本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于開頂式氣室的遠程高精度co2濃度自動控制系統(tǒng),屬于生態(tài)學(xué)或農(nóng)學(xué)等野外實驗研究技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及到全球變化因子(如co2濃度、溫度等)野外控制實驗的裝置。

背景技術(shù)：

近百年來，特別是近二三十年來，地球系統(tǒng)正經(jīng)歷著全球性顯著變化，人類活動導(dǎo)致的大氣co2濃度已從工業(yè)化前的約280μmol·mol-1(ppm)，增加到了2014年的398ppm，co2濃度增加的速率也在加快，年均增速達2.1ppm，據(jù)預(yù)測到2100年大氣co2濃度將達到650～970ppm。co2濃度升高的施肥效應(yīng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和儲量產(chǎn)生了深刻的影響，而后者的變化又會反饋于全球變化，加速或減緩全球氣候變化進程。這一具爭議性和挑戰(zhàn)性問題的研究一直受到生態(tài)學(xué)家的極大關(guān)注，如何妥善應(yīng)對全球變化問題，也事關(guān)我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)外關(guān)于野外控制實驗?zāi)Mco2濃度升高的研究裝置主要有開頂式氣室(opentopchamber，otc)和自由大氣式裝置(freeairco2enrichment，face)2種實驗裝置。face裝置設(shè)備造價昂貴，維護及co2消耗費用很高，國內(nèi)僅在水稻作物有應(yīng)用，高費用導(dǎo)致很難廣泛使用。相對來說，otc裝置更為經(jīng)濟可控，多為八邊形或直筒柱形框架，室壁利用高透光材質(zhì)(如玻璃、有機玻璃等)，可以有效降低了co2的耗散量，頂部呈平口或錐形收口敞開，自然采光，室內(nèi)外空氣流通，保持氣室內(nèi)外其它環(huán)境因素一致，使植物生長環(huán)境基本接近自然狀態(tài)，對co2濃度控制效果較好，co2在氣室內(nèi)自由擴散，有效降低co2消耗量。

目前無論是利用face還是otc裝置來模擬co2濃度升高的實驗，均是以當(dāng)前全球背景大氣co2濃度年均值為對照，設(shè)置并控制co2濃度在一個恒定的濃度，一般為比當(dāng)前濃度高50％～200％，如550ppm、600ppm、750ppm等，然而，co2濃度本身也存在日動態(tài)、季節(jié)動態(tài)變化，隨著植物光合作用吸收固定co2量的變化，自由大氣中co2濃度也隨之發(fā)生變化，而目前的恒定值co2濃度控制顯然不能很好的刻畫生態(tài)系統(tǒng)碳交換的實際過程，因此，本發(fā)明采用動態(tài)監(jiān)測自由大氣co2濃度的10min均值作為背景值，設(shè)定otc內(nèi)控制濃度以動態(tài)背景值為基準增加co2濃度，并通過無線傳輸和遠程控制平臺對整個系統(tǒng)進行在線監(jiān)測和遠程控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于開頂式氣室的遠程高精度co2濃度自動控制系統(tǒng),以解決現(xiàn)有裝置無法很好的刻畫生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)碳交換的實際過程的問題，并通過動態(tài)監(jiān)測自由大氣co2濃度的10min均值作為背景值，設(shè)定otc內(nèi)控制濃度以動態(tài)背景值為基準增加co2濃度，通過無線傳輸和遠程控制平臺對整個系統(tǒng)進行在線監(jiān)測和遠程控制。

本發(fā)明一種應(yīng)用于開頂式氣室的遠程高精度co2濃度自動控制系統(tǒng),整套系統(tǒng)主要包括co2傳感器、co2濃度自動控制系統(tǒng)、co2氣源供應(yīng)裝置、通氣混勻裝置、遠程在線管理平臺。

co2傳感器采用高精度傳感器模塊，有效控制反饋時間，提高控制精度，氣室內(nèi)、外各一個。

co2濃度自動控制系統(tǒng)主要包括co2濃度信號轉(zhuǎn)換模塊、pid控制主機、電磁閥控制模塊、風(fēng)扇控制模塊、數(shù)據(jù)儲存與3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊以及液晶觸摸屏顯示與控制模塊。其中，pid控制主機中plc是控制器的核心，co2濃度信號轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換輸入，pid通過在plc運算，通過電磁閥控制輸出，風(fēng)扇控制與電磁閥開啟同步，plc的數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示屏，同時輸出到數(shù)據(jù)存儲和3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊，再通過無線轉(zhuǎn)發(fā)到云數(shù)據(jù)庫。

co2濃度自動控制系統(tǒng)采用快速反饋調(diào)節(jié)的控制方式，通過接收氣室內(nèi)、外co2傳感器信號，每2s自動記錄儲存一次數(shù)據(jù)，根據(jù)氣室外10分鐘的測定值均值v10min，加上設(shè)定濃度值增加值△e，再減去氣室內(nèi)實測值c,即根據(jù)(v10min+△e)-c的差值范圍，控制電磁閥開啟、關(guān)閉時間，通過環(huán)形通氣管道、垂直通氣管道及氣體釋放孔由co2氣源供氣裝置向氣室內(nèi)通氣，同時控制風(fēng)扇開啟混勻氣室內(nèi)氣體。根據(jù)傳感器精度和響應(yīng)時間滯后的特點，自動控制系統(tǒng)采用前置控制方式，即在co2處理濃度范圍內(nèi)，距最低閾值10ppm時開啟通氣模式，在距離最高閾值10ppm時停止通氣，等待co2傳感器反饋濃度信號再執(zhí)行下一次控制動作。

co2氣源供應(yīng)裝置采用鋼瓶氣體，同時鏈接多個鋼瓶集中供氣方式，保證氣源供應(yīng)穩(wěn)定。

通氣混勻裝置由環(huán)形通氣管、垂直通氣管、可調(diào)節(jié)高度的氣體釋放孔以及風(fēng)扇組成。其中，環(huán)形通氣管位于開頂式氣室的底部，垂直通氣管位于開頂式氣室的立柱上且與環(huán)形通氣管相連通，風(fēng)扇設(shè)置于氣室內(nèi)的底部對角，數(shù)量為2個，通過順時針方向循環(huán)吹風(fēng)混勻氣體。氣體從co2氣源供應(yīng)裝置中通氣到環(huán)形通氣管，再經(jīng)垂直通氣管到達氣體釋放孔，垂直通氣管固定在開頂式氣室的立柱上，每隔一定高度預(yù)設(shè)有固定卡扣，氣體釋放孔通過氣管2通管與垂直通氣管相連，可根據(jù)氣室內(nèi)植物生長高度進行手動調(diào)節(jié)氣體釋放孔連接垂直通氣管，高度改變后則堵住相應(yīng)高度垂直通氣管，向上挪移氣體釋放孔連接更高高度的垂直通氣管，以達到出氣高度的調(diào)節(jié)。

遠程在線管理平臺由云數(shù)據(jù)庫、在線數(shù)據(jù)管理軟件和移動終端組成。co2濃度自動控制系統(tǒng)通過3g轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)存儲到遠程在線管理平臺的云數(shù)據(jù)庫中，移動終端通過網(wǎng)絡(luò)登錄在線數(shù)據(jù)管理軟件訪問云數(shù)據(jù)庫，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行在線瀏覽和下載保存。

本發(fā)明一種應(yīng)用于開頂式氣室的遠程高精度co2濃度自動控制系統(tǒng),其優(yōu)點及功效在于：根據(jù)野外實際環(huán)境co2濃度日夜動態(tài)變化進行動態(tài)控制，而非恒定濃度控制，從而更好的模擬生態(tài)系統(tǒng)碳交換的實際過程。同時，快速反饋調(diào)節(jié)和循環(huán)供氣有效降低脈沖供氣，提高了co2濃度的控制精度和供氣均勻性。此外，遠程數(shù)據(jù)傳輸和管理實現(xiàn)了遠程在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)瀏覽保存，提高了野外控制實驗的自動化水平。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標號如下：

1、通氣混勻裝置2、環(huán)形通氣管3、風(fēng)扇4、垂直通氣管

5、氣體釋放孔6、開頂式氣室7、co2傳感器

8、co2氣源供氣裝置9、co2濃度自動控制系統(tǒng)10、遠程在線管理平臺

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。

本發(fā)明一種應(yīng)用于開頂式氣室的遠程高精度co2濃度自動控制系統(tǒng),如圖1所示，整套系統(tǒng)主要包括co2傳感器7、co2濃度自動控制系統(tǒng)9、co2氣源供應(yīng)裝置8、通氣混勻裝置1、遠程在線管理平臺10。

co2傳感器7采用高精度傳感器模塊，有效控制反饋時間，提高控制精度，氣室內(nèi)、外各一個。

co2濃度自動控制系統(tǒng)9主要包括co2濃度信號轉(zhuǎn)換模塊、pid控制主機、電磁閥控制模塊、風(fēng)扇控制模塊、數(shù)據(jù)儲存與3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊以及液晶觸摸屏顯示與控制模塊。其中，pid控制主機中plc是控制器的核心，co2濃度信號轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換輸入，pid通過在plc運算，通過電磁閥控制輸出，風(fēng)扇控制與電磁閥開啟同步，plc的數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示屏，同時輸出到數(shù)據(jù)存儲和3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊，再通過無線轉(zhuǎn)發(fā)到云數(shù)據(jù)庫。

co2濃度自動控制系統(tǒng)9采用快速反饋調(diào)節(jié)的控制方式，通過接收氣室內(nèi)、外co2傳感器信號，每2s自動記錄儲存一次數(shù)據(jù)，根據(jù)氣室外10分鐘的測定值均值v10min，加上設(shè)定濃度值增加值△e，再減去氣室內(nèi)實測值c,即根據(jù)(v10min+△e)-c的差值范圍，控制電磁閥開啟、關(guān)閉時間，通過環(huán)形通氣管道、垂直通氣管道及氣體釋放小孔由co2氣源供氣裝置向氣室內(nèi)通氣，同時控制風(fēng)扇開啟混勻氣室內(nèi)氣體。根據(jù)傳感器精度和響應(yīng)時間滯后的特點，自動控制系統(tǒng)采用前置控制方式，即在co2處理濃度范圍內(nèi)，距最低閾值10ppm時開啟通氣模式，在距離最高閾值10ppm時停止通氣，等待co2傳感器反饋濃度信號再執(zhí)行下一次控制動作。

co2氣源供應(yīng)裝置8采用鋼瓶氣體，同時鏈接多個鋼瓶集中供氣方式，保證氣源供應(yīng)穩(wěn)定。

通氣混勻裝置1由環(huán)形通氣管2、垂直通氣管4、可調(diào)節(jié)高度的氣體釋放孔5以及風(fēng)扇3組成。其中，環(huán)形通氣管2位于開頂式氣室6的底部，垂直通氣管4位于開頂式氣室6的立柱上且與環(huán)形通氣管2相連通，風(fēng)扇3設(shè)置于氣室內(nèi)的底部對角，數(shù)量為2個，通過順時針方向循環(huán)吹風(fēng)混勻氣體。氣體從co2氣源供應(yīng)裝置8中通氣到環(huán)形通氣管2，再經(jīng)垂直通氣管4到達氣體釋放孔5，垂直通氣管4固定在開頂式氣室的立柱上，每隔一定高度預(yù)設(shè)有固定卡扣，氣體釋放孔5通過氣管2通管與垂直通氣管4相連，可根據(jù)氣室內(nèi)植物生長高度進行手動調(diào)節(jié)氣體釋放孔5連接垂直通氣管，高度改變后則堵住相應(yīng)高度垂直通氣管，向上挪移氣體釋放孔連接更高高度的垂直通氣管，以達到出氣高度的調(diào)節(jié)。

遠程在線管理平臺10由云數(shù)據(jù)庫、在線數(shù)據(jù)管理軟件和移動終端組成。co2濃度自動控制系統(tǒng)通過3g轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)存儲到遠程在線管理平臺的云數(shù)據(jù)庫中，移動終端通過網(wǎng)絡(luò)登錄在線數(shù)據(jù)管理軟件訪問云數(shù)據(jù)庫，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行在線瀏覽和下載保存。