CN204536307U - 微碳汇计量系统 - Google Patents
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Abstract
微碳汇计量系统，属于森林碳汇计量领域。它是为了解决利用箱式法森林碳汇测量不能长期连续的测量的问题。本实用新型空气温湿度变送器、土壤温湿度变送器和CO2浓度变送器分别采集植物培养箱内空气的温湿度、土壤温湿度和CO2浓度，并将信号均发送至单片机；单片机的采集信号输出端连接计算机的采集信号输入端，单片机的比较信号输入端连接计算机的比较信号输出端，单片机的电平信号输出端连接继电器的电平信号输入端，继电器驱动环境调节机构，环境调节机构调节植物培养箱内的环境；电子显微镜实时采集植物培养箱内植物叶片图像，并将图像发送至计算机。适用于对植物碳汇量进行测量。
Description
技术领域
本实用新型属于森林碳汇计量领域。
背景技术
目前在森林碳汇测量的领域中，常用的森林碳汇测量方法有：样地清查法、涡度相关法和箱式法。
样地清查法主要通过典型样地研究森林的碳储量和碳通量，能进行整体、定期的森林清查，但不适合长期连续观测，测量误差较大。
涡度相关法采用微气象技术，通过直接测得林冠上方的CO2涡流传递速率，从而计算出森林固定的CO2量，该方法能够比较精确的测得森林碳汇，可进行长期监测，但其实用化系统复杂，数据计算繁琐，需要的仪器较为精密，对仪器操作人员有较高要求，从而限制了其应用。
箱式法采用微气象学技术，将部分植物体套装在密闭测室内，测室内CO2浓度随时间的变化就是CO2通量。商品化的光合测定系统即属此类。它通过测定生态系统不同组分(如叶片、树干、土壤等)的光合/呼吸速率来估测森林碳汇量(同化器官CO2的同化速率与非同化器官CO2的释放速率之和)。箱式法测量误差小，测量精度高，且易于实现，因此，它将是目前以及未来碳汇计量检测方法的发展方向。在箱式法测量碳汇量方面，国内应用便携式光合测定系统对植物某个器官进行测定的较多，但由于箱体内部没有保持环境的设备，使其不能长期连续的测量。
实用新型内容
本实用新型是为了解决利用箱式法进行森林碳汇测量时，该方法不能长期连续的测量的问题，现提供微碳汇计量系统。
微碳汇计量系统，它包括：植物培养箱、空气温湿度变送器、土壤温湿度变送器、CO2浓度变送器、单片机、继电器、环境调节机构、电子显微镜和计算机；
空气温湿度变送器用于采集植物培养箱内空气的温湿度，且空气温湿度变送器的温湿度信号输出端连接单片机的一个温湿度信号输入端；
土壤温湿度变送器用于采集植物培养箱内土壤的温湿度，且土壤温湿度变送器的温湿度信号输出端连接单片机的另一个温湿度信号输入端；
CO2浓度变送器用于采集植物培养箱内的CO2浓度，且CO2浓度变送器的CO2浓度信号输出端连接单片机的CO2浓度信号输入端；
单片机的采集信号输出端连接计算机的采集信号输入端，单片机的比较信号输入端连接计算机的比较信号输出端，单片机的电平信号输出端连接继电器的电平信号输入端，继电器用于驱动环境调节机构工作，环境调节机构用于调节植物培养箱内的空气温湿度、土壤温湿度和CO2浓度；
电子显微镜用于实时采集植物培养箱内植物叶片图像，电子显微镜的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端。
本实用新型所述的微碳汇计量系统为从微观角度估测森林碳汇量的单株植物碳汇量计量系统，该系统能够微观观察植物叶孔随CO2浓度的变化，还能够调节植物培养箱内部的温度、湿度、CO2浓度等环境因素，同时实时显示箱体内部的环境信息，记录历史数据。本实用新型功能性强，可通过对单株植物碳汇量的测量估测大面积植被的碳汇总量，降低了植被碳汇测量的成本，减小了植被碳汇测量的难度。并且测量误差小、测量精度高、易于实现，且进行长期连续测量，进而估测森林碳汇量。
本实用新型采用箱式法对植物碳汇量进行测量，造价低廉，运行成本低，操作简便，测量值精确，同时区别于传统箱式法，可自动调节箱体内部环境，为植物提供一个良好的生存环境，实现了长期连读的测量研究。
附图说明
图1为微碳汇计量系统的电气结构示意图；
图2为具体实施方式二所述的微碳汇计量系统的机械结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的微碳汇计量系统，它包括：植物培养箱1、空气温湿度变送器2、土壤温湿度变送器3、CO2浓度变送器4、单片机5、继电器6、环境调节机构7、电子显微镜8和计算机9；
空气温湿度变送器2用于采集植物培养箱1内空气的温湿度，且空气温湿度变送器2的温湿度信号输出端连接单片机5的一个温湿度信号输入端；
土壤温湿度变送器3用于采集植物培养箱1内土壤的温湿度，且土壤温湿度变送器3的温湿度信号输出端连接单片机5的另一个温湿度信号输入端；
CO2浓度变送器4用于采集植物培养箱1内的CO2浓度，且CO2浓度变送器4的CO2浓度信号输出端连接单片机5的CO2浓度信号输入端；
单片机5的采集信号输出端连接计算机9的采集信号输入端，单片机5的比较信号输入端连接计算机9的比较信号输出端，单片机5的电平信号输出端连接继电器6的电平信号输入端，继电器6用于驱动环境调节机构7工作，环境调节机构7用于调节植物培养箱1内的空气温湿度、土壤温湿度和CO2浓度；
电子显微镜8用于实时采集植物培养箱1内植物叶片图像，电子显微镜8的图像信号输出端连接计算机9的图像信号输入端。
本实施方式，在传统箱式法的基础上，增加了环境调节机构7和电子显微镜8。其中，环境调节机构7能够根据实时采集的植物培养箱1的环境数据与计算机中的标准阈值进行比较，根据比较结果，单片机5控制继电器6输出高电平或低电平，从而驱动环境调节机构7进行相应调节动作，达到持续调节植物培养箱1内的环境的目的，最终实现森林碳汇的长期连续测量。而电子显微镜8则用于实时采集植物叶片气孔的变化情况，然后将实时采集到的植物叶片图像送到计算机9中，计算机9利用现有软件matlab对其采集到的图像进行优化处理并保存，实现了远程操作，便于更高效、更具体的观察气孔变化，进而使碳汇计量结果更加精确。
计算机9能够优化电子显微镜8采集的图像，通过图像处理软件对采集的叶孔图像进行特征处理、边缘检测、图像分割、降噪、锐化等操作，使操作者更直观、更具体的观测叶片气孔变化，找到变化规律。此外计算机9还具有报警功能，一旦环境因素超过标准阈值范围，则开启报警。
本实施方式的原理：空气温湿度变送器2、土壤温湿度变送器3和CO2浓度变送器4分别采集植物培养箱1内空气的温湿度、土壤的温湿度和CO2浓度，并将采集到的信号发送至单片机5中，单片机5将其采集到的三种采集信号(空气的温湿度信号、土壤的温湿度信号和CO2浓度信号)发送至计算机9中，三种采集信号分别与计算机9中设定好的三种标准阈值进行比较，若采集的信号均未超出阈值范围，则单片机5控制继电器6输出低电平，环境调节机构7保持当前状态，不对植物培养箱1的环境进行调节；若采集的任意一个信号超过标准阈值范围，则单片机5控制继电器6输出高电平，继电器6驱动环境调节机构7进行调节动作，达到持续调节植物培养箱1内的环境的目的，最终实现森林碳汇的长期连续测量。同时，计算机9还将单片机5发送的三种采集信号进行实时显示，同时对历史数据进行保存，便于以后的调查研究。电子显微镜8实时采集植物培养箱1内植物叶片图像，获得植物叶片气孔的变化情况，以便观察箱体内部环境因素的变化趋势；并与三种采集信号结合，实现微碳汇计量，研究植物的碳汇量与温度、湿度、二氧化碳浓度和叶孔开闭程度的关系。
本实施方式中，计算机9将采集信号与标准阈值进行比较的过程仅仅是简单的对比功能，能够替换为比较器来实现该功能，因此，本领域技术人员能够根据其应该掌握的技术知识实现，即不需要进行创造性的工作就能够实现的现有技术。而单片机5的功能仅是采集信号，并通过计算机的比较信号控制继电器输出高、低电平的功能，也是本领域技术人员能够根据其应该掌握的技术知识，不需要创造性工作就能够实现的技术手段。
本申请的创新点在于增加的环境调节机构7和电子显微镜8及二者在设备中的连接关系，即系统结构与组成上的改进。综上所述，本实施方式中，采用的计算机和单片机，不属于本申请的创新点，因此，二者的使用不会影响本实用新型的保护客体。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，环境调节机构7包括：压缩机7-1、冷凝器7-2、蒸发器7-3、热风机7-4、加湿器7-5、贯流风扇7-6、散热风扇7-7、水泵7-8和CO2源7-11；
压缩机7-1内充有氟里昂气体，压缩机7-1的出气口与冷凝器7-2的进气口连通，冷凝器7-2的出液口与蒸发器7-3的进液口连通；
热风机7-4用于提高植物培养箱1内部温度；
加湿器7-5用于提高植物培养箱1内部湿度；
贯流风扇7-6位于蒸发器7-3的下方，用于使蒸发器7-3周围的冷空气均匀分布在植物培养箱1内部；
散热风扇7-7位于冷凝器7-2上方，用于为冷凝器7-2散热；
水泵7-8用于将水泵入土壤中；
CO2源7-11的出气口与植物培养箱1上的进气口7-12连通，CO2源7-11与植物培养箱1之间的通路上设有气阀7-13。
本实施方式中，水源为水箱7-9，水泵7-8的出水口连接软管7-10的一端，软管7-10的另一端放置于单株植物的土壤中，进而实现浇水的功能，提高土壤湿度。
贯流风扇7-6还用于将植物培养箱1内部的气体混合均匀；
CO2源7-11用于改变植物培养箱1内部的CO2浓度；
压缩机7-1工作时，将氟里昂气体压缩后送入冷凝器7-2中，冷凝器7-2将气体变为高压液体，该过程放出热量，散热风扇7-7位于冷凝器7-2上方，将散发的热量通过空气流动带到箱体外部，为冷凝器7-2散热；高压液体氟里昂进入蒸发器7-3，蒸发为低压气体，该过程吸收热量，蒸发器7-3四周空气变冷，贯流风扇7-6位于蒸发器7-3的下方，通过空气流动将冷空气均匀吹入植物培养箱1内部。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，植物培养箱1内部由金属盖1-1分隔为上、下两部分，上部为有机玻璃箱，下部为金属箱；
所述金属盖1-1上开有通风口；
所述有机玻璃箱顶部开有天窗1-2，有机玻璃箱内壁上设有支撑杆1-3，该支撑杆1-3用于支撑电子显微镜8，植物、空气温湿度变送器2、土壤温湿度变送器3和CO2浓度变送器4均位于有机玻璃箱内；
压缩机7-1、冷凝器7-2、蒸发器7-3、热风机7-4、加湿器7-5、贯流风扇7-6和散热风扇7-7均位于金属箱内部。
本实施方式中，所述植物培养箱1上部分空间由有机玻璃围成，用于放置植物，有机玻璃属于透明材料，便于植物充分的接触阳光。同时，顶部设有天窗1-2，便于对箱体内部进行换气和除湿。另外可对贯流风扇7-6进行单独操作，配合天窗1-2使用可用于降湿。
植物培养箱1下部由金属围成，用于调节整个植物培养箱1内部的环境。贯流风扇7-6将空气吹过蒸发器7-3变成冷空气，通过通风口进入上部有机玻璃箱，从而完成对植物培养箱1内部环境的换气。采用金属材料，利于散热。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，支撑杆1-3为摆动式支撑杆。
在实际应用时，支撑杆1-3包括前臂和后臂，前臂可左右移动，后臂可上下移动，便于对叶片气孔的多视角观测。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，金属箱通过金属分隔板1-4分割为上方和下方两个空间，冷凝器7-2位于下方空间，蒸发器7-3位于上方空间。
本实施方式中，金属分隔板1-4用于将冷凝器7-2和蒸发器7-3分隔开，以防止冷热空气混合。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，金属盖1-1上开有风扇口，抽气风扇7-14嵌固在该风扇口上。
抽气风扇7-14通过能够将有机玻璃箱内的热空气抽进下部金属箱。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式三所述的微碳汇计量系统作进一步说明，本实施方式中，金属箱侧壁下部开有排水口。
排水口(28)用于将蒸发器(5)上的冷凝水排出箱体。
Claims (7)
1.微碳汇计量系统，它包括：植物培养箱(1)，其特征在于，它还包括：空气温湿度变送器(2)、土壤温湿度变送器(3)、CO2浓度变送器(4)、单片机(5)、继电器(6)、环境调节机构(7)、电子显微镜(8)和计算机(9)；
空气温湿度变送器(2)用于采集植物培养箱(1)内空气的温湿度，且空气温湿度变送器(2)的温湿度信号输出端连接单片机(5)的一个温湿度信号输入端；
土壤温湿度变送器(3)用于采集植物培养箱(1)内土壤的温湿度，且土壤温湿度变送器(3)的温湿度信号输出端连接单片机(5)的另一个温湿度信号输入端；
CO2浓度变送器(4)用于采集植物培养箱(1)内的CO2浓度，且CO2浓度变送器(4)的CO2浓度信号输出端连接单片机(5)的CO2浓度信号输入端；
单片机(5)的采集信号输出端连接计算机(9)的采集信号输入端，单片机(5)的比较信号输入端连接计算机(9)的比较信号输出端，单片机(5)的电平信号输出端连接继电器(6)的电平信号输入端，继电器(6)用于驱动环境调节机构(7)工作，环境调节机构(7)用于调节植物培养箱(1)内的空气温湿度、土壤温湿度和CO2浓度；
电子显微镜(8)用于实时采集植物培养箱(1)内植物叶片图像，电子显微镜(8)的图像信号输出端连接计算机(9)的图像信号输入端。
2.根据权利要求1所述的微碳汇计量系统，其特征在于，环境调节机构(7)包括：压缩机(7-1)、冷凝器(7-2)、蒸发器(7-3)、热风机(7-4)、加湿器(7-5)、贯流风扇(7-6)、散热风扇(7-7)、水泵(7-8)和CO2源(7-11)；
压缩机(7-1)内充有氟里昂气体，压缩机(7-1)的出气口与冷凝器(7-2)的进气口连通，冷凝器(7-2)的出液口与蒸发器(7-3)的进液口连通；
热风机(7-4)用于提高植物培养箱(1)内部温度；
加湿器(7-5)用于提高植物培养箱(1)内部湿度；
贯流风扇(7-6)位于蒸发器(7-3)的下方，用于使蒸发器(7-3)周围的冷空气均匀分布在植物培养箱(1)内部；
散热风扇(7-7)位于冷凝器(7-2)上方，用于为冷凝器(7-2)散热；
水泵(7-8)用于将水泵入土壤中；
CO2源(7-11)的出气口与植物培养箱(1)上的进气口(7-12)连通，CO2源(7-11)与植物培养箱(1)之间的通路上设有气阀(7-13)。
3.根据权利要求2所述的微碳汇计量系统，其特征在于，植物培养箱(1)内部由金属盖(1-1)分隔为上、下两部分，上部为有机玻璃箱，下部为金属箱；
所述金属盖(1-1)上开有通风口；
所述有机玻璃箱顶部开有天窗(1-2)，有机玻璃箱内壁上设有支撑杆(1-3)，该支撑杆(1-3)用于支撑电子显微镜(8)，植物、空气温湿度变送器(2)、土壤温湿度变送器(3)和CO2浓度变送器(4)均位于有机玻璃箱内；
压缩机(7-1)、冷凝器(7-2)、蒸发器(7-3)、热风机(7-4)、加湿器(7-5)、贯流风扇(7-6)和散热风扇(7-7)均位于金属箱内部。
4.根据权利要求3所述的微碳汇计量系统，其特征在于，支撑杆(1-3)为摆动式支撑杆。
5.根据权利要求3所述的微碳汇计量系统，其特征在于，金属箱通过金属分隔板(1-4)分割为上方和下方两个空间，冷凝器(7-2)位于下方空间，蒸发器(7-3)位于上方空间。
6.根据权利要求3所述的微碳汇计量系统，其特征在于，金属盖(1-1)上开有风扇口，抽气风扇(7-14)嵌固在该风扇口上。
7.根据权利要求3所述的微碳汇计量系统，其特征在于，金属箱侧壁下部开有排水口。
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