CN210037800U - 一种智能土壤气体通量监测数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，包括上位机和数据采集系统；所述数据采集系统包括气室、气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件；所述气室包括筒体、多功能土环和闸板控制器，筒体一端安装有闸板控制器，另一端安装有多功能土环，所述筒体内安装有气体传感器，所述上位机的其中一个接线口与闸板控制器相连，另一个接线口分别与气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件相连。采用原位监测的设计理念，避免了气体传输过程出现“气障”问题和气体抽吸过程气室内气压不平衡问题；采用密闭式气体测量‑开放式换气循环的工作模式，降低对周围环境的扰动，消除换气过程中由于外力参与而对土壤环境CO₂释放率的影响。

Description

一种智能土壤气体通量监测数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及生态、环保、安全领域内的气体通量检测技术，具体是一种智能土壤气体通量监测数据采集系统。

背景技术

二十世纪中叶以来，由于大气中温室气体浓度急剧增加所导致的全球气候变暖已经成为当今人类社会关注的焦点，根据Kiehl，Subke J A、刘春海等人的研究表明大气中CO₂、CH₄和N₂O浓度增加对温室效应的总贡献率可达80％。温室效应的加剧严重地威胁着全球生态与社会经济的可持续发展。因此，农田、森林、草场、矿区等各类生态系统地表土壤温室气体通量的精准、快速、连续性监测和评估，对于应对气候变化、实现碳减排目标具有重要的现实意义。

测量土壤气体通量的方法主要包括静态气室法、动态气室法和涡度相关法三种。与其他两种方法相比，动态气室法受环境影响小，适用于长期连续性监测和通量的空间特异性研究，是一种更精确、更便捷、更经济的土壤气体通量监测方法，被广泛应用于陆地生态系统土壤呼吸测量、全球温室效应研究、地下煤火监测、CCS地表CO₂泄露连续性监测、矿山生态修复与荒漠化治理等科研和工程领域。

但是，目前基于动态气室法原理研制的以美国某公司为代表的土壤气体通量装置，存在以下问题：1)气体传感器置于测量气室外，气室内的气体由气泵通过导气管导出后进行测量，易出现“气障”现象，仪器耗电高，响应时间长，不适于测量系统与控制系统距离较远及地表环境复杂的情况。2)气体抽吸过程会造成气室内气压不平衡，使气体无法自由扩散到气室中，有可能引起通量脉动变化，测量结果的精准度难以保证。且目前市场上的大多数测量仪器仅能对某种单一的土壤气体进行监测，无法实现对多种气体的同步连续监测，也缺乏与关键环境要素的在线耦合观测。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，以解决气室压力不平衡、易发生“气障”、换气扰动大、测量精度低、响应速度慢、自动化程度低、野外适应性差、应用范围局限、监测气体种类单一等问题。

为达到上述目的本实用新型采用以下技术方案：

一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，包括上位机和数据采集系统；所述数据采集系统包括气室、气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件；所述气室包括筒体、多功能土环和闸板控制器，筒体一端安装有闸板控制器，另一端安装有多功能土环，所述筒体内安装有气体传感器，所述上位机的其中一个接线口与闸板控制器相连，另一个接线口分别与气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件相连。

所述筒体内腔安装有自动控制闸板和换气扇，所述筒体上部筒壁两侧开设换气口，筒体中部为内筒和外筒双层结构，外筒筒壁开设有过滤口和线槽，筒体内筒壁开设闸板导向槽；内筒筒壁内侧上部设置半圆形换气扇固定板，换气扇固定板的下表面固定安装有换气扇，内筒筒壁下端与外筒筒壁连接处设置有限位卡槽，限位卡槽内安装有限位卡槽密封胶圈。

所述自动控制闸板包括密闭隔板、升降轴和柔性连接件，所述密闭隔板为圆形盖板和长方形导流隔板两部分一体化成型部件，且位于筒体内部，圆形盖板直径介于筒体的内筒直径和外筒直径之间，圆形盖板下缘安装有闸板密封胶圈，密闭隔板中心与升降轴一端相连，升降轴另一端通过柔性连接件与闸板控制器连接，所述升降轴外围套装有防尘罩，防尘罩上部固定于闸板控制器下表面，下部固定于圆形盖板上表面，自动控制闸板完全闭合状态时圆形盖板下缘位置贴紧筒体内筒壁上沿，自动控制闸板完全打开状态时圆形盖板下缘位置提升至换气口上缘。

所述密闭隔板运行上限位置和下限位置分别设有上限限位开关和下限限位开关，上限限位开关、下限限位开关的信号线从筒体壁面上的过线孔穿出，通过筒体壁上设置的线槽连接到闸板控制器中的信号收发器；换气扇接口线从筒体壁面上的过线孔穿出，通过筒体壁上设置的线槽经过闸板控制器，汇入闸板控制器总线。

所述多功能土环上部嵌入安装于筒体下部，通过筒体的限位卡槽与筒体密封连接，多功能土环内壁上部设有固定环，固定环上安装有气体传感器，并连接到多功能土环内壁预置的气体传感器预置接口；多功能土环壁面开设传感器接口线过线孔，传感器接口线过线孔中嵌有传感器接口线过线孔密封胶圈，多功能土环外壁设有限位支撑环，限位支撑环上开设若干透气孔，多功能土环下部压入土壤中，且限位支撑环的下表面与地面紧贴。

所述闸板控制器包括闸板电机和信号收发器，闸板电机通过柔性连接件与升降轴连接；信号收发器收集和反馈自动控制闸板状态信息，传输上位机指令，实现数据采集系统的智能控制；闸板控制器壁面开设闸板控制器过线孔，闸板控制器总线由换气扇接口线、闸板信号接口线和闸板电源接口线组成，从闸板控制器过线孔穿出，分别通过航空插头连接至闸板控制器接口线，集成后与上位机相连。

本实用新型的有益效果为：

1.采用原位监测设计，监测传感器置于气室内部，无需安装气泵装置，简化操作流程，结构紧凑、响应快速，避免了气体传输过程中出现的“气障”问题和气体抽吸过程中气室内气压不平衡问题，气体能够自由扩散到气室中，保证了测量数据的准确可靠。

2.采用密闭式气体测量—开放式换气循环的工作模式。换气模式新颖，能够保证测量气体从气室中有效排出。固定式气室内设自动控制闸板，通过缓慢升降以实现气室开闭，最大程度上降低对周围环境的扰动，避免了气室内的气压波动，消除换气过程中由于外力参与而对土壤环境CO₂释放率的影响。

3.采用高气密性智能自动控制闸板和自主开发的集控制、计算与分析于一体的工控程序，结合配备的高精度监测传感器，实现了自动化程度高、稳定性强、灵敏性好、精准度高的全系统智能控制，可在无人值守状态下实现野外长期连续监测。

4.采用便携式分体设计，数据采集系统与上位机分离，线路高度集成，安装和拆卸操作流程简单，工作能耗低，适用于不同测量载体、户外地表条件复杂等各种工作环境。

附图说明

图1是本实用新型系统结构示意图；

图2是本实用新型气室密闭状态下系统A-A截面剖视图；

图3是本实用新型气室开放状态下系统A-A截面剖视图；

图4是本实用新型气室密闭状态下系统B-B截面剖视图；

图5是本实用新型气室开放状态下系统B-B截面剖视图；

1-筒体，1-1-换气口，1-2-过滤口，1-3-线槽，1-4-限位卡槽，1-5-导向槽，1-6-换气扇固定板，2-多功能土环，2-1-限位支撑环，2-2-透气孔，2-3-传感器接口线过线孔，2-4-固定环，3-CO₂传感器，3-1-CO₂-温度传感器接口线，3-2-CO₂传感器预置接口，4-1-内温度传感器，4-2-外温度传感器，4-3-温度传感器接口线，4-4-温度传感器预置接口，5-湿度传感器，5-1-湿度传感器接口线，6-扩展组件，6-1-扩展组件接口线，7-闸板控制器接口线，8-传感器接口线，9-闸板控制器，9-1-闸板控制器总线，9-2-闸板控制器过线孔，9-3-换气扇接口线，9-4-闸板信号接口线，9-5-闸板电源接口线，9-6-闸板电机，9-7-信号收发器，10-自动控制闸板，10-1-密闭隔板，10-2-升降轴，10-3-柔性连接件，10-4-圆形盖板，10-5-导流隔板，10-6-防尘罩，11-换气扇，12-1-上限限位开关，12-2-下限限位开关，13-1-闸板密封胶圈，13-2-限位卡槽密封胶圈，13-3-传感器接口线过线孔密封胶圈，14-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下优选实施方式仅仅是示例性的，本实用新型包括但不限于以下实施方式。

如图1-图5所示，一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，包括上位机14和数据采集系统；所述数据采集系统包括气室、CO₂传感器3、内温度传感器4-1、外温度传感器4-2、湿度传感器5和扩展组件6；所述气室包括筒体1、多功能土环2和闸板控制器9，筒体1一端安装有闸板控制器9，另一端安装有多功能土环2，组装成气室，所述筒体1内分别安装有CO₂传感器3、内温度传感器4-1，所述闸板控制器9与上位机14的闸板控制器接口线7相连，所述CO₂传感器3、内温度传感器4-1的CO₂-温度传感器接口线3-1、所述外温度传感器4-2的温度传感器接口线4-3、所述湿度传感器5的湿度传感器接口线5-1及所述扩展组件6的扩展组件接口线6-1分别通过航空插头连接至传感器接口线8，集成后与上位机14相连，气室内、外均可扩展若干个不同种类的气体传感器或其他环境类传感器。

所述筒体1内腔安装有自动控制闸板10和换气扇11，所述筒体1上部筒壁两侧开设换气口1-1，筒体1中部为内筒和外筒双层结构，外筒筒壁开设有过滤口1-2和线槽1-3，过滤口1-2用于过滤导出野外工作条件下可能卷入的砂石颗粒，筒体1内筒壁开设闸板导向槽1-5，确保密闭隔板10-1上下移动时不发生径向偏移；内筒筒壁内侧上部设置半圆形的换气扇固定板1-6，换气扇固定板1-6的下表面固定安装有换气扇11，通过程序设定，每循环的开放换气阶段工作，密闭测量阶段停歇，用于促进气室内的气体交换，内筒筒壁下端与外筒筒壁连接处设置有限位卡槽1-4，限位卡槽1-4内安装有限位卡槽密封胶圈13-2，实现与多功能土环2的密封连接。

所述自动控制闸板10包括密闭隔板10-1、升降轴10-2和柔性连接件10-3，所述密闭隔板10-1为圆形盖板10-4和长方形的导流隔板10-5两部分一体化成型部件，且位于筒体1内部，圆形盖板10-4直径介于筒体1的内筒直径和外筒直径之间，圆形盖板10-4下缘安装有闸板密封胶圈13-1，实现与内筒的密封，导流隔板10-5配合换气扇11工作，在换气过程中形成气流通道，避免湍流、涡旋和气道“短路”，确保气室换气充分，密闭隔板10-1中心与升降轴10-2一端相连，升降轴10-2另一端通过柔性连接件10-3与闸板控制器9连接，所述升降轴10-2外围套装有防尘罩10-6，防尘罩10-6上部固定于闸板控制器9下表面，下部固定于圆形盖板10-4上表面，采用柔弹性材质，隔离保护升降轴10-2免受粉尘、沙粒附着而导致的运行卡滞；升降轴10-2带动密闭隔板10-1在筒体1轴向上缓慢升降移动，以实现气室的打开与闭合；自动控制闸板10完全闭合状态时圆形盖板10-4下缘位置贴紧筒体1内筒壁上沿；自动控制闸板10完全打开状态时圆形盖板10-4下缘位置提升至换气口1-1上缘。

所述密闭隔板10-1运行上限位置和下限位置分别设有上限限位开关12-1和下限限位开关12-2，上限限位开关12-1、下限限位开关12-2的信号线从位于线槽1-3处筒体1壁面上的过线孔穿出，通过筒体1壁上设置的线槽1-3连接到闸板控制器9中的信号收发器9-7；换气扇11接口线从位于线槽1-3处筒体1壁面上的过线孔穿出，通过筒体1壁上设置的线槽1-3经过闸板控制器9，汇入闸板控制器总线9-1；当密闭隔板10-1运行至限制位置时，触发上限限位开关12-1或下限限位开关12-2动作，密闭隔板10-1停止运行；同时通过程序设定闸板电机9-6运行时间，来实现对密闭隔板10-1运行的保护性控制，避免密闭隔板10-1由于异物阻滞而无法触发上限限位开关12-1或下限限位开关12-2时，所导致的循环卡顿、电机堵转等现象。

所述多功能土环2上部嵌入安装于筒体1下部，通过筒体1的限位卡槽1-4与筒体1的密封连接，多功能土环2上部直径略小于筒体1，多功能土环2内壁上部设有固定环2-4，用于放置气体传感器，固定环2-4上安装有CO₂传感器3，并连接到多功能土环2内壁预置的CO₂传感器预置接口3-2；多功能土环2壁面开设传感器接口线过线孔2-3，用于气室内各传感器预置接口线穿出，传感器接口线过线孔2-3中嵌有传感器接口线过线孔密封胶圈13-3，确保气室良好的气密性；多功能土环2外壁设有限位支撑环2-1，限位支撑环2-1上开设若干透气孔2-2，确保土壤—大气两相界面的自由扩散状态；多功能土环2下部压入土壤中，且限位支撑环2-1的下表面与地面紧贴。

所述闸板控制器9包括闸板电机9-6和信号收发器9-7，闸板电机9-6通过柔性连接件10-3与升降轴10-2连接，为密闭隔板10-1提供升降动力；信号收发器9-7收集和反馈自动控制闸板10状态信息，传输上位机14指令，实现数据采集系统的智能控制；闸板控制器9壁面开设闸板控制器过线孔9-2，闸板控制器总线9-1由换气扇接口线9-3、闸板信号接口线9-4和闸板电源接口线9-5组成，从闸板控制器过线孔9-2穿出，分别通过航空插头连接至闸板控制器接口线7，集成后与上位机14相连。

智能土壤气体通量监测数据采集系统的使用过程为：

A)安装多功能土环2：建议选取地势较高、地面平坦的位置作为测量点，清理地表的浮石、松土和杂物；将多功能土环2垂直压入土壤，直至限位支撑环2-1贴紧地面；为保证上部气室平稳和气体通量计算的准确性，压入的多功能土环2要求平面尽量保持水平，并且为避免土壤扰动影响，多功能土环2打入后等待1-2小时后再进行数据测定；

B)安装内温度传感器4-1和外温度传感器4-2：将内温度传感器4-1置于气室内，一端的插头连接到多功能土环2内的温度传感器预置接口4-4；将外温度传感器4-2测量端插入土环外围的土壤中，插入深度H₁≥3cm；

C)安装湿度传感器5：将湿度传感器5测量端插入土环外围的土壤中，插入深度H₂≥3cm；

D)安装CO₂传感器3：将CO₂传感器3插入多功能土环2内部的固定环2-4上，一端的插头连接到多功能土环2内的CO₂传感器预置接口3-2上；

E)安装气室：将多功能土环2嵌入上部安装有闸板控制器9的筒体1内，通过限位卡槽1-4实现与多功能土环2的连接与密封，压平筒体1，使筒体1轴线垂直于水平面；

F)仪器接线：将闸板控制器接口线7和传感器接口线8分别与上位机14对应接口相连，闸板控制器接口线7和传感器接口线8另一端的连接顺序如下：

a.连接CO₂-温度传感器接口线3-1与传感器接口线8的CO₂-温度传感器接口；

b.连接温度传感器接口线4-3与传感器接口线8的温度传感器接口；

c.连接湿度传感器接口线5-1与传感器接口线8的湿度传感器接口；

d.连接换气扇接口线9-3与闸板控制器接口线7的换气扇接口；

e.连接闸板信号线9-4与闸板控制器接口线7的闸板信号线接口；

f.连接闸板电源线9-5与闸板控制器接口线7的闸板电源线接口；

G)开机运行：打开上位机14上的电源开关，开机，监测工作开始；

首先进入气室开启阶段，上位机14下达指令，指示闸板电机9-6工作，通过升降轴10-2带动密闭隔板10-1沿筒体1轴向向上移动，移动至触发上限限位开关12-1，闸板控制器9内的信号收发器9-7接收到上限限位开关12-1信号并传达上位机14指令，上位机14向闸板电机9-6下达停止指令，使密闭隔板10-1停止提升，此时圆形盖板10-4下缘提升至换气口1-1上缘，气室处于完全开放状态；

监测循环进入换气阶段，上位机14发出指令控制换气扇11开始转动，导流隔板10-5将气室在垂直方向左右分割成两个区域，形成气流通道，在换气扇11的作用下对气室内部进行充分换气；当达到设定的换气时间30s后，上位机14下达指令，指示换气扇11停止转动，换气阶段结束；

监测循环进入气室闭合阶段，上位机14下达指令，指示闸板电机9-6工作，升降轴10-2带动密闭隔板10-1沿筒体1轴向向下移动，移动至触发下限限位开关12-2，闸板控制器9内的信号收发器9-7接收下限限位开关12-2信号并传达上位机14指令，上位机14指示闸板电机9-6停止工作，使密闭隔板10-1停止下降，此时圆形盖板10-4上缘下降至换气口1-1下缘，圆形盖板10-4下缘凹槽扣紧筒体1内筒上沿，连接处用闸板密封胶圈13-1密封，气室处于完全密闭状态；

气室完全密闭后，监测循环进入数据采集阶段，上位机14下达开启指令，指示CO2传感器3、内温度传感器4-1、外温度传感器4-2和湿度传感器5开始工作，各传感器采集的数据通过传感器接口线8传输到上位机14储存；当达到设定的监测时间450s后，上位机14下达指令，停止各传感器工作，系统再次进入气室开启阶段，进而完成监测工作的一个循环周期；

可根据监测计划设定监测总时间或循环周期总数，也可以根据实际需求随时终止或中断监测工作，再次开机后，闸板控制器9内的信号收发器9-7检测限位开关信号，传达上位机14指令，指示密闭隔板10-1复位到上限限位开关12-1位置(即气室完全开放状态)，随后系统监测循环继续，监测数据连续写入上位机14中。可根据不同的监测任务和进度要求，自主选择数据下载的频次和时机，将上位机14通过USB数据连接线或无线接收装置连接至计算机，将采集到的数据下载至本地计算机，进行数据处理、计算和分析；

H)监测工作结束后，关闭上位机14上的电源开关，整个测量系统随之关闭；

I)拆除接线：各接口线的拆卸步骤宜按照安装步骤F的逆顺序进行；

J)拆除气室：将上部安装有闸板控制器9的筒体1、多功能土环2由上及下依次拆卸，归纳整理后装入减震收纳箱内。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，并非用以限制本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，或在不脱离本申请原理的前提下做出的等效变换、若干改进、变更、组合或润饰，均属于本专利保护的范围。

在实施方式中仅仅标示出了与本实用新型方案密切相关的结构和处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。省略的结构细节和未详细描述的部件组件为本领域公知常识和常用装置，市场上已有相关配套产品。同时，本实用新型不局限于土壤二氧化碳通量的测量，本领域人员可以连接其他类型的气体分析仪，测量其他气体的地表通量，均属于本专利保护的范围。

Claims (6)

1.一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于，包括上位机和数据采集系统；所述数据采集系统包括气室、气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件；所述气室包括筒体、多功能土环和闸板控制器，筒体一端安装有闸板控制器，另一端安装有多功能土环，所述筒体内安装有气体传感器，所述上位机的其中一个接线口与闸板控制器相连，另一个接线口分别与气体传感器、温度传感器、湿度传感器和扩展组件相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于：所述筒体内腔安装有自动控制闸板和换气扇，所述筒体上部筒壁两侧开设换气口，筒体中部为内筒和外筒双层结构，外筒筒壁开设有过滤口和线槽，筒体内筒壁开设闸板导向槽；内筒筒壁内侧上部设置半圆形换气扇固定板，换气扇固定板的下表面固定安装有换气扇，内筒筒壁下端与外筒筒壁连接处设置有限位卡槽，限位卡槽内安装有限位卡槽密封胶圈。

3.根据权利要求2所述的一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于：所述自动控制闸板包括密闭隔板、升降轴和柔性连接件，所述密闭隔板为圆形盖板和长方形导流隔板两部分一体化成型部件，且位于筒体内部，圆形盖板直径介于筒体的内筒直径和外筒直径之间，圆形盖板下缘安装有闸板密封胶圈，密闭隔板中心与升降轴一端相连，升降轴另一端通过柔性连接件与闸板控制器连接，所述升降轴外围套装有防尘罩，防尘罩上部固定于闸板控制器下表面，下部固定于圆形盖板上表面，自动控制闸板完全闭合状态时圆形盖板下缘位置贴紧筒体内筒壁上沿，自动控制闸板完全打开状态时圆形盖板下缘位置提升至换气口上缘。

4.根据权利要求3所述的一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于：所述密闭隔板运行上限位置和下限位置分别设有上限限位开关和下限限位开关，上限限位开关、下限限位开关的信号线从筒体壁面上的过线孔穿出，通过筒体壁上设置的线槽连接到闸板控制器中的信号收发器；换气扇接口线从筒体壁面上的过线孔穿出，通过筒体壁上设置的线槽经过闸板控制器，汇入闸板控制器总线。

5.根据权利要求1所述的一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于：所述多功能土环上部嵌入安装于筒体下部，通过筒体的限位卡槽与筒体密封连接，多功能土环内壁上部设有固定环，固定环上安装有气体传感器，并连接到多功能土环内壁预置的气体传感器预置接口；多功能土环壁面开设传感器接口线过线孔，传感器接口线过线孔中嵌有传感器接口线过线孔密封胶圈，多功能土环外壁设有限位支撑环，限位支撑环上开设若干透气孔，多功能土环下部压入土壤中，且限位支撑环的下表面与地面紧贴。

6.根据权利要求1所述的一种智能土壤气体通量监测数据采集系统，其特征在于：所述闸板控制器包括闸板电机和信号收发器，闸板电机通过柔性连接件与升降轴连接；信号收发器收集和反馈自动控制闸板状态信息，传输上位机指令，实现数据采集系统的智能控制；闸板控制器壁面开设闸板控制器过线孔，闸板控制器总线由换气扇接口线、闸板信号接口线和闸板电源接口线组成，从闸板控制器过线孔穿出，分别通过航空插头连接至闸板控制器接口线，集成后与上位机相连。

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