CN112840909B - 一种大田自动箱式被动增温装置及试验站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大田自动箱式被动增温装置及试验站，用于对被测目标对象的环境温度进行模拟，增温装置包括：增温箱，罩于被测目标对象外，以通过阳光辐射被动温度；增温箱的侧壁上设有窗体；环境监测系统，至少包括：辐射传感器和温度传感器；控制系统，与环境监测系统通讯连接，并根据环境监测系统监测数据对窗体的开口面积进行控制，以实现增温箱内部温度的自动调节，控制系统与环境监测系统通讯连接，并根据环境监测系统监测信息对窗体的开口面积进行控制，以实现增温箱内部温度调节。通过阳光辐射进行被动增温，并对窗体开口面积进行控制，实现增温箱内部温度可调可控，使增温箱内部温度符合作物的生长过程，可真实的模拟大气增温过程。

Description

一种大田自动箱式被动增温装置及试验站
技术领域
本发明属于植物野外科学试验技术领域，具体涉及一种大田自动箱式被动增温装置及试验站。
背景技术
自从工业革命以来，大气温室气体浓度的增加已经导致全球地面平均温度上升约0.74℃，到21世纪末全球地表温度还将会上升1.1～6.4℃。气候变暖通过多种方式来间接或直接地影响植物的生理生化过程，并进一步导致生物量积累及其分配格局的变化。相关研究结果表明，全球变暖不仅能够通过增加土壤氮的矿化速率及其有效性、降低土壤湿度以及延长生长季对植物产生间接影响，还可以通过改变植物的光合与呼吸过程直接改变植物的生长和发育进程。
气候变化导致的温度升高对农作物生长、产量以及农田土壤有机质的稳定都有着重要的影响。而大田间的增温控制试验是模拟农作物对温度升高响应的重要手段之一。田间增温装置不仅可以模拟趋势增温，还可以模拟极端增温。
针对气候变暖对作物的影响研究，国内外已经进行了大量的增温模拟试验，选用不同的增温装置导致的影响作用和效益明显不同。比如，White等、Kimball等、王鹤龄等、谭凯严等选用开放式红外增温装置设定恒温后置于作物冠层上方，通过向下红外辐射热量使冠层内部温度升高，进而研究升温对作物影响，但这种装置增温是靠电力维持，增温越高，耗电成本越高，此外这种装置在作物冠层顶部形成的温度梯度可能会对作物产生影响。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中，增温试验温度难以控制、自动化程度较低等问题，本申请提供了一种大田自动箱式被动增温装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大田自动箱式被动增温装置，用于对被测目标对象的环境温度进行模拟，所述增温装置包括：
增温箱，
所述增温箱为方形透明罩体，罩于所述被测目标对象外，以通过阳光辐射增加所述被测目标对象的环境温度；所述增温箱的侧壁沿纵向设有多层窗口，每层所述窗口上均设有可独立进行开闭的窗体；
环境监测系统，
所述环境监测系统至少包括：辐射传感器和温度传感器，
所述辐射传感器用以对阳光辐射强度进行实时监测；
所述温度传感器有多个，至少一个所述温度传感器设置于所述增温箱外部且靠近所述增温箱的位置，以对所述增温箱外部温度进行实时监测；多个所述温度传感器中的其余所述温度传感器，沿纵向并列设置于所述增温箱的内部，以对所述增温箱内部温度沿纵向进行分层实时监测；
控制系统，
所述控制系统与所述环境监测系统通讯连接，并根据所述环境监测系统监测数据对所述窗体的开口面积进行控制，以实现所述增温箱内部温度的自动调节，其中，所述监测数据包括所述辐射传感器监测到的阳光辐射强度，和所述温度传感器监测到的所述增温箱的外部温度和内部温度。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述控制系统包括：
数据接收模块，通讯连接所述环境监测系统，以进行监测数据接收；
控制中心，基于预先建立的温控模型获得所述增温箱内外的温度变化和窗体开口面积之间、以及所述阳光辐射强度和窗体开口面积之间的关系；并根据所述监测数据，确定所述窗体的开口面积、并生成窗体开口指令；
执行模块，与所述控制中心通讯连接，并根据所述控制中心的窗体开口指令对所述窗体的开口面积进行动态调整。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，两个有机玻璃板拼接形成所述窗体，且所述两个有机玻璃板能够相对滑动，对应的，所述执行模块驱动所述两个有机玻璃板相对滑动，以实现所述窗体开闭和开口面积变化。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述执行模块包括：
齿条，对应连接在所述有机玻璃板下沿；
驱动齿轮，与所述齿条相互啮合，以带动所述有机玻璃板进行相对滑动；
伺服电机，对应连接所述驱动齿轮，为所述驱动齿轮提供驱动力。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述控制系统还包括：
存储模块，与所述数据接收模块通讯连接，以对所述环境监测系统的监测数据进行存储；
显示屏，与所述数据接收模块或所述存储模块通讯连接，以对所述环境监测系统的监测数据进行动态显示。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述控制系统与控制终端通过有线或者无线通讯连接，以供所述控制终端进行数据预设和实时数据浏览；
其中，
所述控制终端可以为PC端或者手机端；
所述数据预设包括：所述增温箱内温度预设、所述检测数据存储间隔预设。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述环境监测系统还包括：
风速传感器，以对所述增温箱外的风速、风量进行实时监测；
风向传感器，以对所述增温箱外的风向进行实时监测；
其中，所述风速传感器和所述风向传感器设置于所述增温箱外部。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述增温箱至少具有支撑骨架，所述支撑骨架上连接斜拉支撑杆，以对所述增温箱进行固定。
如上所述的大田自动箱式被动增温装置，优选，所述增温箱顶部可开启，以供雨水进入所述增温箱。
本申请还提供一种大田自动箱式被动增温试验站，包括至少两个任一上大田自动箱式被动增温装置，所述试验站对至少两个所述增温装置的试验数据进行对比。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
该发明实现了多箱体的增温试验同步模拟，可根据被测目标对象大小及不同生育期进行模拟试验。
箱体设计简单，材质轻，人员安装与维护方便，且符合野外长期试验需求。
箱体采用全封闭设计，四周和顶盖透明设计，不影响阳光透射；当雨水降落和气体交换需要的时候，可设定顶部开启，让雨水和气体交换方便进入。符合作物的生长过程，可真实的模拟大气增温过程。
实现的多箱体内外环境温度的同步观测，可根据作物高度和生长过程动态调节监测过程，也可增加其他相关气象要素的同步观测。
实现通过箱体内、外温度变化过程，通过动态调节箱体围挡开口大小，调节箱体内增温幅度。
多箱体的同步试验系统,可保证多箱体的增温一致性，同时也可设置不同增温幅度，增加多方案试验设计。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所提供实施例中增温装置的结构示意图；
图2为本发明所提供实施例中环境监测系统与控制系统的安装结构示意图。
图例说明：1、立柱；2、横杆；3、斜拉支撑杆；4、有机玻璃板；5、温度传感器；6、固定安装支架；7、控制系统；8、辐射传感器；9、风速传感器；10、风向传感器。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种大田自动箱式被动增温装置，增温箱采用阳光辐射进行被动增温，无需使用电能进行主动增温即可提高箱体内的温度，是一种结构简单、经济适用的增温装置，可用来模拟增温环境，提高叶片组织的温度，最终影响作物的生长和新陈代谢，以研究大田条件下研究增温对作物产量和品质的影响。
如图1-2所示，一种大田自动箱式被动增温装置，用于对被测目标对象的环境温度进行模拟，增温装置包括：
增温箱，
增温箱为方形透明罩体，罩于被测目标对象外，以通过阳光辐射增加被测目标对象的环境温度；增温箱的侧壁沿纵向设有多层窗口，每层窗口上均设有可独立进行开闭的窗体；
环境监测系统，
环境监测系统至少包括：辐射传感器8和温度传感器5，
辐射传感器8用以对阳光辐射强度进行实时监测；
温度传感器5有多个，至少一个温度传感器5设置于增温箱外部且靠近增温箱的位置，以对增温箱外部温度进行实时监测；多个温度传感器5中的其余温度传感器5，沿纵向并列设置于增温箱的内部，以对增温箱内部温度沿纵向进行分层实时监测；
控制系统7，
控制系统7与环境监测系统通讯连接，并根据环境监测系统监测数据对窗体的开口面积进行控制，以实现增温箱内部温度的自动调节，其中，监测数据包括辐射传感器8监测到的阳光辐射强度，和温度传感器5监测到的增温箱的外部温度和内部温度。
控制系统7与环境监测系统通讯连接，并根据环境监测系统监测信息对窗体的开口面积进行控制，以实现增温箱内部温度调节。通过阳光辐射进行被动增温，并对窗体开口面积进行控制，实现增温箱内部温度可调可控，使增温箱内部温度符合作物的生长过程，可真实的模拟大气增温过程。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
本发明还具有如下实施方式，控制系统7包括：
数据接收模块，通讯连接环境监测系统，以进行监测数据接收；
控制中心，基于预先建立的温控模型获得增温箱内外的温度变化和窗体开口面积之间、以及阳光辐射强度和窗体开口面积之间的关系；并根据监测数据，确定窗体的开口面积、并生成窗体开口指令；
执行模块，与控制中心通讯连接，并根据控制中心的窗体开口指令对窗体的开口面积进行动态调整。
增温箱的增温主要受到太阳辐射与箱体内进行换热(Ea)、增温箱材料与增温箱内空气进行传到换热(Es)、箱体内气体对流换热(Ec)等几部分影响，借助温控模型(能量平衡—换热关系式)进行建模，以此获得增温箱温度变化和窗体开口面积之间的关系。
该温控模型(能量平衡—换热关系式)的具体计算公式为：
Figure BDA0002890448290000061
其中：
ρ为空气密度；CP为空气定压比热容；V为增温箱体积；dT/dt为单位时间增温箱内的温度变化；Ea为阳光辐射强度；Es为增温箱材料与增温箱内部的气体换热量；Ec为增温箱内气体对流换热量；Ew为箱体的通风量。
上述Ea可通过辐射传感器8监测直接获得；Es为箱体与箱体内气体换热量，可通过增温箱内、外温差换算获得，具体地，换热量＝换热面积*内外温差*换热系数；Ec为箱体内气体对流换热量，可通箱体内不同纵向位置的温度传感器5之间的差获得；Ew箱体开口流出的通风量，可通过窗体的开口面积获得。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在上述实施例中，环境监测系统还包括：
风速传感器9，以对增温箱外的风速、风量进行实时监测；
风向传感器10，以对增温箱外的风向进行实时监测；
其中，风速传感器9和风向传感器10设置于增温箱外部。以进行风速和风向监测，进而精确Ew的数值，不仅如此，设置风向监测不仅如此，设置风向监测，控制中心可根据风向对增温箱不同侧壁的窗体的开口面积进行调整，使对增温箱内温度的控制更加精准。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
本申请还具有如下实施方式，两个有机玻璃板拼接形成窗体，且两个有机玻璃板4能够相对滑动，对应的，执行模块驱动两个有机玻璃板4相对滑动，以实现窗体开闭和开口面积变化。驱动两个有机玻璃板4做相对的线性运动即可实现窗体开闭和开口面积变化的控制，具体地，当两个有机玻璃板4收尾拼接，则对窗体形成完全遮挡，此时窗体闭合；当两个有机玻璃板4做线性位移时，二者发生重叠，此时窗体打开；当二者完全重合时，此时窗体的开口面积达到最大，因此，通过控制二者的重叠面积即可实现对窗体开闭和开口面积的控制。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，增温箱尺寸为：长2m×宽2m×高3m。箱体四周及上面封闭，下面开口，设置于被测农田，直接罩于农作物上，其下沿与放置面形成自然封闭；增温箱的同一侧壁的窗口数量为6层，每层高0.5m，每层上均设有有机玻璃板4形成的窗体；
具体地，增温箱安装在被测定农田中，增温箱由4个立柱1、24个横杆2组成支撑骨架，立柱1为八棱柱铝型材，横杆2为扁铝型材，架设在农田作物间，立柱1与横杆2围护面积2m×2m，立柱1高度3m。横杆2可在立柱1的不同高度处用内六角螺丝固定。在增温箱的每个侧壁上设有六层窗口，每个层次的窗口在纵向上宽0.5m。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，每个窗口由四块有透明机玻璃板围挡，通过横杆2的内嵌滑道固定有机玻璃板4，每个有机玻璃板4均可单独拼装和开闭。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
本申请还具有如下实施方式，执行模块包括：
齿条，对应连接在有机玻璃板4下沿；
驱动齿轮，与齿条相互啮合，以带动有机玻璃板4进行相对滑动；
伺服电机，对应连接驱动齿轮，为驱动齿轮提供驱动力。其中，驱动齿轮与伺服电机安装在横杆2上，通过控制中心对伺服电机进行控制，以执行窗体开口面积动态变化。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，增温箱体内配置2个温度传感器5，两个温度传感器5对应设置在固定安装支架6上，2个温度传感器5在纵向高度上对应作物的冠层的内外，高度根据作物不同生长时期进行调整，变化范围在0.5～2m范围内。利用专用的控制系统7进行实时采集温度数值。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，置于增温箱内部的温度传感器5为6个，6个温度传感器5在纵向上对应增温箱侧壁的6个窗口，从而提高温度控制的精度。
本申请还具有如下实施方式，控制系统7与控制终端通过有线或者无线通讯连接，以供控制终端进行数据预设和实时数据浏览；
其中，
控制终端可以为PC端或者手机端；
数据预设包括：增温箱内温度预设、检测数据存储间隔预设。
使用者可手动设定环境监测系统的采样和存储间隔。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，控制系统7还包括：
存储模块，与数据接收模块通讯连接，以对环境监测系统的监测数据进行存储；
显示屏，与数据接收模块或存储模块通讯连接，以对环境监测系统的监测数据进行动态显示。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，控制系统7与控制终端通过有线或者无线通讯连接，以供控制终端进行数据预设和实时数据浏览；可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
其中，控制终端可以为PC端或者手机端。通过控制终端或U盘方式与控制主机通讯，上传和下载程序和数据，也可实时浏览数据结果。还能通过无线模块定时发送数据到办公室PC端或者手机端上，无需人工现场采集数据。控制系统7通过控制中心发送指令，控制增温箱进行有机玻璃位移，横杆2上标注有刻度，方便计算出箱体开口面积，再根据能量平衡—换热公式计算出增温箱开口大小与增温幅度的关系，即可实现增温箱体的动态调节增温幅度的功能。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，增温箱至少具有支撑骨架，支撑骨架由4个立柱1、24个横杆2组成支撑骨架，立柱1为八棱柱铝型材，横杆2为扁铝型材，架设在农田作物间，立柱1与横杆2围护面积2m×2m，立柱1高度3m。支撑骨架上连接斜拉支撑杆3，斜拉支撑杆3固定在地下以对增温箱进行固定；斜拉支撑杆3为不锈钢金属型材。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
本申请还具有如下实施方式，增温箱顶部可开启，以供雨水进入增温箱。具体地，箱体顶部由两个有机玻璃板4拼接形成，执行模块驱动两个有机玻璃板4位移，以实现窗体开闭和开口面积变化。当雨水降落和气体交换需要的时候，可设定顶部开启，让雨水和气体交换方便进入。符合作物的生长过程，可真实的模拟大气增温过程。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在另一实施例中，箱体顶部由4块机玻璃板拼接形成，每块0.5m，每块有机玻璃板4可单独拼装和开闭。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
在一些实施例中，环境监测系统还包括雨量传感器，对降雨量进行检测。
在一些实施例中，设置太阳能电池板，对本发明供电，以降低能耗。
本申请还提供了一种大田自动箱式被动增温试验站，包括至少两个上述任一增温装置，试验站对至少两个增温装置的试验数据进行对比。
按照试验设计，16个增温装置形成试验站，将增温装置以4×4阵列进行分布以形成对比试验组。每个箱体内部架设2层温度监测冠层温度，室外架设1层对照温度传感器5，通过控制系统7进行数据采集与存储功能，采样频率可以根据试验要求进行设置，从1分钟到1小时均可进行自主设置，例如设置采样间隔为1分钟，并将采样数据进行存储。
在整个玉米成熟期，进行增温控制试验，以研究试验样本在晴天和阴天等天气条件下的增温情况。试验设计为4排分别为四种不同播种期的玉米生长地块，研究在同一天气条件下不同生育期下的玉米增温情况，每排播期相差10天。对每个箱体进行温度预设，使控制系统7基于预设温度进行增温箱开口面积自动化控制。
综上，本发明提供了一种大田自动箱式被动增温装置及试验站，设计简单，材质轻，人员安装与维护方便，且符合野外长期试验需求。箱体采用全封闭设计，四周和顶盖透明设计，不影响阳光透射。设置多个增温箱形成试验站，实现的组试验数同步观测，多箱体的同步试验系统,可保证多箱体的增温一致性，同时也可设置不同增温幅度，增加多方案试验设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大田自动箱式被动增温装置，用于对被测目标对象的环境温度进行模拟与控制，其特征在于，所述增温装置包括：
增温箱，
所述增温箱为方形透明罩体，罩于所述被测目标对象外，以通过阳光辐射增加所述被测目标对象的环境温度；所述增温箱的侧壁沿纵向设有多层窗口，每层所述窗口上均设有可独立进行开闭的窗体；
环境监测系统，
所述环境监测系统至少包括：辐射传感器和温度传感器，
所述辐射传感器用以对阳光辐射强度进行实时监测；
所述温度传感器有多个，至少一个所述温度传感器设置于所述增温箱外部且靠近所述增温箱的位置，以对所述增温箱外部温度进行实时监测；多个所述温度传感器中的其余所述温度传感器，沿纵向并列设置于所述增温箱的内部，以对所述增温箱内部温度沿纵向进行分层实时监测；
控制系统，
所述控制系统与所述环境监测系统通讯连接，并根据所述环境监测系统监测数据对所述窗体的开口面积进行控制，以实现所述增温箱内部温度的自动调节，其中，所述监测数据包括所述辐射传感器监测到的阳光辐射强度，和所述温度传感器监测到的所述增温箱的外部温度和内部温度；
借助温控模型获得增温箱温度变化和窗体开口面积之间的关系，所述温控模型的具体计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：ρ为空气密度；CP为空气定压比热容；V为增温箱体积；dT/dt为单位时间增温箱内的温度变化；Ea为阳光辐射强度；Es为增温箱材料与增温箱内部的气体换热量；Ec为增温箱内气体对流换热量；Ew为箱体的通风量；
所述控制系统包括：
数据接收模块，通讯连接所述环境监测系统，以进行监测数据接收；
控制中心，基于预先建立的温控模型获得所述增温箱内外的温度变化和窗体开口面积之间、以及所述阳光辐射强度和窗体开口面积之间的关系；并根据所述监测数据，确定所述窗体的开口面积、并生成窗体开口指令；
执行模块，与所述控制中心通讯连接，并根据所述控制中心的窗体开口指令对所述窗体的开口面积进行动态调整；
两个有机玻璃板拼接形成所述窗体，且所述两个有机玻璃板能够相对滑动，对应的，所述执行模块驱动所述两个有机玻璃板相对滑动，以实现所述窗体开闭和开口面积变化；
所述执行模块包括：
齿条，对应连接在所述有机玻璃板下沿；
驱动齿轮，与所述齿条相互啮合，以带动所述有机玻璃板进行相对滑动；
伺服电机，对应连接所述驱动齿轮，为所述驱动齿轮提供驱动力；
所述增温箱顶部可开启，以供雨水进入所述增温箱；
箱体顶部由两个有机玻璃板拼接形成，执行模块驱动两个有机玻璃板位移。
2.根据权利要求1所述的大田自动箱式被动增温装置，其特征在于，所述控制系统还包括：
存储模块，与所述数据接收模块通讯连接，以对所述环境监测系统的监测数据进行存储；
显示屏，与所述数据接收模块或所述存储模块通讯连接，以对所述环境监测系统的监测数据进行动态显示。
3.根据权利要求1所述的大田自动箱式被动增温装置，其特征在于，所述控制系统与控制终端通过有线或者无线通讯连接，以供所述控制终端进行数据预设和实时数据浏览；
其中，
所述控制终端为PC端或者手机端；
所述数据预设包括：所述增温箱内温度预设、所述监测数据存储间隔预设。
4.根据权利要求1所述的大田自动箱式被动增温装置，其特征在于，所述环境监测系统还包括：
风速传感器，以对所述增温箱外的风速、风量进行实时监测；
风向传感器，以对所述增温箱外的风向进行实时监测；
其中，所述风速传感器和所述风向传感器设置于所述增温箱外部。
5.根据权利要求1所述的大田自动箱式被动增温装置，其特征在于，所述增温箱至少具有支撑骨架，所述支撑骨架上连接斜拉支撑杆，以对所述增温箱进行固定。
6.一种大田自动箱式被动增温试验站，包括至少两个权利要求1-5任一所述大田自动箱式被动增温装置，其特征在于，所述试验站对至少两个所述增温装置的试验数据进行对比。
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