一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及方法
【专利摘要】本发明一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置，主要包括：机械支架、气体变换机构、二氧化碳浓度测量模块和电气控制部分；气体变换机构实现气体的采集、暂时存储和气体的分别测量；二氧化碳浓度测量模块将输入的气体进行实时测量；电气控制部分通过单片机对气体变换机构和测量模块进行控制，并通过嵌入的GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块将GPS信息、风速风向信息和测量信息发送至无线网络，然后传输至远端接收器。本发明具有现场多点实时测量和远程数据传输功能，能够在农田等环境中自动进行同一地点不同梯度的二氧化碳浓度测量，并能够将数据发送至远端。
【专利说明】一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及方法
(-)【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量装置，尤其是一种用于农田光合作用产生的二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置。
(二)【背景技术】
[0002]二氧化碳(CO2)浓度是许多领域需要实时监测和分析的重要数据，对二氧化碳浓度的监测应用于农业生产、环境保护等领域。二氧化碳是造成温室效应的重要因素，同时二氧化碳还是植物光合作用的主要原料，是农作物进行碳汇的主要途径，因此有关农田内二氧化碳浓度的监控与测量，对于农情信息采集、农田碳汇、二氧化碳施肥、提高作物产量具有重要意义。
[0003]农田近地气层二氧化碳浓度梯度观测是农田二氧化碳浓度测定的重要组成部分，是通过对同一地点不同高度分别进行二氧化碳浓度测量得出的浓度梯度分布。目前二氧化碳浓度梯度观测有两种方法:一种是用几台测试仪在不同高度同时进行观测；另一种是一台仪器工作，按时在各个高度上迅速采样，随即分别测出不同高度空气中二氧化碳浓度。这两种方法各有利弊:第一种方法测量准确，但成本较高不适于大面积农田使用；第二种方法主要有两个缺陷，一是容易受人为的影响，如采样者呼出的二氧化碳、人工测量引起的气体扰动等，影响精确度；二是资料不连续、不同步，观测高度也受限制。且以上两种方法都需要人工操作读数，易受人为因素影响，不利于进行数据的实时采集和远程获取。因此，发明一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置具有重要的现实意义。
(三)发明专利内容
[0004]针对上述技术问题，本发明专利提供了一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及控制方法，该设备具有现场多点实时测量和远程数据传输功能，安装好后能够在农田等环境中自动进行同一地点不同梯度高度的二氧化碳浓度测量，并能够将数据发送至远端。
[0005]一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置，主要包括:机械支架、气体变换机构、二氧化碳浓度测量模块和电气控制部分；机械支架由底座、立柱和多个肢架组成，用于测量时固定测量装置和导气管；气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀和微型气泵组成的，实现气体的采集、暂时存储和气体的分别测量；二氧化碳浓度测量模块采用红外测量的方式，将输入的气体进行实时测量；电气控制部分通过单片机对气体变换机构和测量模块进行控制，并通过嵌入GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块将GPS信息、风速风向信息和测量信息发送至无线网络，然后传输至远端接收器。
[0006]所述机械支架由一个底座、立柱和多个肢架组成。所述底座是一个下面带有长钉上面带有圆柱形长孔的圆盘型结构，所述圆柱形长孔用于固定立柱，所述长钉用于将整个支架固定在土壤中。所述立柱标记有公制刻度，用以标记测量高度；所述肢架为杆状一端焊接有钢管固定夹使肢架可活动的垂直固定在立柱上。所述肢架在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可以调整，肢架可以以一定的角度、不同的高度垂直安装在立柱周围，长导气管固定在各肢架上。
[0007]所述气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀、微型气泵和一个气体质量流量控制器(MFC)构成；所述气体变换机构有若干个支路构成。每个支路由导气管、一个二位三通电磁阀和一个微型气泵组成。所诉导气管分为长导气管、短导气管和连接导气管，长导气管长度可根据后述的公式计算确定，长导气管一端安装有鹅颈弯管并接通到大气中，鹅颈弯管可以防止气体交换，长导气管另一端连接在二位三通电磁阀的进气口上，长导气管与二位三通电磁阀之间安装有微型气泵，短导气管和连接导气管一端分别连接在二位三通电磁阀的两个出气口上，短导气管另一端连接大气，连接导气管另一端连接在多通接头上；各个支路的连接导气管通过一个多通接头连接在干路气管上，干路气管长度以适宜为宜，气体质量流量控制器(MFC)安装在干路气管上紧接在多通接头后面，可以控制气体的流量并测量压力值；干路气管另一端接入二氧化碳浓度测量模块进行浓度测试。
[0008]所述二氧化碳浓度测量模块采用红外二氧化碳测量方式。该模块的原理是当红外光通过待测气体时这些气体分子对特定波长的红外光具有吸收作用，其吸收关系服从朗博一比尔吸收定律，由此可通过计算透过待测气体的红外光的强度变化确定待测气体浓度。该模块的主要结构是由一个红外光源、红外接收器及管状气室组成；红外光源和红外接收器分别在管状气室的两端；红外光源是红外光的发射装置；红外接收器是红外光的接受装置；气室用于盛放待测气体，两端有进气口和出气口。
[0009]所述电气控制部分包括GPS接收模块、测量控制器、风速风向模块和GPRS无线通讯模块。所述GPS接收模块用于获取测量仪所在的地理位置信息(即GPS信息)，并通过串口发送到测量控制器；所述测量控制器用于控制气体变换机构中泵、阀的变换，读取GPS信息、风速风向信息和测量结果的计算；所述风速风向模块用于测量进行二氧化碳浓度测量时所在位置的风速风向信息。所述GPRS无线通讯模块可通过其内置的无线网络通讯功能与远程终端设备建立联系，将测量信息、GPS接收模块获取的GPS信息、风速风向信息传输至远端接收器；所述二氧化碳测量模块、GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块通过串行通讯方式与测量控制器联接。
[0010]一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置控制过程为:
(1)各模块初始化，待机状态等待指令
(2)测量装置的GPRS无线通讯模块接受指令，并对指令进行解析，确定采样间隔、采样频率等要素，并根据公式4计算出气体质量流量控制器的流量控制量，并读取GPS接收模块获取的本发明测量装置所在的地理位置信息。
(3)测量控制器控制泵、阀进行工作，具体过程如下:
a)工作前，切换所有二位三通电磁阀工作位置，使各支路长导气管与短导气管连通`，同时开启所有微型气泵进行抽气，开启一定时间U1 V/U)后同时关闭所有微型气泵，此时，长导气管内布满了从外界抽入的待测气体，长导气管起到暂时储气的作用。抽气完成后读取当前风速风向信息。
b)支路I的二位三通阀切换位置，使支路I与干路气管连通，开启支路I的微型气泵将支路I中长导气管内的气体泵入二氧化碳测量浓度测量模块进行测量。测量控制器通过气体质量流量控制器对流入二氧化碳测量模块的气体体积V’进行计算，当V’ MV-Vtl)/2时，测量控制器开始读取二氧化碳测量模块读数，当V’ MV+VJ/2时，停止读取。
C)支路I和支路2的二位三通电磁阀同时切换位置，使支路I断开与干路气管相连，支路2与干路气管连通，开启支路2的微型气泵对支路2长导气管内的气体按照步骤b)中所述方法进行测量，测量完成后，支路2和支路3的二位三通阀同时切换位置，对支路3长导
气管中的气体进行测量......以此类推，分别测定所有支路的气体二氧化碳浓度。
(4)将测定的所有支路的气体二氧化碳浓度信息暂存，若采样未结束重复执行步骤
(3)，若结束对步骤3)读取的二氧化碳浓度信息进行补偿计算，将计算结果和GPS信息和风速风向信息打包上传至远端接收器。测量完成仪器关机。
[0011]本发明一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置硬件及控制信息计算: 二氧化碳测量模块响应时间:T
微型气泵提供的额定流量=Qtl 支路总数为:Ν
二氧化碳浓度测量所需的最小体积为QciT,为满足测量要求，所抽取的气体应留有测量余量，因此设每根长导气管内从外界抽入的待测气体为体积为V，选取长导气管暂存的气体中最中间的部分气体参与测量，设计参与测量的气体体积为Vtl(V) 则长导气管两端的气体余量为(V-Vtl)/2，设计参数计算如下:
【权利要求】
1.一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置，主要包括:机械支架、气体变换机构、二氧化碳浓度测量模块和电气控制部分； 所述机械支架由一个底座、立柱和多个肢架组成；所述底座是一个下面带有长钉上面带有圆柱形长孔的圆盘型结构；所述立柱上标记有公制刻度；所述肢架为杆状一端焊接有钢管固定夹使肢架可活动的垂直固定在立柱上； 所述气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀、微型气泵和一个气体质量流量控制器MFC构成；所述气体变换机构设计有若干个支路构成；每个支路由导气管、一个二位三通电磁阀和一个微型气泵组成；所诉导气管分为长导气管、短导气管和连接导气管，长导气管一端安装有鹅颈弯管并接通到大气中，长导气管另一端连接在二位三通电磁阀的进气口上，长导气管与二位三通电磁阀之间安装有微型气泵，短导气管和连接导气管一端分别连接在二位三通电磁阀的两个出气口上，短导气管另一端连接大气，连接导气管另一端连接在多通接头上；各个支路的连接导气管通过一个多通接头连接在干路气管上，质量流量控制器MFC安装在干路气管上紧接在多通接头后面；干路气管接入二氧化碳浓度测量模块； 所述电气控制部分包括GPS接收模块、测量控制器、风速风向模块和GPRS无线通讯模块；所述二氧化碳测量模块、GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块通过串行通讯方式与测量控制器联接。
2.如权利要求1所述一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置的控制过程为: (1)各模块初始化，待机状态等待指令； (2)测量装置的GPRS无线通讯模块接受指令，并对指令进行解析，确定采样间隔、采样频率等要素，并根据公式4计算出气体质量流量控制器的流量控制量，并读取GPS接收模块获取的本发明测量装置所在的地理位置信息； (3)测量控制器控制泵 、阀进行工作，具体过程如下: a)工作前，切换所有二位三通电磁阀工作位置，使各支路长导气管与短导气管连通，同时开启所有微型气泵进行抽气，开启一定时间h > V/U后同时关闭所有微型气泵，此时，长导气管内布满了从外界抽入的待测气体，长导气管起到暂时储气的作用；抽气完成后读取当前风速风向信息； b)支路I的二位三通阀切换位置，使支路I与干路气管连通，开启支路I的微型气泵将支路I中长导气管内的气体泵入二氧化碳测量浓度测量模块进行测量；测量控制器通过气体质量流量控制器对流入二氧化碳测量模块的气体体积V’进行计算，当V’ MV-Vtl)/2时，测量控制器开始读取二氧化碳测量模块读数，当V’ > (V+V0) /2时，停止读取； c)支路I和支路2的二位三通电磁阀同时切换位置，使支路I断开与干路气管相连，支路2与干路气管连通，开启支路2的微型气泵对支路2长导气管内的气体按照步骤b)中所述方法进行测量，测量完成后，支路2和支路3的二位三通阀同时切换位置，对支路3长导气管中的气体进行测量......以此类推，分别测定所有支路的气体二氧化碳浓度； (4)将测定的所有支路的气体二氧化碳浓度信息暂存，若采样未结束重复执行步骤(3)，若结束对步骤(3)读取的二氧化碳浓度信息进行补偿计算，将计算结果和GPS信息和风速风向信息打包上传至远端接收器；测量完成仪器关机； 本发明控制过程中涉及的控制信息计算如下: 二氧化碳测量模块响应时间:T微型气泵提供的额定流量=Qtl 支路总数为:N 二氧化碳浓度测量所需的最小体积为QciT,为满足测量要求，所抽取的气体应留有测量余量，因此设每根长导气管内从外界抽入的待测气体为体积为V，选取长导气管暂存的气体中最中间的部分气体参与测量，设计参与测量的气体体积为Vtl, VMPQJ，则长导气管两端的气体余量为(V-Vtl)/2，设计参数计算如下:
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置其特征在于所述的长导气管为软管，可伸展至不同高度。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置其特征在于所述的气体变换机构中的气 体质量流量控制器MFC也可采用节流阀和气压计实现。
【文档编号】G01N21/35GK103454241SQ201310409664
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】苑进, 宁堂原, 王侃, 李杨, 刘雪美 申请人:山东农业大学