一種二氧化碳濃度梯度測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種二氧化碳濃度梯度測量儀，包括機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分；機械支架用于測量時固定測量裝置和導氣管；氣體變換機構實現氣體的采集、暫時存儲和氣體的分別測量；二氧化碳濃度測量模塊采用紅外測量的方式，將輸入的氣體進行實時測量；電氣控制部分通過單片機對氣體變換機構和測量模塊進行控制，并通過嵌入的GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊將GPS信息、風速風向信息和測量信息發送至無線網絡，然后傳輸至遠端接收器。本實用新型具有現場多點實時測量和遠程數據傳輸功能，能夠在農田等環境中自動進行同一地點不同梯度的二氧化碳濃度測量，并能夠將數據發送至遠端。
【專利說明】一種二氧化碳濃度梯度測量儀
(-)【技術領域】
[0001]本實用新型涉及檢測領域，尤其是一種二氧化碳濃度梯度測量儀器。
(二)【背景技術】
[0002]二氧化碳(CO2)濃度是許多領域需要實時監測和分析的重要數據，對二氧化碳濃度的監測應用于農業生產、環境保護等領域。二氧化碳是造成溫室效應的重要因素，同時二氧化碳還是植物光合作用的主要原料，是農作物進行碳匯的主要途徑，因此有關農田內二氧化碳濃度的監控與測量，對于農情信息采集、農田碳匯、二氧化碳施肥、提高作物產量具有重要意義。
[0003]農田近地氣層二氧化碳濃度梯度觀測是農田二氧化碳濃度測定的重要組成部分，是通過對同一地點不同高度分別進行二氧化碳濃度測量得出的濃度梯度分布。目前二氧化碳濃度梯度觀測有兩種方法:一種是用幾臺測試儀在不同高度同時進行觀測；另一種是一臺儀器工作，按時在各個高度上迅速采樣，隨即分別測出不同高度空氣中二氧化碳濃度。這兩種方法各有利弊:第一種方法測量準確，但成本較高不適于大面積農田使用；第二種方法主要有兩個缺陷，一是容易受人為的影響，如采樣者呼出的二氧化碳、人工測量引起的氣體擾動等，影響精確度；二是資料不連續、不同步，觀測高度也受限制。且以上兩種方法都需要人工操作讀數，易受人為因素影響，不利于進行數據的實時采集和遠程獲取。針對以上問題，本實用新型提供了一種多測量點、具有自動控制的二氧化碳濃度梯度測量儀器。
(三)實用新型內容
[0004]本實用新型提供了一種二氧化碳濃度梯度測量儀，該設備具有現場多點實時測量和遠程數據傳輸功能，安裝好后能夠在農田等環境中自動進行同一地點不同梯度高度的二氧化碳濃度測量，并能夠將數據發送至遠端。
[0005]一種二氧化碳濃度梯度測量儀，主要包括:機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分；機械支架由底座、立柱和多個支架組成，用于測量時固定測量裝置和導氣管；氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥和微型氣泵組成的，實現氣體的采集、暫時存儲和氣體的分別測量；二氧化碳濃度測量模塊采用紅外測量的方式，將輸入的氣體進行實時測量；電氣控制部分通過單片機對氣體變換機構和測量模塊進行控制，并通過嵌入的GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊將GPS信息、風速風向信息和測量信息發送至無線網絡，然后傳輸至遠端接收器。
[0006]所述機械支架由一個底座、立柱和多個支架組成。所述底座是一個下面帶有長釘上面帶有圓柱形長孔的圓盤型結構，所述圓柱形長孔用于固定立柱，所述長釘用于將整個支架固定在土壤中。所述立柱標記有公制刻度，用以標記測量高度；所述支架為桿狀一端焊接有鋼管固定夾使支架可活動的垂直固定在立柱上。所述支架在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可以調整，支架可以以一定的角度、不同的高度垂直安裝在立柱周圍，長導氣管固定在各支架上。[0007]所述氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥、微型氣泵和一個氣體質量流量控制器(MFC)構成；所述氣體變換機構由若干個支路構成。每個支路由導氣管、一個二位三通電磁閥和一個微型氣泵組成。所述導氣管分為長導氣管、短導氣管和連接導氣管，所述長導氣管長度可根據后述的公式計算確定，長導氣管一端安裝有鵝頸彎管并接通到大氣中；所述的長導氣管為軟管，可伸展至不同高度；鵝頸彎管可以防止氣體交換，長導氣管另一端連接在二位三通電磁閥的進氣口上，長導氣管與二位三通電磁閥之間安裝有微型氣泵，短導氣管和連接導氣管一端分別連接在二位三通電磁閥的兩個出氣口上，短導氣管另一端連接大氣，連接導氣管另一端連接在多通接頭上；各個支路的連接導氣管通過一個多通接頭連接在干路氣管上，干路氣管長度以適宜為宜，氣體質量流量控制器(MFC)安裝在干路氣管上緊接在多通接頭后面，可以控制氣體的流量并測量壓力值；所述的氣體變換機構中的氣體流量控制可采用節流閥和氣壓計實現；干路氣管另一端接入二氧化碳濃度測量模塊進行濃度測試。
[0008]所述二氧化碳濃度測量模塊采用紅外二氧化碳測量方式。該模塊的原理是當紅外光通過待測氣體時這些氣體分子對特定波長的紅外光具有吸收作用，其吸收關系服從朗博一比爾吸收定律，由此可通過計算透過待測氣體的紅外光的強度變化確定待測氣體濃度。該模塊的主要結構是由一個紅外光源、紅外接收器及管狀氣室組成；紅外光源和紅外接收器分別在管狀氣室的兩端；紅外光源是紅外光的發射裝置；紅外接收器是紅外光的接收裝置；氣室用于盛放待測氣體，兩端有進氣口和出氣口。
[0009]所述電氣控制部分包括GPS接收模塊、測量控制器、風速風向模塊和GPRS無線通訊模塊。所述GPS接收模塊用于獲取測量儀所在的地理位置信息(即GPS信息)，并通過串口發送到測量控制器；所述測量控制器用于控制氣體變換機構中泵、閥的變換，讀取GPS信息、風速風向信息和測量結果的計算；所述風速風向模塊用于測量進行二氧化碳濃度測量時所在位置的風速風向信息。所述GPRS無線通訊模塊可通過其內置的無線網絡通訊功能與遠程終端設備建立聯系，將測量信息、GPS接收模塊獲取的GPS信息、風速風向信息傳輸至遠端接收器；所述二氧化碳濃度測量模塊、GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊通過串行通訊方式與測量控制器連接。
[0010]本實用新型具有以下有益效果:
[0011]1、可以實現二氧化碳濃度的原位多點同時測量，克服了傳統測量方法中測量高度限制、信息采集不同步等問題，更加符合測量要求，同時降低了測量成本。2、采用自動控制，排除了測量過程中的人為干擾，提高了測量精度。測量可以遠程控制，節省了人力，測量完成后可將信息直接上傳至終端設備，提高了采集效率。
(四)【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是二氧化碳濃度梯度測量儀整體架構圖。
[0013]圖2是機械支架結構圖。
[0014]圖3是氣體變換結構示意圖。
[0015]圖4是控制系統的模塊連接原理圖。
[0016]圖中:1支架、2鋼管固定夾、3立柱、4底座、5長導氣管、6短導氣管、7微型氣泵、8二位三通電磁閥、9多通接頭、10氣體質量流量控制器(MFC)、11鵝頸彎管、12連接導氣管、13干路氣管(五)【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。本實用新型所述一種二氧化碳濃度梯度測量儀，主要包括:機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分。
[0018]所述機械支架由一個底座4、立柱3和多個支架I組成。所述底座4是一個下面帶有長釘上面帶有圓柱形長孔的圓盤型結構，所述圓柱形長孔用于固定立柱3，所述長釘用于將整個支架固定在土壤中。所述立柱3上標記有公制刻度，用以標記測量高度；所述支架I為桿狀一端焊接有鋼管固定夾2使支架I可活動的垂直固定在立柱3上。所述支架I在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可以調整，支架I可以以一定的角度、不同的高度垂直安裝在立柱3周圍，長導氣管5固定在各支架I上。
[0019]所述氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥8、微型氣泵7和一個氣體質量流量控制器10 (MFC)構成。所述氣體變換機構設計由若干個支路構成。每個支路由導氣管、一個二位三通電磁閥8和一個微型氣泵7組成。所述導氣管分為長導氣管5、短導氣管6和連接導氣管12，長導氣管5長度可根據公式計算確定，長導氣管5 —端安裝有鵝頸彎管11并接通到大氣中，鵝頸彎管11可以防止氣體交換，長導氣管5另一端連接在二位三通電磁閥8的進氣口上，長導氣管5與二位三通電磁閥8之間安裝有微型氣泵7，短導氣管6和連接導氣管12—端分別連接在二位三通電磁閥8的兩個出氣口上，短導氣管6另一端連接大氣，連接導氣管12另一端連接在多通接頭9上；各個支路的連接導氣管12通過一個多通接頭9連接在干路氣管13上，干路氣管13長度以適宜為宜，氣體質量流量控制器IO(MFC)安裝在干路氣管上緊接在多通接頭9后面，可以控制氣體的流量并測量壓力值；干路氣管接入二氧化碳濃度測量模塊進行濃度測試。
[0020]所述二氧化碳濃度測量模塊采用紅外二氧化碳測量方式，在本實施例中選用奧地利品牌Madur的madIR-C02型號紅外二氧化碳濃度測量模塊。該裝置的原理是當紅外光通過待測氣體時這些氣體分子對特定波長的紅外光具有吸收作用，其吸收關系服從朗博一比爾吸收定律，由此可通過計算透過待測氣體的紅外光的強度變化確定待測氣體濃度。該裝置的主要結構是由一個紅外光源、紅外接收器及管狀氣室組成；紅外光源和紅外接收器分別在管狀氣室的兩端；紅外光源是紅外光的發射裝置；紅外接收器是紅外光的接收裝置；氣室用于盛放待測氣體，兩端有進氣口和出氣口。
[0021]所述電氣控制部分包括GPS接收模塊、測量控制器、風速風向模塊和GPRS無線通訊模塊。因為本實用新型裝置可以應用在野外進行二氧化碳濃度測量工作，因此有必要了解測量裝置進行測量時所處的地理位置和風速風向等環境信息。所述GPS接收模塊用于獲取測量儀所在的地理位置信息(即GPS信息)，并通過串口發送到測量控制器；所述測量控制器用于控制氣體變換機構中泵、閥的變換，讀取GPS信息、風速風向信息和測量結果的計算，在本實施例中選用具有多串口的STM32F103VET6作為主控芯片，本實用新型一種二氧化碳濃度梯度測量儀的控制過程和控制信息計算通過編程下載入控制芯片完成控制及計算；所述風速風向模塊用于測量進行二氧化碳濃度測量時所在位置的風速風向信息。本實施例中的風速風向模塊選擇南華FA211A測量模塊。所述GPRS無線通訊模塊可通過其內置的無線網絡通訊功能與遠程終端設備建立聯系，將測量信息、GPS接收模塊獲取的GPS信息、風速風向信息傳輸至遠端接收器；所述的遠端接收器可以使用手機或GPRS接收器為遠端接收器。
[0022]—種二氧化碳濃度梯度測量儀控制過程為:
[0023]( I)各模塊初始化，待機狀態等待指令
[0024](2)測量裝置的GPRS無線通訊模塊接收指令，并對指令進行解析，確定采樣間隔、采樣頻率等要素，并根據公式4計算出氣體質量流量控制器的流量控制量，并讀取GPS接收模塊獲取的本實用新型測量裝置所在的地理位置信息。
[0025](3)測量控制器控制泵、閥進行工作，具體過程如下:
[0026]a)工作前，切換所有二位三通電磁閥工作位置，使各支路長導氣管與短導氣管連通，同時開啟所有微型氣泵進行抽氣，開啟一定時間U1 3V/U)后同時關閉所有微型氣泵，此時，長導氣管內布滿了從外界抽入的待測氣體，長導氣管起到暫時儲氣的作用。抽氣完成后讀取當前風速風向信息。
[0027]b)支路I的二位三通閥切換位置，使支路I與干路氣管連通，開啟支路I的微型氣泵將支路I中長導氣管內的氣體泵入二氧化碳測量濃度測量模塊進行測量。測量控制器通過氣體質量流量控制器對流入二氧化碳濃度測量模塊的氣體體積V’進行計算，當V’ > (V-V0) /2時，測量控制器開始讀取二氧化碳濃度測量模塊讀數，當V’ > (V+V0) /2時，停止讀取。
[0028]c)支路I和支路2的二位三通電磁閥同時切換位置，使支路I斷開與干路氣管相連，支路2與干路氣管連通，開啟支路2的微型氣泵對支路2長導氣管內的氣體按照步驟b)中所述方法進行測量，測量完成后，支路2和支路3的二位三通閥同時切換位置，對支路3長導氣管中的氣體進行測量......以此類推，分別測定所有支路的氣體二氧化碳濃度。
[0029](4)將測定的所有支路的氣體二氧化碳濃度信息暫存，若采樣未結束重復執行步驟(3)，若結束對步驟3)讀取的二氧化碳濃度信息和GPS信息和風速風向信息打包上傳至遠端接收器。測量完成儀器關機。
【權利要求】
1.一種二氧化碳濃度梯度測量儀，包括:機械支架、氣體變換機構、二氧化碳濃度測量模塊和電氣控制部分； 所述機械支架由一個底座、立柱和多個支架組成；所述底座是一個下面帶有長釘上面帶有圓柱形長孔的圓盤型結構，所述圓柱形長孔用于固定立柱，所述長釘用于將整個支架固定在土壤中；所述立柱標記有公制刻度，用以標記測量高度；所述支架為桿狀一端焊接有鋼管固定夾使支架可活動的垂直固定在立柱上；所述支架垂直安裝在立柱周圍，支架在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可調，長導氣管固定在各支架上； 所述氣體變換機構主要由導氣管、二位三通電磁閥、微型氣泵和一個氣體質量流量控制器MFC構成；所述氣體變換機構由若干個支路構成；每個支路由導氣管、一個二位三通電磁閥和一個微型氣泵組成；所述導氣管分為長導氣管、短導氣管和連接導氣管，長導氣管一端安裝有鵝頸彎管并接通到大氣中，鵝頸彎管可以防止氣體交換，長導氣管另一端連接在二位三通電磁閥的進氣口上，長導氣管與二位三通電磁閥之間安裝有微型氣泵，短導氣管和連接導氣管一端分別連接在二位三通電磁閥的兩個出氣口上，短導氣管另一端連接大氣，連接導氣管另一端連接在多通接頭上；各個支路的連接導氣管通過一個多通接頭連接在干路氣管上，干路氣管長度以適宜為宜，氣體質量流量控制器MFC安裝在干路氣管上緊接在多通接頭后面，可以控制氣體的流量并測量壓力值；干路氣管另一端接入二氧化碳濃度測量模塊進氣口進行濃度測試； 所述電氣控制部分包括GPS接收模塊、測量控制器、風速風向模塊和GPRS無線通訊模塊；所述二氧化碳濃度測量模塊、GPS接收模塊、風速風向模塊、GPRS無線通訊模塊通過串行通訊方式與測量控制器連接；所述二氧化碳濃度測量模塊包括一個紅外光源、紅外接收器和管狀氣室；紅外光源和紅外接收器分別在管狀氣室的兩端；紅外光源是紅外光的發射裝置；紅外接收器是紅外光的接收裝置；氣室用于盛放待測氣體，兩端有進氣口和出氣口。
2.根據權利要求1所述的一種二氧化碳濃度梯度測量儀其特征在于所述的長導氣管為軟管，可伸展至不同高度。
3.根據權利要求1所述的一種二氧化碳濃度梯度測量儀其特征在于所述的氣體變換機構中的氣體流量控制可采用節流閥和氣壓計實現。
【文檔編號】G01N21/3504GK203519494SQ201320561335
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】苑進, 寧堂原, 王侃, 李楊, 劉雪美 申請人:山東農業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
