本發(fā)明涉及一種氣體測(cè)定裝置，具體涉及一種界面二氧化碳交換通量連續(xù)自動(dòng)測(cè)定裝置，屬于溫室氣體交換通量測(cè)試裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著CO₂紅外觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)越來(lái)越成熟，價(jià)格越來(lái)越低，成為目前環(huán)境領(lǐng)域溫室氣體研究的重要手段。相比于傳統(tǒng)采樣研究，本新型具有廉價(jià)、高效且系統(tǒng)誤差較小的特點(diǎn)。目前已有大量的利用該技術(shù)測(cè)定界面（水面—大氣或土壤—大氣）CO₂交換通量的研究，為全球氣候變化及溫室氣體減排提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有技術(shù)多采用人工在現(xiàn)場(chǎng)托舉和固定通量箱的方法，對(duì)測(cè)試對(duì)象擾動(dòng)較大，不可能高頻率的通量變化數(shù)據(jù)。而已有研究表明，界面CO₂交換受溫度、生物活動(dòng)、降雨等多因素的控制，存較強(qiáng)的時(shí)間變化性。如降雨可以對(duì)土壤—大氣CO₂交換產(chǎn)生激發(fā)或抑制作用，從而在降雨期間表現(xiàn)出復(fù)雜的變化，其過(guò)程捕捉及控制機(jī)制等方面的研究需要高頻次連續(xù)觀測(cè)來(lái)完成，僅靠傳統(tǒng)的人工野外觀測(cè)方法顯然無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求；

（2）近幾年以來(lái)已經(jīng)有了界面CO₂交換的連續(xù)、自動(dòng)觀測(cè)方面的裝置。但對(duì)應(yīng)的通量箱往往需要借助外力（電機(jī)或氣缸驅(qū)動(dòng)）打開(kāi)或閉合，能量消耗較大。同時(shí)，由于技術(shù)較為復(fù)雜，這種通量箱的體積是固定的，很難根據(jù)野外實(shí)際情況改裝，另外這種專(zhuān)用通量箱造價(jià)昂貴且維護(hù)成本較高，因此不利于野外大規(guī)模使用；

（3）也有現(xiàn)有技術(shù)測(cè)定大氣、水體或土壤中CO₂濃度的梯度，通過(guò)擴(kuò)散模型計(jì)算水面或者土壤的CO₂交換通量，這種方法的缺點(diǎn)在于被觀測(cè)的系統(tǒng)要有一定的空間一致性和氣象條件，且往往需要通量箱法得到的數(shù)據(jù)來(lái)來(lái)修正；

（4）CO₂紅外傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)量較容易受到水氣的影響，在水面-大氣界面CO₂交換研究中水液極易進(jìn)入紅外傳感器，從而損壞傳感器。

為了深刻理解土壤—大氣和水面—大氣界面CO₂的交換規(guī)律，有必要研制一套高頻次、全自動(dòng)、對(duì)觀測(cè)對(duì)象擾動(dòng)小且造價(jià)和維護(hù)成本較低的連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種界面二氧化碳交換通量連續(xù)自動(dòng)測(cè)定裝置，可以對(duì)水面或土壤交換的CO₂通量進(jìn)行連續(xù)全自動(dòng)觀測(cè)，且具有低成本、操作方便的特點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種界面二氧化碳交換通量連續(xù)自動(dòng)測(cè)定裝置，包括CO₂分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、通量箱、抽氣泵、用于防止液態(tài)水進(jìn)入CO₂分析儀的水滴傳感模塊和空氣過(guò)濾器、以及用于控制氣路進(jìn)行內(nèi)循環(huán)或進(jìn)行空氣交換的氣路自動(dòng)控制裝置；所述抽氣泵、氣路自動(dòng)控制裝置、CO₂分析儀、防護(hù)裝置依次由氣管進(jìn)行串聯(lián)，抽氣泵的出氣端通過(guò)氣管連接至通量箱的進(jìn)氣接口，通量箱的出氣接口通過(guò)氣管連接一個(gè)空氣過(guò)濾器；在通量箱上設(shè)置有溫度傳感器和水滴感應(yīng)模塊，溫度傳感器和CO₂分析儀連接至數(shù)據(jù)記錄儀，并由記錄儀記錄溫度和CO₂濃度數(shù)，水滴感應(yīng)模塊連接至氣路自動(dòng)控制裝置的繼電器，形成一個(gè)防護(hù)裝置，其遇水?dāng)嚯?，起到保護(hù)CO₂分析儀的作用。

優(yōu)選的，所述氣路自動(dòng)控制裝置包括第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥、CO₂吸收管、以及單路的第一繼電器、雙通道的第二繼電器；所述第一電磁閥和第三電磁閥為一進(jìn)兩出型氣體兩位三通閥；所述第二電磁閥和第四電磁閥為兩進(jìn)一出型氣體兩位三通閥；第一電磁閥的進(jìn)氣口與CO₂分析儀的出氣端連接，第一電磁閥的一個(gè)出氣口與第三電磁閥的進(jìn)氣口連接，第一電池閥的另一個(gè)出口氣與第二電磁閥的其中一個(gè)進(jìn)氣口，第二電磁閥的另一個(gè)進(jìn)氣口與第四電磁閥的出氣口連接，第二電磁閥的出氣口與抽氣泵的連接，第三電磁閥的其中一個(gè)出氣口與空氣連通，第三電磁閥另一個(gè)出氣口通過(guò)CO₂吸收管與第四電磁閥的其中一個(gè)進(jìn)氣口連接，第四電磁閥的另一進(jìn)氣口與空氣連通；第一繼電器與抽氣泵、CO₂分析儀、第二繼電器供電連接，第二繼電器的第一通道與第一電磁閥、第二電磁閥以及抽氣泵連接，第二繼電器的第二通道與第三電磁閥和第三電磁閥連接，第二繼電器與數(shù)據(jù)記錄儀通信連接。

進(jìn)一步的，所述氣路自動(dòng)控制裝置還包括12V的第一電源和第二電源，第一電源與第一繼電器、溫度傳感器供電連接，第二繼電器的第一、第二通道與第二電源供電連接，第一電源和第二電源串聯(lián)后與數(shù)據(jù)記錄儀供電連接。

優(yōu)選的，通量箱頂部安裝有水滴感應(yīng)模塊，其與第一繼電器控連接，用于控制第一繼電器開(kāi)關(guān)的打開(kāi)或閉合

優(yōu)選的，所述CO₂吸收管內(nèi)部的填充物為堿石灰或者能吸收CO₂的分子篩。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明利用氣路自動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)通量箱氣體與空氣交換、過(guò)多CO₂吸收以及CO₂通量測(cè)定，上述動(dòng)作均在抽氣泵作用和電磁閥控制下全自動(dòng)進(jìn)行，可獲取高頻次的界面CO₂通量數(shù)據(jù)，且具有低成本、操作方便的特點(diǎn)；另外，在通量箱內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，其信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀記錄，可以直接用于數(shù)據(jù)計(jì)算；在CO₂分析儀之前連接一個(gè)空氣過(guò)濾頭鏈接，起簡(jiǎn)單防水、防塵和透氣的功能，當(dāng)通量箱頂部的水滴感應(yīng)模塊感應(yīng)到液態(tài)水時(shí)，第一繼電控制器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，抽氣泵等停止工作，可以防止液態(tài)水進(jìn)入CO₂分析儀，起到保護(hù)作用。

2、在本發(fā)明中，氣路自動(dòng)控制裝置主要利用四個(gè)氣體兩位三通閥、兩個(gè)繼電器以及、CO₂吸收管構(gòu)成，能夠滿足高頻次測(cè)定界面CO₂通量的需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便。

3、在本發(fā)明中，通過(guò)利用兩個(gè)12V的分時(shí)給抽氣泵供電，抽氣泵電壓的高低調(diào)節(jié)氣流量快慢，在測(cè)試期間用12V電源供電，在與空氣交換和除碳階段用24V電壓供電，前者可以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而后者可以大大提升空氣流通度以及CO₂吸收管吸收氣體速率。

4、在本發(fā)明中，防護(hù)裝置包括感應(yīng)器及繼電控制器，當(dāng)水滴感應(yīng)模塊探測(cè)到水滴時(shí)，可以使得整個(gè)裝置停止工作，避免大量水分影響數(shù)據(jù)質(zhì)量及CO₂分析儀壽命，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的電路連接及控制原理圖；

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、第一電磁閥；2、第二電磁閥；3、第三電磁閥；4、第四電磁閥；5、抽氣泵；6、第二電源；7、CO₂吸收管；8、進(jìn)氣接口；9、出氣接口；10、溫度傳感器；11、通量箱；12、水滴控制器；13、空氣過(guò)濾頭；14、CO₂分析儀；15、氣管；16、第一電源；17、第一繼電器；18、第二繼電器；19、數(shù)據(jù)記錄儀；20、氣路自動(dòng)控制裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步介紹：

一種界面二氧化碳交換通量連續(xù)自動(dòng)測(cè)定裝置，包括CO₂分析儀14、數(shù)據(jù)記錄儀19、通量箱11、抽氣泵5、用于對(duì)CO₂分析儀14進(jìn)行防水保護(hù)的防護(hù)裝置21、以及用于控制氣路進(jìn)行內(nèi)循環(huán)或進(jìn)行空氣交換的氣路自動(dòng)控制裝置20；所述抽氣泵5、氣路自動(dòng)控制裝置20、CO₂分析儀14、空氣過(guò)濾頭13依次由氣管15進(jìn)行串聯(lián)，抽氣泵5的出氣端通過(guò)氣管15連接至通量箱11的進(jìn)氣接口8，通量箱11的出氣接口10通過(guò)氣管15連接至空氣過(guò)濾頭13的進(jìn)氣端；在通量箱11上設(shè)置有溫度傳感器10，該溫度傳感器10和CO₂分析儀14連接至數(shù)據(jù)記錄儀19，同時(shí)在通量箱11頂部安裝有水滴感應(yīng)模塊12。

在本實(shí)施例中，所述氣路自動(dòng)控制裝置20包括第一電磁閥1、第二電磁閥2、第三電磁閥3和第四電磁閥4、CO₂吸收管7、以及單路的第一繼電器17、雙通道的第二繼電器18；所述第一電磁閥1和第三電磁閥3為一進(jìn)兩出型氣體兩位三通閥；所述第二電磁閥2和第四電磁閥4為兩進(jìn)一出型氣體兩位三通閥；第一電磁閥1的進(jìn)氣口與CO₂分析儀14的出氣端連接，第一電磁閥1的一個(gè)出氣口與第三電磁閥3的進(jìn)氣口連接，第一電池閥1的另一個(gè)出口氣與第二電磁閥2的其中一個(gè)進(jìn)氣口，第二電磁閥2的另一個(gè)進(jìn)氣口與第四電磁閥4的出氣口連接，第二電磁閥2的出氣口與抽氣泵5的連接，第三電磁閥3的其中一個(gè)出氣口與空氣連通，第三電磁閥3另一個(gè)出氣口通過(guò)CO₂吸收管7與第四電磁閥4的其中一個(gè)進(jìn)氣口連接，第四電磁閥4的另一進(jìn)氣口與空氣連通；第一繼電器17與抽氣泵5、CO₂分析儀14、第二繼電器18供電連接，第二繼電器18的第一通道與第一電磁閥1、第二電磁閥2以及抽氣泵5連接，第二繼電器18的第二通道與第三電磁閥3和第三電磁閥4連接。

進(jìn)一步的，所述氣路自動(dòng)控制裝置20還包括12V的第一電源16和第二電源6，第一電源16與第一繼電器17、溫度傳感器10供電連接，第二繼電器18的第一、第二通道與第二電源6供電連接，第一電源16和第二電源6串聯(lián)后與數(shù)據(jù)記錄儀19供電連接，第二繼電器18與數(shù)據(jù)記錄儀通信連接。

在本實(shí)施例中， 設(shè)置在通量箱11上的水滴感應(yīng)模塊12與第一繼電器17連接，控制整個(gè)裝置的供電或斷電。

所述CO₂吸收管7內(nèi)部的填充物為堿石灰或者能吸收CO₂的分子篩。

本發(fā)明的工作原理為：

將通量箱11置于大氣中，當(dāng)整個(gè)測(cè)定裝置的管路中CO₂的濃度達(dá)到大氣中CO₂的濃度水平時(shí)，數(shù)據(jù)記錄儀19報(bào)警，同時(shí)給第二繼電器18發(fā)出信號(hào)使第二繼電器18的第一通道、第二通道均斷開(kāi)，使得第一電磁閥1、第二電磁閥2、第三電磁閥3、以及第四電磁閥4均斷電，此時(shí)第一電磁閥1與第三電磁閥3之間的氣路斷開(kāi)，第二電磁閥2與第四電磁閥4之間的氣路斷開(kāi)，第三電磁閥3與第四電磁閥4之間的氣路斷開(kāi)，而第一電磁閥1與第二電磁閥2之間的氣路連通，此時(shí)抽氣泵5僅由12V的第一電源16供電，氣路氣流流量小。在氣路自動(dòng)控制裝置20中，氣流由CO₂分析儀14的出氣端，經(jīng)第一電磁閥1、第二電磁閥2流至抽氣泵5。延時(shí)t1時(shí)間（t1為測(cè)試時(shí)間）后，第二繼電器18的第一通道開(kāi)關(guān)吸合，第一電磁閥1和第二電磁閥2通電，此時(shí)第一電磁閥1與第二電磁閥2之間的氣路斷開(kāi)，第一電磁閥1與第三電磁閥3之間的氣路連通，第二電磁閥2與第四電磁閥4之間的氣路連通，第三電磁閥3與第四電磁閥4之間保持上一動(dòng)作（即之間氣路斷開(kāi)），此時(shí)進(jìn)行空氣交換，第一電源16和第二電源6同時(shí)給抽氣泵5供電，抽氣泵5在24V條件下工作，氣路中氣流流量變大，在氣路自動(dòng)控制裝置20中，氣流由CO₂分析儀14的出氣端，經(jīng)第一電磁閥1之后，由第三電磁閥3的出氣口排至空氣中，而新鮮空氣又由第四電磁閥4的進(jìn)口氣進(jìn)入，經(jīng)過(guò)第二電磁閥2流至抽氣泵5然后流向通量箱11。延時(shí)t1+t2時(shí)間（t2為空氣交換的時(shí)長(zhǎng)）后，第二繼電器18的第二通道開(kāi)關(guān)也吸合，此時(shí)第三電磁閥3和第四電磁閥4也通電，第三電磁閥3和第四電磁閥4與空氣斷開(kāi)，第三電磁閥3與第四電磁閥4之間的氣路連通，第一電磁閥1與第二電磁閥2保持上一狀態(tài)，抽氣泵仍然由第一電源16和第二電源6同時(shí)供電，此時(shí)在抽氣泵5的帶動(dòng)下，氣流的流向?yàn)椋和肯?1——空氣過(guò)濾頭13——CO₂分析儀14——?dú)饴纷詣?dòng)控制裝置20——抽氣泵5——通量箱11，在氣路自動(dòng)控制裝置20中，氣流由CO₂分析儀14的出氣端，經(jīng)第一電磁閥1、第三電磁閥3的之后流至CO₂吸收管7，之后由第四電磁閥4、第二電磁閥2流至抽氣泵5，通過(guò)CO₂分析儀進(jìn)行測(cè)定，并將測(cè)定數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)記錄儀19中，當(dāng)CO₂濃度達(dá)到大氣中CO₂的濃度水平時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀19進(jìn)行報(bào)警，并向第一繼電器18發(fā)送信號(hào)，重復(fù)以上步驟，自動(dòng)開(kāi)始下一輪測(cè)試。

另外，當(dāng)水滴感應(yīng)模塊12的探測(cè)到水滴存在時(shí)，控制第一繼電器17的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，進(jìn)而第二繼電器18的所有通道的開(kāi)關(guān)也相應(yīng)斷開(kāi)，抽氣泵5、CO₂分析儀14等停止工作，避免大量水分影響數(shù)據(jù)質(zhì)量及損壞CO₂分析儀14。

CO₂通量測(cè)定的時(shí)長(zhǎng)t1根據(jù)研究需要設(shè)置，通?？梢栽O(shè)為4-10min。實(shí)際應(yīng)用中要首先估計(jì)CO₂交換量的范圍，以盡可能得到較大的終點(diǎn)CO₂濃度，且CO₂濃度隨時(shí)間的變化為直線為原則。

空氣交換的時(shí)長(zhǎng)t2根據(jù)通量箱11和氣管15的體積以及抽氣泵5的流量決定，通常要使空氣流通量大于系統(tǒng)氣路體積（包括通量箱的有效體積+氣管15的管內(nèi)體積）的5倍以上，以保證空氣與界面交換氣體充分交換，使CO₂濃度盡可能接近大氣CO₂濃度水平，從而減少CO₂吸收管的碳吸收量。

數(shù)據(jù)記錄儀中19中CO₂警報(bào)值的設(shè)定要達(dá)到或者接近大氣平均水平，可以略高于空氣中濃度，為了防止記錄儀報(bào)警異常，設(shè)定一定值的的報(bào)警回差（如10ppm），防止誤報(bào)。

通量箱11大小可根據(jù)野外情況靈活制作，推薦圓柱型，但在實(shí)際工作中柱體高度可以為25cm，其中3-5cm插入界面（水或土壤中），以保證系統(tǒng)密閉性，圓柱直徑20cm。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。