮觳3500在其上部对接位置和下部未对接位置之间轴向移动，以与处于上部位置的离心管3450交换流体(例如，浆料萃取剂、上清液或冲洗管的水-空气流)，或可替代地将管中较低位置的土壤样本离心。
现在将参考图72-73简要描述活塞机构3600的操作。在一个实施例中，活塞3605可以是气动的并且流体地连接到诸如储气罐3031的工作空气源(例如，参见图1的到离心机的空气管线)。在一个实施例中，提供了形成在流体交换坞3430中的空气导管3714(例如，参见图55)，以将工作空气引入圆柱体3601的腔室3603中。这允许将工作空气引入圆柱体腔室3603中或从圆柱体腔室3603中移除，以升高或降低活塞3605和支撑管3604组件(以及与之耦合的马达驱动器和旋转管轮觳3500)，它们共同形成由活塞致动的可移动单元。如图73所示，当未向活塞缸3601供应工作空气时，管轮觳3500通常处于默认的下部位置。管轮觳3500脱离并且在“未对接”位置与流体交换坞3430垂直间隔开。为了将管轮觳3500与坞3430“对接”，将空气供应到活塞头部3605下方的圆柱体3601的腔室3603。如图72中所看到的，这升高了活塞头部3605，其进而经由支撑管3604和马达驱动机构3450-1将管轮觳3500升高到其上部位置，直到轮毂啮合坞3430。为了使旋转管轮觳3500返回到下部位置，简单地通过诸如三通空气阀从圆柱体3601释放空气，该三通空气阀类似于本文已经关于混合器描述的那些。活塞复位弹簧3607自动使活塞、驱动机构和管轮觳向下复位。现在如图74和图75中所看到的，离心机3400准备旋转管轮觳3400并离心土壤浆料样本，其中轮毂处于较低位置。
化学分析子系统3003还包括吸光度分析池3800，用于在添加变色化学试剂后对上清液进行比色分析。某种类型的分析池通常用在吸光度测量系统中，但不用于诸如本文公开的实施例。参考图77，池3800可以包括大体上矩形的长方体3801，其可以由透明或半透明的塑料材料模制而成。一对在对角线上相对的顶部和底部拐角可以成对角线倾斜，并且限定带螺纹的入口端口3802和出口端口3803，如图所示。入口端口3802流体耦合到混合盘管3318，该混合盘管3318从上清液泵3312和试剂泵3316(例如，参见图1)接收流入物。出口端口3803将废水排放到废物/废气。入口端口3802和出口端口3803可以经由带螺纹的管连接器流体耦合到流管道3021。入口端口和出口端口通过池3800中的Z形内部流导管3804流体地耦合在一起，该内部流导管3804包括对角延伸的两个倾斜的对角部分和在其之间的水平笔直部分。如图所示，带螺纹的LED发射端口3805和接收端口3806分别在流动通道3804的笔直水平截面的端部处部署在池主体的相对侧面上。端口3805和3806直线对准。发射端口3805耦合到包括LED发射二极管的发射二极管电路板3807。接收端口3806耦合到包括LED接收二极管的接收二极管电路板3808。在操作中，从离心管3450提取的、添加并混合了试剂的上清液在入口端口3802处被接收(参见定向流箭头)。混合物通过流导管3804的第一对角线部分向上流动，在发光二极管端口端部到达导管的笔直部分。然后，混合物在与发射和接收二极管都对准的直线流动路径中水平地横跨笔直部分，在接收二极管端口端部到达流导管的第二对角线部分。由系统在流导管3804的水平笔直部分内进行样本的比色分析，从而对土壤样本中的此时正在分析的营养物或分析物进行定量。然后，上清液和试剂混合物向上流过流导管的第二对角线部分，并从出口端口3803排出。有利地，如图所示，混合物在流导管3804的笔直部分中直线地平行于由发射二极管发射的光的方向流动。这增加并最大化了样本比色分析的时间，从而提高了准确性，同时又能快速处理样本。
在一个实施例中，可以提供多个分析池3800以允许针对不同的营养物或分析物同时并行处理多个样本，从而减少对给定的土壤样本进行多种营养物或分析物的充分分析所需的时间。
图78-94是示出图1的化学分析子系统3003的化学处理链3000A的示意性流程图，其描绘了用于处理和分析土壤样本的方法或过程的顺序图。因此，这些图表示在图1的单个化学处理链3000A中发生的处理顺序。将认识到的是，在该方法的一些实施方式中，所示的相同顺序过程在土壤采样系统3000的所有处理链中同时并行执行，以分析土壤样本浆料中所有感兴趣的化学参数(分析物)，从而大大减少了样本处理时间。因此，每个处理链可以处理和分析样本中的不同分析物，以完成土壤样本的完整化学分析简档。
以下和流程图中描述的过程可以由系统可编程控制器自动控制和执行，例如在2017年11月7日提交的共同未决美国专利申请15/806,014中公开的处理系统2820。控制器可操作地耦合到图78-94中所示的部件(例如，泵、阀、离心机、压缩机等)，以控制处理顺序和通过系统的流体的流量，从而完全处理和分析土壤样本。
在流程图中，值得注意的是，粗体和粗深色线表示在所示和描述的每个过程顺序中的有效流体流动路径。气动或电动流体阀3331和空气阀155a、167的阀位置示意性地由实心或空心圆圈表示(实心圆圈＝闭合；空心圆圈＝打开)。注意流程图中的打开和闭合的阀，这些阀形成流网络的活动部分。在一个非限制性示例中，阀3331可以是气动夹管阀。
图78示出了在开始时提供土壤采样系统3000并使其准备好用于对土壤样本进行处理和化学分析。在图78中，在通过探头收集子系统3001的样本收集器(例如，收集探头)3033直接从农田收集“干燥”的样本“土芯”之后，通过经由空气阀3032输送空气脉冲，将土芯经由合适尺寸的处理管道3021气动转移(即，吹)到部署在混合器100或200(本文前面已描述)上方的样本收集/定积站160-1。由土壤收集探头3033收集的来自多个采样位置(即，不同深度和/或区域)的样本土芯可以在收集/定积站中聚集在一起以创建组合的“样本”。经由空气阀3032提供的加压空气提供了将土芯转移到站160-1的动力。然后在图79中，以本文前面描述的方式对聚集的“样本”进行定积(即，估计质量以确定要添加到混合器的混合腔室中以形成适当粘度/稠度的土壤样本浆料的水的适当量)。
在图80中，将聚集的样本转移(例如，滴入)到混合站(例如，混合器-过滤器装置100或200)中。在图81中，已经经由水泵3304以预定的水/土比将水添加到样本中，并且将其混合以形成土壤样本浆料。如图所示，在混合操作期间，连接到混合器的所有阀都闭合。在图82中，浆料泵3333将已知比例的浆料和泵送的萃取剂抽入混合回路或盘管3330中，并经过第二打开阀3331以排出/废弃，以在样本处理的下一阶段发生之前建立稳定的流。萃取剂泵3310的速率与浆料泵速率之比确定了浆料与萃取剂的比例。例如，如果浆料泵抽取的总流量为4mL/sec，而萃取剂泵以1mL/sec的速度运行，那么该比率将为3:1(总速率(样本泵)减去萃取剂的速率＝原始浆料的速率)。注意两个浆料泵隔离阀3331的打开位置。
在图83中，在这个过程中的这一点，在管道3021中有一个尚未充满土壤样本浆料的停滞流体穴(用虚线表示)，在停滞流体穴的两侧的两个接合点之间。该穴可容纳空气和/或液体。为了解决这种情况，闭合先前在浆料泵3333上游和下游打开的两个浆料泵隔离阀3331，并将流导管从单次通过装载/卸载配置改为包括管道3021的停滞部分和混合回路或盘管3330的再循环封闭泵回路配置。浆料泵3333通过闭合的泵回路向后泵送少量浆料流体，以将停滞的流体腔重新定位，因此可以在以下步骤中将其排空，并用浆料填充先前空的和停滞的管道部分，如图84中所示。
在图85中，通过打开浆料泵隔离阀3331再次将流导管重新配置，以将导管从闭合的泵回路配置改回装载/卸载配置。浆料泵3333通过管道3021泵送更多的样本浆料和萃取剂以清除停滞的穴以将其排出。
在图86中，在该过程中的这一点上，整个浆料回路(由虚线表示)以精确已知的比例充满浆料和萃取剂。在图87中，如果需要，那么可以操作浆料泵3333在所示的封闭泵回路中混合，以加速从浆料中提取分析物。如图所示，通过闭合两个浆料泵隔离阀3331并打开泵入口和混合盘管3330之间的中间阀来形成闭合的泵回路。在图88中，准备好将现已充分混合的土壤样本浆料泵送到离心机中，以从浆料中的土壤颗粒中分离出液体，从而产生用于比色分析的澄清的上清液。阀3331如图所示改变位置(即，打开/闭合)，以再次将流导管配置从再循环闭合泵回路配置重新配置为单次通过加载/卸载配置。如图所示打开先前闭合的流体连接到水泵3304的清洁阀3331和流体连接到排气口3306的排气阀3331，以允许清洁空气/水混合物被浆料泵3333吸入浆料流管道中，以便冲洗管道。加气水中夹带气泡，提高了清洁管道的效率。这个步骤还将样本浆料推至离心机3400，进入并通过离心管3450，然后流至排出/废弃。浆料泵的运行速度是水泵3304的2倍，以便将气泡吸入管道中，以便在以后进行更有效的清洁。
在图89中，离心机3400从流体交换坞3430移开，并且以本文先前描述的方式对浆料样本进行离心，以产生含有分析物(即，所关注的化学成分)的透明的上清液。在图90中，离心机3400重新停靠，然后如图所示，上清液泵3312通过流体交换坞3430经过管道3021中的试剂注入接头从离心管3450中提取或取出少量上清液。这个上清液柱包含：(1)连接点中的所有碎屑，以及(2)在添加试剂指示剂之前用作吸光度的“零点”的上清液的原始样本。离心管3450中的浆料端口3455-1(例如，参见图59等)被用作通向大气的通风口，因此当上清液被上清液泵3312提取时，空气可以代替离心管中的上清液，以防止形成会阻止从离心管中去除上清液的真空。
在图91中，试剂泵3316和上清液泵3312以期望的比率操作，以将混合物泵送通过混合盘管3318并通过流动池3800以排出/废弃。忽略初始样本(可能是脏的)，然后将样本的中间部分用作控制，最后部分是指示表示初始土壤样本的期望值的部分。
接下来清洁并冲洗流导管，以处理下一个样本。在图92中，水/空气混合物经由浆料泵3333泵送通过流导管的浆料回路部分以清洁浆料回路。如图所示，离心机3400与浆料回路流体隔离(注意阀位置)。在图93中，水/空气混合物泵送到离心机3400并通过离心管3450进行清洁。注意，通风口3306是打开的，并且主动将周围的空气吸入并以气泡的形式吸入水中，其作用是擦洗待清洁部件中的暴露表面。可替代地或附加地，如果需要，那么可以将化学物质和/或磨料颗粒引入清洁水流中以进一步促进更积极的清洁措施。在图94中，来自压缩机3030的高压空气被用来积极地推动水/空气混合物通过离心管以进行最终清洁。现在，系统准备以与上述类似的方式处理下一个样本。
将认识到的是，在其它实施例中，可以使用前述用于化学处理土壤样本的处理步骤的变化和不同次序。因此，该过程不限于本文提出的操作的数量和类型，其表示一种可能且非限制性的操作场景。
替代的上清液分离器
在一些替代实施例中，可以使用合适的过滤介质代替本文中其它地方描述的离心机3400及其离心管3450从土壤样本中分离液体以产生澄清的上清液用于化学分析。
图261是流程图，示出了与图78-94相同的基于离心机的土壤样本处理和分析系统，但是离心机3400被合适的微孔过滤器5757代替，该微孔过滤器5757被配置和构造为从土壤浆料和萃取剂的混合物中产生澄清的上清液。浆料/萃取剂混合物由浆料泵333在较高压力下泵送至经由流管道3021建立的流路径中，并通过优选为可反洗的多孔过滤器5757来选择打开/闭合某些阀3331。过滤器5757被配置和构造为承受高压。过滤器被示意性地示出。在操作中，上清液离开过滤器5757，流至上清液泵3312，然后被泵送通过样本分析回路的其余部分，在此处将上清液与试剂混合并以与本文先前已经描述过的相同的方式进行分析，如图78-94中所示。
一旦从土壤浆料中分离出上清液，就可以使用水泵3304用干净的高压液体(例如，经过滤的水)将过滤器反冲洗，以清洁过滤介质，以便在下一次土壤样本运行期间再次使用。为了完成反洗循环，可以通过选择性地组合地打开/闭合某些阀3331以使通过过滤器5757的过滤介质的过滤水流反向来重新构造由系统中的流管道3021形成的流路。如图261所示，可以提供附加的过滤器反洗流管道3021-1和阀3331以使流反向。过滤器反洗从系统中排出。
在一些实施例中，具有合适形状和结构的多孔烧结金属过滤介质可以被用于过滤器5757。图262示出了串联型过滤器5757的一个非限制性示例，该串联式过滤器5757具有被包裹在互补构造的壳体5757-1中的管状圆柱形金属过滤介质，该壳体5757-1包括各自被构造为用于连接到外部流管或管道(例如，螺纹或管道连接器)的入口接头5757-2和出口接头5757。当然，可以使用许多其它合适类型和构造的过滤器来配合用于安装和保持过滤器的装置(例如，盘形、圆锥形、实心圆柱形等)。可以使用适合于系统压力要求的其它类型的多孔过滤介质(例如，聚合物等)。优选地，所选择的过滤介质材料和形状适于反洗。
图263是流程图，示出了与本文在其它地方描述的图104-119相同的基于离心机的土壤样本处理和分析系统，该系统包括带有分析处理歧管(例如，楔)4002的转盘组件中的微流体处理或盘4000，但是在该处理中用合适的微孔过滤器5757代替了离心机3400以从土壤浆料和萃取剂混合物产生澄清的上清液。在这种情况下，过滤器5757可以被配置和构造为用于如图所示地安装在每个处理楔4002内(虚线代表楔的边界)。替代地，过滤器以与本文中其它地方关于使用离心机已经描述的相同的方式和流顺序操作。合适的外部盘外高压过滤水源可以被用于过滤器反洗操作，其以与本文已经描述的方式相似的方式通过使通过过滤介质的流反向来进行。
化学分析子系统的替代实施例
图96-136一般地描绘了基于本文先前描述的离心机3400的化学分析子系统3003的替代实施例的各个方面。但是，在这个实施例中，添加了微流体处理盘4000，其安装在流体交换坞3430上方并且与流体交换坞3430流体连通，流体交换坞3430可拆卸地流体耦合到由轮毂3500承载的离心管3450。有利的是，微流体处理盘4000是微流体设备(例如，M2D2)，其被配置为并且可操作以集成并结合整个浆料分析系统，包括如先前在图1中与处理浆料、萃取剂、试剂和上清液相关联地示出的流体泵送、混合、阀和流量分配及控制的基本上所有方面。因此，例如，泵、阀、混合和流量分配功能以构造具有活动微构件(例如，泵、阀、混合腔室等)的微流体设备的已知方式集成到微流体处理盘4000中。这消除了对需要经由管道流体互连的多个物理上离散且分开的流量控制设备(例如，泵、阀、混合腔室等)的需求，从而提高了离心机3400及其与系统的化学处理和分析部分相关联的附属部件的紧凑性。除了从土壤样本中提取的感兴趣的分析物的化学分析和定量分析之外，微流体处理盘4000还有利地提供了用于处理和控制所有前述流体的流动的单个统一平台或设备。微流体处理盘4000还提供土壤样本处理的并行化，以减少分析时间并且量化与样本相关的所有化学参数。由空气压缩机3000(图1中所示)或另一个压缩机提供的加压空气提供动力，用于根据图104-119的流程图使通过微流体处理盘4000的上述流体流过并进行处理，如本文进一步所述。
首先参考图96-103，在一个实施例中，微流体处理盘4000可以具有大体上盘形的复合体，该复合体由多层材料形成，该多层材料通过本领域中使用的任何合适的方法(例如，粘合剂、热熔合等)结合或层压在一起。在夹层构造中，每一层在微流体设备(例如，M2D2)中通常可以是基本上平面的或平坦的。一层或多层被构造和图案化为产生以已知方式嵌入微流体装置中的微型通道、腔室/储器，以及隔膜操作的阀和泵。用于构造微流体处理盘4000的层的材料可以包括刚性热塑性塑料和柔性弹性体材料片的组合。在一个实施例中，可以使用透明材料以允许目视观察在微流体处理盘4000中被处理的流体。刚性塑料可以用于形成微流体处理盘4000的整体刚性基板或主体，该微流体处理盘4000限定了其暴露的外表面，并且包括内部，内部被图案化以形成多个内部微通道4012和用于形成活动微流体流动控制设备的腔室(例如，隔膜操作的泵、阀、混合腔室等)。可以使用的热塑性塑料的示例包括但不限于例如PMMA(通常称为丙烯酸的聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)等。可以使用的合适的弹性体材料的示例包括例如但不限于硅树脂、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、氯丁橡胶和其它。弹性体材料可以用于形成微流体流量控制设备的柔性和可变形的活动部分，诸如微型泵和微型阀的可移动隔膜，这些隔膜受气压(或者水压)作用来操作这些泵和阀，用于控制微流体处理盘4000中的流体流动。这通常是通过在盘4000的较硬的热塑性层上方形成薄的柔性弹性体层(例如，硅、PDMS等)从而形成其柔性顶部来实现的，该热塑性层上图案化有与泵、阀或混合腔室相关的微通道和微腔室。向通常平坦的弹性体的顶部施加气压会使弹性体材料向下变形和偏转，以密封并闭合微通道/微室。移除气压使弹性体材料通过其弹性记忆恢复其原始的平坦状态，从而重新打开微通道/微室。这种类型的动作在本领域中是众所周知的，无需过多的详细说明。在一些实施例中，如果仅去除气压不足以满足要求，那么可以可选地施加真空以使弹性体材料返回其原始状态。
在一个实施例中，盘形微流体处理盘4000包括多个一般可互换且可分离的三角形或“饼形”化学处理楔4002。楔4002可以诸如经由合适的机械互锁特征件(例如，卡扣配合突片/狭槽等)和/或紧固件可拆卸地互锁在一起，以共同形成处理盘4000的主体。在其它实施例中，作为一些示例，楔4002可以诸如经由粘合剂或超声焊接永久地结合在一起。
微流体处理盘4000的每个处理楔4002是离散的微流体设备，在一个实施例中，其可以在处理盘结构的范围内与其它每个处理楔流体隔离(即，没有穿过盘的交叉流)。但是，在微流体处理盘的物理边界外，各个处理楔还可以流体共享连接到源流(例如，水、浆料、空气)或出口歧管(例如，废物/排气歧管)的公共入口歧管，以方便构造。每个处理楔4002是完整的化学处理设备或链，其可操作以针对不同的分析物处理和分析最初以浆料形式(来自本文先前描述的混合站之一)提供的土壤样本。有利的是，这提供了多个化学处理链(即，楔4002)，其能够结合离心机3400同时并行地针对不同的分析物(例如，植物可用的营养物或其它化学成分/特性)处理和分析土壤样本。这种并行化减少了完全处理和分析土壤样本中的多种分析物所需的时间。微流体处理盘4000被配置为并且可操作以形成可分离的到离心管3350的流体耦合，该离心管3350通过本文先前描述的中间流体交换坞3430由旋转管轮觳3500承载。流体交换坞3430流体耦合并插入在微流体处理盘4000和离心管3350之间。
每个处理楔4002可以具有截顶的楔形状，其包括顶部主表面4003、相对的底部主表面4004、相对的弧形弯曲的内表面和外表面4005、4006以及一对会聚的径向侧表面4007。侧表面4007各自限定径向参考线R1，该径向参考线R1在处理楔4002的几何垂直中心线C1处相交。当处理楔4002在微流体处理盘4000中组装在一起时，它们共同限定圆形的中心开口4014(用于类似于坞3430的中心开口3435的目的)。处理楔4002限定被定义为最接近外表面4006的外周部分或区域4008，以及被定义为最接近内表面4005的内部轮毂部分或区域4009。虽然非限制性示出的实施例包括八个处理楔4002，但是其它实施例可以使用更多或更少的楔。
在每个处理楔4002中形成多个流体交换端口。端口可以包括在处理楔的外围区域4008中以阵列形式布置的多个外部端口4010，以及在内部轮毂区域4009中以阵列形式布置的多个内部端口4011。在一个实施例中，外部端口4010可以仅穿透处理楔4002的顶部主表面4003，而内部端口4010可以仅穿透底部主表面4004。在一个非限制性实施方式中，如图所示，可以提供八个外部端口4010和三个内部端口4011。在其它实施例中可以使用其它数量的端口，并且不限制本发明。内部端口4011在数量和布置上与流体交换坞3430中的流动通道3434的集群3433(例如，参见图55-56)对应，当管轮觳3500处于上部对接位置时，该集群3433进而与形成在离心管3450的顶表面中的流端口3451匹配，用于交换流体。内部端口4011可以与流体交换坞3430中的流道3434的顶部入口相互构造，以在它们之间形成可拆卸的防漏密封接头。例如，内部端口4011可以由此在流体交换坞3430的底部上构造有图56中所示的相同类型的喷嘴3436，从而以类似的方式形成与其可分离的密封。
外部端口4010被配置为用于流体连接到外部处理管道3021(例如，参见图1)。在一个实施例中，外部端口4010可以可选地包括向上突出的管道倒钩4013，以促进耦合(例如，参见图103)。可替代地，外部端口4010可以替代地包括与内部端口4011类似地构造的凹入喷嘴3436，其也可以在没有突出的管道倒钩的情况下促进与处理管3021的流体连接。
参考图104-119的流程图，内部端口4010和外部端口4011通过内部形成在微流体处理盘4000内的微通道4012的分支微通道网络4015流体耦合在一起。在液体侧，微通道网络在内外端口之间形成流路，并将嵌入在微流处理盘4000中的流控制微流体设备流体耦合在一起。流网络4015还包括空气微通道4012，该空气微通道4012通过气动系统形成到液体微通道的空气连接和微流体流量控制设备，该气动系统可以包括所示的高压和低压空气源。由空气压缩机3000(图1中示出的示例)或另外一个压缩机/多个压缩机提供的加压空气提供了根据流程图并且如本文所述的用于使前述流体流过微流体处理盘4000并对其进行处理的动力。
每个处理楔4002的微通道4012(空气和液体)被构造和图案化为形成在图104-119的流程图中表示的功能布局和流体连接(认识到物理布局可以不同以产生所示的功能连接)。在这个图的左侧的块表示每个处理楔4002的外部端口4010，而在右侧的块表示内部端口4011。使用计算机辅助制造方法来创建所描绘的流网络(以及所示的流控制微流体设备)完全属于微流体设备制造商的范围，在此不做过多的详细说明。微通道4012可以通过通常用于构造微流体设备的任何合适的工艺或工艺的组合(例如但不限于微加工、激光铣削、激光或化学蚀刻、光刻、热压花、注塑或其它方法)形成在微流体处理盘的一层或多层中。
微通道网络4015还包括图104-119中所示的多个微流体阀、泵、混合腔室。在一个实施例中，可以使用嵌入在微流体处理盘4000内的柔性弹性体流控制层对这些微流体设备进行隔膜操作并产生这些微流体设备，该弹性体流控制层与在微流体处理盘4000内形成的微通道和腔室连通，如本文其它地方所述。微流体设备还可以包括气动的隔膜微泵，其包括萃取剂泵4020、浆料泵4021、试剂泵4022和转移泵4023。微通道4012由多个以圆圈示意性表示(实心圈圈＝闭合；空心圈圈＝打开)的气动隔膜微型阀4018打开/闭合。如果需要，那么可以根据需要可选地提供气动的微混合腔室4024以用于将土壤样本浆料与萃取剂混合，和/或在分别集成到处理楔块4002中的流分析池4027和流单元窗口4025的上游，以确保颜色改变试剂(有时也称为“指示剂”)和上清液完全混合。在一些实施例中，微混合腔室4024可以由经由窄且短的微通道连接的两个紧密流体耦合的池形成，这是微流体领域中众所周知的构造。池交替地受到空气的压力，从而在池之间循环地多次来回转移液体，从而提供充分的混合。它们的混合器可以是或可以不是隔膜操作的。但是，将认识到的是，可以使用其它类型的微流体混合器、泵和阀，并且本发明不限于所公开的非限制性示例。
图256和图257-258分别是盘上气动隔膜微型泵5760的分解图和侧视截面图，其可以用于提取泵4020、浆料泵4021、试剂泵4022、输送泵4023或可能需要的其它泵。这些泵被结合到每个盘处理楔4002的微通道网络4015中，并且将动力施加到流体以驱动流体通过盘的微通道网络和各种与流相关的特征件。所示出的微型泵和特征件各自整体地形成或模制在每个楔4002的两个相邻层内，作为其整体结构部分。图256中的图示描绘了包括微型泵的盘的一部分，认识到实际上微型泵仅由直接在盘层中形成的开口和/或凹入结构的边界限定。
每个微型泵5760是夹心结构，包括微流体处理盘4000的上层5761、邻近盘的下层5762和薄的可弹性变形隔膜5763，该隔膜5763具有弹性记忆并限定顶表面5763-1和相对的底表面5763-2。特别需要注意的是，上层5761和下层5762不一定是多层微流体处理盘4000的最上层(即，顶部)和最下层(即，底部)，而是它们之间的两个相邻中间层。在一个非限制性实施例中，上层5761和下层5762是5层处理盘4000中的中间层。
隔膜5763可以由合适的弹性体材料或聚合物制成，例如在一些实施例中为硅树脂，并且可以具有小于1mm(0.04英寸)的厚度。隔膜5763可以在没有施加气压信号时的正常平坦的备用状态与向隔膜的顶表面施加空气时向下变形的凸出的凸形致动状态之间弹性移动。隔膜5763在一种构造中可以是椭圆形的；但是，可以使用其它形状。
微型泵5760还包括凹入微流体处理盘4000的上层5761的下表面的上部泵腔室5764，以及形成在下层5762中的与上部泵腔室直接相对并垂直对齐的凹形下部泵腔室5765。在一些实施例中，上部腔室5764可以具有直的侧壁表面5764-1和平坦的顶表面5764-2。下部腔室5765凹入到下层5762的顶表面中，并且可以包括弧形弯曲的侧壁表面5765-1，其围绕腔室沿着周向延伸。如图所示，平坦的底表面5765-2在下部腔室的周边周围邻接侧壁表面。弯曲的侧壁表面确保了在多个操作周期中致动时隔膜5763不会撕裂或破裂。值得注意的是，下部腔室5765限定了微型泵的体积泵送容量，该微型泵的每次致动都将其排空。
微型泵5760还包括形成在上层5761中的与上部腔室5764流体连通的气动气压信号端口5768。端口5768优选地在上部腔室5764的顶表面中居中，并且与在上层5761正上方的盘层中形成的气动或空气微通道网络4015-1流体连通，并且流体耦合到诸如本文描述的空气源。下层5762包括用于将流体引入到下部腔室5765中的流体入口端口5766，以及用于通过微型泵5760的操作从下部腔室排放流体的流体出口端口5767。每个端口5766、5767因此与下部腔室5765流体连通。流体入口端口5766优选地在与下部腔室5765的出口端口5767的相对端处在另一端穿透下部腔室5765。流体入口端口和出口端口中的每一个都与形成在下层5762正下方的盘层中的流体微通道网络4015流体连通。在一个实施例中，上部腔室5761和下部腔室5762可以是椭圆形的；但是，可以使用其它形状。
将简要描述微型泵5760的操作。每个微型泵具有相关联的流体入口隔膜微型阀4018和流体出口隔膜微型阀4018，其分别流体耦合到微型泵的操作所必需的流体入口和出口端口5766、5767。隔膜阀的一般构造和操作与微型泵相同，包括隔膜、气压信号端口以及流体入口端口和出口端口。阀在打开位置和闭合位置之间的操作以与以下针对微型泵所述的相同方式执行，因此微型泵的结构和功能与阀类似。但是，为了节省空间，布置在微流体处理盘4000中的多个阀的尺寸通常较小，并且与旨在保持化学处理和土壤分析所需的预定体积的液体的微型泵的细长特征件相比，阀通常利用圆形隔膜和上下腔室。单个控制信号可以命令多个歧管中的(一个或多个)泵、(一个或多个)阀或者(一个或多个)泵和(一个或多个)阀同时致动。单个控制信号可以命令歧管中的多个泵、多个阀或者多个泵和阀同时致动。
图257示出了处于初始平坦未致动或待机条件的泵。隔膜5763完全嵌套在上部泵腔室5764内，并且不向下突出到下部泵腔室5765中。隔膜被捕获在上部盘层5761和下部盘层5762之间的上部腔室5764中。在这个阶段，没有空气施加到隔膜。首先闭合流体出口隔膜微型阀4018，然后打开流体入口隔膜阀，以便用要从微通道网络4015泵出的流体(例如，土壤浆料、萃取剂、试剂、上清液或其它液体)填充隔膜下方的下部腔室5765。然后闭合流体入口隔膜微型阀4018，并且打开流体出口隔膜微型阀4018。
为了泵送容纳在下部泵腔室5765中的流体量，从空气阀控制的空气源经由气压信号端口5768将空气供应到隔膜5763的顶部。气压向下驱动隔膜，该隔膜变形并大体上与下部腔室5765的形状一致，从而通过流体出口端口5767及其相关联的出口微型阀4018排出流体。隔膜5763现在处于如图258所示的变形凸状致动条件。在泵送完成之后，从气压信号端口5768释放气压，并且隔膜5763返回其原始未变形的平坦准备条件，为下一个泵送循环做好准备。
在测试中，发现如果在下部泵腔室5765内提供光滑的表面(左部画面)，那么柔性隔膜5763有时会被吸入流体出口端口5767中以过早地产生气动信号或使得流体液体侧相通。遗憾的是，这在隔膜完全移位/变形之前阻碍了流体的流动和泵送，并阻止了下部腔室中的液体被完全排出。这造成每次致动泵送的流体的体积不一致，这会对正确的浆料处理和分析产生不利影响，因为每个泵送室的容积都是精心预先确定的，并且要严格确保化学品(例如，试剂、萃取剂等)以适当比例与浆料混合。
为了解决前述的隔膜和泵送问题，凹入的下部泵腔室5765优选地设置有多个“防滞(anti-stall)”凹槽5769，其用于防止柔性隔膜5763被吸入流体出口端口5767和阻塞流量。这也防止隔膜通过形成抽吸而附接到下部泵腔室的大体平坦的底表面5765-2，而没有完全从下部泵腔室的平坦的底表面5765-2释放。因此，防滞凹槽5769被构造为防止隔膜5763粘附到下部泵腔室5765，从而有利地允许隔膜5763在每个泵送周期内充分且可靠地置换下部腔室的基本上全部体积流体内容物，从而确保分配的流体量的准确性和最终土壤浆料分析的准确性。如图256中所示，优选地在下部腔室5765内的所有表面(例如，侧壁表面5765-1和平坦的底表面5765-2)上切割或以其它方式形成凹陷的防滞凹槽5769。在一个实施例中，凹槽5769可以被布置为凹槽的双向的垂直相交的栅格阵列，如图所示形成一定程度的棋盘图案。在其它实施例中，凹槽可以是单向的，并且由沿着下腔室5765的长轴或短轴或与轴成对角线布置的多个不相交且间隔开的平行凹槽形成。在一些实施例中，在上盘层5761中形成的上部泵腔室5764可以包括与下部腔室5765中的凹槽在构造上相似或不同的防滞凹槽。可以提供任何合适的图案和数量的凹槽。
微通道网络4015还可以包括多个预定体积的微容器，用于容纳和分级萃取剂、试剂、浆料等以进行处理。在一个实施例中，这可以包括萃取剂微储器4030、土壤浆料微储器4031、试剂微储器4032和上清液微储器4033。如图所示，微储器4030-4033可以由微通道的紧密间隔的一系列波状回路形成。每个微储器的样本非限制性体积容量如图104-119中所示。但是，当然可以使用其它体积容量。
图104-119是描绘了用于处理和分析土壤样本的方法或过程的顺序视图的示意性流程图。这些图表示在微流体处理盘4000的单个处理楔4002中发生的处理顺序。将认识到的是，在该方法的一些实施方式中，在处理盘4000的所有处理楔4002中同时并行地执行所示的相同顺序过程以分析土壤样本浆料中所有感兴趣的化学参数(分析物)，从而导致样本处理时间显著减少。因而，每个处理楔4002中相同的对应气动微型泵、微型阀和微型混合腔室可以经由共同的控制空气头或通道和空气阀同时致动。因此，每个处理楔4002可以处理和分析样本中的不同分析物，以完成土壤样本的完整化学分析简档。
下面和流程图中描述的过程可以由系统可编程控制器自动控制和执行，例如2017年11月7日提交的共同未决的美国专利申请No.15/806,014中公开的处理系统2820。控制器可操作地耦合到低压和高压空气供应，诸如空气压缩机3030和储气罐3031(例如，参见图1)。可以诸如通过采用减压阀站以任何合适的已知方式来产生低压空气，该减压阀站从储气罐3031吸取，该储气罐可以包含由压缩机3030产生的高压空气。因此，所有与空气供应相关的部件(压缩机、(一个或多个)储罐，以及阀)都可以由系统可编程控制器(例如，处理系统2820)控制。当然可以使用用于气动控制微流体处理盘4000的操作的其它低压和高压空气源，诸如单独的压缩机。
在流程图中，值得注意的是，粗体和粗深色线表示在所示和所述的每个过程顺序中的有效流体流路径。气动隔膜微型阀4018的阀位置用实心或空心圆圈示意性表示(实心圆圈＝闭合；空心圆圈＝打开)。
再次重申，如前所述，流程图左侧的方框表示相应处理楔4002的外部端口4010，而右侧的方框表示楔的内部端口。在一个实施方式中，外部端口4010可以包括高压空气入口4010-1、低压空气入口4010-2(其也被配置为在需要时用作通风口)、萃取剂入口4010-3、清洁溶液4010-4、浆料样本入口4010-5、试剂(指示剂)入口4010-6、低压排气出口4010-7和高压排气出口4010-8。提供给入口4010-4的清洁溶液可以是任何合适的溶液，包括去离子水或其它。内部端口4011可以包括从处理楔4002到离心机3400(即，离心管3450)的浆料样本出口4011-1、从离心机3400的上清液入口4011-2，以及从离心机的离心机废物入口4011-3。当然，可以提供其它类型和数量的外部和内部端口4010、4011。
图104示出了在开始时提供微流体处理盘4000和具有微通道网络4015的处理楔4002，并准备用于对土壤样本进行处理和化学分析。在图105中，将来自本文先前描述的混合站的土壤浆料样本(例如，混合器过滤器装置100或200)和来自提取罐3308的萃取剂(例如，参见图1)泵入样本/萃取剂测量回路(储器)中，以浆料与萃取剂的精确预定比例填充微储器4030和4031。需要注意的是，短暂打开了通往出口4010-7的低压排气通道，以便不仅驱动来自活动微通道4012的任何空气，而且还非常短暂地将一些浆料和萃取剂排放到废物中，以确保在闭合浆料和萃取剂源之前将微储器4030、4031完全填充。同样值得注意的是，在这些以及其余流程图中的闭合/打开阀4018位置打开和闭合了微通道网络4015的微通道4012中的各种流路径。
在图106中，将浆料样本和萃取剂测量回路(储器)一起泵送到可选的第一微混合腔室4024中，在那里进行混合。在一些情况下，可以在微通道4012内实现样本和萃取剂的充分混合，从而避免对单独的微混合腔室的需要(因此在图中用“？”表示)。如图所示，隔膜操作的微型泵4020、4021用低压空气加压，以实现流体的泵送。在图107中，将浆料样本和萃取剂完全混合。在图108中，将萃取剂/样本混合物从第一微混合腔室4024泵送到离心机3400中进行处理。在图109中，将上清液和试剂分级并泵入其各自的测量回路(即，上清液与试剂的精确预定比例的微储器4033和4032)。一些上清液和试剂非常短暂地经由流路径倾倒至废物至低压排气出口4010-7，以确保这些微容器完全充满。在图110中，上清液和试剂被泵送到第二微混合腔室4024。注意，包含微混合腔室4024、除泡器4026和流池窗口4025的微通道流路是活动的，并且流体连接到低压排气出口4010-7。在图111中，在第二微混合腔室4024中执行上清液和试剂的完全混合，从而引起溶液的颜色变化，以供吸光度分析流池4027经由下游流池窗口4025进行检测。在图112中，将在其中掺有分析物的上清液和试剂混合物泵送通过除泡站中的除泡器4026，该除泡器4026除去了夹带在混合物中的任何残留气泡。液体流中的气泡会在下游流分析池427中造成体积异常，并对分析准确度产生不利影响。除泡器是本领域中众所周知的设备，无需进一步的详细说明。
在图113中，将掺入分析物的上清液/试剂混合物泵入吸光度流分析池4027的流池窗口4025中，以与先前本文关于吸光度流分析池3800讨论的相似的方式(例如，参见图77)由吸光度流分析池4027进行比色测量。与流分析池3800相反，该流分析池4027与处理楔4002的一部分一体形成并直接结合到其中。图120和图121示意性地描绘了楔4002的包含吸光度流分析池4027和流池窗口4025的部分，吸光度流分析池4027和流池窗口4025在处理楔的结合层结构内形成。在所示的示例性非限制性构造中，这些层包括三个硬塑料层4000-1(例如，PC等)，形成顶层、底层以及图案化有前述微通道和其它流体控制设备(诸如微型泵、微型阀和微型混合腔室)的中间层。薄的柔性弹性体层4000-2(例如，硅等)直接在中间硬层4000-1的顶部上形成，以用作流体控制设备的隔膜。在一个实施例中，流分析窗口4025可以是横向加宽的菱形腔室(例如，参见图121)。LED发射二极管组件4040和LED接收二极管组件4041分别安装在流分析窗口4025的上方和下方。二极管组件4040、4041附接到窗口4025上方和下方的处理楔4002的最外顶表面和底表面，如图所示，但是与窗口和处理楔4002中的液体流流体隔离。层4000-2可以具有在流分析窗口4025的正上方形成的切口，该切口的尺寸和形状与发射二极管组件4040对应，以避免对发射的分析光束的可能的反射/折射干涉。
在操作中，液体试剂和上清液混合物流过流分析窗口4025(例如，参见固体液体流箭头)。当流体流过窗口4025时，发射二极管组件4040将光穿过窗口和其中的液体发射和照射到接收二极管组件4041，以便以已知方式进行比色测量。样本混合物液体流中分析物的测量值被传输到系统可编程控制器，以进行分析和定量。在分析期间，需要注意的是，样本混合物连续地流过流池窗口4025，流向低压排气出口41010-7，然后在此处将其倾倒为废物。
值得注意的是，如果可以在微通道本身内实现完全混合，那么在一些情况下可以省略上述的微混合腔室4024。因此，当需要时，微混合腔室4024是可选的。
在已经以上述方式对土壤样本进行充分处理之后，将系统可编程控制器配置为发起清洁循环，以准备用于处理新土壤样本的微流体处理盘4000。在图114-117中，如图所示，清洁溶液和低压空气各自被选择性地和交替地泵入并通过增强的活动样本回路微通道4012并通过离心机3400到达高压排气出口4010-8。这清除了这些部件和微通道中残留的土壤浆料和化学品。经过数个交替的清洁溶液和净化空气循环周期之后，通过微通道和离心机进行处理，图118示出，此时，样本回路和样本回路微通道的增强段上游的流路中只有空气。在流路的增强段中留有包含空气和清洁溶液的混合物的柱。在图119中，所示的微型阀4018打开以允许来自高压空气入口4010-1的高压空气迫使空气/清洁溶液混合物柱(被增强的)通过离心机3400。然后，高压空气吹扫离心机，并流到高压排气出口4010-8，从而完成清洁周期。
在其它实施例中，将认识到的是，可以使用单独的和离散的吸光度分析池(诸如独立的吸光度流分析池3800)来代替结合到微流体处理盘4000的化学处理楔中的整体吸光度流分析池4027。有利的是，通过消除容纳离散流分析池所必需的空间要求，整体吸光度流分析池4027导致了离心机3400的更好的紧凑性。
参考图259-260，在一些实施例中，可以加热微流体处理盘4000以维持土壤样本浆料、化学品和水的粘度和流动性，从而更好地处理它们，特别是在较冷的天气和较冷的气候带中。示出了具有本文所述的多层构造的单个处理楔4002。作为示例，示出了外部端口4010、内部端口4011(在此之前进行了描述)以及一些中间端口4010-1。如上所述，在处理和混合之前，在切片内经由电阻加热垫4050加热化学药品和土壤样本浆料，该电阻加热垫4050加热每个切片或楔4002以优选地在楔中保持恒定的温度。如图所示，垫4050与楔互补构造。优选地，加热垫4050固定在每个楔的顶表面4051和底表面4052两者，以维持表面之间的均匀热量分布。每个加热垫4050包括端口4010、4010-1和4011，它们与在处理楔4002的主体中形成的那些相同的端口同心地对准。加热垫4050连线到为土壤采样和分析系统处理装备提供的合适的主电源。
(一个或多个)温度传感器4054监视楔温度并经由有线或无线通信链路4055与加热器控制电路系统4053通信，在一个实施例中，该加热器控制电路4053可以是本地的并且安装在加热垫4050之一上。在其它实施例中，加热器控制电路可以不是板载的，而是相对于微流体处理盘4000在远端位于土壤采样和分析系统中。加热器控制电路4053可以经由合适的有线或无线通信链路4055通信链接到主系统可编程控制器(诸如中央处理器(CPU)2820)，以与控制器交换由传感器4054测得的实时温度数据。
除了加热垫4050之外，或者代替加热垫4050，在某些其它实施例中，在进入各个处理楔4002之前，可以使用上游的未附接到每个处理楔4002的其它合适的(一个或多个)预切片热交换器来预热浆料样本、化学品和/或处理水。作为一个示例，在图264-266中示意性地示出的将处理水供应到微流体处理盘4000或本文所述的其它化学处理系统的处理净化/过滤水罐5741可以可选地通过外部和/或浸入式元件或加热器5742的一个或多个单独的电阻加热，以便在天气凉爽时使用。
图122-129描绘了可用作图1中的池3800的替代品的独立吸光度流分析池4150的替代实施例。可以将池4150或3800替换为包括在图104中所示的处理楔4002中的整体流分析池4027。池4150具有多层复合结构，其包括顶部外层4155-1、底部外层4155-5以及以垂直堆叠关系布置的三个内层4155-2、4155-3和4155-4。可以通过任何合适的方法(包括例如通过粘合剂、热熔、超声焊接等)以所示顺序将各层接合或层压在一起。可以使用任何合适的热塑性塑料，诸如本文先前所述的用于构造微流体处理盘4000的那些。在一个实施例中，每一层可以由透明丙烯酸形成。
入口管道连接器4151和出口管道连接器4152提供经由流管道3021到图1中的上清液和试剂混合物流管道的流体连通。如果与处理楔4002一起使用以代替整体流分析池4027(因此将从楔中省略)，那么入口管道连接器4151可以流体连接到紧接在除泡器4026下游的楔上的匹配的管道连接器。然后，上清液和试剂混合物流体将直接从除泡器出口流至流分析池4150，以进行比色分析。在一个实施例中，管道连接器可以被配置为管道倒钩；但是，也可以使用其它类型的管道流连接器。
上清液和试剂混合物流过形成在顶部外层4155-1和最上面的内层4155-2中的流端口4156(例如，参见图124)。在中间内层4155-3中形成有细长的狭缝状的流池窗口4157。流进入入口管道连接器4151到达流池窗口4157的一端，横穿该窗口，并离开出口管道连接器4152。
来自图120的LED发射二极管探头4040和LED接收二极管探头4041将分别在外层中的传输开口4153和4154处安装在流分析池4150的上方和下方(例如，参见图129)。开口4153、4154的尺寸与二极管探头的主体互补，并且完全穿透顶部和底部外层，以高效地将分析光透射通过流经流分析池的液体样本。LED探头4040、4041和开口4153、4154与流池窗口4157的中心垂直对准。在一个实施例中，流池窗口4157可以横向加宽以形成某种菱形，其宽度与LED探头的直径对应。当流横穿流池窗口4157时，分析光从发射二极管探头4040横向穿过流池窗口到达接收二极管探头4041，以便以已知的方式执行试剂和上清液混合物的比色，以量化其中所含分析物的浓度。
需要注意的是，最上面和最下面的内层4155-2和4155-4为与二极管探头相关联的传输开口4153、4154提供了坚固的表面，以使探头与流分析池4150中的上清液和试剂混合物流体隔离。
为了容纳微流体处理盘4000，对本文先前描述的离心机3400进行了修改，以允许将盘4000安装在马达驱动机构3450-1的顶部，马达驱动机构3450-1重新定位到在旋转管轮觳3500的下方的离心机底部，旋转管轮觳3500耦合到驱动机构的驱动轴3700。图130-136描绘了改进的离心机4200，其可以包括本文先前关于离心机3400描述的大多数初级离心机部件；虽然一些已如图所示重新布置。注意的是，这些图中省略了防护罩，以更好地示出离心机4200的操作部件。
参考图130-136，离心机4200一般包括马达驱动机构3450-1、可枢转地安装到旋转管轮觳3500的多个离心管3450(该旋转管轮觳3500机械地耦合到驱动机构的驱动轴3700)、固定流体交换坞3430、用于升高和降低管轮觳的气动活塞机构3600以及微流体处理盘4000。马达驱动机构3450-1可以至少包括主马达3705，并且在一些实施例中可以具有与前述相同的驱动组件，该驱动组件还包括分度马达3704以及齿轮3707-3709和同步皮带3713的组件(例如，参见图43-54、图76和图95)。驱动机构3450-1安装在旋转管轮觳3500、活塞机构3600、流体交换坞3430和微流体处理盘4000的下方。主驱动轴3700限定旋转轴线RA，该旋转轴线RA产生离心机4200的垂直中心线以用于参考目的。
提供了稍微修改的主支撑壳体4202，其支撑离心机4200的前述部件。壳体4202可以具有与先前描述的支撑壳体3401相同的总体构造和构件。壳体4202一般包括垂直的主支撑板4202-1、上支撑板4202-3、平行于上支撑板定向的下支撑板4202-2以及可选的底座4202-4，底座4202-4用于固定地或者经由多个垂直可调的支脚4202-5安装在水平支撑表面上。在一些实施例中，特别是当离心机4200安装到分离的支撑框架(诸如配备有轮式收集车的支撑框架，该轮式收集车具有能够操作以从田地收集土壤样本的内燃机驱动器)时，底座4202-4可以被修改或省略，包括可调的支脚。
壳体4202的上支撑板4202-3和下支撑板4202-2在垂直方向上间隔开并且可以如图所示的实施例所示水平地定向，从而限定部分或完全闭合的样本处理腔室3501。每个支撑板4202-3、4202-2可以具有经由合适的机械连接方法(诸如但不限于焊接、钎焊、螺纹紧固件、粘合剂、夹子、互锁特征(例如，突片/狭槽)或其它及其组合)以悬臂方式附接到垂直支撑板4202-1的一个外围侧或端部。在一个实施例中，如图所示，支撑板4202-3、4202-2可以垂直于主支撑板3402定向。
支撑壳体4202的上部支撑板4202-3包括相对大的圆形中心开口4202-6，用于将流体交换坞3430的直径较窄的下部安装并容纳在其中，并从中穿过，并由上支撑板支撑(例如，参见图135-136)。微流体处理盘4000直接安装在流体交换台3430的顶部，如本文先前所述。旋转管轮觳3500组件(包括盖3520、3521)安装在上支撑板4202-3下方。这允许旋转管轮觳3500被活塞机构3600在离心机4200的样本处理腔室3501中在其上部对接位置和下部未对接位置之间轴向地升高和降低，以在上部位置与离心管3450交换流体(例如，浆料-萃取剂、上清液或管冲洗水-空气流)，或者在下部位置在管中离心土壤样本。
流交换坞3430可以包括从坞的底表面向下突出的多个周向间隔开的管行程挡块4203。当通过活塞机构3600的操作使管轮觳3500下降和升高时，行程挡块4203可选择性地插入形成在旋转轮觳组件的上盖3520和下盖3521中的多个矩形管开口3523中。另外参考图66，当离心管3450处于垂直位置且管轮觳3500处于与流体交换坞3430啮合的上部对接位置时，行程挡块4203被接纳在管开口3523的外部空缺部分中，如图136中最佳示出的。当在流体交换坞与管之间从微流体处理盘4000或向微流体处理盘4000交换流体时，这有利地将离心管维持并紧紧地保持在垂直竖立位置，这确保了坞与管之间的紧密的防漏密封以防止泄漏。
离心机4200的操作与本文先前针对离心机3400所述的基本相同，并且为了简洁起见，将不整体重复。总之，旋转管轮觳3500通过活塞机构3600在离心机4200的样本处理腔室3501中在其上部对接位置和下部未对接位置之间轴向地升高和降低，以与离心管3450交换流体(例如，参见图72-75)。当旋转管轮觳3500处于下部未对接位置以离心土壤样本时，离心机4200由马达驱动机构3450-1以相同方式旋转。驱动轴3700和马达驱动机构3450-1从旋转管轮觳3500悬挂并且通过活塞机构与旋转管轮觳3500一起升高和降低。
如本文已经指出的，本文公开的农业采样系统、子系统和相关过程/方法可以被用于处理和测试土壤、植被/植物、肥料、饲料、牛奶或其它感兴趣的与农业相关的参数。特别地，本文公开的系统的化学分析部分(化学分析子系统3003)的实施例可以被用于测试土壤以外的其它区域中的与化学相关的许多参数和分析物(例如，所关注的营养物/化学品)；以及植物/植被采样。一些非限制性示例(包括土壤和植物)如下。
土壤分析：硝酸盐、亚硝酸盐、总氮、铵、磷酸盐、正磷酸盐、多磷酸盐、总磷酸盐、钾、镁、钙、钠、阳离子交换容量、pH、阳离子的基础饱和度百分比、硫、锌、锰、铁、铜、硼、可溶性盐、有机质、过量石灰、活性炭、铝、氨基糖硝酸盐、氨氮、氯化物、C：N比、电导率、钼、质地(沙、淤泥、粘土)、囊肿线虫卵数、矿化氮和土壤孔隙空间。
植物/植被：氮、硝酸盐、磷、钾、镁、钙、钠、阳离子的基础饱和度百分比、硫、锌、锰、铁、铜、硼、氨氮、碳、氯化物、钴、钼、硒、总氮和活植物寄生线虫。
肥料：水分/总固体、总氮、有机氮、磷酸盐、钾肥、硫、钙、镁、钠、铁、锰、铜、锌、pH、总碳、可溶性盐、C/N比、氨水氮、硝酸盐氮、氯化物、有机物、灰分、电导率、凯氏氮、大肠杆菌、粪大肠菌群、沙门氏菌、凯氏总氮、总磷酸盐、钾肥、硝酸盐氮、水溶性氮、水不溶性氮、氨氮、腐殖酸、pH、总有机碳、堆积密度(包)、水分、硫、钙、硼、钴、铜、铁、锰、砷、氯化物、铅、硒、镉、铬、汞、镍、钠、钼和锌。
饲料：丙氨酸、组氨酸、脯氨酸、精氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、苏氨酸、胱氨酸、赖氨酸、色氨酸、谷氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸(需要粗蛋白)、砷、铅、镉、锑、汞。
维生素E(β-生育酚)、维生素E(α-生育酚)、维生素E(δ-生育酚)、维生素E(γ-生育酚)、维生素E(总量)、水分、粗蛋白、钙、磷、ADF、灰分、TDN、能量(可消化和可代谢)、净能量(增益、泌乳、维持)、硫、钙、镁、钠、锰、锌、钾、磷、铁、铜(不适用于预混合物)、饱和脂肪、单不饱和脂肪、Omega 3脂肪酸、多不饱和脂肪、反式脂肪酸、Omega 6脂肪酸(需要粗脂肪或酸性脂肪)、葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、黄曲霉毒素(B1、B2、G1、G2)、DON、伏马菌素、O曲毒素、T2-毒素、玉米赤霉烯酮、维生素B2、B3、B5、B6、B7、B9和B12、卡路里、氯化物、粗纤维、木质素、中性洗涤剂纤维、非蛋白质氮、硒美国专利、总碘、总淀粉、维生素A、维生素D3和游离脂肪酸。
饲料：水分、粗蛋白、去酸纤维ADF、NDF、TDN、净能量(增益、泌乳、维持)、相对饲料价值、硝酸盐、硫、铜、钠、镁、钾、锌、铁、钙、锰、钠、磷、氯化物、纤维、木质素、钼、亚硫酸和硒USP。
牛奶：黄油、纯蛋白质、体细胞计数、乳糖、其它固体、总固体、添加的水、牛奶尿素氮、酸度、pH、抗生素测试和微生物。
样本收集探头
活塞操作的样本收集探头
图137-152描绘了地面啮合犁刀组件5000的实施例，该组件具有安装在其上的样本收集装置或探头，该探头包括活塞操作的土壤样本收集探头。犁刀组件5000包括以活塞机构5020形式的机载凸轮操作的样本收集探头，该活塞机构5020被构造为并可操作用于当犁刀或刀片5001翻滚并切入地面时在所选择的深度处收集土壤土芯样本(表面和地下)，然后将土芯弹出到收集容器中。犁刀组件5000可以安装到被牵引的农具的框架上，该农具由发动机驱动的轮式/履带式样本收集车(例如，拖拉机等)拉动穿过田地以收集土壤样本。
犁刀组件5000一般包括：圆盘形样本收集犁刀或刀片5001，其被构造为与土壤5002啮合并切割/穿透土壤5002至低于其表面5003的深度DP1；刀片轮毂5004，用于将刀片安装到其上；外部轮毂套圈5007，固定地附接到轮毂并且可随其旋转；以及环形轴承5008。提供凸轮机构，其包括环形凸轮环5006和由活塞机构5020限定的从动件5021，如本文中进一步描述的。犁刀组件以附图所示的方式组装并在下面进一步描述。
刀片5001优选地由合适的圆形金属平板形成，并且可以具有尖锐的环形外围边缘以更容易地穿透土壤。可以使用任何合适直径的刀片，部分地取决于要收集土壤样本的深度。
轮毂5004可以是凸缘管，其包括径向凸缘部分5004-3和从凸缘部分突出的管状部分5004-2。如图所示，管状部分5004-3可穿过刀片5001的中心开口5005插入，以将刀片安装到其上。当刀片安装到轮毂上时，凸缘部分5004-3与刀片的第一侧表面5001-2啮合。管状部分5004-2从刀片5001的相对的第二侧面5001-1向外突出，并且与刀片的旋转轴线RA1同轴对准，由刀片的垂直于侧表面5001-1、5001-2的中心开口5005限定。在一个实施例中，轮毂5004的凸缘部分5004-3可以经由多个螺纹紧固件5001-3(例如，参见图139)固定地附接到刀片5001，该多个螺纹紧固件5001-3可以通过配对的安装孔5001-4插入。这将刀片5001锁定到轮毂5004。轮毂5004限定向外开口的孔5004-1，该孔在其中接纳轮轴5009的端部，如图143和图144所示。轮毂5004可通过任何合适的机械手段(包括固定螺钉、热缩配合或其它一些非限制性示例)固定到轮轴5009。如图所示，孔5004-1的一端可以封闭，以限制轮轴5009在轮毂中的插入深度。
轮毂套环5007可以类似地是凸缘管，其包括径向凸缘部分5007-1和从其轴向突出的管状部分5007-2。如图所示，轮毂5004的管状部分5004-2可插入通过套环5007的管状部分5007-2。可以通过任何合适的方式(诸如经由穿过套环的管状部分5007-2插入到轮毂的管状部分5004-2中的紧定螺钉)将套环5007固定到轮毂5004。这确保套环与轮毂一起旋转。
在一个非限制性实施例中，环形轴承5008可以是球面辊轴承、深沟球轴承或一组圆锥辊轴承，包括各自在常规操作中相对于彼此可旋转的内座圈或内环5008-1和外座圈或外环5008-2。内环5008-1固定地耦合(例如，螺纹连接/螺栓连接)到套环5007的凸缘部分5007-1(不是紧固件孔)，并且与套环和刀片轮毂5004一起旋转。套环的管状部分5007-2插入通过轴承5008的中心开口5008-3。内环5008-1表示轴承的旋转部分。外环5008-2固定地耦合到凸轮环5006并且表示轴承的固定部分。内环5008-1和外环5008-2经由它们之间的环形轴承表面界面以典型的方式相互可滑动地啮合。
凸轮环5006被构造为用于诸如经由安装支架5010固定附接到轮式收集车的框架。因此，当刀片5001被拉动穿过土壤时，凸轮环5006和轴承外环5008-1保持静止并相对于框架、内环5008-2和刀片-轮毂-套环组件固定在适当的位置。支架5010可以具有任何合适的构造，包括如图所示的T形。在一个实施例中，支架5010可以螺栓连接到凸轮环5006和收集车的框架(注意紧固件孔)。
凸轮环5006具有大致平面的环形主体，该环形主体包括中心开口5006-4、第一主表面5006-1、与第一主表面平行的相对的第二主表面5006-2和在表面之间延伸的外围侧面5006-3。在一个实施例中，第一主表面5006-1可以是平坦的。当组装时，第二主表面5006-2面对刀片5001，并且限定凹进该表面的沿着圆周延伸的环形凸轮轨道5006-5。凸轮轨道5006-5围绕凸轮环的中心开口5006-4延伸完整的连续360度，并且间隔在中心开口和外围侧5006-3之间。
特别参考图145-146，凸轮轨道5006-5一般限定不对称构造的梨形凸轮凸角剖面，其包括与中心开口5006-4径向均匀地间隔开第一径向距离D1的基部曲线部分5006-6(由虚线表示的范围)，以及限定弧形弯曲的顶点5006-8的鼻或凸角部分5006-7(由虚线表示的范围)。凸角部分5006-7的包含顶点的部分从基部曲线部分径向向外间隔开并且距中心开口大于距离D1的第二径向距离D2。D2可以表示最大距离，而D1可以表示最小距离。在一个实施例中，可以在基部曲线与凸角部分5006-6、5006-7之间提供凸轮轨道5006-5的过渡部分5006-9，其中径向距离在第一和第二距离D1、D2之间变化。如图所示，凸角部分5006-7可以位于凸轮环5006的四分之一，而基部曲线和过渡部分可以占据其余四分之三的大部分。
在一个实施例中，凸轮环5006可以具有单件式整体结构，其中凸轮轨道5006凹入环的一侧，如本文先前所述。在其它实施例中，凸轮环5006可以是离散的环形外环构件和内环构件的组件，其以刚性方式固定到公共的环形背板上(例如，参见凸轮环5506，图208-210)。环形构件径向间隔开以限定凸轮轨道5006-5。对于凸轮环组件的更多细节，参考本文对凸轮环5506的描述。
在收集和排出由刀片5001捕获的土壤样本土芯时，凸轮轨道5006-5致动活塞机构5020。活塞机构5020包括：细长的土壤样本收集套筒或圆柱体5022，其具有在端部之间延伸的打开的内部贯通通道；以及细长的活塞杆5023，当在凸轮环5006中由凸轮轨道致动时，该活塞杆5023以线性和径向往复的方式在圆柱体内可滑动地来回运动。收集圆柱体5022在形成在刀片中的细长径向狭槽5024中固定地安装到刀片5001。圆柱体5022可以以一种构造被焊接到刀片。因此，活塞机构5020与刀片5001一起旋转，以捕获土壤样本土芯。在一个实施例中，狭槽5024可以是穿透刀片的两个主表面5001-1、5001-2的通槽。狭槽5024限定径向致动轴线AA，活塞杆5023沿着径向致动轴线AA在圆柱体5022内往复运动。轴线AA与刀片中心开口5005的中心相交并且垂直于旋转轴线RA1。收集圆柱体5022可以突出到刀片5001的主表面5001-1、5001-2上方，以促进捕获土塞或土芯(例如，参见图143)。
凸轮从动件5021固定地部署在活塞杆5023的内端5023-1上，并且可操作地啮合凸轮轨道5006-5。在一个实施例中，从动件5021可以是T形的，具有相对的端部，该相对的端部类似地突出到刀片5001的主表面5001-1、5001-2的上方；一端插入凸轮轨道(例如，参见图148)。凸轮从动件5021可以是圆柱形的并且垂直于活塞杆5023定向。管状衬套5025可以可旋转地部署在凸轮从动件上以与凸轮轨道5006-5对接。因此，当从动件随着刀片5001旋转而在周围穿过该轨道移动时，衬套5025提供与凸轮轨道5006-5的平滑滚动/滑动啮合，从而使活塞杆5023基于凸轮轨道的形状在位置上来回线性往复运动(注意到凸轮环5006保持静止，如本文先前所述)。从动件和凸轮轨道将刀片5001的旋转运动转换成活塞杆5023的线性运动，以从收集圆柱体5022捕获土芯并将其排出。
活塞杆5023的外端5023-2可以相对于杆的邻接部分沿着直径方向扩大。在刀片5001旋转时杆5023的操作期间，外端5023-2选择性地打开或闭合收集圆柱体5022的外部土壤收集端5022-2和其中的一对横向孔5022-1。圆柱体外端与径向狭槽5024的外端5024-2向内隔开，以在刀片5001中形成开口间隙或凹部5024-3，以允许土壤进入圆柱体5022的外端5023-2或从圆柱体5022的外端5023-2排出。在一个实施例中，狭槽的内端5024-1可以与刀片5001的中心开口5005相交。管状杆保持端盖5026可以安装到圆柱体5022的内端5022-3以将杆5023保持在其中。为此，端盖5026具有比活塞杆50223的扩大的外端5023-2更大的通孔。因此，杆的其余部分的直径小于通孔，以允许杆通过端盖5026来回滑动。
现在将参考图149-152描述犁刀组件5000用于捕获和排出土壤样本的操作。图149A示出了处于第一操作位置的样本收集活塞机构5020。当刀片5001旋转通过土壤时(参见这些图中的旋转方向箭头)，活塞机构的收集圆柱体5022此时位于地面或土壤5002的表面5003上方。凸轮从动件5021被示为刚好离开凸轮环5006中的凸轮轨道5006-5的过渡部分5006-9。如图149B中所示，经由从动件5021的操作，活塞杆5023处于齐平位置，使得活塞杆的外端5023-2与圆柱体5022的外端5022-2齐平。这闭合了圆筒5020的另一个端部5022-2，以防止土壤进入圆柱体。
图150A示出了刀片5001进一步旋转，其中样本收集活塞机构5020处于第二操作位置。在这个位置，收集圆柱体5022在土壤的表面5003下方。现在在凸轮轨道5006-5的基部曲线部分5006-6中示出了凸轮从动件5021。因为基部曲线部分5006-6更靠近刀片5001的中心开口5005，所以这将活塞杆5023在缸体5022内径向向内拉动。如图150B所示，活塞杆5023现在通过从动件5021的操作而处于缩回位置，使得活塞杆的外端5023-2不再与圆柱体5022的外端5022-2齐平，而是凹进圆柱体5022的外端5022-2(注意，由于没有活塞杆端部，现在可以看到后部横向孔5022-1)。因此，在圆柱体5022的终端外端5022-2中形成空穴，该空穴限定收集端口，以便土壤进入圆柱体以填充空穴，从而在活塞机构被驱动到地面时捕获土塞或土芯(参见土壤定向箭头)。发生这种情况(即，活塞杆5023缩回以打开圆柱体5022的端部5022-2)的确切定时可以通过改变凸轮轨道5006-5各个部分的形状和长度来进行调整，以便改变土壤样本收集深度。通过提供在刀片5001周围沿着周向间隔开并且具有不同径向长度的圆柱体的多个活塞机构，也可以改变收集深度。这将改变圆柱体的收集端分别相对于距刀片5001的中心开口的径向距离落下的位置。在一些实施例中，可以提供具有长度不同的圆柱体5022的多个样本收集活塞机构5020。
图151A示出了刀片5001进一步旋转，其中样本收集活塞机构5020处于第三操作位置。在这个位置，收集圆柱体5022再次在土壤的表面5003上方。但是，凸轮从动件5021保持在凸轮轨道5006-5的基部曲线部分5006-6内。如图151B中所示，活塞杆5023保持在缩回位置，土芯仍卡在圆柱体5022的外端5022-2中(注意，由于没有活塞杆端部，现在可以看到后横向孔5022-1)。在圆柱体5022的端部5022-2中形成空穴，以便土壤进入圆柱体以填充空穴，并在活塞机构被驱动到地面时捕获土壤(参见土壤定向箭头)。发生这种情况(即，活塞杆5023缩回以打开圆柱体5022的端部5022-2)的确切定时可以通过改变凸轮轨道5006-5各个部分的形状和长度来进行调整，以便改变土壤样本收集深度。
图152A示出了刀片5001进一步旋转，其中样本收集活塞机构5020处于第四操作位置。在这个位置，收集圆柱体5022仍然在土壤的表面5003下方。现在示出了凸轮从动件5021在凸轮轨道5006-5的凸角部分5006-7中。因为凸角部分5006-7距离刀片5001的中心开口5005最远，因此这将活塞杆5023在圆柱体5022内径向向外推动。如图152B中所示，活塞杆5023现在通过从动件5021的操作而处于突出位置，使得活塞杆的外端5023-2延伸超过圆柱体5022的外端5022-2，从而有效地弹出捕获的土塞或土芯(参见土壤定向箭头)，捕获的土塞或土芯进而由收集容器收集，以使用本文所述的混合和化学分析系统的其它部分进行进一步处理和分析。
可旋转的轴样本收集探头
图153-178B描绘了地面啮合犁刀组件5100的实施例，该地面犁刀组件5100用于以可旋转收集轴5101形式的车载样本收集装置或探头来收集土壤样本。可以提供多个成角度间隔开的收集轴。每个收集轴5101相对于组件的犁刀或刀片5001绕径向旋转轴旋转，并且包括由链轮机构5103致动以交替地打开和闭合收集端口的一个或多个可打开/可闭合的收集端口5102，如本文进一步描述的。端口5102被布置为当犁刀刀片滚动并切入地面时在不同的预选深度处取回土壤样本塞或土芯。然后将土芯从收集轴5101弹出/提取并转移到收集容器中。可以将犁刀组件5100安装到由发动机提供动力穿过农田的轮式样本收集车(例如，拖拉机等)的框架或由其牵引的拖车上，以收集土壤样本。
犁刀组件5100一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形主体或刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007，以及环形轴承5008。为了简洁，这里将不再描述这些部件。本犁刀组件以附图所示的方式组装并在下面进一步描述。
收集轴5101可以具有细长的实心圆柱体主体，其包括沿着其长度轴向间隔开的多个侧向打开的收集端口5102。如图所示，收集端口5102可以是从轴5101的两个相对侧开口的通孔。轴的其余两个侧面都是坚固的，并且是闭合的。在所示的实施例中，端口5102可以是径向细长的狭槽的形式；但是，可以提供其它形状的端口，包括圆形端口。取决于所需土壤样本的数量和深度，可以提供任何数量的收集端口5102。
收集轴5101安装在刀片5001上，并且可以在细长的径向狭槽5107中相对于刀片独立旋转。因此，轴5101被刀片5001支撑，并且在刀片5001穿过土壤移动以捕获土壤样本土芯时与刀片5001一起按角度旋转。但是，收集轴5101也独立于刀片5001而绕其自身的旋转轴线Rc旋转，以根据轴的旋转位置选择性地收集土壤样本。在一个实施例中，狭槽5107可以是贯穿刀片的两个主表面5001-1、5001-2的通槽。在一个实施例中，狭槽可以是大致T形的，在狭槽的内端处具有连续的、比更长的笔直径向部分5107-2更宽的侧向部分5107-1。
狭槽5107的径向中心线限定收集轴5101的径向旋转轴线Rc，该径向旋转轴线Rc垂直于刀片5001的旋转轴线RA1，旋转轴线RA1由附接到刀片轮毂5004上的轮轴5009限定。轴Rc与刀片中心开口5005的中心相交。
收集轴5101通过部署在该轴的各端的内侧和外侧轴承5106可旋转地支撑在狭槽5107中的刀片5001上。包括圆柱形衬套在内的任何合适类型的轴承都可以被用于支撑轴。可以提供一对径向细长的引导护罩5108；其中每一个安装在狭槽5107的相对侧上(或者在狭槽内或者与其相邻)。防护罩5108可以与刀片5001的主表面5001-1、5001-2基本齐平地安装，或者如所示的实施例中所示的那样略微突出到主表面的上方。防护罩5108可以由通过点焊或其它方式固定地附接到狭槽的每一侧上的刀片5001的平坦金属带形成。收集轴5101可旋转地部署在防护罩5108之间。轴承5106进而可以固定地安装到防护罩5108，并且收集轴5101如前所述由轴承可旋转地支撑。防护罩5108帮助在刀片5001上在狭槽5107内正确地放置并定位收集轴5101和/或轴承(例如，衬套)。值得注意的是，引导防护罩还有利地在旋转到闭合位置时帮助遮蔽和阻塞轴5101中的收集端口5102，以防止土壤在不希望收集时进入端口。
收集轴5101可在打开位置和闭合位置之间旋转，在打开位置，收集端口5102打开以捕获土壤，在闭合位置，收集端口闭合以防止土壤进入收集端口。在打开位置，收集轴5101的收集端口5102可以至少略微突出于引导防护罩5108上方，以促进土壤样本进入收集端口5102。另外，在打开位置，轴5101的收集端口5102背向远离狭槽5107并且被暴露以捕获双打开端口的任一侧的土壤。在不期望土壤样本的闭合位置，轴5101的收集端口向内朝着狭槽5107和刀片5001的平面的相对侧。这使收集轴的实心侧暴露于土壤，从而防止土壤进入收集端口5102。另外，在闭合位置，收集轴5101可以至少在端口位置处被构造为具有非圆形的截面，因此其外部剖面与引导防护罩5108部分或基本齐平，以进一步防止土壤沿着其方向进入挡板5108下方的收集端口5102。因而，在一个非限制性实施例中，收集轴5101的相对的实心侧可以是平面的或平坦的，并且具有收集端口5102的轴的开放侧可以是弧形弯曲的和凸的，以增强前述的捕获土壤样本的功能。
为了使收集轴5102在其打开位置和闭合位置之间致动并旋转，提供了旋转机构(诸如链轮机构5103)，以旋转收集轴5101，以选择性地收集预定深度处的土壤样本。在一个实施例中，链轮机构5103包括环形凸轮定时或分度环5104和在与该环啮合的内侧轴承5106处固定地附接到收集轴5101的内端的链轮5105。如本文先前所述，分度环5104经由支架5101固定地安装到发动机驱动的轮式采样车的框架(类似于凸轮环5006)。因此，当刀片5001和收集轴5101绕轮轴5009旋转时，分度环5104保持静止。
参考图165-172，链轮5105可以是安装在收集轴5101内端的任何类型的齿轮形或齿形链轮、齿轮、嵌齿轮、(一个或多个)杠杆或其它几何形状(以下简称为“链轮”)，该链轮具有被设计为可操作地啮合布置在分度环5104上的具有凸轮剖面的一个或多个配合分度片段5104-5的构造。在一个实施例中，提供了多个分度片段5104-5。分度片段5104-5在侧视图中各自可以具有波状的凸轮构造或剖面，其可操作地啮合并旋转链轮5105。分度片段可以各自包括一系列交替的凸出突起或齿、斜面和凹部，其顺序和尺寸被选择为啮合和致动/旋转链轮臂或凸耳5105-1，进而在其随着与犁刀5100旋转时旋转收集轴5101。分度片段5104-5以预定间隔沿着周向间隔开，该预定间隔由在分度环5104上的不致动或旋转链轮的平坦区域间隔开。凸轮剖面片段5104-5在环形分度环上在平面图中可以具有弧形弯曲的形状。
分度环5104具有大致平坦的环形主体，该环形主体包括中心开口5104-4、第一主表面5104-1、与第一主表面平行的相对的第二主表面5104-2和在表面之间延伸的外围侧面5104-3。在一个实施例中，第一主表面5104-1可以是平坦的。当组装时，第二主表面5104-2面对刀片5001并且包括分度片段5104-5。在一些实施例中，可以设置两个或更多个分度片段5104-5。在非限制性示出的实施例中可以设置四个，它们可以在圆周上以均匀的弧长间隔开。分度片段5104-5以特定的离散间隔或位置围绕分度环周向间隔开，所述特定的离散间隔或位置被选择为以预定间隔结合刀片5001的旋转定时致动(即，旋转)收集轴5101以打开或闭合轴中的样本收集端口5102，从而收集土壤样本。因此，分度片段5104-5被用于与刀片5001的旋转位置配合来精确地对链轮5105进行定时和旋转定位，以通过基于刀片和收集轴5101的旋转位置(例如，在土壤上方或在土壤中以及深度)打开或闭合收集端口5102来捕获或不捕获土壤样本，如本文中进一步描述的。
图164描绘了侧向透视图，其示出了分度片段5104-5的一个示例的剖面。图163是取自图162的分度片段的截面。在所示的非限制性实施例中，分度片段可以包括一对圆弧间隔开的抬升的凸起或齿5110、5114。在齿之间形成有凹部或谷5113，该凹部或谷5113的深度限定了分度环5104的厚度T2(在顶部主表面5104-1和底部主表面5104-2之间进行测量)，例如，该厚度T2小于环的没有分度的平坦部分的基线厚度T1。在一个实施例中，谷5113可以通过分度环5104的短的平坦部分5115与前齿5110分开，该短的平坦部分5115的圆弧长度小于前后齿5110、5114之间的圆弧长度。这在谷5113前方的前齿5110的后侧处限定了平坦的壁架或架子5112。谷5113可以部署在后齿5114的前侧并邻接该齿。后/前齿或侧面在本文中通过犁刀5100和链轮5105的定向旋转来限定，因为链轮最初啮合并旋转通过每个分度片段5104-5。在一个实施例中，前齿5110可以在前侧上包括倾斜的斜坡5111，以更逐渐地啮合并旋转链轮5105的凸耳5105-1。在齿的顶点与环的底表面5104-2之间测量的每个齿5110、5114处的分度环5104的厚度T3大于环的平坦部分5115的基线厚度T1。在其它实施例中，分度片段5104-5和齿/谷的其它数量和构造是可能的。
在一个非限制性实施例中，链轮5105可以包括多个径向突出的臂或凸耳5105-1，其布置为与分度环5104的分度片段5104-5啮合。在这个示例中，设置了四个凸耳5105-1；但是，其它实施例可以具有更多或更少的凸耳。如图所示，凸耳5105-1可以布置为两个对角线对，它们在链轮上均匀地间隔开。
将认识到的是，在其它可能的实施例中，链轮5105可以是具有均匀齿的常规齿轮传动链轮，齿延伸整个360度，并且每个配合分度片段5104-5可以是齿轮或齿条，具有被选择为与链轮的齿啮合的常规齿。在其它实施例中，可以使用相互配置并啮合的链轮和分度片段的其它布置。
现在将参考图173A-178B简要描述犁刀组件5100用于捕获和排出土壤样本的操作。通过改变分度器的几何形状(即，分度环5104上的分度片段5104-5的位置和数量以及它们的构造)，犁刀组件5100可以被用于在犁刀旋转的任何点处闭合或打开收集轴5101上的收集端口5102。
图173A-B示出了犁刀组件处于第一操作位置，收集轴5101处于大约8点钟位置(刀片剖面的左下象限)。样本收集轴5101处于完全闭合位置，旋转为使得收集端口5102对于土壤的进入是闭合的。刀片5001和轴组件沿着逆时针方向(在图中从左到右弧形地)旋转，并且链轮5102即将与分度环5104接触。当刀片5001旋转穿过土壤时(在这些图中参见刀片和轴的旋转方向箭头)，收集轴5101位于地面或土壤5002的表面5003上方。应当记住，刀片和轴相对于固定在轮式样本收集车的框架上的保持固定的分度环5104旋转。
图174A-B示出了犁刀组件处于第二操作位置，该第二操作位置进一步向下旋转到更接近6点钟位置。样本收集轴5101仍处于闭合位置，在收集端口5102闭合的情况下旋转。但是，当刀片5001旋转穿过土壤时，收集轴5101现在已经穿透地面或土壤5002的表面5003。链轮5102已经与分度片段5104-5之一(即，前齿5110)初始啮合，以发起收集轴5101的旋转。
图175A-B示出了犁刀组件处于第三操作位置，该犁刀组件比以前更向下旋转至更靠近6点钟位置。链轮5102进一步与分度片段啮合，该分度片段继续旋转收集轴5101，并进一步打开样本收集端口5102，该样本收集端口5102仍然不够开放以收集土壤。分度片段5104-5将链轮的后凸耳踢下，以使链轮的前凸耳下垂。收集轴5101处于部分打开的位置，但是在这个接合处大约小于打开一半的位置。
图176A-B示出了犁刀组件处于第四操作位置，几乎在6点钟位置进一步向下旋转。链轮5102现在与分度片段5104-5更加完全啮合。链轮的前凸耳被分度片段拉回，分度片段继续旋转收集轴5101，并进一步打开样本收集端口5102，使它们大约打开一半。这是收集轴5101在其完全闭合位置和完全打开位置之间的中间点。
图177A-B示出了处于第五操作位置的犁刀组件，其中收集轴5101进一步向下旋转至土壤中的垂直6点钟位置。链轮5102进一步与分度片段5104-5啮合，分度片段5104-5继续将收集轴5101旋转至其完全打开位置，而面向外的收集端口5102现在完全打开以取回土壤样本塞或土芯。通过改变分度环5104相对于分度片段5104-5的分度特征(即，齿、谷等)的构造和设计、其数量以及沿着环的位置，可以在犁刀5001和收集轴5101的任何旋转位置改变端口打开的位置和容器保持打开的时间长度。进行这样的调整以实现收集端口的期望的打开和闭合定时在本领域技术人员的能力范围之内，而无需进一步的过度阐述。
图178A-B示出了犁刀组件处于第六操作状态，此时收集轴5101向上旋转超过6点钟位置，更接近3点钟位置。当刀片5001和收集轴5101旋转超过第一分度秒时，第一分度片段5104-5已经从链轮5102脱离。第二分度片段5104-5现在已经与链轮5102啮合和脱离，从而使其进一步旋转，使得收集轴5101返回到其完全闭合位置，如图所示，随着犁刀组件继续滚动，收集端口5102再次完全闭合；该过程与刚才描述的暴露收集端口的过程非常相似。链轮5102被示为与第二分度片段5104-5脱离，并且在分度环5104的平坦部分5115之一上行进，该平坦部分5115不可操作以啮合并旋转收集轴5101，从而维持其闭合位置。
一旦犁刀组件(例如，刀片5001和收集轴5101)旋转到收集轴5101位于地面或土壤表面上方的位置，然后下一个相继的分度片段5104-5就啮合并旋转链轮5105，以再次将收集轴旋转到其完全打开位置，这样收集的土壤样本(例如，土塞或土芯)可以通过任何合适的手段(例如，经由加压空气吹向收集端口或插入机械弹出器，诸如穿过端口的杆或杠杆，作为一些非限制性示例)。
滑块样本收集探头
图179-185描绘了地面啮合犁刀组件5200的实施例，该犁刀组件5200用呈线性可移动收集滑块5201形式的机载样本收集探头来收集土壤样本。收集滑块5201可沿着垂直于犁刀5001的旋转轴线RA1的致动轴线AA径向移动。每个滑块操作以选择性地打开/闭合在刀片中的径向狭槽5203内形成的对应收集凹部或端口5202。收集端口5202可以在其主表面之间完全延伸穿过刀片5001。滑块5201由固定的凸轮环5204(例如，类似于本文先前描述的凸轮环5006)致动，以随着犁刀刀片5001旋转而交替地打开和闭合收集端口。端口5102被布置为并且可以被构造为当犁刀刀片滚动并切入地面时以相同或不同的预选深度取回土壤样本塞或土芯。然后将收集的土芯从收集端口5202弹出/提取，并转移到收集容器。犁刀组件5200可以安装到由发动机提供动力的轮式样本收集车(例如，拖拉机等)的框架或拖车上，该轮式样本收集车横穿农田以收集土壤样本。
犁刀组件5200一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形犁刀刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007以及环形轴承5008。为了简洁和清楚起见，这些部件将不在这里再次描述并且在图179-185中未示出。为了简单起见，刀片轮毂5004、轮毂套环5007和轴承5008由虚线轴表示。本犁刀组件以附图所示的方式组装并在下面进一步描述。
收集滑块5201可以具有细长的实心矩形主体，该主体具有刚性的棒状构造(在图181中最佳示出)。滑块5201占据每个径向狭槽5203的长度的大部分，并且优选地大于其长度的3/4，但是不占据整个狭槽的长度，以允许在每个径向狭槽的外侧端中形成可打开/可闭合的收集端口5202。滑块5201通过固定在刀片5001的相对侧(即，刀片主表面5001-1和5001-2)上的多个安装带5205可滑动地保持在每个径向狭槽5203中。带5205跨接或桥接在收集滑块5201上并在其上方跨接，从而在径向狭槽5203内将滑块捕获在其间。带5205可以通过任何合适的方式(诸如但不限于点焊、粘合剂、紧固件或其它)固定地附接到犁刀刀片5001。带5205可以成对的配对彼此直接相对地布置在刀片主表面5001-1和5001-2上。
通过由环形凸轮环5204和安装在收集滑块5201的内端的从动件5206提供的凸轮机构，选择性地并自动地致动收集滑块5201。每个滑块5201经由凸轮环5204的构造可彼此独立地线性地和径向地移动。凸轮环5204被构造为用于诸如经由图137和图139中所示的安装支架5010固定附接到轮式收集车的框架。因此，凸轮环5204相对于犁刀刀片5001保持静止并固定在适当位置上，该犁刀刀片具有当刀片被拉过或推过土壤时旋转的收集滑块5201。
凸轮环5204可以在结构和构造上与凸轮环5006相似，并且包括在本文中之前详细描述的相同的组成部分/零件，为简洁起见在此不再重复。在一些实施例中，凸轮轨道5006-5的形状可以类似于凸轮环5006，或者凸轮环5204可以具有360度凸轮轨道，其具有不同的构造。在任一种情况下，凸轮轨道5006-5的部分与凸轮环5204的中心开口5006-4之间通过改变径向距离D1(最小)和D2(最大)而间隔开，以选择性地使收集滑块5201径向向外和向内滑动。凸轮轨道5006-5内的其它位置可以在距离D1和D2之间变化。
在一个实施例中，从动件5206可以由环形轴承5207形成，该环形轴承5207通过任何合适的手段安装到每个收集滑块5201的内端。在一个示例中，轴承5207可以是球轴承。在一个实施例中，从动轴承5207可以经由诸如螺母和螺栓5208组件之类的紧固件安装到滑块5201；诸如螺母和螺栓5208组件穿过轴承和滑块中的孔，如图所示。当从动件5206沿着凸轮环5204中的环形轨道移动时，这允许从动件5206围绕限定从动件轴线的螺栓旋转。与每个收集滑块5201相关联的从动件5206将行进通过凸轮轨道5006-5并在凸轮轨道5006-5周围循环，以选择性地致动滑块并打开/闭合收集端口5202。
在操作中，当犁刀刀片5001旋转时，凸轮轨道5006-5被构造为在刀片的不同旋转位置选择性地打开和闭合收集端口5202，以收集土壤样本或防止收集土壤样本(这类似于本文先前描述的凸轮环5006的操作)。每个滑块5201被独立地致动以在其旋转到土壤中时在其径向狭槽5203内完全径向延伸以闭合其收集端口5202，从而不允许收集样本。在刀片5001进入土壤之后，通过凸轮轨道5006-5与从动件5206(表示轨道的与距离D1相关联的部分)之间的相互作用，以期望的深度将嵌入土壤中的滑块5201完全径向向内拉入。这完全打开了径向狭槽5203的外侧端处的收集端口5202，以取回土壤样本。在收集端口5202旋转出期望深度之前，滑块开始闭合以将样本保持在端口中。凸轮环5204经由凸轮从动件5206继续对收集滑块5201施加压力，从而使收集的土壤样本被打包并保持在收集端口5202中。在样本离开土壤之后，凸轮环5204开始打开滑块5201以释放样本上的压力，从而允许提取样本。在土壤表面上方的某个位置，以与本文已经针对活塞操作的犁刀组件5000所述的方式相似的方式以气动或机械方式移开土壤样本。在提取之后，当刀片5001继续旋转时，现在空的收集端口5202然后经由凸轮环5204由滑块5201完全重新闭合，然后滑块5201再次进入土壤。当滑块5201再次进入土壤并达到期望的收集深度时，收集端口5202将再次以前述相同的方式打开以取回第二土壤样本。值得注意的是，这个过程对于部署在犁刀刀片上的多个样本收集滑块5201和收集端口5202中的每一个进行。因而，可以由一个下级滑块5201同时或半同时地收集样本，并从另一个上级滑块提取样本。可以设置任何期望数量的滑块。
将认识到的是，通过配置凸轮环5204的凸轮轨道5006-5的形状来对收集端口5202的打开/闭合进行定时，可以在各种深度处收集土壤样本。设置适当的凸轮环构造以用于在期望的深度处收集样本是本领域技术人员众所周知的。
收集滑块5201的外部终端5201-1和径向狭槽5203的外部终端5203-1(在其间限定收集端口5202)可以具有限定收集端口5202的形状的各种构造。图179-185示出了形成收集袋直线几何形状的滑块和狭槽的笔直终端(图182中最佳示出)。图186示出了具有可变几何形状的滑块和狭槽的另一种非直线的波状的终端形状。这种几何形状产生了多个弧形弯曲和凹形子袋5203-2，非常适合收集和保留各种土壤。子袋5203-2可以具有与所示相同或不同的尺寸。其它几何形状可以被用于收集端口5202。
图187示出了具有凸轮轨道5006-5的凸轮环5204如何被配置为通过滑块5201的操作以定时方式打开或闭合收集端口5202的非限制性示例，以使用犁刀刀片组件5200收集、保持和取出土壤样本。这个图示出了当刀片5001旋转通过土壤时单个收集滑块5201和端口5202的旋转进程，并且是不言自明的。将认识到的是，刀片5001将包括多个成角度/周向间隔开的收集滑块，例如如图179中所示。
图188示出了用于使用单个犁刀5001在不同深度收集土壤样本的样本收集犁刀组件5200的替代变型。虽然图179-187中的收集滑块5201和径向狭槽5203各自具有相同的长度，但是犁刀组件5230中的滑块和径向狭槽具有不同的长度。这将收集端口5202放置在距犁刀刀片的中心不同的径向距离处。因此，这种设计允许使用单个刀片5001在土壤中的不同深度处收集样本。
具有被遮蔽的端口的滑块样本收集探头
图189-196描绘了地面啮合犁刀组件5300的替代实施例，其用于利用机载样本收集探头以线性可移动收集滑块5301的形式收集土壤样本。包括细长的收集滑块5301的犁刀组件5300与上文描述的犁刀组件5200基本上完全相同，并且以相同的方式起作用。收集滑块5301经由环形凸轮环5204和安装在收集滑块5301的内端的从动件5206所提供的相同的凸轮机构被选择性地并且自动地致动。为了简洁，这里将不重复这些相同的部件及其用于收集土壤样本的操作。
相比之下，犁刀组件5300中所实施的本设计变型的不同之处在于，每个滑块5301还包括多个面向外的收集端口5302，收集端口5302沿着滑块的长度沿着径向间隔开以捕获不同深度的土壤样本。收集端口5302可以优选地是穿过贯穿滑块的两个相对侧(例如，前侧和后侧)的开口，以允许将提取的土壤样本从端口机械地或气动地排出以用于化学处理/分析。在一个实施例中，收集端口5302可以是圆孔或小孔。
滑块5301中的每个收集端口5302具有一对相关联的安装带5205，其固定到刀片5001的相对侧(即，刀片主表面5001-1和5001-2)；与犁刀组件5200相同。如本文先前所述，带5205跨接或桥接在收集滑块5201上或在其上方桥接，从而在径向狭槽5203内将滑块捕获在其间。带5201与犁刀刀片5001一起旋转并且相对于它保持固定。滑块5301以与本文先前描述的滑块5201相同的方式操作，因此在带下方沿着径向线性方向往复运动。
但是，犁刀组件5300中的带5205充当防护罩，当刀片5001旋转通过土壤时，其交替地暴露或隐藏其下方的收集端口5302。如图190-192中所示，滑块5301可在第一径向位置和第二径向位置之间移动，在第一径向位置，收集端口5302缩回并被带5205覆盖以防止土壤样本/土芯的收集(例如，参见位于3点钟位置的滑块)，在第二径向位置，收集端口从带下方露出并暴露在外(例如，参见位于6点钟位置的滑块)，以便在暴露于下方时捕获土壤样本，或者在暴露于上方时提取收集的样本。
在操作中，当犁刀刀片5001旋转时，每个滑块5301在其径向狭槽5203内线性往复运动，这是由于与固定凸轮机构(即，每个滑块上的凸轮环5204和从动件5206)相互作用引起的。如图190中所示，在刀片旋转时，这种线性运动交替地暴露或隐藏收集端口5302(注意在6点钟位置处的打开端口以及在9点钟和10点钟位置处的闭合端口)。图195和图196还分别示出了处于闭合位置和打开位置的端口5302。
犁刀组件5300一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形犁刀刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007以及环形轴承5008。为了简洁和清楚起见，这些部件将不在本文再次描述，并且在图189-196中未示出。为了简单起见，刀片轮毂5004、轮毂套环5007和轴承5008由虚线轴表示。本犁刀组件以图中所示的方式组装。
可旋转心轴收集探头
图197-206描绘了地面啮合犁刀组件5400的实施例，该地面犁刀组件5400用于用机载样本收集探头来收集土壤样本。收集探头可以包括管状组件，该管状组件包括可旋转的内部收集心轴5401，该可旋转的内部收集心轴5401被封在空心的外部防护罩管5403内，该空心的外部防护罩管5403固定地安装到犁刀刀片5001并且可随其旋转。可以在犁刀刀片5001上设置多个成角度间隔开的成对收集心轴和防护罩管。每个收集心轴5401相对于组件的犁刀刀片5001绕径向旋转轴线Rc旋转，并且包括一个或多个可打开/可闭合的收集端口5402，由本文先前描述的链轮机构5103的凸轮环5104致动以交替地打开和闭合收集端口，如本文进一步所述。当犁刀刀片滚动并切入地面时，端口5402被布置为在不同的预选深度处取回土壤样本塞或土芯。然后将土芯从收集心轴5401弹出/提取，并转移到收集容器中。犁刀组件5400可以安装在由发动机驱动的穿过农田的轮式样本收集车(例如，拖拉机等)的框架或由其拉动的机具上，以收集土壤样本。
犁刀组件5400一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形主体或刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007，以及环形轴承5008。为了简洁，这里将不再描述这些部件。本犁刀组件以附图中所示的方式组装并在下面进一步描述。
收集心轴5401可以具有细长的实心圆柱体主体，其包括沿着其长度轴向间隔开的多个侧向打开的收集端口5402。如图所示，收集端口5402可以是从心轴5401的两个相对侧敞开的端口。轴的其余两个侧面都是坚固的，并且是闭合的。在所示的实施例中，端口5402可以是横向于旋转轴线Rc延伸的圆形通孔的形式；但是，可以提供其它形状的端口，包括狭缝形式的细长端口。取决于所需土壤样本的数量和深度，可以提供任何数量的收集端口5402。
每个外部防护罩管5403包括沿着管的长度形成的多个间隔开的窗口5404，以提供通向心轴5401中的收集端口5402的通路。因此，每个窗口位于防护罩管5403上，以与管内的心轴5401中的匹配的收集端口5402对准。因此，收集端口和窗口5404沿着防护罩管5403和心轴5401的长度具有相同的间隔。这形成成对的收集端口和同心对准的窗口。窗口5404可以补充地被配置为收集端口5402。在非限制性示出的实施例中，窗口5404和收集端口5402各自具有圆形形状。在其它实施例中，窗口5404和收集端口5402可以具有其它形状，诸如配对的成对细长槽。如图所示，防护罩管窗口5404优选地是延伸穿过防护罩管5403的两个相对的暴露侧的贯通开口。轴的其余两侧是坚固的，并且是闭合的。
防护罩管5403部署在刀片5001中的每个细长径向狭槽5203中。管5403的相对的弧形圆周壁在刀片的每个主表面5001-1、5001-2的上方向外突出，以更好地捕获土壤。每个防护罩管5403诸如经由焊接或其它合适的固定手段牢固地固定或安装在狭槽5203中的刀片5001上。因此，随着刀片5001的旋转，防护罩管5403相对于刀片5001保持静止。但是，安装在防护罩管5403内部的收集心轴5401可相对于它的管绕每个心轴的由轴线刀片5001的径向中心线限定的径向旋转轴线Rc旋转。因此心轴5401在防护罩管5403内部相对于刀片独立地旋转。
收集心轴5401由多个径向间隔开的轴承5405可旋转地支撑在防护罩管5403内部，如图204-206最清楚地示出的。如图所示，轴承5405可以具有环形的圆形形状，并且可以由心轴的在轴承之间的直径扩大部分(相对于心轴的其它部分)形成。在一个实施例中，轴承5405可以形成为整体式心轴主体的一体的整体结构部分。在一种布置中，收集端口5402通过轴承形成，以在每个端口中提供最大体积以收集土壤样本。在预期的其它实施例中，收集端口5402可以形成在心轴5401的在轴承5405之间的直径较窄的部分中。每个收集端口5402可以通过一对环形密封件(诸如O型环)密封在防护罩管5403内，该环形密封件在端口每一侧安装在轴承5405的周向凹槽中。
收集心轴5401可在打开的旋转位置和闭合的旋转位置之间旋转，在打开的旋转位置，收集端口5102各自与其配合的防护罩管窗口5404同心对准并打开以捕获土壤(例如，参见图204和图206)，在闭合的旋转位置，每个收集端口都旋转离开并且与其配合的防护罩管窗口不对准，并且闭合以防止土壤进入收集端口(例如，参见图205)。在打开位置，防护罩管5403的打开的窗口突出到主表面5001-2、5001-2上方以促进土壤样本进入收集端口5102。另外，在打开位置，心轴5401的收集端口5402和防护罩管窗口5404都背向远离狭槽5203，并且暴露以捕获双打开端口和窗口的任一侧的土壤。在不期望土壤样本的闭合位置，心轴5401的收集端口向内面向狭槽5203的相对侧且横向面向刀片5001的平面。这使收集心轴的实心侧暴露于防护罩管窗口5404，该防护罩管窗口5404防止土壤进入收集端口5402。
为了在其打开位置和闭合位置之间致动收集心轴5401并使其旋转，可以使用旋转机构(诸如但不限于链轮机构5103)旋转收集心轴，以便在预定深度选择性地收集土壤样本。上面已经关于犁刀探头组件5100描述的链轮机构5103包括环形定时或分度环5104和链轮5105。在本设计中，链轮5105可以替代地以与将链轮安装到本文先前所述的收集轴5101相似的方式固定地附接到收集心轴5401的内端。如本文先前所述，分度环5104经由支架5101固定地安装到发动机驱动的轮式采样车的框架(类似于凸轮环5006)。因此，当刀片5001和收集轴5101绕轮轴5009旋转时，分度环5104保持静止。
当犁刀刀片5400旋转时，收集端口5402以与本文先前关于犁刀刀片组件5100相同的一般方式交替地打开和闭合以收集或阻止收集土壤样本。
带柔性凸轮环的活塞操作的样本收集探头
图207-216描述了图137-152的活塞操作的犁刀组件5000的变型，用于收集土壤样本。在本实施例中，提供了相同的活塞机构5020，其包括凸轮从动件5021，凸轮从动件5021固定地部署在可操作地与凸轮轨道5006-5A啮合的活塞杆5023的内端5023-1上。但是，犁刀组件5000的刚性结构的环形凸轮环5006在本犁刀组件5500中被可弹性变形的凸轮环5506修改和替换。凸轮环5506的至少一部分，或者在一些实施例中，整个凸轮环5506可以由具有弹性记忆的可弹性变形的弹性材料形成。
刚性结构犁刀凸轮环的一个潜在缺点是，在某些情况下，当它在土壤中耕作以收集样本时往复运动时，在结构上可能无法承受任何实质性的机械阻力或活塞机构中的暂时卡塞。土壤中的碎屑或岩石/石头会产生这种阻力或阻塞。在一些情况下，如果卡塞足够严重，那么可能导致犁刀组件的活塞机构发生潜在故障。例如，如果发生卡塞，那么凸轮环会在凸轮从动件5021上施加足以损坏被卡塞的机构的某些部分(例如，活塞杆5023、收集缸5022、衬套5025等)的力，从而损害犁刀收集土壤样本的能力。
为了防止在活塞机构上发生这种过应力事件，在本实施例中提供了可变形的凸轮环5506。凸轮环5506可以由耐用的、半刚性的但有弹性的材料或材料的组合制成，在当犁刀刀片5001旋转时阻止凸轮从动件5021正确滚动/滑动并改变凸轮轨道5006-5中的位置的任何机械问题或外力的情况下，将使凸轮环能够部分压缩并屈服。最优地，与凸轮轨道邻接的凸轮环5506的最宽或最厚的区域优选地应当被构造为特别顺应/柔性的，因为轨道的那些部分将是用于使凸轮从动辊移位的最大径向距离的区域，从而导致生成最大的径向作用力。
图207描绘了具有凸轮机构的抗力犁刀组件5500，该凸轮机构具有可弹性变形的凸轮环5506。犁刀组件5500可以安装到发动机驱动的穿过农田的轮式样本收集车(例如，拖拉机等)的框架或由轮式样本收集车拉动的机具，以与现有犁刀组件相似的方式收集土壤样本。
参考图207-216，犁刀组件5500一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形主体或刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007，以及环形轴承5008。为了简洁，这里将不再描述这些部件。本犁刀组件以附图所示的方式组装并在下面进一步描述。活塞机构5020可以与本文先前描述的相同，并且以相同的方式操作以收集土壤样本。在刀片5001旋转时活塞杆5023径向往复操作期间，活塞杆的外端5023-2选择性地打开或闭合收集圆柱体5022的外部土壤收集端5022-2和其中的一对横向孔5022-1。圆柱体的外端与径向狭槽5024的外端5024-2向内隔开，以在刀片5001中形成开口间隙或凹部5024-3，以允许土壤进入圆柱体5022的外端5023-2或从其中排出，如本文先前已描述的。
可变形凸轮环5506可以与本文先前所述的刚性凸轮环5006类似地构造。凸轮环5506具有环形主体，该环形主体限定用于接收刀片轮毂组件的中心开口5525和在环周围全360度延伸的周向连续的凸轮轨道5006-5。类似于凸轮环5006，可变形凸轮环5506被构造为用于诸如经由安装支架5010固定附接到轮式收集车的框架。因此，当犁刀刀片5001被拉过土壤并旋转时，凸轮环5506保持静止并相对于框架和刀片-轮觳-套圈组件固定在适当的位置。
可变形凸轮环5506可以是离散的环形外部和内部引导环构件5506-1和5506-2的组件，该组件以刚性方式固定到用于支撑的公共环形垫板5501上。在一个实施例中，背板5501可以具有基本上平面的主体并且可以具有刚性结构。环形构件5506-1、5506-2固定地安装到背板5501并在背板5501上径向间隔开，以限定用于凸轮轨道5006-5的环形开口。背板5501形成凸轮轨道5006-5的封闭的底壁，该封闭的底壁与凸轮轨道的向外敞开的顶端相对，该顶端在其中接纳凸轮从动件5021以啮合轨道。在一些实施例中，每个环形构件5506-1、5506-2可以被安装在其自己的圆形环形安装凸缘5521和5522上，所述安装凸缘又各自被安装到公共背板5501。在一个实施例中，每个安装凸缘可以具有大致L形的截面。凸缘5521、5522各自限定被构造为用于安装到背板5501的第一安装部分5521-2、5522-2和用于将外部和内部引导环构件5506-1、5506-2固定到它的第二引导环支撑部分5521-1、5522-1。在一个实施例中，引导环支撑部分可以垂直于安装部分定向。安装部分5521-2、5522-2可以包括多个安装孔，用于以径向间隔开的关系将安装凸缘5521、5522固定地附接到背板5501。其它安装布置和安装方法也是可能的，诸如工业粘合剂、焊接、铆接等。背板5501和安装凸缘5521、5522可以由任何合适的刚性金属或非金属材料形成。在一个实施例中，作为一些非限制性示例，这些部件优选地由合适金属(诸如钢或铝)制成。
外部和内部引导环构件5506-1、5506-2各自以悬臂方式固定安装到安装凸缘5521、5522的引导环支撑部分5521-1、5522-1。在一个实施例中，引导环构件被包覆模制到安装凸缘上。但是，也可以使用其它方法将引导环构件固定到其上，诸如工业粘合剂。引导环构件5506-1、5506-2各自与安装凸缘的安装部分5521-2、5522-2间隔开。这在其间形成环形气隙5510、5511，其与敞开的凸轮轨道5006-5连通。有利的是，气隙提供了移动的自由度，并且为外部和内部引导环构件5506-1、5506-2赋予了最大的柔性，而不受安装凸缘5521、5522到背板5501的刚性附接的影响。
值得注意的是，虽然环形安装凸缘5521、5222可以是圆形的形状(例如，在顶部平面图中)，在每个凸缘的安装部分5521-2、5522-2的内外圆周边缘之间具有大致均匀的测量，但是引导环构件5506-1、5506-2将在不同部分处具有相应的可变宽度，因此其形状不是完美的圆形(在顶部平面图中)。例如，这在图214中看到，注意到安装部分5522-2的内周边缘(延伸超过引导环构件5506-2的部分)和5521-2的内周边缘(通过引导环构件5506-1中的狭槽5505可见)。造成这种差异的主要原因是，引导环构件5506-1、5506-2的宽度部分将取决于凸轮轨道5006-5的期望可变配置而变化，该凸轮轨道5006-5是在犁刀组件5500的期望的旋转定时间隔致动活塞机构5020以收集土壤样本所需要的。
凸轮环5506组件的背板5501被构造为诸如经由多个安装孔刚性地安装到犁刀组件5500的安装支架5010(图140)，如图所示，该安装孔容纳螺纹紧固件。作为一些非限制性示例，可以使用将凸轮环基座5501固定地安装到安装支架5010的其它方法，诸如铆接、焊接或工业粘合剂。凸轮轨道5006-5可以具有与凸轮环5006相同或不同的形状/构造，这取决于要施加给活塞机构5020的动作的类型以及用于捕获或提取土壤样本的样本收集圆柱体5022的打开/闭合的定时。
外部引导环构件5506-1和内部引导环构件5506-2可以由相同或不同的材料形成。在某些实施例中，环形构件之一或两者可以至少部分地或完全由具有弹性记忆的可弹性变形的材料形成。在一些实施例中，引导环构件5506-1、5506-2之一可以由刚性材料形成，而另一个可以由可变形材料形成。因而，可以有多种变型来适应不同的情况或设计目标。
凸轮环5506的引导环构件5506-1、5506-2可以由任何合适的材料制成。例如，引导环构件之一或两者可以由半刚性或半硬质(即，相对硬)但可变形的聚合材料(诸如聚氨酯)或材料的组合形成，以实现期望的机械/结构特性。聚氨酯环构件被结构化为至少部分可变形以啮合凸轮从动件5021，并且在收集样本时遇到犁刀刀片卡塞或其它异常操作状态时，在活塞机构5020沿着轴线AA产生的径向作用力下变形。
可变形基础材料(诸如聚氨酯)或用于形成外部和内部引导环构件5506-1、5506-2的其他材料可以各自具有相同或不同的硬度。可以使用合适的计示硬度材料。选择适合于环形构件材料的计示硬度在本领域技术人员的能力范围内。
在一些实施例中，可变形的外部引导环构件5506-1和内部引导环构件5506-2可以被构造为包括允许变形的开口5520的一个或多个阵列，该开口5520被设计为促进在施加有由活塞机构5020产生的径向载荷的情况下凸轮环5506的柔性和可变形性。在一些实施例中，这些开口5520可以在一个主侧面和相对的平行的主侧面之间至少部分地横向延伸穿过环构件。在优选但非限制性的实施例中，开口5520完全平行于犁刀刀片组件5500的旋转轴线RA1延伸通过引导环构件5506-1、5506-2，以最大化在施加有压缩载荷/力的情况下的柔性和可变形性。
在一些实施例中，外部引导环构件5506-1的外周侧壁5504和内部引导环构件5506-2的内周侧壁5509可以是坚固的，并且它们可以是刚性的或柔性的。在一些实施例中，外部引导环构件5506-1的相对的内周侧壁5512和内部引导环构件5506-2的外周侧壁5513可以类似地是坚固的，并且它们可以是刚性的或柔性的。
被前述允许变形的开口5520去除的材料在平行于径向致动轴线AA的径向方向上提供了对引导环构件5506-1、5506-2的受控弱化。引导环构件中的材料减少使得径向方向的柔韧性增加，从而使得在卡塞或其它异常操作情况下，在由活塞机构5020施加的径向作用力的作用下，环构件材料更容易压缩。这些贯通开口5520(或其它地形特征，诸如盲槽、凹坑等)可以具有任何合适的形状或几何形状，诸如圆孔、长圆形孔、多边形或非多边形孔或狭槽(例如，蜂窝)或其它形状。合适的开口5520的一些非限制性示例在下面描述。
在一个实施例中，外部引导环构件5506-1和内部引导环构件5506-2之一或两者可以包括多个细长且倾斜的径向通槽5505。在所示的实施例中，狭槽5505仅在外部环构件5506-1中提供，但是它们可以在两个环构件中使用，或者可以仅内部引导环构件5506-2具有狭槽。在一个实施例中，狭槽5505可以是弧形弯曲的，并且在旋转轴RA1的轴向方向上完全延伸穿过外部环引导构件5506-1的相对的主侧面5502和5503。狭槽5505被径向地定向并且至少部分地围绕凸轮环5506的圆周和中心开口5506-4排布。狭槽5505允许外部环构件5506-1在与凸轮从动件5021径向啮合时更容易变形和压缩。狭槽5505相对于外部环构件5506-1和犁刀刀片5001的旋转方向向量Vd横向倾斜地延伸(虽然凸轮环5506相对于犁刀刀片5001保持静止)。因此，相对于车轮的旋转方向向量Vd，每个狭槽5505的前边缘靠近环形构件5506-1的内部环形边缘，而后边缘靠近外部环形边缘。
在一个实施例中，通槽5505可以主要仅在外部环构件5505-1的最宽/最厚的部分中提供，以增加柔韧性并促进这些区域的变形，在那里可能需要比邻接的较窄/较薄部分更大的变形。在其它可能的实施例中，整个外部环构件可以包括一个或多个狭槽5505。狭槽5505可以具有相同或不同的形状和/或尺寸。
在一些实施例中，允许变形的开口5520可以包括圆形钻孔5526的阵列，每个圆形钻孔5526具有圆形的截面形状。示出了例如在内部引导环构件5506-2中形成的钻孔5526，认识到在其它实施例中钻孔5526可以在外部环构件5506-1中形成或在这两者中形成。钻孔5526可以在相对的主侧面5507和5508之间完全延伸穿过环构件。阵列中的钻孔5526可以在孔之间具有任何合适的直径和节距间隔。在一个实施例中，孔5526可紧密间隔开，在相邻孔的中心线之间测得的节距间隔小于5个孔直径，或优选地小于3个孔直径。可以提供孔5526的任何合适的图案。在一个实施例中，孔5526可以布置为孔的同心环，该孔的同心环至少部分地围绕内引导环构件5506-2的圆周延伸。钻孔5526可以基本上仅布置在内引导环构件的最厚/最宽的部分中，从而对需要更多变形的那些区域增加柔性。引导环构件5506-2的较窄部分可以具有较少的孔或没有孔以增加刚性。
需要注意的是，可以使用能够变形的开口5520的阵列的多种可能的几何形状和图案。这样的图案可以采取各向同性图案的形状(即，在所有取向/方向上都相同，诸如钻孔5526)，或者具有方向性偏置的图案(例如，扫掠槽5505)。开口的几何形状和图案可以被用于产生线性或非线性压缩力响应曲线。开口几何形状/图案可以围绕引导环构件5506-1、5506-2变化以产生具有特定刚度或柔韧性的定制区域。因而，引导环构件可以在一些区域(例如，狭窄的区域)中刚性地构造，而在其它区域(例如，宽的区域)中更加可变形。无论能够变形的开口5520具体选择什么几何形状和图案，开口优选地设计为提供必要的刚度以适当地致动和定位活塞机构5020的机构，以及必要的灵活性以防止在发生阻塞的情况下活塞机构的部件过应力以避免对机构造成永久性损坏。
因而，在此重要的是要注意，能够变形的开口5520的不同几何形状和图案将对压缩具有不同的响应。因此，在引导环构件5506-1、5506-2的一个区域或区块中可以使用圆孔(例如，钻孔5526阵列)，而在每个引导环构件的另一个区域或区块中可以使用细长的狭槽(例如，通槽5505)，以实现来自材料的不同“弹簧”响应。一些几何形状可能对不同的外部载荷情况或凸轮从动件5021施加的不同方向的力产生不同的反应。对于上述这种构造，然后引导环构件5506-1、5506-2的整体结构将被认为表现出“非线性有效弹簧刚度”。
在操作中，犁刀组件5500的活塞机构5020将以与犁刀组件5000中实施的方式相同的方式操作，以收集土壤样本。参考图148，其示出了与犁刀刀片组件5500中相同的活塞机构5020。但是，当从动件在凸轮轨道5006-5中循环时，如果活塞杆5023由于某种原因而被卡塞在带有可变形的凸轮环5506的犁刀刀片组件5500中，那么凸轮从动件5021将在外部或内部引导环构件5506-1、5506-2上施加径向作用力。凸轮从动件作用在环构件上哪一部分将取决于在卡塞时凸轮从动件碰巧正移动通过凸轮轨道5006-5的哪一部分。因此，凸轮从动件5021将沿着径向啮合并压缩内部或外部引导环构件。能够变形的开口5520将允许环形构件更容易地弹性变形以吸收冲击力而不损坏活塞机构。如果可能的话，这将使卡塞有时间自行清除。
将认识到的是，在本公开的范围内，具有可变形的凸轮环5506的犁刀组件5500的多种变型是可能的。此外，可变形凸轮环可以与本文公开的任何犁刀组件一起使用，该犁刀组件利用凸轮环来致动收集滑块或类似的收集设备。
带有层压刀片组件的滑块样本收集探头
图217-251B描绘了地面啮合犁刀组件5600的实施例，其具有层压刀片组件5601以用于收集土壤样本。刀片组件5601具有与本文中公开的所有其它犁刀刀片相似的盘形形状，并且包括一个或多个内部安装的样本收集探头，该样本收集探头是线性且径向可移动的收集滑块5620的形式。滑块5620在总体设计原理和基本操作上可以类似于本文先前描述的滑块5201(例如，参见图179)。但是，与滑块5201相比，在本层压刀片实施例中，没有使用外部安装硬件(诸如带5205)来将滑块附接到刀片。代替地，本滑块5630中的每一个被固定地安装并且至少部分地嵌入在层压刀片组件5601内部，以夹心复合构造嵌入在刀片的第一和第二半部5601-1、5601-2之间。有利的是，这消除了将滑块5620保持在刀片组件中的外部安装硬件，当刀片组件犁过土壤以收集样本时，外部安装硬件可能易于被岩石或碎屑损坏。
刀片组件5601的每个半部5601-1可以被构造为具有相同特征的另一个半部5601-2的镜像，如本文进一步所述。在其它可能的实施例中，可以存在差异。可以通过任何合适的方法将两个半部永久地层压或结合在一起，包括例如焊接、工业粘合剂、铆钉或其它永久性机械结合方法。在一个实施例中，可以将盘半部5601-1、5601-2的环形外周边缘焊接在一起，然后进行机械加工以形成锐角的楔形边缘轮廓，以改善通过土壤的渗透。在其它实施例中，可以通过合适的非永久性类型的结合方法(诸如紧固件或其它)将两个半部可拆卸地结合在一起。
收集滑块5630可沿着垂直于犁刀刀片5001的旋转轴线RA1的致动轴线AA径向移动。每个滑块操作以选择性地打开/闭合在刀片中的径向狭槽5603内形成的对应收集凹部或端口5602。狭槽5603和收集端口5602可以在层压刀片组件5601的外部主表面之间完全延伸穿过层压刀片组件5601。滑块5630由静止的凸轮环致动，该静止的凸轮环可以是凸轮环5006、5204或5506(本文先前已描述)中的任何一个，以随着犁刀刀片组件5601的旋转而交替地打开和闭合收集端口5602。端口5602被布置并且可以被构造为当犁刀刀片滚动并切入地面时以相同或不同的预选深度取回土壤样本塞或土芯。然后将收集的土芯从收集端口5602弹出/提取，并转移到收集容器。可以将犁刀组件5600安装到由发动机驱动的穿过农田的轮式样本收集车(例如，拖拉机等)的框架或由其牵引的拖车上，以收集土壤样本。
犁刀组件5600一般包括许多与本文先前所述的犁刀组件5000相同的部件。这包括盘形犁刀刀片5001、用于将刀片安装到其上的刀片轮毂5004、固定地附接到轮毂并可与其一起旋转的外轮毂套环5007以及环形轴承5008。为了简洁和清楚起见，这些部件将不在这里再次描述并且在图217-251B中未示出。本犁刀组件以附图所示的方式组装并在下面进一步描述。
现在将进一步描述层压刀片组件5601和滑块5630的安装。层压刀片组件5601的半部5601-1具有盘形主体，该盘形主体包括内部主表面5610和面向外的相对的平行外部主表面5611。类似地，半部5601-2具有盘形主体，该盘形主体包括内部主表面5612和在与外部主表面5611相反的方向上朝外的相对的平行外部主表面5613(例如，参见图219和图220的分解图)。当结合在一起时，滑块5630被捕获在两个半部5601-1、5601-2之间。
本文公开了收集滑块5630的四个可能的示例，其可以与层压刀片组件5601一起使用。这包括各自具有不同构造的滑块5630-1、5630-2、5630-3和5630-4。一个共同的特征是，每个收集滑块5630可滑动地安装在形成于层压刀片组件5601中的互补构造的径向狭槽5603中，使得每个滑块的仅一部分被暴露和可见，如下所述。
大体上参考图226-251B，收集滑块5630-1至5630-4中的每一个可以具有细长的实心体，其具有大体上刚性的棒状或杆状整体结构。滑块占据每个径向狭槽5603的长度的大部分，并且优选地大于其长度的3/4，但是不占据整个狭槽的长度，以允许在每个径向狭槽的外侧端中形成可打开/可闭合的收集端口5602。每个滑块具有共同的特征，该特征包括在内端上的圆柱形凸轮从动件5021(在本文中先前描述的)，该凸轮从动件5021与凸轮环的凸轮轨道5006-5啮合，以基于层压刀片组件5601的旋转以预定的时间间隔选择性地致动。每个滑块5630-1至5630-4在其内端进一步大体为T形，其包括凸轮从动件5021。滑块的相对的外端可以具有不同的形状。滑块及其对应的径向狭槽5603被相互构造成协作并形成互锁布置，该互锁布置以捕获的方式将每个滑块在内部保持在层压刀片组件5601内，而不依赖于外部安装的硬件。但是，如图所示，滑块的部分在安装到刀片组件后可以露出。由于每个收集滑块5630-1至5630-4及其对应的径向狭槽的形状都不同，因此以下分别对其进行描述。
图227、230、236、237、242、246A-B和250A-B示出了收集滑块5630-1。滑块5630-1包括在其内端的圆柱形凸轮从动件5021、在其外端的圆柱形土壤收集凸台5631以及在其间延伸的细长的操作杆5636。在一个实施例中，操作杆5636可以是具有圆形横截面的圆柱形；但是，其它实施例可以利用直线的截面形状(例如，正方形或矩形)或其它多边形的形状(例如，六边形)。凸轮从动件5021和收集凸台5631是直径大于操作杆5636的放大结构。如图所示，从动件和凸台与操作杆的长度垂直。径向狭槽5603的中央部分具有圆形的截面形状，并且整体部署在层压刀片组件5601的外部主表面5610、5613之间。这形成了隐藏的径向延伸的圆形孔5633，该圆形孔5633可滑动地接收穿过其中的操作杆5636。细长孔5633在孔的每一端处穿过刀片组件而形成的一对打开的长方形窗口5632之间延伸并与它们连通。叠层刀片组件5601的每个半部5601-1、5601-2具有半圆形凹进的凹部，当刀片组件的两个半部5601-1、5602-2接合在一起时该凹部形成整个圆形孔5633的一半(例如，参见图242)。凸轮从动件5021和收集凸台5631各自被接纳在窗口5632之一中，并且在由凸轮环致动时可以在窗口的端部之间在其中滑动。在一个实施例中，窗口5632可以是椭圆形的，并且定向成其长度布置成平行于由径向狭槽限定的致动轴线AA。凸轮从动件5021的长度(在其平的端部之间测量)大于层压刀片组件5601的厚度(在其外主表面5610和5613之间测量)，使得从动件如图所示突出到外表面上方。相反，圆柱形收集凸台5631的长度(在其平的端部之间测量)可以等于或小于层压刀片组件5601的厚度，使得凸台不突出于外部主表面上方。在其它可能的实施例中，凸台可以突出到刀片外部主表面上方，以帮助将土壤样本引导到收集端口5602中。值得注意的是，与凸轮从动件和收集凸台相比，相对细长的杆5636有利地减轻了重量、减少了与土壤的摩擦，并使杆易于隐藏和保护在层压刀片组件5601的外部下方。
图227、231、238、239、243和2476A-B和251A-B示出了收集滑块5630-2。滑块5630-1类似地包括在其内端的圆柱形凸轮从动件5021、在其外端的圆柱形土壤收集凸台5631以及在其间延伸的具有矩形横截面的细长操作带5634。径向狭槽5603的中心部分具有矩形的截面形状，并且完全部署在层压刀片组件5601的外部主表面5610、5613之间。这形成了隐藏的径向延伸的矩形通道5635，该通道可滑动地接收穿过其中的操作带5634。细长的径向通道5635在通道的每一端处穿过刀片组件而形成的一对打开的长方形窗口5632之间延伸并与它们连通。层压刀片组件5601的每个半部5601-1、5601-2具有部分矩形凹部，当刀片组件的两个半部5601-1、5602-2接合在一起时该凹部形成整个矩形通道5635的一半(例如，参见图243)。凸轮从动件5021和收集凸台5631中的每一个各自被接纳在窗口5632之一中，并且当由凸轮环致动时可以在窗口的端部之间在其中滑动。在一个实施例中，窗口5632可以是椭圆形的，并且定向成其长度布置成平行于由径向狭槽限定的致动轴线AA。需要注意的是，与凸轮从动件和收集凸台相比，相对细长/薄的操作带5634有利地减轻了重量，并使皮带易于隐藏和保护在层压刀片组件5601的外部下方。
图226、228、234、235、241、245A-B和249A-B示出了收集滑块5630-3。滑块5630-3具有横截面为大体矩形的主体，在其内端具有圆柱形凸轮从动件5021。外部土壤收集端在刀片组件5601的外围部分处形成可打开/可闭合的土壤收集端口5602。滑块5630-3包括一对径向延伸且相对的引导凸缘5637，其从滑块主体的每一侧沿着相反的方向向外突出。引导凸缘5637各自可滑动地被接纳在形成于径向狭槽5603的相对侧的配合的互补构造的径向延伸的引导通道5638中(例如，参见图241)。通道5638向内朝着径向狭槽5603开放。当安装到刀片组件5601时，矩形收集滑块5630-3的相对的外主表面在径向狭槽5603中暴露并可见。这与上述滑块5630-1和5630-2的隐藏部分形成对比。层压刀片组件5601的每个半部5601-1、5601-2具有垂直的阶梯状肩部，当刀片组件的两个半部5601-1、5602-2接合在一起时形成完整的引导通道5638的一半(例如，参见图241)。当将半部5601-1和5601-2接合在一起时，引导凸缘5637被捕获在通道5638内，从而将滑块5630-3牢牢地保持在层压刀片组件中，而无需外部安装硬件。
图226、229、232、233、240、244A-B和248A-B示出了收集滑块5630-4。滑块5630-4具有横截面为大体矩形的主体，在其内端具有圆柱形凸轮从动件5021。外部土壤收集端在刀片组件5601的外围部分处形成可打开/可闭合的土壤收集端口5602。滑块5630-4包括一对径向延伸且相对的V形引导突起5639，该对V形引导突起5639从滑块主体的每一侧沿着相反的方向向外延伸。引导突起5639限定上下相对的成角度的引导表面，引导表面在它们之间形成锐角。引导突起5639各自可滑动地被接纳在形成于径向狭槽5603的相对侧的配合的互补构造的径向延伸的V形引导凹槽5640中(例如，参见图240)。凹槽5640向内朝着径向狭槽5603开放。当安装到刀片组件5601时，矩形收集滑块5630-3的相对的外主表面在径向狭槽5603中暴露并可见。这与上述滑块5630-1和5630-2的隐藏部分形成对比。层压刀片组件5601的每个半部5601-1、5601-2具有成角度的斜切表面，当刀片组件的两个半部5601-1、5602-2接合在一起时该斜切表面形成完整的引导凹槽5640的一半(例如，参见图240)。当将半部5601-1和5601-2接合在一起时，引导突起5639被捕获在凹部5640内，从而将滑块5630-4牢牢地保持在层压刀片组件中，而无需外部安装硬件。
土壤采样工具和装备
图252-255图示了被配置为执行土壤采样和分析的各种工具以及放置样本制备子系统3002和化学分析子系统3003的非限制性示例。图252图示了具有牵引杆15、工具栏14以及一个或多个行单元11的播种机10，其被机动自走式轮式拖拉机5牵引。为了便于访问，可以将样本制备子系统3002和化学分析子系统3003放置在工具栏14的任一端或牵引杆15上(图中所示的每个可能位置)。这允许用户访问样本制备子系统3002和化学分析子系统3003以进行维护或补充任何材料。
图253图示了联合收割机20，该联合收割机20具有收集区域21、谷物罐23、交叉螺旋钻22、喷泉螺旋钻25和清洁的谷物升降机壳体24。样本系统3001可以被部署为从收集区域21或谷物罐23取出样本，并将谷物送到可以部署在联合收割机20上(诸如在一个或多个可用的壁26上)的样本制备子系统3002和化学分析子系统3003。
图254图示了中心枢轴灌溉系统30，其具有中心枢轴31、带有围绕中心枢轴31旋转的轮子32的一个或多个可移动的带轮支架16(16-A、16-B、16-C、16-D)、公共的纵向延伸的运输管线导管34、流体耦合到运输管线导管34的一个或多个连接管线导管35(35-A、35-B、35-C、35-D)、用于选择性地将运输管线导管34置于与连接线导管35(35-A、35-B、35-C、35-D)之一流体连通的一个或多个阀36(36-A、36-B、36-C、36-D)(例如，所示的三通阀或两通阀)、与连接线导管35(35-A、35-B、35-C、35-D)通信的一个或多个土壤收集系统3001(3001-A、3001-B、3001-C、3001-D)、将传输线导管34流体连接到样本制备子系统3002和化学分析子系统3003的真空源37。可选地，压力源38(例如，气泵)可以部署在与中心枢轴31相对的端部，以提供原动力以将样本通过运输管线34移动或输送到样本制备子系统3002和化学分析子系统3003。压力源38可以与真空源38结合使用或代替于真空源38使用。阀36-A、36-B、36-C、36-D与CPU 2820进行信号通信，以从一个土壤收集系统3001-A、3001-B、3001-C、3001-D进行选择性打开以在给定时间处理和测试土壤。如图所示，在这个非限制性实施例中有四个部分，但是中心枢轴灌溉系统30可以具有更少或更多的部分，这取决于所需的运输管线导管34的长度。
图255图示了具有累积框架41、输送机42、拾取器43、壳体45和打包机44的打包系统40。样本系统3001可以被部署为从输送机42中取出样本，并经由流导管46将样本运输到样本制备子系统3002和化学分析子系统3003，它们可以部署在壳体45上或泥浆泵上的不会干扰打包系统40的运行任何其它方便的安装位置。
收集的土壤样本的质量测量
为了分析收集的土壤样本并确定期望的化学水平和特点(诸如营养成分(即，ppm))并制备具有期望的水土比的浆料以进行处理，必须正确量化和理解通过本文公开的系统和过程处理的原始土壤样本的量(质量)。理想情况下，将没有水分的土壤(例如，已完全干燥的样本)添加到已知量的水中，以形成用于下游过程/计算的浆料比。例如，将20克干燥土壤添加到40mL水中将产生2:1的水土比。为生成这个比率而添加的水量取决于收集的土壤量及其初始水分含量(预先稀释了浆料)。但是，田地收集的土壤样本很可能不会完全干燥。为了了解所收集的土壤组成，必须测量土壤的质量和体积，以正确并准确地计算并制备最终的浆料水土比。
现在将描述用于对收集的土壤(或可在本系统中处理的其它与农业相关的样本，诸如茎杆质量、粪肥等)进行“定积”和/或“定重”的一些方法。在本文的其它地方已经描述了使用图14-18所示的样本收集/定积站160-1来对土壤样本进行定积的一种组件和方法。以下是用于对土壤样本进行定积和/或定重的一些附加的示例和方法，包括各种间接方法和直接方法。
间接体积/质量：
气动/液压活塞或电动线性致动器可以被用于将收集的土壤压入圆柱形“塞”。可以对于各个样本使用一致的力来制作这种土塞，使得更好地了解密度。通过使用诸如活塞和致动器的压力和/或速度和/或电流和/或位置之类的反馈，可以得出关于土壤成分的结论。例如，如果土壤压缩得很少，然后测得的压力/力迅速上升，那么可以得出结论，土壤可能没有大量水分。如果土壤随着力的缓慢上升而继续压缩，我们还可以基于响应来得出关于其质地的结论(即：沙子、高有机质)——在这种情况下，土壤的有机质含量高且不干燥。图281是曲线图，其描绘了使用图282所示的压缩装置对各种土壤类型进行的测试所测得的实际活塞位移与压缩力(psi)的关系，如下所述。曲线图中的每条线表示不同的土壤样本，其具有不同的类型和组分(诸如有机物(OM))、水分含量、粒径等。该曲线图例示了土壤类型和组分对活塞位移的影响和使用图282的设备压缩土壤样本所需的力。
图282描绘了压缩装置5900，其包括耦合到致动器的压缩构件5902，该致动器是液压或气动活塞型或电动线性致动器5907。该装置被配置为并且可操作以结合确定土壤样本塞“如收集时”的水分含量来压缩土壤样本塞。通过将土壤压缩到塞中，可以基于活塞或致动器的位置计算土壤的体积。这个结果可以被用于计算其它所需的测量(即，收集了多少土壤、将需要添加多少水以制成浆料等)。
装置5900包括细长的空心圆柱体5904，该空心圆柱体5904限定了用于接纳并保持收集的土塞的内部圆柱体钻孔或腔室5905。在所示的一个实施例中，圆柱体5904可以是具有环形圆形截面形状的圆柱体，其限定腔室。在一个代表性的非限制性实例中，使用3/4英寸的孔来处理土壤样本。该装置包括用于将土壤样本添加到腔室的入口5903和出口5906。入口可以与圆柱体的顶部相邻，并且出口可以在底部。出口可以由可打开/可闭合的门5901控制，诸如由门阀5911(示意性地表示)提供控制，该门阀选择性地闭合或打开出口5906。门5901优选是平坦的并且限定顶表面，土壤通过压缩构件5902被压缩在该顶表面上以进行压实。入口5903可以是管或管道片段，其可以由门阀5911或其它类型的阀控制，以在所选择的时间将土壤添加到圆柱体中。压缩构件5902可在腔室5905内从上部位置向下部位置可滑动地垂直移动，以压缩土壤样本。装置和圆柱体的其它朝向可以在其它实施例中使用，包括水平位置和它们之间的多个角度位置。压缩构件5902可以具有圆柱形实心主体并且通过操作杆5910耦合到致动器5907，该操作杆在一个实施例中可以为圆柱形。图282示出了液动或气动圆柱体形式的致动器5907的示例，其包括用于引入工作流体以启动压缩构件5902的入口5908和用于排出工作流体的出口5909。工作流体可以是油或空气。在一些实施例中，致动器也可以是电动线性致动器。
在装置5900的操作中，首先将土壤样本塞经由入口5903添加到腔室5905中，其中压缩构件5902处于上部位置。然后，根据所提供的类型以液压、气动或电动方式致动致动器5907。当压缩构件朝着圆柱体5904的出口向下移动到较低位置时，土壤样本被压缩。当压缩构件在压缩土壤样本的同时移动到较低位置时，使用传感器5912测量由致动器施加的压缩力，该传感器可以是力型传感器或位置/位移型传感器，其可以商购并且是本领域已知的。传感器5912可以经由有线或无线通信链路5752可操作地且可通信地耦合，以将测得的力或位移传输到系统控制器2820，系统控制器2820可以控制装置5900的操作。控制器随后使用测得的力或位移来计算土壤样本在其“如收集的”条件下的水分含量，然后确定需要添加到土壤中以实现期望的预定土壤与水分比的水量以用于产生土壤浆料，从而通过本文公开的系统进一步分析。
直接体积：
一旦土壤处于密闭容器中，就可以使用理想气体定律的推导来计算土壤的体积。使用假设，等式可以简化为：V1*P1/T1＝V2*P2/T2，其中V1是具有固定已知体积的独立参考容器5923的体积，V2是带有刀片组件141的混合容器的混合腔室体积减去输入的土壤和/或水再加上V1腔室以及任何阀和通道。在一些实施例中，混合腔室可以由混合器-过滤器装置100的混合容器101提供，其具有限定V2的内部混合腔室102(例如，参见图3-12)或其变型。
图284是基于体积和质量的分析系统5999的一个非限制性实施例的示意图，该系统用于利用本文先前所述的混合器-过滤器装置100的混合容器101确定收集的“原始”土塞或样本的质量和水分含量。所示的系统包括用于对土壤样本进行定积、添加水以形成浆料以在本文公开的系统中进行进一步处理和分析以及使用称重设备对浆料称重的装备和供应。在本文所述的所有情况下，使用并遵循这些前述基本步骤来制备水和土壤浆料混合物。虽然为方便起见所示的称重设备是下文进一步描述的称重盘管5960，但是应该理解的是，可以替代地使用以下列举的其它称重设备并代替图284的系统中所示的盘管。还参考图286和图287，图286和图287示出了混合容器101的替代布置，其在下面进一步描述并且用附图标记101A标记。
现在参考图284和图286-287，在一些实施例中，可以使用“直接体积”方法如下对土壤样本执行“定积”处理。随后的过程和系统部件/装备可以由可编程系统控制器2820自动控制。因而，部件/装备全部经由在别处描述和示出的有线和/或无线通信链路5752可操作地且可通信地链接到控制器2820。代表性链路5752仅在图284中示出以防止使图像模糊。所示的流体成分和容器通过合适的封住的流导管6006以所示的方式流体耦合在一起，该封住的流导管可以是管道或管。系统的这个部分中的流导管6006是空气导管。系统5999中的不同流导管6006用于不同目的，这些目的由它们的位置和在系统中的用途定义，如图284中所示和本文所述。因而，为方便起见，这样的流导管6006用共同的附图标记6006表示，其目的随所处理的流体的特定类型而变化。
在循环开始之前，容器101和5923之间的隔离阀5921打开(经由控制器2820)并且可以诸如经由压力传感器5925选择性地从容器5923的体积V1读取大气/零压力读数。为了记录压力，与混合容器101相关联的底部排放阀5927(其可以由之前在本文中详细描述的垂直可移动且可密封的挡块131形成)首先被置于打开位置，从而允许混合腔室102(容器101的体积V2)达到环境大气压。在隔离阀5921打开的情况下，体积V2与V1之间的压力相等，从而使在容器5923的体积V1内测得的压力达到与传感器5925测得的相同的大气压。在传感器读取压力并由可编程控制器2820接收压力之后，可编程控制器2820闭合混合容器排放阀5927，从而将混合腔室102密封在混合容器101内部。隔离阀5921也由控制器2820闭合。
接下来，通过流体耦合到容器的土壤入口的土壤装载阀5926，将土壤样本添加到已知空体积V2(即，混合腔室102的体积)的闭合混合容器101中，在如本文先前所述的一些非限制性实施例中，该阀可以是夹管阀160。当然可以使用其它类型的阀。在此可以执行可选的定积步骤(类似于理想气体定律校准，并在下文进一步描述)，以确定土壤(夹带空气的土壤)的“总体”密度。基于这个定积步骤或使用样本收集假设，然后经由水泵6100通过容器101的进水口向土壤中添加已知体积的水，在一些实施例中该水泵可以是正排量泵(例如，图256-258中的微型泵5760或本文前面所述的图261中的水泵3304)。当然可以使用其它类型的水泵，其可以包括孔口泵上的定时压力。在本过程的一些变型中，可以替代地在添加土壤之前将水添加到混合容器101。
在将水和土壤放入混合容器101中之后，接着闭合土壤装载阀5926。土壤/水混合物经由马达驱动的刀片组件141以本文先前描述的方式混合，以均化样本并去除夹带的空气。可以可选地经由连接到混合腔室102的真空泵5928(虚线所示)施加真空，以进一步去除空气并且还减少P1/P2测量中的误差。隔离阀5921仍处于闭合位置时，空气入口阀5929打开以“填充”参考容器5923(限定体积V1)。几秒钟之后，入口阀5929被可编程控制器2820闭合，压缩空气被捕获在容器5923(V1)中。压力传感器5925获取读数P1，温度传感器5930将温度T1记录在容器5923中，它们各自由传感器记录并传输到控制器2820。
如果尚未完成，那么控制器2820闭合流体连接到混合容器101的所有阀(例如，隔离阀5921、土壤装载阀5926、排放阀5927等)，这些阀在混合腔室102中形成压力密封。接下来，隔离阀5921打开，并且在容器101和5923之间的压力均等之后，压力传感器5925记录新的压力读数P2，并且由可操作地连接到混合容器101的温度传感器5920获取温度读数T2。温度可以替代地由参考容器5923中的温度传感器5930读取，使得仅需要一个温度传感器。需要注意的是，任何合适的可商购的机械和/或电子温度和压力传感器都可以用于这个过程，这在本领域是众所周知的，无需过多说明。
使用传感器记录的实际读数，接下来使用以下等式求解浆料体积：Vsoil+Vwater＝V1+V2-(P1/P2)*(T2/T1)*V1，这可以通过可编程控制器2820经由合适的预编程算法来执行和计算。应当认识到的是，土壤样本体积与传感器读数的关系可能不会完全遵循理想气体定律，因此可以利用可通过回归经验确定的替代计算来对系统行为进行建模。在这种情况下，可以使用诸如P1/P2、P22、P1*P2、T2等值通过应用因子和偏移量来确定样本量。
为提高准确性，可以借助于体积校准来使系统相对于随时间推移发生的容器体积的变化和其它干扰而“鲁棒”。根据需要，可以使用校准过程，该过程将向混合容器101的混合腔室102中添加已知量的水。可以按照上述步骤确定体积。可以在多个体积水平重复这个操作以建立压力比与体积之间的关系，并用于土壤浆料的体积确定。可替代地，可以用空的混合腔室102或者甚至通过将腔室打开到类似于V1的另一个参考腔室来进行校准。
在完成定积步骤之后，从混合器-过滤器装置100的混合腔室102提取经过滤的浆料的小的参考部分(即，“代表性样本”)，并经由由可打开/可闭合参考浆料阀6011控制的浆料样本流导管6006将其指引到称重设备(例如，如图所示的称重盘管5960或本文所述的其它称重设备)下游的流。这个小的提取的浆料部分或样本代表混合腔室102中的将被用于确定浆料的化学特点/特性(例如，氮、钙、磷等)的剩余大部分浆料的水土比。称重盘管和其它称重设备允许确定要确定当前水土比所需的浆料的重量，从而将需要的量的水添加到混合腔室102(如果有的话)中以实现预先编程到控制器2820中的期望的目标水土比。浆料重量的确定方法和称重设备将在以下有关直接质量法的讨论中进一步描述。
图285示出了用于定积的替代装置。可以借助于参考容器5940中的具有已知尺寸和体积的液位传感器5941来测量体积。将已知量的水添加到放置在容器5940中的土壤中。将土壤/水混合物混合以均化样本并除去残留的空气。然后可以施加真空以进一步去除空气(例如，真空泵5928)。然后使用以下任一方法测量容器5940内部的浆料混合物的液位：(a)连续液位传感器5943(例如，超声、激光或电容)或通过持续向容器添加水，直到观测立管5941中的液位开关5944跳闸，该观测立管5941流体耦合到容器中的腔室的底部，以指示已知的体积。
参考图286和图287，上述替代混合容器101A与图3-21中所示的先前装置101的主要区别在于马达126重新布置以替代地安装在上方。这避免了每次通过打开用作容器排泄阀的挡块131而将容器的浆料内容物从混合容器101A的底部倾倒出来时弄湿马达的情况。替代的混合容器101A在其它方面是相似的，为简洁起见，在此不再重复。还示出了本文先前描述的土壤装载阀5926和参考容器5923。图286示出了处于闭合位置的混合容器101A——挡块131与底部容器清洁端口105啮合并将其密封。图287示出了打开位置——挡块131向下移位并与清洁端口105脱离啮合，以倾倒混合腔室102的内容物。挡块组件可以经由耦合到操作轴5946的合适的气动、液压或电动致动器5945(示意性地示出)或多个致动器在上部密封位置和下部未密封位置之间垂直且线性地移动。
直接质量：
使用直接质量法对土壤样本进行“定重”的第一种方法是在“如田地收集的”条件下利用土壤样本，这可称为“干”质量法(虽然在从农田提取的条件下样本可能具有一些初始水分)。术语“干”被用于表示在该过程的这一点上没有附加的水被添加到用于处理的样本中以确定其质量，与下文所述的“湿”直接质量法相反。参考图283，可以将土壤样本从土壤收集装置(可以是本文公开的任何一个或其它)转移到称重容器5950。容器可以是任何合适类型的金属或非金属容器(例如，聚合物)和形状。在一个实施例中可以使用圆柱形容器。容器5950在其基部或底部配备有可打开/可闭合的门5951。可以使用任何合适类型的手动或自动致动的(例如，气动、液压或电动)门致动机构5953。当土壤诸如经由本文先前描述的类型的土壤装载夹管阀160或其他装置被装载到体积容器中时，门首先被闭合。在装载土壤之后，可以通过几种方法确定其质量。例如，应变计5952可以在一端附接到容器5950的刚性侧壁或底部，而在相对端附接到刚性支撑结构S，从而如图所示以悬臂方式支撑容器。初始应变计读数可以使用空的或充满水的容器5950获得。在将土壤装载到容器中之后，增加的重量将使应变计变形，这可以提供第二装载读数，该读数可以通过可操作地耦合到应变计的可编程控制器2820进行测量。控制器可以使用应变计读数的差异来量化土壤的质量和重量。为了更好的灵敏度，如果门致动机构5953没有牢固地附接到称重容器并由其支撑，而是代替地经由合适的支撑结构分开支撑，那么容器5950的重量可以更轻。图288中示出了这种布置的示例。
用于对土壤样本进行“定重”的“湿”直接质量法包括：首先将水(水分)添加到收集的样本中，然后将混合物充分混合以产生可以被称重的浆料。该方法或过程可以包括以下步骤。可选地，最初使用上述理想气体定律方法(图284中所示的系统)来估计体积。添加预定量的水以确保该比率小于最终期望的比率(例如，如果目标比率为2.0，那么添加水以使水土比达到约1.6)。通过使用混合容器101或101A来混合，将水和土壤混合以制备浆料。将浆料泵入(例如，通过蠕动或压力)到已知体积的称重设备中，以获得浆料的重量。所使用的称重设备可以是下面进一步详细描述的类型的设备的以下任何示例。
用于称重浆料的称重设备的第一个示例是盘绕的称重管或“称重盘管”5960，其在图284的系统图中示出，并且在图289中单独示出。称重盘管优选地被构造为具有尽可能少的中断并且在整个过程中具有相似的直径，从而避免气穴，并改善无阻塞的流动以及清洁。称重盘管还应当优选地是尽可能薄的壁，以将重量保持为最小。称重盘管的特征是具有固定的体积，以便计算浆料的密度。如图所示，盘管5960可以在入口端和出口端二者处具有阀，即入口和出口/出口阀5961、5962，或者在其它实施例中(未示出)可通向大气。称重盘管5960可以由支撑结构支撑，诸如管道歧管块5963或仅仅是没有管连接供应的支撑结构。应变计5952耦合在歧管块和称重盘管5960的盘管之间，用于测量当装载有浆料时相对于空的或填充水时盘管向下偏转而产生的应变改变，以确定浆料的重量。任何合适的可商购应变计都可以被用于此或本文所述的任何应变计。
图301是示出浆料称重站6000的示意图，该浆料称重站6000被配置为对已经混合并制备好的土壤浆料的小的样本部分称重，并且附加地对浆料混合物样本定积。这个称重站位于图284中所示的定积和混合系统的下游，因此从混合器-过滤器装置100接收浆料样本。站6000包括呈浆料称重容器6005形式的称重设备的示例，该称重设备具有用于获得容器中的浆料的直接重量的相关称重秤6004。具有定积功能的称重站6000的设计和布置类似于图284中所示的包括许多相同流体组件的布置。但是，混合器-过滤器装置100仅由已知体积为V2的浆料称重容器6005代替，该浆料称重容器6005与参考容器5923一起使用。由于浆料称重容器6005不像混合器-过滤器装置100那样包含移动零件、刀片、活塞致动器、过滤器等，因此一旦装满就称重容器并将其与容器的皮重进行比较，这样可以更容易准确测量浆料的重量。
称重系统6000还包括：浆料入口阀6001，其在顶部经由流导管6006流体耦合到容器入口端口6007并从混合器-过滤器装置100接收制备的浆料；以及废物阀6002，其流体耦合到容器底部的出口端口6008。所示的参考容器5929和其它阀与针对图284所述的相同。在操作中，混合浆料的小的代表性样本通过浆料阀6011从图284中所示的混合器-过滤器装置100转移，然后流入浆料称重容器6005的内部腔室6009。使用上面已经针对图284描述的相同的理想气体定律公式和方法确定浆料样本的体积。因而，为简洁起见，此处将不描述整个“定积”步骤。在浆料样本的定积过程完成之后，闭合通往容器6005的所有阀，并通过连接到容器的秤6004(图中示意性地示出)测量浆料重量。空容器(皮重)与填充的容器6005之间的差允许确定实际浆料重量。可以使用任何合适的商用秤。
在称重设备的又一个示例中，浆料流体从底部填充由管状容器5964提供的已知体积，并在填充时将空气推出顶部。容器5964可以具有直径相对均匀的细长管状主体，并且包括顶部出口端口5966、底部入口端口5967以及在端口之间沿着轴线延伸的内部腔室5965。三通入口阀5968可以经由封住的流导管5970流体耦合到入口5967，该封住的流导管可以是管道或管。三通出口阀5969经由类似的流导管流体耦合到出口端口5966。如图所示，阀的其余端口可以耦合到流导管。图290示出了用浆料填充容器5964的阀位置。图291示出了通过从上方向下穿过容器反向引入水来清洁的阀位置。容器5964由应变计(未示出)支撑，该应变计测量在浆料的重量下由容器的挠曲引起的应变。
在又一个示例中，图292中所示的已知体积的“茶壶”形容器5971可以被用作称重设备，并用浆料填充至溢流点。该容器包括上部浆料入口5972、通常由废物阀5976闭合的下部废物出口5973，以及在容器的最上部或顶部的与大气流体连通的排气/溢出端口5974或与大气连通的排气管线。每个端口流体连接到内部腔室5975，以接收并称重浆料。在一些实施例中，腔室5975可以具有多边形的截面形状；但是，可以使用其它形状的腔室。浆料入口端口由隔离阀5977控制。为了清洁，底部的阀5976打开以进行排放。容器5971以悬臂方式由应变计5952支撑，应变计5952测量在浆料的重量下由容器的挠曲引起的应变。
在称重设备的又一个示例中，可以使用图257-258中所示的微流体泵送室5765。
在前述任何称重设备之后，接着可以诸如经由与每个设备相关联的应变计5952来确定重量。值得注意的是，浆料重量优选地应当是上述任何称重设备的总质量的很大一部分，以减少动态测量时的噪声。重量测量可以基于连续的浆料流来进行(以获得更好的平均)，也可以通过停止泵并进行静态重量测量来进行。称重腔室的浆料入口可以通过与下游经过滤的浆料不同的单独的过滤器，以获得更大的体积，或允许更大的颗粒进入设备的称重腔室。因而，称重设备容器的入口过滤器可以具有比下游过滤器更大的开口尺寸。
因而，可以通过使用根据上述任何方法的应变计将称重设备或容器的被称重部分(即，称重单元)附接到支撑结构来完成浆料重量的测量。
因而，根据上述任何一种方法，可以将浆料再循环回到混合腔室中而不是被浪费，以保留最多的样本。
可替代地，在其它实施例中，可以通过测量对正弦或随机系统动态输入的正弦响应来完成浆料重量的测量。因此，可以通过使用输出频率或固有频率与质量之间的关系来估计浆料质量，其中通过测量称重盘管5960对预定或随机外部激励的频率响应来获得重量测量结果。例如，在图293所示的实施例中，可以将浆料装载到称重盘管5960中，然后借助于机电柱塞激励盘管，该机电柱塞以恒定的固定力撞击盘管。这个频率响应称重设备组件包括以悬臂方式从支撑结构5963支撑的称重盘管5960、作用在由与盘管一体形成或刚性附接到盘管的振动测量突起5980限定的目标表面上的线性可移动的激励柱塞5978，以及电子振动传感器5979。对于非接触型振动传感器，传感器5979定位成与振动测量突起5980接近但不接触，或者对于接触型振动传感器，传感器5979定位成与突起5980接触。传感器被配置为并且可操作以测量由于柱塞的激励而引起的盘管的频率响应。振动测量突起5980位于柱塞5978的撞击范围内。可以使用任何合适类型的接触式或非接触式振动传感器5979，例如但不限于基于接触型应变计的换能器、压电(“piezo”)传感器、加速度计、非接触型电容式或涡流位移传感器或其它传感器。传感器5979可操作以将测得的称重盘管5960的振动频率传输到系统控制器2820。
描述固有频率的等式是：
Figure BDA0002947919750001201
(周期/秒)。
在操作中，柱塞5978撞击振动测量突起5980，这引起盘管的振动；传感器5979检测和测量振动盘管的频率。因为在空状态和充满浆料的加重状态之间，振动盘管的固有频率将改变，所以由这些状态之间的浆料重量引起的频率响应的改变可以由频率传感器测量并由系统控制器2820用来计算浆料的重量。因此，频率的这个改变与浆料质量/重量相关。当在土壤样本收集期间将定重/定积系统安装在运动的穿过农田的车辆上，称重盘管5960的材料刚度将被选择为使得振荡频率将高于在地面上行驶的车辆遇到的干扰频率，从而避免干扰。需要注意的是，可以以批处理模式(即，在重量测量之间填充和清空盘管)或通过连续流过盘管的方式对浆料进行称重，将二者与存储在控制器2820中的预先编程的基线“空”频率值进行比较。
在图294中所示的替代的基于振动频率的称重设备中，以指定的预定频率激发的发射压电换能器5982安装在称重盘管5960的一端以激励盘管(即，引起振动)，并且可以被用作接收器的单独的接收压电换能器5981可以安装在称重盘管的相对端上。每个换能器可操作且可通信地链接到可编程系统控制器2820，并且它们的操作由控制器控制。振幅、频率或相移将被测量，然后通过可编程系统控制器2820与土壤质量或重量相关联。
为了使管道连接不受称重设备或称重单元和重量测量准确度的影响，可以将称重盘管5960中的应变施加于自定义的称重单元5983，该称重单元5983具有贯穿其中的管通道5984，并在两端带有用于管道连接的入口和出口配件5985、5986，如图297和图298所示。在一个实施例中，称重单元5983可以具有坚固的矩形长方体；但是，可以使用其它形状。
在一些实施例中，流体管道连接本身可以用作如图295中所示的应变计。如图所示，称重盘管的每个笔直端以悬臂方式刚性地安装到支撑结构5954。磁体5988在与管端相对的一侧安装在称重盘管的盘管部分，该管端在盘管的同一侧。将称重盘管装载以浆料会导致悬臂式盘管在添加的浆料重量下向下挠曲。这进而改变了磁体5988相对于所定位的接近传感器5989(诸如霍尔效应传感器)的位置，该接近传感器5989测量磁场的幅度的改变。输出电压与磁场强度成正比，并被传输到系统控制器2820。控制器将与磁场对应的“空盘管”基准电压与测得的“充满盘管”电压进行比较，以关联浆料的重量。
在其它实施例中，称重盘管5960管道连接可以被隔离，以通过使管的入口和出口端连接对接和未对接来测量盘管中的浆料的重量。这在图296中示出。可以使用可商购的快速连接型管道连接器5990。称重盘管5960通过应变计5952以悬臂方式支撑，该应变计5952的一端刚性地耦合到盘管，而另一端刚性地安装到支撑结构5954。称重盘管或管道连接都可以是可移动的，以使称重盘管对接和未对接。优选地，对接连接至少是系统中的最高点，以避免任何流体损失(未示出)。首先将称重盘管对接，以用浆料填充盘管。然后，使称重盘管未对接，并且应变计测量悬臂盘管的应变，该应变被传输到可编程系统控制器2820，以通过将测得的应变与预编程的基线应变进行比较来确定浆料的重量。
值得注意的是，在确定质量时，称重设备或称重单元的隔离安装是重要的，以减少一些动态干扰。图299和图300中示出了两种可能的隔离方法，用于安装称重设备的除盘管以外的某些配置，诸如带有框架或支撑构件的容器或其它设备。在图299中，通过减振器5992的顺应性材料(诸如橡胶、NBR、SBR等)隔离称重设备的支撑部件5991。在图300中，通过阻尼器5992的独特的顺应性结构和形状来实现隔离，该阻尼器5992可以包括中心开口或多个开口。
现在返回到土壤样本的定积和定重过程，一旦通过上述任何称重设备对提取的小的浆料样本进行了称重，现在就可以使用以下等式了解水和浆料混合物并确定其特点，以确定浆料中水和土壤含量的百分比：土壤体积＝(总重量–总体积*水密度)/(土壤密度–水密度)。假设水密度＝1且土壤密度＝2.55g/mL，如果总体积为10mL，总浆料重量为13g，那么土壤体积＝1.935mL，因此水体积为8.065mL，并且土壤质量为4.934g。这给出了8.065/4.934＝1.634的浆料比。这个值告诉我们混合器-过滤器装置100中剩余的均匀浆料比率的组成，因为称重的提取的小的浆料部分代表在混合器-过滤器装置中的浆料。为了获得所需的精确比率输出(即，2:1)，可以对混合器中剩余的浆料体积重新定积(使用理想气体定律)。然后将实现目标期望水土比所需的适量的附加的水添加到浆料中并重新混合。
为了获得准确的水与土壤浆料的比率，重要的是能够向混合容器101的混合腔室102或要将水添加至土壤或浆料的其它设备中添加正确量的水。一种可能的方法是使用多个体积不同的泵腔室。在一个实施例中，为了能够获得正确量的水，可以选择具有不同容积泵送腔室的不同尺寸的水泵。例如，可以按以下方式使用10mL、5mL、1mL和0.1mL泵：要添加44.2mL水，使用4*10mL、4*1mL、2*0.1mL；或者要添加37.6mL水，使用3*10mL、1*5mL、2*1mL、6*0.1mL。可以使用任何合适类型的水泵。在一个实施例中，可以提供构造与图256-258所示相似的多个不同尺寸的独立水隔膜泵5760，以计量用于浆料的适当量的水。隔膜泵可以是与下文所述的隔膜阀分开的泵，或者隔膜泵可以既是隔膜泵又是隔膜阀。当贯穿全文使用时，对隔膜泵和隔膜阀的引用分别是指其自身，或者是指既充当泵又充当阀的隔膜泵。
为了运输土壤和/或浆料，重要的是不要在各种部件上堆积或摩擦。为了减少这种可能性，可以将与土壤或浆料接触的部件的部分涂上疏水、超疏水、超疏液或含氟聚合物涂层。其它部件可以由UHMW或HDPE或其它低表面能基础材料(诸如含氟聚合物)制成。管道可以由含氟聚合物(诸如FEP(氟化乙烯丙烯)或其它材料)制成。
最终用户可能希望选择使用没有土壤收集机构的设备，该设备会自动将收集的土壤转移到混合机(诸如混合容器101)的浆料混合腔室102。这将允许该设备在实验室工作台上使用，或者允许用户使用其它收集技术(诸如较深的土芯)输入土壤。因此，混合腔室可以配备有漏斗或容器，以允许用户以替代方式手动装载腔室。
以下是使用前述定积和定重技术和装置制备具有期望目标水土比的土壤浆料以对土壤样本进行化学分析的方法的高度概括。要描述的过程使用说明性但非限制性的数值{在括号中}以更清楚地例示示例所涉及的过程和参数。但是，将认识到的是，说明性的值不限制该方法或发明。以下步骤可以全部由系统控制器2820自动执行、手动执行或其组合。
可以做出以下假设：进入的土壤量大致是一致的，所有样本的密度是一致的；土壤的“颗粒”密度是恒定的(所有土壤都相同)；大气温度、压力等的影响是有限的，或者是根据经验校准的；来自加压/减压的温度影响可忽略不计；最终的浆料目标输出比为3:1(水质量与土壤质量比)；并且水密度恒定(1g/mL)。
基于这些假设，该方法或过程包括以下基本步骤，首先参考图284，图284示出了本文先前所述的基于体积和质量的分析系统5999，用于利用混合器-过滤器装置100的混合容器101确定收集的“原始”土塞或样本的水分含量。
通过闭合排放阀131并闭合主浆料出口阀6010和参考浆料出口阀6011，使混合器-过滤器装置100的混合腔室102(V2)准备好接收原始土壤(经过滤的浆料流向下游并且经过滤的浆料流向称重盘管)。水泵6100将预先编程的预定体积的水{100mL}准确地分配到混合器中并且马达以慢速{1000rpm}开启。
然后，将预先编程的预定量的土壤经由来自与土壤收集系统相关联的压缩机或空气压缩机3030(例如，参见图1)的加压空气的脉冲从收集设备经由土壤装载阀5926(例如，夹管阀160)吹入混合腔室102中{～38.5mL的5％重量水含量——47g土壤和2.474g水}。然后闭合土壤装载(夹管)阀5926。可替代地，可以首先将土壤添加到混合腔室102中，然后添加预定体积的水。
通过以高速{15000rpm}对混合器进行脉冲，将水/土壤混合物掺入均匀的浆料中，然后缓慢进行搅拌{600rpm}。浆料比设置为{(100+2.474)/47＝2.18}。
经过滤的浆料到称重盘管5960的参考浆料排放阀6011被打开，并且开始排出废物。然后，经由空气压缩机3030或其它空气源将V2体积混合腔室102{15psi}加压，从而将土壤“抽吸”到称重盘管5960中。在这段时间内，在称重回路上获取连续重量(例如，经由应变计或其它上述盘管称重技术)的读数{13g}。可以手动地或者经由系统控制器2820计算浆料比。
土壤体积＝(总重量–总体积*水密度)/(土壤密度–水密度)。假设水密度＝1并且土壤密度＝2.55g/mL，那么土壤体积＝{1.524mL}，因此水体积为{8.476mL}并且土壤质量为{3.887g}。产生的浆料比为8.476/3.887＝{2.18}。
经过滤的浆料到称重盘管的参考浆料阀6011闭合并且去除了抽气压力。
由于现在已知当前浆料的水土比，因此一旦我们知道剩余浆料的体积，就可以进行适当的调整以将水与土壤的示例目标比率设置为3:1。控制器2820可以将现在已知的初始水土比与预先编程到控制器中的目标水土比进行比较。可替代地，可以手动执行这个比较。接下来，空气供应压力进气阀5929打开以用空气“填充”参考容器5923限定的V1体积腔室。在几秒钟之后，阀5929闭合并且加压空气被捕获在参考容器的体积V1中。压力传感器5925获取读数(P1)。
流体连接到混合器-过滤器装置混合腔室102的体积V2的所有阀都闭合，以形成密封的腔室或体积。这包括挡块131(出口阀5927，以及通过挡块组件流体耦合到混合腔室102的浆料阀6010、6011)。接下来，隔离阀5921打开，并且在与参考容器5923压力平衡之后，在通过该阀与混合腔室102流体连通的情况下获取压力读数(P2)。
接下来求解浆料体积：浆料体积＝V1+V2-(P1/P2)*V1*校准因子。在一个实施例中，V1＝{150mL}，而V2＝{150mL}。浆料体积＝150+150-(45psia/33psia)*150*1.1＝{105mL}。浆料比＝水质量/土壤质量＝水体积*1/土壤体积*2.55＝{2.18}。水体积+土壤体积＝{105mL}，因此水体积＝{2.18*2.55*105/(2.18*2.55+1)＝88.99mL}，并且土壤体积＝{105-88.99＝16.01mL＝40.826g}。
要产生期望的3:1目标水土比，需要{40.826g*3＝122.48g}附加的水。由于我们已经有{88.99mL}的水量，因此需要向现有的浆料混合物中再添加{33.49mL}的水。水泵5924将附加的水{33.49mL}准确地分配到混合器100中，并且马达126被开启{15000rpm}以用添加的水量重新均化浆料混合物。这样就实现了3:1的目标水土比。
在现在具有最终水土比3:1的完全制备好的土壤浆料中，使马达空转，然后经由首先打开主浆料出口阀6010将经过滤的浆料泵送到本文前面所述的任何下游过程中以进行化学分析，混合容器101的主要底部排放阀5927(例如，可垂直移动的挡块131)保持在密封的闭合位置以密封混合器-过滤器装置100的混合腔室102。如前所述，再次通过空气压缩机3030或另一个空气源将气压施加到混合腔室102，其经由浆料出口阀6010将土壤浆料驱动到下一个下游站，以进行化学处理和分析，如图284中所指示的。在移除用于腔室分析的浆料之后，打开与混合器-过滤器装置100相关联的主要底部排放阀5927(例如，挡块131)，以吹扫并倾倒混合腔室102中的多余的浆料残余物。接下来的清洁循环通过用经过滤的水冲洗混合腔室102来制备下一个样本。
方法或过程的前述顺序/步骤和组件的变化是可能的。
利用图284的系统，可以由可编程控制器2820自动控制并操作的基本步骤可以经由合适的预编程的计算机指令或控制逻辑，如下所述。控制器可以被配置为：打开土壤入口装载阀5926以将土壤样本添加到混合腔室；操作水泵以将水添加到混合腔室102中；操作混合器刀片组件以制备浆料；打开参考浆料出口阀6011，由此浆料的一部分流入称重设备5960；并从称重设备获得浆料的重量。控制器还可以被配置为根据预编程的目标水土比将附加的水添加到混合腔室中的浆料中，再次操作刀片组件以将附加的水和浆料重新混合，打开主浆料出口阀6010以进行转移以将重新混合的浆料加入到本文先前描述的任何化学分析系统和/或设备中，以测量重新混合的浆料中的分析物。
处理用水过滤系统
图264-266示出了用于过滤处理用水的系统和选择部件，以用于本文公开的土壤样本分析处理系统。处理用水被用于在不同的样本运行之间产生土壤浆料和/或样本处理系统的清洁部分。这些附图示出了一个非限制性实施例，其中在一个实施例中，水过滤系统5751可以安装在土壤样本收集/处理车辆上。本质上，该车辆是带轮的便携式和移动式样本收集/处理实验室。在其它实施例中，水过滤系统可以安装在固定的支撑物或装置上。示出了轮式和自行式样本收集/处理车辆5750的一个可能实施例，其可以包括电动或内燃发动机，发动机与常规的传动系耦合，该传动系驱动车轮以向车辆提供动力以穿过农田。车辆具有车载电源。当然可以使用其它类型的车辆，其中一些在本文公开。可以使用自行式车辆或农业装备的类型，或牵引的车辆或装备的类型，并且在任何方面均不限制本发明。
如图所示，水过滤系统5751与样本处理“工厂”5747一起安装在车辆5750上，该样本处理“工厂”5747包括：样本制备子系统3002和化学分析子系统3003及其部件、包括样本探头收集子系统3001的样本探头收集装置5748，以及基于处理器的可编程控制器(例如中央处理单元(CPU)2820)。可编程控制器可以经由通信有线和/或无线通信链路5752可操作地且可通信地耦合到水过滤系统5751部件和子系统3001-3003部件，以从开始到完成控制土壤样本收集和化学处理/分析的部分或全部。可以提供交互式用户界面触摸屏显示设备或基于处理器的个人电子设备，诸如电子平板(例如，iPad等)、膝上型计算机/笔记本电脑、手机或其它可操作且可经由通信链路5752通信耦合到系统控制器2820的其它设备。在附图中，这样的用户接口设备由附图标记5749共同表示和指定。
参考图264-266，水过滤系统5751可以以以下次序流体连通地包括机载原始水罐5740、至少一个过滤器单元5743或可选地两个过滤器单元5743和5744，以及经过净化或过滤的水罐5741。这些部件可以经由合适的封住的流导管5746以串联流动路径流体耦合在一起，该流导管5746可以是管或管道。原始水罐5740包括用于将来自可用水源的水填充到罐中的入口注水端口5756，以及与第一过滤器单元5743流体连接的出口端口。经过滤的水罐5741的入口端口流体耦合到第二过滤器单元5744，而出口端口经由流导管5746流体耦合到工厂5747。流导管的这个部分可以包括可打开/可闭合的阀5745，以控制经过滤的水向工厂的供应和定时。类似地，可以提供另一个阀5745，以调节原始水向一系列过滤器5743、5744的流动。阀可以被配置为处于打开位置、闭合位置以及在它们之间的部分打开或节流位置。在一些实施例中，阀的操作以及对原始水和经过滤的水的控制可以由系统控制器2820经由通信链路5752自动控制。在其它实施例中，阀中的一个或两者可以被手动控制。可操作且可通信地耦合到控制器2820的液位传感器5753可以安装到经过滤的水罐5741，其可操作以实时测量罐中的液位。传感器5753控制罐5741中可以用于该处理的经过滤的水的供应和液位。当液位下降到预编程的设定点值时，控制器可以打开原始水阀5745以处理和过滤来自原始水罐5740的附加的水，以补充经过滤的水罐5741中的经过滤的水的供应。
可以提供各种其它类型的经过滤的水系统传感器5754，它们链接到可编程系统控制器2820，例如但不限于未经处理和已处理的水质传感器(例如，电阻率/电导率、温度等)。这些传感器可以位于过滤系统中的任何位置，包括罐或流导管中。
在一些实施例中，所示的两阶段水过滤过程可以被用于产生用于土壤分析系统的高纯水。例如，过滤器单元5743可以是颗粒过滤器，以去除悬浮在原始水中的沉淀物和颗粒物质。第二过滤器单元5744可以被用于进一步改善水质，并且可以是离子交换过滤器，或其它过滤设备(诸如但不限于反渗透单元、UV净化单元、碳过滤单元等)。图267示出了颗粒过滤器单元的示例，诸如可以被用于过滤器单元5743的类型。过滤器单元5743可以包括壳体5743-1，该壳体5743-1限定内部腔室5743-2，该内部腔室5743-2包含多孔过滤介质5743-3。在一些实施例中，过滤介质的形状可以是圆柱形和管状的。可以使用任何合适的过滤介质，包括纸、织物、聚合物、烧结金属等。可以在过滤器壳体内部使用任何合适的流路径。
在操作和流顺序中，来自原始水罐5751的水流过过滤器5743和5744，进入经过滤/纯化的水罐5741。经过滤的水被保持在罐5741中，直到工厂5747要求为止，此时系统控制器2820打开常闭的经过滤的水阀5745以提供经过滤的水(参见定向水流箭头)。
在如图265中所示的一些实施例中，某些工厂操作(例如，部件冲洗/清洁)可能不要求完全经处理(过滤/纯化)的水，并且最小程度上经过滤的水可能就足够了。在这种情况下，一些水可以经由旁通流导管5755旁通过滤链的一部分，并直接流向工厂5747并且旁通过滤器单元5744。旁通导管可以由控制器2820自动控制，控制器2820可以经由通信链路5752可操作且可通信地耦合到旁通阀5745。在具有经过滤的水旁路的本实施例中示出的经过滤的水系统5751的所有其它方面是相同的。
在一些情况下，经过滤的水罐5741的容量可足以满足穿过农田进行的整个土壤采样和处理的需求。因而，图266示出了没有原始水罐5740的经过滤的水系统的示例。在这种情况下，来自可用水源的原始水经由合适的流体耦合提供到注水口5746，并经由流导管5746和原始水供应阀5745直接流体耦合到过滤器单元5743。立即对原始水进行处理和过滤，以将经过滤的水罐5741充满至容量，该容量可以比在本文之前所述的原始水批处理模式实施例中使用的经过滤的水罐具有更大的容积。在本实施例中示出的没有原始水罐的经过滤的水系统5751的所有其它方面是相同的。
用于上清液分离的替代性离心装置
代替于如本文先前所述的在离心机3400组件中使用可枢转地移动或摆动的离心管3450来从土壤浆料中分离上清液，图268-280描绘了用于使用离心法从浆料中提取旋转上清液的旋转上清液提取装置5800的替代实施例。在本实施例中，提供了盘状的流体板5801，其特别构造为具有多个流体通道和腔室，这些流体通道和腔室被设计为执行上清液提取，而没有相对于板的主体本身移动的可移动部分(不同于管3450)，如下面进一步所述。
旋转上清液提取装置5800具有大致盘形或“碟形”主体，并且包括上部或顶部流体板5801、下部或底部夹持板5802以及散布在这些板之间的中间或内部垫片5803。板和垫片可以具有用于离心的大体上环形的盘形圆形结构，其具有中心开口5801-3、5802-3和5803-3，该中心开口可以与旋转轴线RA同轴对准以使离心机驱动轴3700从中穿过。本替代组件代替了顶盖3520和底盖3521，其保持离心管3450(例如，参见图67和图76)并且被安装在离心机3400中的相同相对位置处固定流体交换歧管或坞3430下方并与之选择性地流体连通，如图53中进一步所示。耦合到驱动轴3700的旋转轮毂3500部署在流体板5801和夹持板5802之间，并且在互补构造的中心通孔5805中完全穿过垫片5803。具有多个径向突出臂的辐条形旋转轮毂3500与板和垫片组件互锁地啮合，以经由离心机旋转该组件，以将上清液与土壤浆料分离。为实现这一点，上部流体板5801的底表面5801-2和下部夹持板5802的顶表面5802-2各自包括锁定凹部5806、5804，其互补地构造并接收旋转轮毂3500及其径向辐条/臂，如图所示。因而，部分地延伸通过流体和夹持板5801、5802的厚度的锁定凹部5806、5804可以具有大体上与所示实施例中的轮毂的形状和尺寸对应的辐条形状和尺寸。当板耦合在一起时，旋转轮毂3500由此锁定在凹部中的板中并被捕获在板之间。内垫片5803进而也被捕获在板之间。旋转上清液提取设备5800以与离心管3450组件的顶盖3520和底盖3521类似的方式固定地安装到主驱动轴3700和活塞支撑管3604上，并且可以随着轴而向上和向下移动以使用于离心土壤浆料样本的提取装置对接和未对接。
为了减轻重量，在一个实施例中，流体板5801和夹持板5802优选地可以由聚合物或塑料材料制成，其可以被注模或铸造。在一些实施例中，流体板5801可以是透明的或半透明的，以允许针对以下进一步描述的浆料沉淀物残留对板中的流体和流动特征进行目视检查。在其它可能的实施例中，板中的一个或两个可以由优选地轻质的金属材料制成。
夹持板5802具有盘形圆形体，其包括平面主顶表面5802-1和相对的平面主底表面5802-2。板的外周侧5802-4可以是如图所示的垂直和平面的，或者具有非平面的侧面剖面。顶表面可以平行于底表面。夹持板5802具有圆形的中心开口5802-3，用于从中接收离心轴。
微流体处理盘4000被构造为并且可操作以通过离心机3400的中间固定流体交换坞3430形成到由旋转管轮觳3500承载的流体板8501的可分离的流体耦合，如先前所描述和在本文示出的。流体交换坞3430流体耦合并置于安装在坞顶部上的微流体处理盘4000和流体板8501之间。
继续总体上参考图268-280，流体板5801具有盘形圆形主体，其包括平面的主顶表面5801-1和相对的平面的主底表面5801-2。板的外周侧5801-4可以是如图所示的垂直和平面的，或者具有非平面的侧面剖面。顶表面可以平行于底表面。底表面5801-2包括多个专门设计的流体通道以及凹进该表面的扩大的储液器或腔室，这些储液器或腔室部分地延伸通过流体板主体的从上到下的厚度，但不穿透其顶表面5801-1(在图270和图276中最好地示出)。流体通道和腔室被分组或聚集成多个离散的上清液分离特征件或设备5807，其被配置为通过旋转离心作用从土壤浆料中分离和提取上清液。与提供类似功能的摆动离心管3450不同，本旋转上清液提取装置5800的旋转加速度在离心时使流体在流体通道内径向和切向流动，而离心管仅产生从内到外的主要径向流体运动。
上清液分离设备5807围绕流体板5801沿着周向间隔开，并且对称地布置在流体板的不同扇区中。这允许在单个离心循环中针对不同化学特性/成分在每个设备中同时处理多个土壤样本。每个单独的设备5807包括多个流体互连的流体通道5808和沉淀物室5809，其被配置和布置为提供从土壤浆料流体中分离和提取上清液，然后在分离之后优选地使用经过滤的水从通道和腔室中冲洗累积的残留沉淀物的功能。
需要特别指出的是，微流体处理盘4000的每个化学处理楔4002具有其自己专用的对应的上清液分离设备5807，该上清液分离设备5807在流体板8501和旋转上清液提取装置5800中与每个其它流元件流体隔离。当将处理盘4000和上清液提取盘组件安装在离心机3400中时，与每个处理楔4002相关联的上清液分离设备5807位于其正下方，并通过设置在处理盘4000和旋转上清液提取装置5800之间的固定的流体交换坞3430中的流体端口流体连通。
图271示出了流体板5801的底表面，其中多个上清液分离设备5807布置在盘形板的不同扇区中。为了方便起见，这个图示出了上清液分离设备5807A-D的四个不同的示例和构造，要记住，流体板5801通常可以包含单一构造的多个上清液分离设备，或者替代地可以包括两个或更多个不同设备构造的组合。但是，每个上清液分离设备具有共同的流体元件，虽然如所看到的那些共同元件的具体构造可以是不同的。
形成在顶部流体板5801的底部的每个上清液分离设备5807A-D包括流体互连的流体通道集群5808，包括流体入口通道5808-1、流体出口通道5808-2、上清液提取通道5808-3和沉淀腔室5809。每个通道单独地与沉淀腔室流体连通，并且现在彼此连通以形成仅通过沉淀腔室流体互连的三个离散的流动通道，如图所示。通道5808和沉淀腔室5809凹进流体板5801的底表面5801-2中并向下开口，然后将流体板5801组装到垫片5803和底部夹持板5802(例如，参见图270和图271)。通道和沉淀腔室可以与流体板5801的注塑或铸造、机械加工或它们的组合一体地形成。
流体通道5808-1、5808-2和5808-3是细长结构，其可以是流体板5801中的通道或凹槽的形式。在一些实施例中，每个通道可以具有基本均匀的多边形或非多边形截面流面积，对于它们的大部分或基本全部长度，其具有对应的大致均匀的横向宽度。其它实施例的截面和/或宽度可以改变。通道被定向为沿着流体板5801的底表面5801-2水平延伸。优选地，上清液提取通道5808-3的宽度和/或截面流面积优选地小于流体入口通道5808-1和流体出口通道5808-2的宽度和/或截面流面积，以减少当从沉淀腔室5809中提取上清液时取出污泥的可能性。每个通道可以具有非线性。
流体板5801中每个上清液分离设备5807A-D的每个流体通道5808-1、5808-2和5808-3的一端单独地流体连接到污泥室或沉淀腔室5809，相对端终止于垂直流体端口5810-1、5810-2、5810-3，该端口向上延伸穿过流体板5801，并穿透其顶表面5801-1(例如，参见图276)，以流体连接到形成在离心机3400的固定流体交换扩展坞3430中的配合端口。因此，流体板5801和坞3430中的端口的布局或模式匹配，使得当流体板5801与坞对接以交换流体时，每个端口可以同心对准(在功能上类似于图72所示的在枢转离心管3450实施例中的盖3520、3521)。流体通道5808-1、5808-2和5808-3各自可以具有非线性回路构造，使得在连接到沉淀腔室5809的端部及其相应的垂直流体端口5810-1、5810-2、5810-3之间没有直线的视线。但是，需要注意的是，每个流体通道可以包括线性/笔直部分以及成角度或弧形弯曲的部分，如图271-275中所示。流体通道相对于沉淀腔室3809构造和布置，以在离心机3400减速并停止时最小化进入通道的剩余土壤污泥或沉淀物，从而优选地将大部分沉淀物保留在其腔室中。
流体通道5808-1、5808-2和5808-3的垂直流体端口5810-1、5810-2、5810-3的位置是预先确定的，并且被设计为优化每个端口的性能和功能以用于从土壤浆料沉淀物中提取上清液，与流体交换坞3430交换流体，以及在每个离心循环之后当旋转式上清液提取装置5800固定并挂在离心机3400中时冲洗/清洁通道和沉淀腔室5809。因此，端口布局不是随机的。在一个实施例中，每个上清液提取流体端口5810-3优选地定位成比其它垂直流体端口最靠近旋转上清液提取装置5800的中心或旋转轴线RA，使得(1)在离心期间被“冲激”污泥溶液污染的可能性最小，并且(2)因为将上清液提取流体通道的最长流动路径与最清洁的流体(即澄清的上清液)匹配，有助于减少每个离心周期后需要冲洗和清洁的通道。
与上清液提取端口5810-3作为径向最内侧的端口相反，从离心机的沉淀腔室5809流出的高密度土壤沉淀废物应当优选地具有尽可能短的路径长度，以最大程度地减少或防止堵塞。因而，来自沉淀腔室5809的流体出口端口5810-2可以是径向最外侧的端口。因此，流体入口端口5810-1可以是端口5810-2和5810-3之间的径向中间端口。考虑一种方式，从所处理的流体最干净到最脏或最稠密的垂直流体端口被组织为从径向向内到向外。但是，在其它可能的实施例中，垂直流体端口5810-1、5810-2、5810-3可以定位为距旋转上清液提取设备5800的旋转中心或旋转轴线RA(其与离心机3400的轴RA重合)的径向距离相同。在其它可能的实施例中，一些或所有流体端口可以在流体板5801的底部或径向外侧。
在一些实施例中，流体端口5810-1、5810-2、5810-3中的每一个可以与每个上清液分离设备5807A-D的径向中心线RC轴向对准。这促进并简化了流体交换布置，该流体交换布置与流体交换坞3430中的流通道3434的配对集群3433(例如，参见图55-56)配合，用于向流体板5801和从流体板5801传输流体。
沉淀腔室5809的尺寸至少在最大横向宽度(在旋转上清液提取盘5800的平面中横向于离心机3400的旋转轴线RA测得)上大于通道，并且用于积聚污泥或沉淀物固体以分离出上清液液体的容积更大。沉淀腔室5809可以具有对称或不对称的构造，其被选择来优化从土壤浆料或流体中分离上清液以及在该腔室中沉积剩余的污泥或沉淀物。在一些实施例中，如图272至图275中所示，每个沉淀腔室5809可以大体上位于上清液提取通道5808-3和流体入口通道5803-1之间，所述上清液提取通道5808-3和流体入口通道5803-1具有大体径向的朝向(允许沿着周向延伸的部分)。沉淀腔室5809可以优选地超出中心锁定凹部5806定位在环形盘状流体板5801的周边区域，相对于中心开口5801-3更靠近外围侧5801-4(例如，参见图271)。如图所示，流体端口5810-1至5810-3优选地径向位于沉淀腔室内。当流体板5801被离心时，土壤浆料将通过离心力被径向向外驱动，使得较稠/较重的污泥或沉淀物聚集在每个沉淀腔室5809的向外区域中，而较稀/较轻的透明上清液则聚集在更向内的区域中。
现在将提供本文公开的不同示例上清液分离设备5807构造的流体通道和沉淀腔室的布局/设计的简要描述。图272示出了也在图271中看到的上清液分离设备的第一实施例5807A。该布局提供了长而柔和的弧形曲线，以便于冲洗和清洁流体通道5808-1至5808-3。在离心机3400自旋加速期间，这个布局提供了小体积的溢洪道(径向中心线RC的左侧)，用于使土壤浆料上清液混合物晃荡。在自旋降速期间，这种设计更积极地固住压实的沉淀物固体(“X”的左侧)以防移动，从而防止流体重新搅动沉淀物。
图273示出了也在图271中看到的上清液分离设备的第二实施例5807B。在自旋加速期间，浆料-上清液混合物被托入沉淀腔室5809标记为“X”的区域，并在径向中心线RC的右侧和左侧保留清澈的上清液，以防止上清液从通道和端口中回流。
图274示出了也在图271中看到的上清液分离设备的第三实施例5807C。这种布局旨在：(1)易于用浆料填充通道和沉淀腔室，并在离心之后进行冲洗/清洗(注意最少的转角或较大的空间)；(2)保持大部分清澈的上清液尽可能靠近端口5810-1至5810-3(即，提取上清液所需的最少泵送)；以及(3)在自旋加速期间，使浆料-上清液混合物或溶液偏置以防被径向向内推入上清液提取通道5808-3。
图275示出了也在图271中看到的上清液分离设备的第四实施例5807D。这种布局旨在：(1)在离心机3400自旋加速期间，将浆料-上清液混合物/溶液偏置到径向中心线RC的左侧，以防止将浆料溶液从流体通道和端口5810-1至5810-3中推出；(2)在自旋降速期间，将压实的沉淀物固在“X”的左侧，以防止其与上清液提取通道5808-3中的上清液再混合；(3)在压实的土壤沉淀物区域周围提供足够的释放空间，尤其是在沉淀腔室5809中，以便于冲洗和清洁该腔室和通道。
在上清液分离设备的所有实施例5807A至5807D中，应该注意的是，上清液提取通道5808-3和所有端口5810-1至5810-3都位于沉淀腔室5809最外部的径向内侧，以最大程度地减少用干净的上清液清除腔室中的残留污泥或沉淀物的可能性。
当板组件耦合在一起时，为了用垫片5803改善流体通道5801-1、5808-2和5808-3和流体板5801底侧的沉淀腔室5809的密封，每个通道和腔室可以包括互补构造的凸起密封唇5811。参考图277-279，其示出了流体板5801的底表面5801-2，密封唇5811在流体通道和腔室的整个周边上在所有侧面上勾勒并延伸，从而当垫片5803被下部夹持板5802压在流体板上时以流体密封的方式完全密封它们。在一个实施例中，流体板5801、夹持板5802和垫片5803可以通过多个螺纹紧固件5812耦合和夹紧在一起，所述螺纹紧固件5812穿过在板和垫片中形成的安装孔5813插入(例如，参见图269-270)。夹持板5802中的孔5813可以被攻丝并穿螺纹以啮合紧固件。可以使用其它类型的紧固件或机械耦合设备，诸如铆钉、粘合剂、超声焊接等。安装孔5813可以相对靠近流体通道和沉淀腔室的位置进行设置，以通过垫片提供紧密密封。
在其它实施例中，下部夹持板5802和垫片5803可以去除，并且流体通道5808和沉淀腔室5809可以在具有合适厚度的流体板5801内完全内部地形成。参考图276可以很容易地看到这一点，只需画出部署在流体板5801的顶部或底部表面5801-1、5801-2之间但不穿透流体板5801的顶部或底部表面5801-1、5801-2(除流体端口5810-1、5810-2、5810-3之外)的流体通道和腔室，无需进一步说明。
现在将简要描述具有上清液分离设备5807的旋转上清液提取装置5800的操作。该装置可以包括本文所述的任何上清液分离设备5807A-D设计。从土壤浆料混合物中分离上清液的过程或方法始于在上部位置对接并流体耦合到流体交换坞3430以交换流体的装置5800(类似于图72中所示，但旋转装置5800代替了离心管3450)。上清液和浆料混合物可以由微流体处理盘4000的分析处理楔4002泵送并同时转移到流体板5801中的每个上清液分离设备5807的流体入口5810-1和流体入口通道5808-1。浆料混合物流过每个通道5808-1进入其各自的沉淀腔室5809。值得注意的是，一些浆料混合物也可占据各种流体通道的一部分。在不使用紧凑型微流体处理盘4000的系统中，诸如图78中所示的浆料泵3333可以将浆料和上清液混合物泵送到旋转式上清液提取装置5800。在这个图中，需要注意的是，该装置代替了离心机3400的离心管3450。
一旦转移了浆料混合物，然后就将上清液提取装置5800降低并且不与离心机3400的流体交换坞3430对接(类似于图73中所示的)。然后旋转上清液提取装置5800，以从浆料中分离出澄清的上清液，主要在沉淀腔室5809中留下浓缩的固体(污泥或沉淀物)(与图74-75所示类似)。在离心期间，固体将被离心力沿着径向向外驱动并沉积在沉淀腔室的最外部。澄清的上清液将在腔室内径向向内积聚。
然后，停止离心机3400，并且将上清液提取装置5800从其下部位置向上升高，直到其在第一上部位置与流体交换坞3430重新对接(类似于图72所示)。然后，经由上清液提取通道5808-3和端口5810-3从沉淀腔室5809中提取上清液，最后通过流体交换坞3430返回样本处理系统，以对上清液进行化学分析。用于该系统的图78中的上清液泵3312或基于微流体处理盘4000的处理系统的图104中的转移泵4023可以被用于从上清液提取设备5800中提取上清液。
从上清液提取装置5800中取出上清液之后，通过向其中注入优选地经过滤的水以除去污泥/沉淀物来冲洗沉淀腔室5809和流体通道5808-1、5808-2和5808-3，并从中排出废物。现在准备上清液提取装置5800以用于下一次浆料样本运行。
需要注意的是，在本文中示出和描述的使流体系统部件相互连接的封闭的流道可以是包括金属材料或非金属材料(诸如聚合物)的合适材料的刚性的或柔性的管道或管。一些具体示例在本文其它地方提到。
根据本发明的另一方面，可以提供视觉系统6200，以识别农田中先前的农作物行，并计量为了土壤测试取样的土壤中有多少来自田地的哪个区域。该系统还可以被用于基于任何数量的土壤参数(诸如有机物或其它)来确定在哪里收集土壤样本。
在一个实施例中，视觉系统6200可以包括一个或多个数码相机6201，其在土壤采样或其它耕作操作期间捕获农田的实时图像，以确定来自先前种植的农作物行位于何处。相机6201可以安装在自行式农用车辆上，该农用车辆可以是拖拉机或采样车5750(例如，参见图264)，或者是被农用车辆拉动或推过田野以捕获田地的实时图像的工具或设备。
由相机6201捕获的数字图像可以经由合适的有线或无线通信链路5752中继到本文描述的中央系统控制器2820以进行分析，如图264中所示，或者中继到另一个基于CPU的控制器或监视器，诸如在共同拥有的美国专利9943027中公开的，该专利通过引用并入本文。如该专利中所公开的此类系统被配置为生成农田的土壤图，根据本公开，该土壤图可以被用于确定应当从农田中收集土壤样本以进行化学分析的位置。此类系统可商购获得，诸如来自Precision Planting，LLC的SmartFirmerTM。该系统可以被用于保持不断增加的采样密度，直到田地的区之间的变化达到“X”级设定点为止，该点可以预先编程到控制器或处理器中。
在一些实施例中，可以基于田地测得的有机物量来确定和选择用于化学分析的土壤采样位置。SmartFirmerTM是测量田地有机物的工具(诸如种植犁沟和其它土壤参数(例如，温度、水分含量等)的工具)的示例，其可安装在种子凿(firmer)或被拉动穿过土壤的其它农业工具或设备上，如前述专利中所公开的。凿是成角度的设备，其穿过犁沟以确保在播种期间分配的种子与土壤接触(例如，参见美国专利9943027)。需要注意的是，与每个土壤采样位置相关联的实际测得的初始原始土壤水分数据可以被系统控制器2820用于执行本文先前关于图284所描述的定积和定重操作，以确定需要添加到收集的土壤中以制备满足预编程的期望目标水土比的浆料以进行化学分析的水量。
使用以上技术，可以规划用于田地的初始土壤采样区网格。可以将网格调整为较小的区，直到区之间的差异小于所选择的量(即，“X”级别设定点)为止。这允许在土壤采样过程期间将区主动改变为最小化差异的分辨率。
控制系统
图302是示出控制或处理系统2800的示意性系统图，该控制或处理系统2800包括本文所引用的基于可编程处理器的中央处理单元(CPU)或系统控制器2820。系统控制器2820可以包括一个或多个处理器、非暂态有形计算机可读介质、可编程输入/输出外围设备，以及通常与基于功能完整的基于处理器的控制器相关联的所有其它必要的电子设备。包括控制器2820的控制系统2800经由合适的通信链路可操作地且可通信地链接到本文其它各处所描述的不同土壤样本处理和分析系统及设备，以便以完全集成和顺序的方式控制那些系统和设备的操作。
参考图302，可以将包括可编程控制器2820的控制系统2800安装在可平移的自走式或拉式机器2802(例如，车辆、拖拉机、联合收割机等)上，根据一个实施例，该机器2802可以包括农具2840(例如，播种机、中耕机、犁、喷雾器、撒播机、灌溉工具等)。在一个示例中，机器2802执行拖拉机或车辆的操作，该拖拉机或车辆耦合到用于农业操作的农具2840。在其它实施例中，控制器可以是固定站或设施的一部分。机器2802及其边界在图中由虚线表示。控制系统2800(无论是车载还是外接机器2802)一般包括控制器2820、非暂态有形计算机或机器可访问和可读介质(诸如存储器2805)和网络接口2815。计算机或机器可访问且可读的介质可以包括任何合适的易失性存储器和非易失性存储器或可操作且可通信地耦合到(一个或多个)处理器的设备。可以使用易失性或非易失性存储器的任何合适的组合和类型，作为示例包括但不限于随机存取存储器(RAM)及其各种类型、只读存储器(ROM)及其各种类型、硬盘、固态驱动器、闪存或可以由可操作地连接到介质的处理器写入和/或读取的其它存储器和设备。易失性存储器和非易失性存储器二者都可以被用于存储程序指令或软件。在一个实施例中，计算机或机器可访问且可读的非暂态介质(例如，存储器2805)包含可执行的计算机程序指令，当其由系统控制器2820执行时，使系统执行包括测量土壤和植物样本的特性及其测试的本公开的操作或方法。虽然在示例性实施例中将机器可访问且可读的非暂态介质(例如，存储器2805)示为单个介质，但是该术语应当被理解为包括存储控制逻辑或指令的一个或多个集合的单个或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“机器可访问且可读的非暂态介质”也应当被视为包括能够存储、编码或携带要由机器执行并使机器执行本公开的方法的任何一个或多个的指令集的任何介质。因此，术语“机器可访问且可读的非暂态介质”也应当被认为包括但不限于固态存储器、光学和磁性介质以及载波信号。
网络接口2815与其它地方描述的土壤样本处理和分析系统及设备(在图302中统称为2803)以及其它系统或设备进行通信，这些系统或设备可以包括但不限于具有自己的控制器和设备的农具2840，以及机器2802的网络机器2810(例如，控制器局域网(CAN)串行总线协议网络、ISOBUS网络等)。
机器网络2810可以包括传感器2812(例如，用于测量土壤和营养样本特性的传感器、速度传感器等)、用于控制和监视机器或农具操作的控制器2811(例如，GPS接收器、雷达单元)，以及土壤样本收集系统2801。网络接口2815可以被配置为用于有线和/或无线双向通信，其可以包括GPS收发器、WLAN收发器(例如，WiFi)、红外收发器、蓝牙收发器、以太网、近场通信，或用于与包括农具2840在内的其它设备和系统进行通信的其它合适的通信接口和协议中的任一种。如图302中所示，网络接口2815可以与控制系统2800、机器网络2810、农具2840或其它地方集成在一起。控制系统2800的I/O(输入/输出)端口2829(例如，诊断/板上诊断(OBD)端口)启用与另一个数据处理系统或设备(例如，显示设备、传感器等)的通信。
可编程控制器2820可以包括一个或多个微处理器、处理器、片上系统(集成电路)、一个或多个微控制器或其组合。处理系统包括用于执行一个或多个程序的软件指令的处理逻辑2826，以及用于经由机器网络2810或网络接口2815从机器2802或经由机具网络2850从机具2840发送和接收讯息的通信模块或单元2828(例如，发送器、收发器)。通信单元2828可以与控制系统2800(例如，控制器2820)集成在一起或者与处理系统分开。在一个实施例中，通信单元2828可以经由I/O端口2829的诊断/OBD端口与机器网络2810和农具网络2850进行可操作的数据通信。
指导包括一个或多个处理器的系统控制器2820的操作的控制系统2800的可编程处理逻辑2826可以处理从通信单元2828或网络接口2815接收到的包括农业数据(例如，测试数据、测试结果、GPS数据、液体应用数据、流速等)以及土壤样本处理和分析系统及设备2803数据的讯息。控制系统2800的存储器2805被配置用于预编程的变量或设定点/基线值、存储收集的数据，以及用于控制控制器2820的操作的用于执行的计算机指令或程序(例如，软件2806)。存储器2805可以存储例如软件组件，诸如用于对土壤和植被样本进行分析以执行本公开的操作的测试软件，或者任何其它软件应用或模块、图像2808(例如，农作物的捕获图像)、警告、地图等。系统2800还可以包括音频输入/输出子系统(未示出)，该音频输入/输出子系统可以包括麦克风和扬声器，用于例如接收和发送语音命令或用于用户认证或授权(例如，生物识别)。
在具有采样系统2801(例如，处理系统2801)的实施例中，车辆2802(例如，机器2802)还可以包括感测系统2812或耦合到包括感测系统2852的机具2840。感测系统(例如，感测系统2812、感测系统2852)与系统控制器2820进行数据通信。感测系统可以测试每个被采样的点处的附加数据。感测系统可以包括以下一个或多个：光谱测量、电导率、视在电导率、激光雷达、雷达、探地雷达、声纳、光学高度、相机、飞行时间相机。光谱测量的示例包括但不限于可见光、激光、近红外、红外、瞬态红外光谱、RAMAN光谱、紫外线和X射线。土壤和/或植被采样与传感的结合可以提供对田地条件的更详细分析。
系统控制器2820经由通信链路2830与存储器2805双向通信、经由通信链路2831和/或可替代地经由通信链路2837与机器网络2810双向通信、经由通信链路2832与网络接口2815双向通信、经由通信链路2834、2835与显示设备2830以及可选地第二显示设备2825双向通信以及经由通信链路2836与I/O端口2829双向通信。
系统控制器2820还经由网络接口2815和/或直接如图所示经由本文先前描述的有线/无线通信链路5752与土壤样本处理和分析系统及设备2803通信。
显示设备2825和2830可以为用户或操作者提供可视的用户界面。显示设备可以包括显示控制器。在一个实施例中，显示设备2825是具有触摸屏的便携式平板设备或计算设备，该触摸屏显示数据(例如，土壤的测试结果、植被的测试结果、液体施用数据、捕获的图像、局部视图地图层、所应用的液体施用数据、所种植或所收获的数据或其它农业变量或参数的高清晰度田地地图、产量图，警报等)以及由农业数据分析软件应用生成的数据，并从用户或操作者接收对田地的区域的分解图的输入，从而监视和控制田地操作。操作可以包括机器或机具的配置、数据的报告、包括传感器和控制器的机器或机具的控制，以及所生成的数据的存储。显示设备2830可以是显示器(例如，由原始设备制造商(OEM)提供的显示器)，其显示用于局部视图地图层的图像和数据、所应用的液体应用数据、所种植或所收获的数据、产量数据、控制机器(例如，播种机、拖拉机、联合收割机、喷雾器等)，操纵机器，并监视机器或连接到机器的、具有位于机器或机具上的传感器和控制器的机具(例如，播种机、联合收割机、喷雾器等)。
机具2840(例如，播种机、中耕机、犁、喷雾器、撒播机、灌溉机具等)可以包括其自己的机具网络2850、处理系统2862、网络接口2860以及用于与其它系统或设备(包括机器2802)进行通信的可选的输入/输出端口2866。在一个示例中，机具网络2850(例如，控制器区域网(CAN)串行总线协议网络、ISOBUS网络等)包括用于将液体从(一个或多个)储罐2890泵送到机具的控制监视单元(CMU)2880、2881，…N的泵2856、传感器或感测系统2852(例如，土壤传感器、植被传感器、土壤探头、速度传感器、用于检测种子通过的种子传感器、下压力传感器、致动器阀、OEM传感器、流量传感器等)、控制器2854(例如，GPS接收器)以及用于控制和监视机器的操作的处理系统2862。CMU控制和监视液体对农作物或土壤的施用，如由机具所施用的。液体施用可以在农作物生长的任何阶段进行，包括在种子播种后的种植沟内、邻近单独沟渠中的种植沟或在具有种子或农作物生长的种植区附近的区域(例如，玉米或大豆的行之间)。可替代地，可以经由撒播机施加固体。
机具处理系统2862分别经由通信链路2841-2843与机具网络2850、网络接口2860和I/O端口2866进行双向通信。机具2840经由有线和/或无线双向通信2804与机器网络2810通信。机具网络2850可以直接与机器网络2810通信，或者经由网络接口2815和2860通信。如图302中所指示的，机具2840还可以物理地耦合到机器2802，以用于农业操作(例如，种植、收获、喷洒等)。
虽然前面的描述和附图表示一些示例系统，但是应该理解的是，可以在不脱离所附权利要求的精神和范围以及等同范围的情况下在其中进行各种添加、修改和替换。特别地，对于本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例、尺寸以及其它元件、材料和组件来实施。此外，可以对本文所述的方法/过程进行多种变化。本领域技术人员将进一步认识到的是，本发明可以在结构、布置、比例、尺寸、材料和组件的许多修改下使用，并且可以在本发明的实践中使用，这些修改在不背离本发明原理的前提下特别适合于特定的环境和操作要求。因此，当前公开的实施例在所有方面都应被认为是说明性而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，并且不限于前述描述或实施例。更确切地说，所附权利要求应当被广义地解释为包括本发明的其它变体和实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明的等同范围和范畴的情况下做出这些变体和实施例。

Claims (126)

1.一种农业样本分析系统，包括连通的：
入口；
混合设备，其连接到入口，以从入口接收一定量的样本；
测量设备，以确定样本的量；
所述混合设备流体耦合到溶剂源并且可操作以混合并制备样本浆料；
分离设备，其流体耦合到混合设备以接收浆料混合物，该分离设备可操作以从浆料混合物中分离测试物质；
分析池，其流体耦合到分离设备以接收测试物质；以及
分析系统，其可操作以测量分析池中的测试物质中的分析物。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
流体输送机，其连接到混合设备以提取浆料；以及
注入器，用于将萃取剂注入到浆料混合物中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，还包括样本收集器，该样本收集器被配置为从农田收集样本并将样本流体地输送到入口。
4.根据权利要求2所述的系统，其中流体输送机是以下之一：泵、由混合设备生成的压差，或者泵和压差两者。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括化学品泵，该化学品泵可操作以在分离设备和分析池之间的流路径中将化学品注入到测试物质中。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括测试物质泵，该测试物质泵可操作以将测试物质从分离设备转移到分析池。
7.根据权利要求5所述的系统，其中测试物质和化学品在布置在测试物质泵和分析池之间的流路径中的混合盘管中混合。
8.根据权利要求5所述的系统，其中化学品和浆料在由流体输送机控制的选择性闭合的流回路中循环并混合，以产生萃取剂-浆料混合物。
9.根据权利要求8所述的系统，其中闭合的流回路包括用于混合浆料和萃取剂的混合盘管。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的系统，其中分析系统经由比色检测过程来分析测试物质。
11.根据权利要求1-9中的任一项所述的系统，其中分析系统经由浊度检测过程来分析测试物质。
12.根据权利要求3所述的系统，还包括流体耦合到样本收集器的气体源和气阀，该气体源能够经由阀的操作而操作以将样本从样本收集器吹入混合设备中。
13.根据权利要求12所述的系统，其中流体输送机选择性地流体耦合到气体源和溶剂源，该流体输送机可操作以将溶剂和气体的混合物泵送通过分离设备以进行清洁。
14.根据权利要求1所述的系统，其中分离设备是离心机。
15.根据权利要求14所述的系统，其中离心机包括固定的流体交换坞和能够旋转的测试物质分离元件，该测试物质分离元件能够分离地耦合到流体交换坞并且被构造为将测试物质与萃取剂-浆料混合物分离，该测试物质分离元件能够在耦合到流体交换坞的对接位置与从流体交换坞分离以对萃取剂-浆料混合物进行离心的未对接位置之间移动。
16.根据权利要求15所述的系统，其中测试物质分离元件包括耦合到旋转管轮觳的多个能够枢转地移动的离心管，每个离心管能够在当测试物质分离元件处于对接位置时的垂直位置与当测试物质分离元件处于非对接位置并且离心管通过离心机被旋转时的水平位置之间移动。
17.根据权利要求15所述的系统，其中测试物质分离元件包括盘形装置，该盘形装置包括多个迂回流体通道和腔室，所述通道和腔室被布置为当装置通过离心机被旋转时将测试物质与萃取剂-浆料混合物分离。
18.根据权利要求3所述的系统，还包括流体耦合到混合设备并在其上游的样本收集和定积站，其中在样本被混合设备接收之前，将样本从样本收集器转移到收集和定积站。
19.根据权利要求18所述的系统，其中样本收集和定积站被配置为从多个不同的样本收集器接收样本，该样本收集和定积站被配置为并且可操作以测量样本的质量。
20.根据权利要求3所述的系统，其中样本是由样本收集器从田地提取的土塞。
21.根据权利要求1所述的系统，其中测试物质流经分析池并且由分析系统实时地动态分析。
22.根据权利要求1所述的系统，其中分离设备被配置为在不使用过滤介质的情况下从浆料混合物中分离测试物质。
23.根据权利要求3所述的系统，还包括流导管的网络，该流导管的网络以通过分析提供对网络中的收集来的样本的串联处理和分析的方式将枚举的组件流体耦合在一起。
24.根据权利要求1-23中的任一项所述的系统，还包括可移动的车辆，该车辆被配置为并且可操作以遍历农田，其中土壤分析系统安装到车辆，用于对田地中的收集的样本执行实时分析。
25.根据权利要求3所述的系统，还包括可编程控制器，该可编程控制器可操作以自动控制系统的操作，该可编程控制器被配置为：
将样本从样本收集器转移到混合设备；
操作混合设备以制备浆料；
操作流体输送机和萃取剂泵以产生萃取剂-浆料混合物；
操作分离设备以从萃取剂-浆料混合物中分离测试物质；
将测试物质转移到分析池；并且
测量测试物质中的分析物。
26.一种用于分析农业样本的流体处理设备，包括：
多个多层处理歧管，其互锁在一起以共同形成主体；
每个处理歧管包括：
多个外部流体交换端口，其布置为与处理歧管交换处理流体；
内部流网络，其包括多个流体通道，所述多个流体通道流体耦合到流体交换端口；以及
多个泵，其布置在通道的流网络中。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述多个泵包括化学品泵和浆料泵。
28.根据权利要求26所述的设备，其中单个控制信号命令同时致动多个歧管中的泵、阀或者泵和阀。
29.根据权利要求26所述的设备，其中单个控制信号命令同时致动歧管中的多个泵、多个阀、多个泵和阀。
30.根据权利要求26所述的设备，其中浆料泵流体耦合到用于接收浆料的样本浆料流体交换端口，化学品泵流体耦合到用于接收萃取剂的萃取剂流体交换端口，并且流网络被配置为从化学品泵和浆料泵分别接收化学品和浆料并将其混合以形成化学品浆料混合物。
31.根据权利要求27所述的设备，还包括流体耦合到化学品泵和浆料泵的化学品混合腔室，该化学品混合腔室可操作以接收并混合化学品和浆料以形成化学品-浆料混合物。
32.根据权利要求31所述的设备，其中化学品混合腔室包括气动隔膜，该气动隔膜经由气体流体交换端口流体耦合到外部气体源。
33.根据权利要求27所述的设备，还包括布置在流网络中化学品泵下游的化学品储器，以存储预定体积的化学品。
34.根据权利要求33所述的设备，还包括浆料储器，该浆料储器布置在流网络中浆料泵下游，以存储预定体积的浆料。
35.根据权利要求27-34中的任一项所述的设备，还包括流体耦合到化学品混合腔室的化学品-浆料混合物出口流体交换端口，该出口流体交换端口被构造为用于将化学品-浆料混合物转移到外部分离设备，该外部分离设备可操作以从化学品-浆料混合物中分离测试物质。
36.根据权利要求35所述的设备，还包括测试物质入口流体交换端口，用于从分离设备接收测试物质。
37.根据权利要求36所述的设备，其中泵还包括试剂泵，该试剂泵经由流网络流体耦合到试剂入口流体交换端口，该试剂泵可操作以在流网络的注入位置处将试剂注入到测试物质中。
38.根据权利要求37所述的系统，还包括流体耦合到试剂泵和测试物质入口流体交换端口的试剂混合腔室，该试剂混合腔室可操作以接收并混合试剂和测试物质以形成试剂-测试物质混合物。
39.根据权利要求37或38所述的设备，还包括试剂储器，该试剂储器布置在流网络中试剂泵下游以存储预定体积的试剂。
40.根据权利要求36所述的设备，还包括测试物质储器，该测试物质储器布置在流网络中测试物质入口流体交换端口下游，以存储预定体积的测试物质。
41.根据权利要求38所述的设备，还包括分析流池，该分析流池布置在流网络中试剂混合腔室下游，以测量试剂-测试物质混合物中的分析物。
42.根据权利要求41所述的设备，还包括除泡器，该除泡器布置在分析流池上游并且可操作以从试剂-测试物质混合物中去除夹带的气体以提高分析物测量的准确性。
43.根据权利要求24所述的设备，其中泵是包括弹性隔膜的气动隔膜泵。
44.根据权利要求41所述的系统，其中每个所述泵流体耦合到用于操作泵的第一气体供应流体交换端口。
45.根据权利要求42所述的设备，还包括第二气体供应流体交换端口，其中第一气体供应流体交换端口耦合到低压气体源，而第二气体供应流体交换端口耦合到高压气体源。
46.根据权利要求26所述的设备，还包括清洁溶液流体交换端口，用于将清洁流体引入通道的流网络中。
47.根据权利要求26所述的设备，其中所述多个处理歧管能够分离地互锁在一起，以用于处理歧管的交换。
48.根据权利要求26所述的设备，其中主体被构造为用于安装在离心机上。
49.根据权利要求26所述的设备，其中每个处理歧管包括层压的或接合的多个聚合物材料层。
50.根据权利要求49所述的设备，其中聚合物材料是透明的。
51.根据权利要求49或50所述的设备，其中歧管具有顶表面、底表面以及在顶表面和底表面之间延伸的至少一个侧表面，并且在每个处理歧管的顶表面和底表面之间的两个或更多个内层中形成通道。
52.根据权利要求26所述的设备，其中每个处理歧管的内部流网络与每个相邻处理歧管的流网络流体隔离。
53.根据权利要求52所述的设备，其中每个处理歧管的流网络流体耦合到不同的试剂，以处理和分析农业样本中的不同分析物。
54.根据权利要求52或53所述的设备，其中每个处理歧管可操作以针对不同的分析物并发地并行处理农业样本。
55.根据权利要求26所述的设备，其中每个处理歧管具有截顶楔形状，其共同进一步限定中心安装开口。
56.根据权利要求26所述的设备，其中浆料是土壤浆料。
57.根据权利要求27所述的设备，还包括布置在流网络中化学品泵和浆料泵下游的过滤器，该过滤器可操作以将测试物质与化学品-浆料混合物分离。
58.一种用于分析农业样本的流体处理设备，包括：
由多个连接的层组成的主体；
多个外部流体交换端口，以与该设备交换处理流体；
内部流网络，其包括流体耦合到流体交换端口的多个流体通道；
多个隔膜泵；
多个隔膜阀，以控制农业浆料的流；
其中流网络被构造为接收并混合化学品和农业浆料以形成浆料混合物。
59.根据权利要求58所述的设备，其中隔膜泵布置在通道的流网络中，并且隔膜阀布置在流网络中。
60.根据权利要求58或59所述的设备，其中所述多个隔膜泵包括化学品泵和浆料泵。
61.根据权利要求58所述的设备，还包括布置在流网络中化学品泵下游以存储预定体积的化学品的化学品储器，以及布置在流网络中浆料泵下游以存储预定体积的浆料的浆料储器。
62.根据权利要求61所述的设备，其中化学品泵和浆料泵布置在流网络中其相应的储器上游。
63.根据权利要求58所述的设备，其中主体由能够分离地互锁在一起的多个化学处理歧管形成，每个处理歧管包括流体通道的单独的内部流网络，该内部流网络与每个其它处理歧管的流网络流体隔离。
64.根据权利要求63所述的设备，其中每个处理歧管包括单独的化学品泵和浆料泵，该化学品泵和浆料泵布置在其相应的流网络中。
65.一种用于制备样本浆料的混合设备，包括：
混合容器，其限定内部混合腔室，该内部混合腔室包括清洁端口、溶剂入口端口以及用于将农业样本引入腔室内的入口；
马达；
刀片组件，位于腔室中并且耦合到马达，该刀片组件能够移动以将农业样本和溶剂混合以形成浆料；
称重设备，该称重设备流体耦合到混合容器，该称重设备被配置为并且可操作以接收和测量从混合容器提取的浆料的至少一部分的重量。
66.根据权利要求65所述的混合设备，还包括：
溶剂入口，其流体耦合到腔室以引入溶剂；
挡块组件，该挡块组件可操作以选择性地闭合和打开清洁端口；
连杆，可操作地耦合到挡块组件；
其中连杆可操作以使挡块组件在密封清洁端口的闭合位置与开启清洁端口的打开位置之间移动。
67.根据权利要求66所述的混合设备，其中连杆包括环形活塞，该环形活塞能够滑动地被接纳在形成于混合容器中的混合容器的外侧壁与中心清洁端口之间的环形空间中。
68.根据权利要求67所述的混合设备，还包括部署在环形空间中的弹簧，该弹簧将挡块偏置为打开或闭合。
69.根据权利要求67所述的混合设备，其中活塞是空气操作的。
70.根据权利要求65所述的混合设备，其中溶剂入口端口被布置为将溶剂引入到刀片组件的中心下方的腔室中。
71.根据权利要求70所述的混合设备，其中挡块组件包括中心通道，该中心通道限定用于将溶剂引入腔室并且从腔室提取浆料的流体通道。
72.根据权利要求71所述的混合设备，还包括环形过滤器，其布置在挡块组件上，与流体通道流体连通以过滤浆料。
73.一种用于从农业浆料中提取测试物质的分离设备，该设备包括：
支撑壳体；
流体交换坞，其固定地安装到壳体，该流体交换坞包括顶表面、底表面以及在顶表面和底表面之间延伸的多个流通道；
马达驱动机构；
旋转管轮觳，其耦合到马达驱动机构，该管轮觳能够经由马达驱动机构的操作而旋转；
能够枢转地安装到管轮觳的多个离心管，每个离心管包括多个流体导管，每个流体导管具有布置在离心管的顶表面上的相应端口；
其中离心管是能够清洗且能够重复使用的。
74.根据权利要求73所述的分离设备，其中流体交换坞、旋转管轮觳或者流体交换坞和旋转管轮觳二者都能够在对接位置与未对接位置之间移动，其中对接位置使得流体交换坞和旋转管轮觳相邻，并且未对接位置使得流体交换坞和旋转管轮觳不相邻，并且其中当管轮觳处于对接位置时，在流体交换坞的每个流通道与离心管中的对应的一个流体导管之间形成流体通道。
75.根据权利要求73所述的分离设备，其中每个离心管的顶表面上的端口以集群模式布置，该集群模式与在流体交换坞的底表面中形成的流体通道的对应集群模式一致。
76.根据权利要求73-75中的任一项所述的分离设备，其中每个离心管的流体导管被布置为经由流体交换坞接收浆料，并且其中流体导管被配置为当旋转轮毂在未对接位置旋转时从浆料中分离测试物质。
77.根据权利要求73-76中的任一项所述的分离设备，其中，当管轮觳不旋转时离心管处于垂直朝向，并且当管轮觳经由每个离心管的枢转移动而旋转时离心管处于水平朝向。
78.根据权利要求77所述的分离设备，还包括耦合到管轮觳的上盖和下盖，每个盖包括多个切口，每个切口被构造为当处于水平朝向时接纳对应的离心管。
79.根据权利要求73所述的分离设备，其中驱动机构包括：较大的主马达，其被构造为使旋转轮毂以高速旋转从而离心浆料；以及较小的分度马达，使管轮觳以低速递增地旋转以将离心管与流体交换坞的流通道对准。
80.根据权利要求79所述的分离设备，其中驱动机构还包括齿轮系，该齿轮系将主马达和分度马达中的每一个耦合到驱动轴，该驱动轴耦合到管轮觳。
81.一种用于从农业浆料中提取测试物质的分离设备，该设备包括：
支撑壳体；
固定的流体交换坞，其固定地安装到壳体，该流体交换坞包括顶表面、底表面以及在顶表面和底表面之间延伸的多个流通道；
马达驱动机构；
旋转轮毂，其耦合到马达驱动机构，该旋转轮毂能够经由马达驱动机构的操作而旋转，
旋转轮毂、流体交换坞或者旋转轮毂和流体交换坞能够在对接位置与未对接位置之间移动，其中对接位置使得流体交换坞和旋转管轮觳相邻，并且未对接位置使得流体交换坞和旋转管轮觳不相邻；
测试物质提取装置，其耦合到旋转轮毂，该装置具有主体；
所述主体限定流体隔离的多个测试物质分离设备，所述分离设备围绕该主体部署，每个分离设备包括流体互连的多个流体通道和从流体交换坞接收浆料的沉淀腔室；
其中当旋转轮毂处于未对接位置时，经由驱动机构旋转装置以将测试物质与浆料分离。
82.根据权利要求81所述的设备，其中每个流体通道为不规则形状，被构造为当装置旋转时使浆料在流体通道内径向和切向地流动以分离测试物质。
83.根据权利要求81或82所述的设备，其中每个分离设备的流体通道包括流体入口通道、流体出口通道和测试物质提取通道，它们各自流体耦合到其相应的沉淀腔室。
84.根据权利要求83所述的设备，其中每个流体通道单独地流体连接到其相应的沉淀腔室，并且被构造为形成仅经由沉淀腔室流体互连的三个分立的流通道。
85.根据权利要求81-84中的任一项所述的设备，其中在流体板耦合到夹持板之前每个分离设备的通道和沉淀腔室凹入到流体板的底表面中并且向下开口。
86.根据权利要求85所述的设备，还包括部署在流体板和夹持板之间的垫片，该垫片流体密封通道和沉淀腔室。
87.根据权利要求81所述的设备，还包括多个紧固件，该多个紧固件将流体板能够分离地耦合到夹持板。
88.根据权利要求85所述的设备，其中流体板和夹持板直接永久地接合在一起。
89.根据权利要求81-88中的任一项所述的设备，其中流体板和夹持板各自包括锁定凹部，该锁定凹部互补地构造为将旋转轮毂接纳在其中以形成互锁布置。
90.根据权利要求89所述的设备，其中旋转轮毂包括被接纳在锁定凹部中的径向延伸的多个臂。
91.根据权利要求89或90所述的设备，其中旋转轮毂在锁定凹部中被捕获在流体板和夹持板之间。
92.根据权利要求81-91中的任一项所述的设备，其中上部流体板由聚合物材料形成。
93.一种犁刀组件，用于从农田收集土壤样本，该组件包括：
环形收集刀片，被构造为用于穿透土壤以捕获样本；
环形凸轮环，被构造为用于固定地安装到农用车辆或机具的框架，该凸轮环包括凸轮轨道；
刀片轮毂，其耦合到刀片，用于能够旋转地从凸轮环支撑收集刀片，该收集刀片能够相对于凸轮环旋转；
可移动样本收集器，其安装到收集刀片，其中探头被构造为并且可操作以在收集刀片旋转通过土壤时提取土壤样本。
94.根据权利要求93所述的组件，其中样本收集器包括由凸轮环致动的活塞机构。
95.根据权利要求94所述的组件，其中活塞机构包括细长的土壤样本收集圆柱体，该细长的土壤样本收集圆柱体具有：在其端部之间延伸的开口的内部贯通通道；以及细长的活塞杆，被构造为啮合凸轮环的凸轮轨道，该活塞杆在被凸轮环致动时在圆柱体内以线性径向往复的方式来回运动，以收集土壤样本。
96.根据权利要求95所述的组件，其中活塞杆包括安装到一端的T形从动件，该T形从动件被构造为在收集刀片被旋转时能够滑动地啮合并循环通过凸轮环的凸轮轨道。
97.根据权利要求93所述的组件，其中样本收集器包括能够旋转的收集轴，该收集轴能够相对于收集刀片旋转并且被构造为捕获土壤样本。
98.根据权利要求97所述的组件，其中收集轴包括多个样本收集端口，所述多个样本收集端口交替地打开和闭合，以随着收集轴的旋转而捕获土壤样本。
99.根据权利要求97所述的组件，其中收集轴还包括固定地附接到收集轴一端的链轮，该链轮被构造为与凸轮环的凸轮轨道的齿啮合以使收集轴旋转。
100.根据权利要求93所述的组件，其中样本收集器包括由凸轮环致动的能够线性和径向移动的收集滑块，并且收集滑块被构造为选择性地打开和闭合在收集刀片的径向狭槽内形成的对应收集端口。
101.根据权利要求100所述的组件，其中收集滑块受限地安装到层压收集刀片组件，并且至少部分地嵌入层压收集刀片组件内部，以夹层型复合结构嵌入刀片的第一半部和第二半部之间。
102.根据权利要求93所述的组件，其中样本收集器包括管状组件，该管状组件包括能够旋转的内部收集心轴，该内部收集心轴被封在固定地安装到收集刀片的空心外防护罩管内，该收集心轴能够相对于收集刀片绕径向旋转轴线旋转，并且该管状组件包括一个或多个能够打开且能够闭合的收集端口，所述收集端口由凸轮环致动以捕获土壤样本。
103.根据权利要求93-96或100-102中的任一项所述的组件，其中凸轮环包括有弹力的能够弹性变形的凸轮轨道。
104.根据权利要求103所述的组件，其中凸轮环包括能够弹性变形的环形外环构件和内环构件，其径向间隔开以限定凸轮轨道，所述外环构件和内环构件以刚性方式固定到公共环形背板。
105.根据权利要求104所述的组件，其中外环构件和内环构件包括多个开口，以增加凸轮环的可变形性。
106.一种用于确定所收集样本的体积的系统，该系统包括：
具有已知固定体积的腔室，具有入口；
致动的样本装载阀，其流体耦合到该入口，用于将样本引入腔室；
具有已知固定体积的参考容器，其通过由气阀控制的流导管流体耦合到腔室；
加压气体源，其流体耦合到参考容器；
致动的出口阀，其流体耦合到腔室；以及
压力传感器。
107.根据权利要求106所述的系统，还包括混合器，该混合器包括马达驱动的刀片组件。
108.根据权利要求106所述的系统，还包括流体耦合到所述腔室的参考浆料出口阀。
109.根据权利要求10至108中的任一项所述的系统，还包括称重设备，该称重设备流体耦合到参考浆料出口阀，该称重设备被配置为并且可操作以接收并测量从混合腔室提取的浆料的至少一部分的重量。
110.根据权利要求106至109中的任一项所述的系统，还包括控制该系统的操作的可编程控制器，该可编程控制器可操作且可通信地耦合到混合设备、阀、溶剂泵和称重设备。
111.根据权利要求110所述的系统，其中控制器被配置为：
打开农业样本装载阀以将农业样本添加到混合腔室中；
操作溶剂泵以将溶剂添加到混合腔室中；
操作刀片组件以制备浆料；
打开参考浆料出口阀，从而使浆料的至少一部分流入称重设备；并且
从称重设备获得浆料的重量。
112.根据权利要求111所述的系统，其中控制器还被配置为根据预编程的目标溶剂与农业样本比率将附加的溶剂添加到混合腔室中的浆料，并且操作刀片组件以将所述附加的溶剂与浆料重新混合。
113.根据权利要求112所述的系统，其中控制器还被配置为打开主浆料出口阀，以将重新混合的浆料转移到分析系统以测量重新混合的浆料中的分析物。
114.根据权利要求113所述的系统，其中称重设备是称重盘管。
115.根据权利要求114所述的系统，其中称重盘管包括应变计，该应变计可操作以测量参考浆料的重量。
116.根据权利要求114所述的系统，还包括：能够移动的激励柱塞，其作用在与称重盘管一体形成或刚性附接到称重盘管的目标表面上；以及电子振动传感器，其位于目标表面附近，柱塞可操作以撞击目标表面，从而在称重盘管中引起振动，从而生成频率响应，该频率响应由传感器测量以确定参考浆料的重量。
117.根据权利要求114所述的系统，还包括：发射压电换能器，其安装在称重盘管的一端并且以指定的预定频率被激发，以在称重盘管中引起振动；以及单独的接收压电换能器，其安装在称重盘管的相对端，其测量称重盘管对引起的频率的响应以确定参考浆料的重量。
118.根据权利要求114所述的系统，还包括位于称重盘管附近的电子振动传感器，该电子振动传感器生成频率响应，该频率响应由传感器测量以确定参考浆料的重量，其中系统操作生成激励。
119.一种由可编程控制器控制的用于制备农业样本浆料的方法，该控制器执行包括以下的步骤：
将一定量的农业样本添加到混合器的混合腔室中；
向混合器的混合腔室中添加已知体积的溶剂；
将溶剂和农业样本混合以制备浆料；
从混合腔室中提取浆料的至少一部分；
将浆料的所述至少一部分转移到称重设备；
使用称重设备获得浆料的所述至少一部分的重量；
确定混合腔室中的浆料的体积；
确定浆料的所述至少一部分的初始溶剂与农业样本比率；
将初始溶剂与农业样本比率与预先编程到控制器中的目标溶剂与农业样本比率进行比较。
120.根据权利要求119所述的方法，还包括在该比较步骤之后：
向混合腔室添加附加体积的溶剂，以获得浆料的目标溶剂与农业样本比率；并且
用刀片组件将浆料与附加体积的溶剂混合。
121.根据权利要求119所述的方法，还包括在添加农业样本的步骤之后，通过定积来估计农业样本的体积。
122.一种用于收集、制备和分析农业样本的自动化串联处理系统，该系统包括：
样本收集器第一子系统，其被配置为并且可操作以从农田收集样本；
样本制备第二子系统，其被配置为并且可操作以从样本制备浆料并且从浆料中提取测试物质；
分析第三子系统，其被配置为并且可操作以分析测试物质并且测量分析物；
可编程控制器，可操作且可通信地链接到第一、第二和第三子系统；
其中控制器通过第一、第二和第三子系统从收集到分析按顺序实时处理样本。
123.根据权利要求122所述的系统，其中第一、第二和第三子系统安装在便携式车辆或机具上，该便携式车辆或机具被配置为行进通过农田以获得农业样本。
124.根据权利要求122或123所述的系统，其中农业样本是土壤。
125.根据权利要求122-124中的任一项所述的系统，其中第二子系统和第三子系统被配置为并且可操作以同时并行的方式针对多种不同分析物处理样本。
126.根据权利要求122-125中的任一项所述的系统，其中第二子系统被配置为并且可操作以对浆料进行称重。
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