本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于開(kāi)頂式氣室的遠(yuǎn)程高精度co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng),屬于生態(tài)學(xué)或農(nóng)學(xué)等野外實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的裝置。

背景技術(shù)：

近百年來(lái)，特別是近二三十年來(lái)，地球系統(tǒng)正經(jīng)歷著全球性顯著變化，人類活動(dòng)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(dá)2.1ppm，據(jù)預(yù)測(cè)到2100年大氣co2濃度將達(dá)到650～970ppm。co2濃度升高的施肥效應(yīng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和儲(chǔ)量產(chǎn)生了深刻的影響，而后者的變化又會(huì)反饋于全球變化，加速或減緩全球氣候變化進(jìn)程。這一具爭(zhēng)議性和挑戰(zhàn)性問(wèn)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(duì)全球變化問(wèn)題，也事關(guān)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于野外控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Mco2濃度升高的研究裝置主要有開(kāi)頂式氣室(opentopchamber，otc)和自由大氣式裝置(freeairco2enrichment，face)2種實(shí)驗(yàn)裝置。face裝置設(shè)備造價(jià)昂貴，維護(hù)及co2消耗費(fèi)用很高，國(guó)內(nèi)僅在水稻作物有應(yīng)用，高費(fèi)用導(dǎo)致很難廣泛使用。相對(duì)來(lái)說(shuō)，otc裝置更為經(jīng)濟(jì)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(jī)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(kāi)，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(zhǎng)環(huán)境基本接近自然狀態(tài)，對(duì)co2濃度控制效果較好，co2在氣室內(nèi)自由擴(kuò)散，有效降低co2消耗量。

目前無(wú)論是利用face還是otc裝置來(lái)模擬co2濃度升高的實(shí)驗(yàn)，均是以當(dāng)前全球背景大氣co2濃度年均值為對(duì)照，設(shè)置并控制co2濃度在一個(gè)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(dòng)態(tài)、季節(jié)動(dòng)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(shí)際過(guò)程，因此，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)背景值為基準(zhǔn)增加co2濃度，并通過(guò)無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程控制平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于開(kāi)頂式氣室的遠(yuǎn)程高精度co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng),以解決現(xiàn)有裝置無(wú)法很好的刻畫生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)碳交換的實(shí)際過(guò)程的問(wèn)題，并通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)背景值為基準(zhǔn)增加co2濃度，通過(guò)無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程控制平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

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

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

co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括co2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、pid控制主機(jī)、電磁閥控制模塊、風(fēng)扇控制模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(jī)中plc是控制器的核心，co2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換輸入，pid通過(guò)在plc運(yùn)算，通過(guò)電磁閥控制輸出，風(fēng)扇控制與電磁閥開(kāi)啟同步，plc的數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示屏，同時(shí)輸出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊，再通過(guò)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)到云數(shù)據(jù)庫(kù)。

co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)采用快速反饋調(diào)節(jié)的控制方式，通過(guò)接收氣室內(nèi)、外co2傳感器信號(hào)，每2s自動(dòng)記錄儲(chǔ)存一次數(shù)據(jù)，根據(jù)氣室外10分鐘的測(cè)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(shí)測(cè)值c,即根據(jù)(v10min+△e)-c的差值范圍，控制電磁閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間，通過(guò)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(shí)控制風(fēng)扇開(kāi)啟混勻氣室內(nèi)氣體。根據(jù)傳感器精度和響應(yīng)時(shí)間滯后的特點(diǎn)，自動(dòng)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(shí)開(kāi)啟通氣模式，在距離最高閾值10ppm時(shí)停止通氣，等待co2傳感器反饋濃度信號(hào)再執(zhí)行下一次控制動(dòng)作。

co2氣源供應(yīng)裝置采用鋼瓶氣體，同時(shí)鏈接多個(gè)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(kāi)頂式氣室的底部，垂直通氣管位于開(kāi)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(duì)角，數(shù)量為2個(gè)，通過(guò)順時(shí)針?lè)较蜓h(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(dá)氣體釋放孔，垂直通氣管固定在開(kāi)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(guò)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(zhǎng)高度進(jìn)行手動(dòng)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(dá)到出氣高度的調(diào)節(jié)。

遠(yuǎn)程在線管理平臺(tái)由云數(shù)據(jù)庫(kù)、在線數(shù)據(jù)管理軟件和移動(dòng)終端組成。co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)3g轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程在線管理平臺(tái)的云數(shù)據(jù)庫(kù)中，移動(dòng)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄在線數(shù)據(jù)管理軟件訪問(wèn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線瀏覽和下載保存。

本發(fā)明一種應(yīng)用于開(kāi)頂式氣室的遠(yuǎn)程高精度co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng),其優(yōu)點(diǎn)及功效在于：根據(jù)野外實(shí)際環(huán)境co2濃度日夜動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)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(shí)際過(guò)程。同時(shí)，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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和管理實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)瀏覽保存，提高了野外控制實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化水平。

附圖說(shuō)明

圖1所示為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)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(kāi)頂式氣室7、co2傳感器

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

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明一種應(yīng)用于開(kāi)頂式氣室的遠(yuǎn)程高精度co2濃度自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)9、co2氣源供應(yīng)裝置8、通氣混勻裝置1、遠(yuǎn)程在線管理平臺(tái)10。

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

co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)9主要包括co2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、pid控制主機(jī)、電磁閥控制模塊、風(fēng)扇控制模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(jī)中plc是控制器的核心，co2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換輸入，pid通過(guò)在plc運(yùn)算，通過(guò)電磁閥控制輸出，風(fēng)扇控制與電磁閥開(kāi)啟同步，plc的數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示屏，同時(shí)輸出到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和3g轉(zhuǎn)發(fā)模塊，再通過(guò)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)到云數(shù)據(jù)庫(kù)。

co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)9采用快速反饋調(diào)節(jié)的控制方式，通過(guò)接收氣室內(nèi)、外co2傳感器信號(hào)，每2s自動(dòng)記錄儲(chǔ)存一次數(shù)據(jù)，根據(jù)氣室外10分鐘的測(cè)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(shí)測(cè)值c,即根據(jù)(v10min+△e)-c的差值范圍，控制電磁閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間，通過(guò)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(shí)控制風(fēng)扇開(kāi)啟混勻氣室內(nèi)氣體。根據(jù)傳感器精度和響應(yīng)時(shí)間滯后的特點(diǎn)，自動(dòng)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(shí)開(kāi)啟通氣模式，在距離最高閾值10ppm時(shí)停止通氣，等待co2傳感器反饋濃度信號(hào)再執(zhí)行下一次控制動(dòng)作。

co2氣源供應(yīng)裝置8采用鋼瓶氣體，同時(shí)鏈接多個(gè)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(kāi)頂式氣室6的底部，垂直通氣管4位于開(kāi)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(duì)角，數(shù)量為2個(gè)，通過(guò)順時(shí)針?lè)较蜓h(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(dá)氣體釋放孔5，垂直通氣管4固定在開(kāi)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(guò)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(zhǎng)高度進(jìn)行手動(dòng)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(dá)到出氣高度的調(diào)節(jié)。

遠(yuǎn)程在線管理平臺(tái)10由云數(shù)據(jù)庫(kù)、在線數(shù)據(jù)管理軟件和移動(dòng)終端組成。co2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)3g轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程在線管理平臺(tái)的云數(shù)據(jù)庫(kù)中，移動(dòng)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄在線數(shù)據(jù)管理軟件訪問(wèn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線瀏覽和下載保存。