一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法

申请号 CN201710426605.0 申请日 2017-06-08 公开(公告)号 CN107478801A 公开(公告)日 2017-12-15
申请人 赵明春; 佐佐木久郎; 发明人 赵明春; 佐佐木久郎;
摘要 一种智能 土壤 气体通量监测系统及监测方法,该系统包括主机箱和 数据采集 系统;数据采集系统包括气室、二 氧 化 碳 传感器 、 湿度传感器 和 温度 传感器;气室包括防虫网盖、安装有自动控制功能闸板的筒体、 法兰 ,筒体安装于防虫网盖、法兰之间;二氧化碳传感器安装在气室底部的法兰上,二氧化碳传感器的测量端伸入气室内,温度传感器的测量端置于气室周围的环境内,湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中,二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器连接到主机箱,避免计算CO2通量需测量空气流通速率的问题;气室与主机箱之间无需气管连接,避免气管通气过程中易发生气障及气室内气压平衡问题;密闭式气体测量—开放式换气循环,可实现长期连续自动化监测。
权利要求

1.一种智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,包括主机箱和数据采集系统;
数据采集系统包括气室、二传感器(4)、湿度传感器(5)和温度传感器(6);其中气室包括防虫网盖(1)、安装有自动控制功能闸板(14)的筒体(2)、法兰(3),筒体(2)安装于防虫网盖(1)、法兰(3)之间;
所述自动控制功能闸板(14)包括密闭隔板(14-1)、轴承(14-2)、闸板电机(14-3)、信号控制单元(14-4),密闭隔板(14-1)为圆形,位于筒体(2)内部,自动控制功能闸板(14)完全闭合状态为密闭隔板(14-1)所在平面与筒体(2)横截面平行;自动控制功能闸板(14)完全打开状态为密闭隔板(14-1)所在平面与筒体(2)横截面垂直,轴承(14-2)贯穿密闭隔板(14-1),穿过圆筒(2)与闸板电机(14-3)相连,密闭隔板(14-1)能够自动环绕轴承(14-2)开闭,闸板信号线(14-6)两端分别与信号控制单元(14-4)和主机箱相连接;
二氧化碳传感器(4)安装在气室底部的法兰(3)上,二氧化碳传感器(4)的测量端伸入气室内,温度传感器(6)的测量端置于气室周围的环境内,湿度传感器(5)的测量端插入气室周围的土壤中,二氧化碳传感器(4)、湿度传感器(5)和温度传感器(6)连接到主机箱;
主机箱包括箱体、控制系统主板(24)、电源配线接口主板(25)、控制器(26)、电源模(27);控制系统主板(24)、电源配线接口主板(25)、控制器(26)、电源模块(27)置于箱体内;
控制器(26)固定于系统控制主板(24),电源模块(27)固定于电源配线接口主板(25)。
2.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述的防虫网盖(1)包括顶部安装圆面(1-1)和固定圆筒(1-2),顶部安装圆面(1-1)固定安装到固定圆筒(1-2)上,顶部安装圆面(1-1)为带格栅的盖子,其上部固定防虫网(7),防虫网盖(1)内部安装软性隔器(8)和换气扇(9),软性隔风器(8)悬挂安装在顶部安装圆面(1-1)上,换气扇(9)固定在顶部安装圆面(1-1)上,并与主机箱连接。
3.根据权利要求2所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述软性隔风器(8)是通过固定螺丝(8-1)将软性风帘(8-2)悬挂固定在顶部安装圆面(1-1)上形成的,软性风帘(8-2)底部采用半圆弧形设计,与自动控制功能闸板(14)在完全开启时所形成的半圆弧形匹配。
4.根据权利要求2所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述固定圆筒(1-
2)顶部内侧设有限位卡扣(12),通过限位卡扣(12)实现顶部安装圆面(1-1)与固定圆筒(1-
2)上表面处于同一平面上,固定圆筒(1-2)下部内侧设有限位凹槽(13)实现与筒体(2)连接。
5.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述闸板电机(14-
3)、信号控制单元(14-4)外侧罩有保护罩(14-5),保护罩(14-5)一侧留有闸板电机(14-3)的信号及电源线通过孔,信号及电源线通过孔上附有柔性胶圈。
6.根据权利要求4所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述筒体(2)的上、下两端外侧分别设有限位卡扣(2-1)、限位卡扣(2-2),限位卡扣(2-1)与限位凹槽(13)实现筒体(2)和防虫网盖(1)的固定连接,限位卡扣(2-2)与限位凹槽(3-1)实现筒体(2)和法兰(3)的固定连接,法兰(3)内嵌密闭环(15)实现法兰(3)与筒体(2)的密闭连接。
7.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述控制器(26)连接电源模块(27)、二氧化碳传感器(4)、湿度传感器(5)和温度传感器(6)、换气扇(9)、闸板电机(14-3)、信号控制单元(14-4)。
8.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述箱体由前接口面板(16)、后接口面板(17)、两个侧板(18)、底板(19)、顶板(20)围成;前接口面板(16)设有前散热口(16-1)、二氧化碳传感器接口(16-2)、湿度传感器接口(16-3)、温度传感器接口(16-4)、电源插孔(16-5)、电源开关(16-6)、换气扇接口(16-7);前散热口(16-1)设有前防尘网罩(21),电源插孔(16-5)通过电源线与外部电源连接,电源开关(16-6)连接电源插孔(16-5)与电源模块(27);二氧化碳传感器信号与电源线(4-1)、湿度传感器信号与电源线(5-1)、温度传感器信号与电源线(6-1)分别与前接口面板(16)上的二氧化碳传感器接口(16-2)、湿度传感器接口(16-3)、温度传感器接口(16-4)相连;
后接口面板(17)设有后散热口(17-1)、闸板开闭指示灯(17-2)、闸板控制接口(17-3)、闸板电源接口(17-4)、数据读写转换开关(17-5)、数据传输接口(17-6)、设备调试接口(17-
7)、电压电流显示屏(17-8);闸板开闭指示灯(17-2)指示自动控制功能闸板(14)运行状态;
闸板控制接口(17-3)与闸板信号线(14-6)相连;闸板电源接口(17-4)与闸板电源线(14-7)相连;设备调试接口(17-7)与外部系统调试设备相连,电压电流显示屏(17-8)显示主机箱工作电压及电流;其中后散热口(17-1)安装有换热风扇(22),且换热风扇(22)外安装有后防尘网罩(23)。
9.根据权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统,其特征在于,所述法兰(3)的底座上设有透气孔,法兰(3)上部内侧设有限位凹槽(3-1),法兰(3)下部侧面开有二氧化碳传感器安装孔(3-2),二氧化碳传感器(4)的气体测量端通过安装孔(3-2)伸入气室,二氧化碳传感器安装孔(3-2)内安装有柔性胶圈(3-3),使二氧化碳传感器(4)与法兰(3)侧壁实现无缝密闭连接。
10.采用权利要求1所述的智能土壤气体通量监测系统的监测方法,其特征在于,包括:
将二氧化碳传感器的测量端置于气室内部,将湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中,将温度传感器的测量端置于气室周围的环境内,分别监测气室内的二氧化碳浓度、气室周围土壤湿度和环境的温度,将监测数据传输回主机箱的控制器进行存储,并进行气体通量计算;
信号控制单元实时向控制器反馈密闭隔板的开合方向及度,主机箱通过信号控制单元的反馈信号,控制闸板电机工作:
当自动控制功能闸板完全打开时,与软性隔风器无缝相接,在气室中部形成一道屏障,将气室在垂直方向左右分割成两个区域,主机箱指示换气扇开始工作,在换气扇作用下气室内部形成对流,对气室内部进行充分换气;若达到设定的换气时间,信号控制单元自动检测密闭隔板的状态,并将信号反馈到主机箱,主机箱根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机开始运行,密闭隔板开始转动,自动控制功能闸板的状态由“完全打开”转变为“完全闭合”;
当自动控制功能闸板完全闭合后,信号控制单元检测闸板开闭状态,并反馈信号到主机箱,主机箱确认自动控制功能闸板的状态为“完全闭合”后,指示二氧化碳传感器、湿度传感器、温度传感器和主机箱的散热扇工作,其中二氧化碳浓度、湿度、温度监测数据通过信号线传输至主机箱中存储;
当达到设定的工作时间,信号控制单元检测自动控制功能闸板的状态,并将信号反馈到控制器,主机箱根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机开始运行,密闭隔板开始转动,自动控制功能闸板的状态由“完全闭合”转变为“完全打开”;当自动控制功能闸板再次完全打开时,完成监测工作的一个周期。

说明书全文

一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及安全环保和气体检测技术领域,具体是一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法。

背景技术

[0002] 随着近百年来社会的工业化进程加快,大气中CO2浓度不断增加,其引起的温室效应导致了全球气候变暖、川融化、海平面上升等严重的环境和生态问题。在大控制排放源头、降低碳排放量基础上,CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)已成为广泛关注的抑制大气中CO2浓度上升的有效方法之一。
[0003] CCUS技术实现的前提是要建立CO2地质封存过程以及封存之后的安全性和环境影响评价系统,分析评估CO2地下封存条件的可靠性和稳定性。由于二化碳在封存过程中不可避免会存在气体泄漏、溢出等现象,或者在封存之后的若干年间由于地表活动或地质运动而导致封存区域岩层或土壤层出现裂痕,进而引起二氧化碳逃逸到地表大气环境中。所以在CCUS 技术实施过程中需要对封存CO2的泄露和逃逸进行及时准确的监测和预报。
[0004] 目前,测量土壤二氧化碳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。静态气室法操作简便,不需要复杂的设备,但测定精度不理想;涡度相关法(如专利公开号为CN102494848A)适合测定大尺度内土壤CO2排放通量,同时对土壤系统几乎不造成干扰,但要求土壤表面的异质性和地形条件要相对简单,而且测定土壤CO2排放的准确度受大气流动、土壤表面和气候速等因素的影响程度较大,并不适用于二氧化碳地质封存泄露的长期监测工作。动态气室法虽然有如空气流通速率和测量室内外的压力差对测定结果准确性有负面影响、方法所需设备费用昂贵、必须有电力供应等缺点,但是相对于静态气室法而言,测量结果更精确,更适合于测定瞬时和连续时间段内的CO2排放速率,所以是目前国内应用最广泛的监测二氧化碳通量的方法,如中国专利公开号为:CN104897873A、CN103197048A、CN103235105A 、CN103630667B。但是上述装置存在以下问题:1)气体二氧化碳传感器置于测量气室外,需要导气管联通,由气导出气体后进行测量,容易造成气室压力不平衡问题,并且气管通气过程中易发生“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)测量系统与控制系统一体化设计虽然简化了设备结构,但使装置难以实现多通道测量的功能拓展;3)控制系统的散热会对监测数值的精确度造成一定程度的影响;4)气室的连续定时开闭需要人员手动控制,无法实现自动化。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种智能土壤气体通量监测系统及监测方法,以解决通量测定仪器的气室压力不平、能耗大、适应性差、精度低、兼容性差、自动化程度低等问题。
[0006] 为达到上述目的本发明采用以下技术方案:一种智能土壤气体通量监测系统,包括主机箱和数据采集系统;
数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器、湿度传感器温度传感器;其中气室包括防虫网盖、安装有自动控制功能闸板的筒体、法兰,筒体安装于防虫网盖、法兰之间;
所述自动控制功能闸板包括密闭隔板、轴承、闸板电机信号控制单元,密闭隔板为圆形,位于筒体内部,自动控制功能闸板完全闭合状态为密闭隔板所在平面与筒体横截面平行;自动控制功能闸板完全打开状态为密闭隔板所在平面与筒体横截面垂直,轴承贯穿密闭隔板,穿过圆筒与闸板电机相连,密闭隔板能够自动环绕轴承开闭,闸板信号线两端分别与信号控制单元和主机箱相连接;
二氧化碳传感器安装在气室底部的法兰上,二氧化碳传感器的测量端伸入气室内,温度传感器的测量端置于气室周围的环境内,湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中,二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器连接到主机箱。
[0007] 主机箱包括箱体、控制系统主板、电源配线接口主板、控制器、电源模;控制系统主板、电源配线接口主板、控制器、电源模块置于箱体内;控制器固定于系统控制主板,电源模块固定于电源配线接口主板。
[0008] 所述的防虫网盖包括顶部安装圆面和固定圆筒,顶部安装圆面固定安装到固定圆筒上,顶部安装圆面为带格栅的盖子,其上部固定防虫网,防虫网盖内部安装软性隔风器和换气扇,软性隔风器悬挂安装在顶部安装圆面上,换气扇固定在顶部安装圆面上,并与主机箱连接。
[0009] 所述软性隔风器是通过固定螺丝将软性风帘悬挂固定在顶部安装圆面上形成的,软性风帘底部采用半圆弧形设计,与自动控制功能闸板在完全开启时所形成的半圆弧形匹配。
[0010] 所述固定圆筒顶部内侧设有限位卡扣,通过限位卡扣实现顶部安装圆面与固定圆筒上表面处于同一平面上,固定圆筒下部内侧设有限位凹槽实现与筒体连接。
[0011] 所述闸板电机、信号控制单元外侧罩有保护罩,保护罩一侧留有闸板电机的信号及电源线通过孔,信号及电源线通过孔上附有柔性胶圈。
[0012] 所述筒体的上、下两端外侧分别设有一个限位卡扣,上端的限位卡扣与固定圆筒内侧的限位凹槽实现筒体和防虫网盖的固定连接,下端的限位卡扣与法兰内侧的限位凹槽实现筒体和法兰的固定连接,法兰内嵌密闭环实现法兰与筒体的密闭连接。
[0013] 所述控制器连接电源模块、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器、换气扇、闸板电机、信号控制单元。
[0014] 所述箱体由前接口面板、后接口面板、两个侧板、底板、顶板围成;前接口面板设有前散热口、二氧化碳传感器接口、湿度传感器接口、温度传感器接口、电源插孔、电源开关、换气扇接口;前散热口设有前防尘网罩,电源插孔通过电源线与外部电源连接,电源开关连接电源插孔与电源模块;二氧化碳传感器的信号与电源线、湿度传感器的信号与电源线、温度传感器的信号与电源线分别与前接口面板上的二氧化碳传感器接口、湿度传感器接口、温度传感器接口相连。
[0015] 后接口面板设有后散热口、闸板开闭指示灯、闸板控制接口、闸板电源接口、数据读写转换开关、数据传输接口、设备调试接口、电压电流显示屏;闸板开闭指示灯指示自动控制功能闸板运行状态;闸板控制接口与闸板信号线相连;闸板电源接口与闸板电源线相连;设备调试接口与外部系统调试设备相连,电压电流显示屏显示主机箱工作电压及电流;其中后散热口安装有换热风扇,且换热风扇外安装有后防尘网罩。
[0016] 所述法兰的底座上设有透气孔,法兰上部内侧设有限位凹槽,法兰下部侧面开有二氧化碳传感器安装孔,二氧化碳传感器的气体测量端通过安装孔伸入气室,二氧化碳传感器安装孔内安装有柔性胶圈,使二氧化碳传感器与法兰侧壁实现无缝密闭连接。
[0017] 采用所述的智能土壤气体通量监测系统的监测方法,包括:将二氧化碳传感器的测量端置于气室内部,将湿度传感器的测量端插入气室周围的土壤中,将温度传感器的测量端置于气室周围的环境内,分别监测气室内的二氧化碳浓度、气室周围土壤湿度和环境的温度,将监测数据传输回主机箱的控制器进行存储,并进行气体通量计算;
信号控制单元实时向控制器反馈密闭隔板的开合方向及度,主机箱通过信号控制单元的反馈信号,控制闸板电机工作:
当自动控制功能闸板完全打开时,与软性隔风器无缝相接,在气室中部形成一道屏障,将气室在垂直方向左右分割成两个区域,主机箱指示换气扇开始工作,在换气扇作用下气室内部形成对流,对气室内部进行充分换气;若达到设定的换气时间,信号控制单元自动检测密闭隔板的状态,并将信号反馈到主机箱,主机箱根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机开始运行,密闭隔板开始转动,自动控制功能闸板的状态由“完全打开”转变为“完全闭合”;
当自动控制功能闸板完全闭合后,信号控制单元检测闸板开闭状态,并反馈信号到主机箱,主机箱确认自动控制功能闸板的状态为“完全闭合”后,指示二氧化碳传感器、湿度传感器、温度传感器和主机箱的换热风扇工作,其中二氧化碳浓度、湿度、温度监测数据通过信号线传输至主机箱中存储;
当达到设定的工作时间,信号控制单元检测自动控制功能闸板的状态,并将信号反馈到控制器,主机箱根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机开始运行,密闭隔板开始转动,自动控制功能闸板的状态由“完全闭合”转变为“完全打开”;当自动控制功能闸板再次完全打开时,完成监测工作的一个周期。
[0018] 本发明具有以下优点:(1)本系统气室安装有高精度、气密性、自动开合闸板,能耗低、稳定性强、自动化程度高,可实现长期连续自动化监测。
[0019] (2)本系统采用原位监测设计,二氧化碳传感器置于气室中,避免了计算CO2通量需测量空气流通速率的问题,无需安装气泵装置,简化操作流程,提高了测量的准确度;气室与主机箱之间无需气管连接,避免了气管通气过程中易发生的“气障”问题及气室内气压平衡问题,结构紧凑、响应快速。
[0020] (3)本系统的测量部分与控制部分分离,适用于地表环境复杂的条件。设备密封性好,户外作业时不受风沙雨等恶劣天气的干扰。
[0021] (4)本系统采用密闭式气体测量—开放式换气循环。换气模式新颖,全交换式对流换气方法让装置系统最大限度利用自然状态进行循环气体交换,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。附图说明
[0022] 图1是本发明具体实施方式中的数据采集系统结构示意图,(a)为数据采集系统结构剖视图,(b)为数据采集系统结构整体示意图;图2是本发明具体实施方式中的主机箱立体结构示意图;
图3 是本发明具体实施方式中的前接口面板示意图;
图4 是本发明具体实施方式中的后接口面板示意图;
1-防虫网盖,2-筒体,3-法兰,4-二氧化碳传感器,5-湿度传感器,6-温度传感器,7-防虫网,8-软性隔风器,9-换气扇,10-螺丝,11-限位孔,12-限位卡扣,13-限位凹槽,14-自动控制功能闸板,1-1-顶部安装圆面,1-2-固定圆筒,1-3-电源线预留孔,2-1、2-2限位卡扣,
3-1-限位凹槽,3-2-二氧化碳传感器安装孔,3-3-柔性胶圈,4-1-二氧化碳传感器信号与电源线,5-1-湿度传感器信号与电源线,6-1-温度传感器信号与电源线,8-1-固定螺丝,8-2-软性风帘,9-1-换气扇电源线,14-1-密闭隔板,14-2-轴承,14-3-闸板电机,14-4-信号控制单元,14-5-保护罩,14-6-闸板信号线,14-7-闸板电源线,15-密闭环,16-前接口面板,16-
1-前散热口,16-2-二氧化碳传感器接口,16-3-湿度传感器接口,16-4-温度传感器接口,
16-5-电源插孔,16-6-电源开关,16-7-换气扇接口,17-后接口面板,17-1-后散热口,17-2-闸板开闭指示灯,17-3-闸板控制接口,17-4-闸板电源接口,17-5-数据读写转换开关,17-
6-数据传输接口,17-7-设备调试接口,17-8-电压电流显示屏,18-侧板,19-底板,20-顶板,
21-前防尘网罩,22-换热风扇,23-后防尘网罩,24-控制系统主板,25-电源配线接口主板,
26-控制器,27-电源模块。

具体实施方式

[0023] 结合具体实施方式对本说明的技术方案进行详细说明。
[0024] 一种智能土壤气体通量监测系统,包括主机箱和数据采集系统。
[0025] 如图1(a)(b)所示,数据采集系统包括气室、二氧化碳传感器4、湿度传感器5和温~度传感器6;其中气室包括防虫网盖1、安装有自动控制功能闸板14的筒体2(以下称筒体2)、法兰3,筒体2安装于防虫网盖1、法兰3之间,组装成气室。
[0026] 所述自动控制功能闸板14包括密闭隔板14-1、轴承14-2、闸板电机14-3、信号控制单元14-4、保护罩14-5、闸板信号线14-6、闸板电源线14-7。密闭隔板14-1为圆形,位于筒体2内部,直径略小于筒体2。自动控制功能闸板14完全闭合状态为密闭隔板14-1所在平面与筒体2横截面平行;自动控制功能闸板14完全打开状态为密闭隔板14-1所在平面与筒体2横截面垂直,此时密闭隔板14-1与软性隔风器8中的软性风帘8-2相接。轴承14-2贯穿密闭隔板14-1,穿过圆筒2与闸板电机14-3相连,闸板电机14-3为自动控制功能闸板14的动力装置,密闭隔板14-1能够自动环绕轴承14-2开闭。闸板信号线14-6两端分别与信号控制单元
14-4和主机箱的后接口面板17上的闸板控制接口17-3相连接,闸板电源线14-7两端分别与闸板电机14-3、主机箱的后接口面板17上的闸板电源接口17-4相连接。保护罩14-5罩在闸板电机14-3、信号控制单元14-4外侧,保护闸板电机14-3、信号控制单元14-4不受外界扰动影响,保护罩14-5一侧留有信号及电源线通过孔,信号及电源线通过孔上附有柔性胶圈,起到密闭绝缘的作用。信号控制单元14-4具体可以采用直流信号控制器。
[0027] 二氧化碳传感器4安装在气室底部的法兰3上,二氧化碳传感器4的测量端伸入气室内,温度传感器6的测量端置于气室周围的环境内,湿度传感器5的测量端插入气室周围的土壤中;二氧化碳传感器信号与电源线4-1、湿度传感器信号与电源线5-1、温度传感器信号与电源线6-1分别连接到主机箱的前接口面板上对应的接口,即二氧化碳传感器接口16-2、湿度传感器接口16-3、温度传感器接口16-4,并与主机箱内的控制器26连接。
[0028] 所述的防虫网盖1包括顶部安装圆面1-1和固定圆筒1-2,顶部安装圆面1-1固定安装到固定圆筒1-2上,顶部安装圆面1-1为带格栅的盖子,其上部固定防虫网7,防止野外工作时昆虫异物进入气室内部,破坏自动控制功能闸板14的稳定性。防虫网盖1内部安装软性隔风器8和换气扇9,软性隔风器8悬挂安装在顶部安装圆面1-1上,具体是通过固定螺丝8-1将软性风帘8-2悬挂固定在顶部安装圆面1-1上形成软性隔风器8。软性风帘8-2底部采用半圆弧形设计,与自动控制功能闸板14的密闭隔板14-1在完全开启时所形成的半圆弧形匹配,实现软性风帘8-2与密闭隔板14-1无缝连接。换气扇9通过螺丝10直接与顶部安装圆面1-1的限位孔11结合,将换气扇9固定在顶部安装圆面1-1上,换气扇电源线9-1通过防虫网盖1上的电源线预留孔1-3与主机箱的换气扇接口16-7相连,并与主机箱内的控制器26连接,换气扇9通过螺丝10调节高度。固定圆筒1-2顶部内侧设有限位卡扣12,通过限位卡扣12实现顶部安装圆面1-1与固定圆筒1-2上表面处于同一平面上。固定圆筒1-2下部内侧设有限位凹槽13实现与筒体2的连接。
[0029] 法兰3的底座上设有8个透气孔,法兰3上部内侧设有限位凹槽3-1,法兰3下部侧面开有直径为3cm的圆形二氧化碳传感器安装孔3-2,二氧化碳传感器4的气体测量端通过安装孔3-2伸入气室,圆形二氧化碳传感器安装孔3-2内安装有柔性胶圈3-3,使二氧化碳传感器4与法兰3侧壁实现无缝密闭连接。
[0030] 筒体2上、下两端外侧分别设有限位卡扣2-1、2-2,限位卡扣2-1与限位凹槽13实现筒体2和防虫网盖1的固定连接,限位卡扣2-2与限位凹槽3-1实现筒体2和法兰3的固定连接,法兰3内嵌密闭环15实现法兰3与筒体2的密闭连接,防止监测气体的外泄。
[0031] 如图2所示的主机箱,包括前接口面板16、后接口面板17、两个侧板18、底板19、顶板20、控制系统主板24、电源配线接口主板25,控制器26,电源模块27。前接口面板16、后接口面板17、两个侧板18、底板19、顶板20围成箱体,控制系统主板24、电源配线接口主板25,控制器26,电源模块27置于箱体内。控制器26 由BASIC型CPU 模块,I/O 输入输出模块,温度监控模块,高分辨率模拟输入模块和通信模块组成。控制系统主板24是安装有控制器26的集成电路板(或者基座模块/基板)。
[0032] 如图3所示的前接口面板16设有前散热口16-1、二氧化碳传感器接口16-2、湿度传感器接口16-3、温度传感器接口16-4、电源插孔16-5、电源开关16-6、换气扇接口16-7;前散热口16-1设有前防尘网罩21,电源插孔16-5通过电源线与外部电源连接,电源开关16-6连接电源插孔16-5与电源模块27,实现对系统整体的供电。二氧化碳传感器信号与电源线4-1、湿度传感器信号与电源线5-1、温度传感器信号与电源线6-1分别与前接口面板16上的二氧化碳传感器接口16-2、湿度传感器接口16-3、温度传感器接口16-4相连。
[0033] 如图4所示的后接口面板17设有后散热口17-1、闸板开闭指示灯17-2、闸板控制接口17-3、闸板电源接口17-4、数据读写转换开关17-5、数据传输接口17-6、设备调试接口17-7、电压电流显示屏17-8。闸板开闭指示灯17-2指示自动控制功能闸板14运行状态;闸板控制接口17-3与闸板信号线14-6相连,用于传输信号控制单元14-4信号;闸板电源接口17-4与闸板电源线14-7相连,为闸板电机14-3传输电力;数据读写转换器17-5的档位为“写”时,控制器26存储传感器采集的监测数据,档位为“读”时,控制器26通过数据传输接口17-6向外部存储设备传送监测数据;设备调试接口17-7与外部系统调试设备相连,通过外部系统调试设备可以对控制器26中的程序进行参数设定与变更,以适应不同的实验条件及要求。
电压电流显示屏17-8显示主机箱工作电压及电流;其中后散热口17-1安装有换热风扇22,且换热风扇22外安装有后防尘网罩23。
[0034] 控制系统主板24、电源配线接口主板25通过螺丝安装于底板19,控制器26固定于控制系统主板24,电源模块27固定于电源配线接口主板25,控制器26能够识别、储存、处理传感器监测数据,控制传感器、闸板、风扇等电力运作部件的电力供给,收集、判断、控制传感器、闸板、风扇等电力运作部件的工作状态。控制系统主板24实现控制器26内部的数据交流;电源模块27为电力运作部件提供电力。主机箱内部:控制器26与电源模块27、二氧化碳传感器接口16-2、湿度传感器接口16-3、温度传感器接口16-4、换气扇接口16-7、闸板开闭指示灯17-2、闸板控制接口17-3、闸板电源接口17-4、数据读写转换开关17-5、数据传输接口17-6、设备调试接口17-7、电压电流显示屏17-8相连。电源模块27与电源开关16-6相连。前接口面板16、后接口面板17和底板19的各预留孔边缘使用塑化剂进行绝缘处理。自动控制功能闸板14通过主机箱中的电源模块27与控制器26联合实现其自动开合过程。
[0035] 上述智能土壤气体通量监测系统的使用过程:A)将法兰3、筒体2、防虫网盖1由下至上依次组装成气室。平稳置于测量点的平整土壤上。主机箱位置尽量选在较高的地方,保持主机箱的平,插好主机电源线。
[0036] B)将二氧化碳传感器4测量端插入二氧化碳传感器安装孔3-2,将温度传感器6置于气室周围的环境内,湿度传感器5的测量端插入气室周围的土壤中,将二氧化碳传感器信号与电源线4-1、湿度传感器信号与电源线5-1、温度传感器信号与电源线6-1分别与前接口面板16上的二氧化碳传感器接口16-2、湿度传感器接口16-3、温度传感器接口16-4相连,并拧紧对应的固定螺母;将闸板信号线14-6、闸板电源线14-7与分别于后接口面板17的闸板控制接口17-3和闸板电源接口17-4相连接,并拧紧对应的固定螺母;将气室的换气扇电源线9-1与前接口面板16的换气扇接口16-7相连并拧紧固定螺母。
[0037] C)检查后接口面板17的数据读写转换开关17-5,将开关按钮放置在“写”的位置。
[0038] D)打开前接口面板16上的电源开关16-6,开机,监测工作开始。
[0039] 监测工作结束后:E)关闭前接口面板16上的电源开关16-6,整个测量系统随之关闭。之后,将主机箱电源线插头从电源插座上拔出。
[0040] F)分别松开将二氧化碳传感器信号与电源线4-1、湿度传感器信号与电源线5-1、温度传感器信号与电源线6-1固定螺母,拔出前接口面板16上二氧化碳传感器4、湿度传感器5和温度传感器6的信号线和电源线,用插头帽扣住插头,拔出二氧化碳传感器安装孔3-2中的二氧化碳传感器4,放入特殊防震收纳盒,取出土壤中的湿度传感器5,将湿度传感器5和温度传感器6分别装入收纳盒。松开闸板信号线14-6、闸板电源线14-7的固定螺母,拔出闸板信号线14-6、闸板电源线14-7。松开气室换气扇电源线9-1的固定螺母,拔出换气扇电源线9-1。注意请勿直接用力拉拽线缆,以免内部线缆断开。
[0041] G)防虫网盖1、筒体2、法兰3由上及下依次拆卸,将主机前接口面板16上主机箱电源线拔出,进行归纳整理后放置在减震收纳箱中。
[0042] 上述智能土壤气体通量监测系统的监测方法如下:将二氧化碳传感器4的测量端置于气室内部,将湿度传感器5的测量端插入气室周围的土壤中,将温度传感器6的测量端置于气室周围的环境内,分别监测气室内的二氧化碳浓度、气室周围土壤湿度和环境的温度,并分别通过信号线与前接口面板的对应传感器接口相连,将监测数据传输回主机箱的控制器26进行存储,并进行气体通量计算;
信号控制单元14-4实时向控制器26反馈密闭隔板14-1的开合方向及角度,控制器26通过信号控制单元14-4的反馈信号,控制电源模块27,进而控制闸板电机14-3工作:
当自动控制功能闸板14完全打开时,与软性风帘8-2无缝相接,在气室中部形成一道屏障,将气室在垂直方向左右分割成两个区域,控制器26指示换气扇9开始工作,在换气扇9作用下气室内部形成对流,对气室内部进行充分换气;若达到设定的换气时间(密闭隔板14-1完全打开的时间),信号控制单元14-4自动检测密闭隔板14-1的状态,并将信号反馈到控制器26,控制器26根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机14-3开始运行,密闭隔板14-1开始转动,自动控制功能闸板14的状态由“完全打开”转变为“完全闭合”。
[0043] 当自动控制功能闸板14完全闭合后,信号控制单元14-4检测闸板开闭状态,并反馈信号到控制器26,控制器26确认自动控制功能闸板14的状态为“完全闭合”后,指示二氧化碳传感器4、湿度传感器5、温度传感器6和主机箱的换热风扇22工作,其中二氧化碳浓度、湿度、温度监测数据通过信号线传输至控制器26中存储。
[0044] 当达到设定的工作时间,信号控制单元14-4检测自动控制功能闸板14的状态,并将信号反馈到控制器26,控制器26根据该反馈信号下达指令,指示闸板电机14-3开始运行,密闭隔板14-1开始转动,自动控制功能闸板14的状态由“完全闭合”转变为“完全打开”。当自动控制功能闸板14再次完全打开时,完成监测工作的一个周期。
[0045] 例如设定的换气时间即密闭隔板14-1完全打开的时间为10min,完全闭合的时间为20min。当智能土壤气体通量监测系统以密闭隔板14-1“完全闭合”状态启动后,到达20min的时间节点时,控制器26根据信号控制单元14-4反馈的密闭隔板14-1 “完全闭合”的信号,作出指令,指示闸板电机14-3开始运行,密闭隔板14-1开始转动,自动控制功能闸板
14的状态由“完全闭合”转变为“完全打开”。当信号控制单元14-4检测到密闭隔板14-1达到“完全打开”状态后,开始计时,到达10min的时间节点时,控制器26根据信号控制单元14-4反馈的密闭隔板14-1 “完全打开”的信号,作出指令,指示闸板电机14-3开始运行,密闭隔板14-1开始转动,自动控制功能闸板14的状态由“完全打开”转变为“完全闭合”,至此完成一个工作周期。
[0046] 当自动控制功能闸板14完全打开时,闸板开闭指示灯17-2“开启灯”亮起;当自动控制功能闸板14完全闭合时,闸板开闭指示灯17-2“闭合灯”亮起;密闭隔板14-1转动过程中,闸板开闭指示灯17-2“开启灯”和“闭合灯”同时亮起。
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