一种用于温室气体排放通量监测的自动气体样品采集站的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于自动温室气体通量监测过程中的气体样品自动采集站。该采集站包括一电源系统，一主控系统，一自动静态箱，一水密封系统，一自动静态箱升降系统，一采气系统，一注气系统，一定位系统和一样品盘收集系统。本发明的主要工作流程是电源供电，主控系统依次控制盖箱，加水密封，采气，定位样品瓶，注气，同时记录采气时的环境状况。一次气体样品采集完后，控制自动静态箱打开，等待下一次采样时间到达时再开始采样。主控系统可以现场按键操作发送指令，也可以远程无线控制其运行或发送状态报告。本发明主要适用于农业、林业、草地及自然生态系统环境中排放出的温室气体全自动采样监测，也可用于其它大气环境监测中的气体自动取样。
【专利说明】—种用于温室气体排放通量监测的自动气体样品采集站
【技术领域】:
[0001]本发明涉及自动气体样品采集，特别是指一种用于监测大气环境条件中气体排放通量的自动样品采集装置，主要用于研究农田、草地和林地(低矮林木)土壤及相应生长的植物体向大气中排放温室气体的速率监测时气体样品自动采集装置，也可用于其它气体环境中的气体样品自动采集。
【背景技术】:
[0002]气候变化是目前全人类必须面对的最重要的问题之一，主要是气候总体趋势变暖，对整个地球环境及全人类生活的方方面面都产生着重要的影响。目前的科学研究表明:气候变暖主要是人类活动排放的大量温室气体，导致大气环境整体增温造成的。据国际气候变化研究最权威机构政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出:气候变暖95%可能是由于化石燃料燃烧和土地利用变化等人类活动排放的温室气体(主要包括二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等)导致大气中温室气体浓度增加所引起的。自1750年人类工业化文明以来，人类活动大大加速了向大气中排放温室气体，使其浓度急剧增加，三种最主要的温室气体二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的浓度值分别从工业化前的280,0.72和0.27ppm增加到2012年393、1.819和0.325ppm,而且目前的增幅仍在加速，在过去的130多年中(1880?2012年)，全球平均地表气温升高0.85°C。未来气候将进一步变暖，预计到21世纪末气温将至少上升1.5°C。
[0003]2007年在巴厘岛举行的全球气候变化第13次缔约方大会上发达国家对发展中国家提出了温室气体可测量、可报告和可证实的具体要求，这需要大量的样品采集分析才能实现。中国目前的温室气体排放总量已跃居世界第一，在大会谈判中中国在应对气候变化和减排温室气体方面所面临的压力越来越大。温室气体的排放监测是进行气候变化研究的基础，其测定的方法主要是通过在被测地块表面罩上密闭的静态箱，间隔一定的时间抽取一个气体样品，使用气相色谱测定每个气体样品中温室气体浓度，通过抽取的多个样品中温室气体浓度的变化情况计算出温室气体的排放通量，也即温室气体的排放速度。目前气体样品的采集绝大多数还是采用人工采集的方式进行。
[0004]人工气体样品采集主要有几大劣势:1)样品采集工作量十分巨大。有时单个点样品的采集就至少需2个人配合去盖箱、采集、记时等重复性工作，如果是多个点进行对比采样研究时，由于需要采样的时间可比性，每个采样点需要I人，就需要多人同时对不同点采样，人力需求更大；2)人工对采样的干扰大。人工采集样品时采样人自身呼吸的CO2以及脚步活动、盖箱取气等工作对土壤的扰动都会对样品采集产生较大的干扰；3)不便于全天候采样。当天气状况不好、时间点不合适或夜晚需要采样时，人工采样就受到很大的限制；4)人工采样个体误差大，易出错。采样会因不同人的操作方式产生差异，而且人工采样计时不可能很准确，而气体通量的计算是严格按单位时间来计算的，操作的快慢使得计算的误差变大，同时人为的可能失误也会对气体采集产生一定的影响。
[0005]为了克服人工气体样品采集时的不利因素，本发明拟研制一种全自动的温室气体采集站，可以在无人值守的条件下依据设定的采样时间及要求实现自动开关密闭箱、自动采集气体样品并贮存于密封真空瓶中，由人工定期更换气体样品瓶，实现温室气体样品的自动采集。
[0006]国内外目前也有一些自动气体采样的装置，比较典型的有使用球胆和负压自动采集样品，它适用于长时间大气环境平均空气质量的样品收集，采集的是长时间空气质量的一个平均值，不适合于温室气体通量的观测，自动化程度也不高；还有比较典型一类的是便携式的气体取样器，主要是用于现场空气质量的采样检测，其也只适用于单个样品的采集，也必须有人的现场参与才能实现。目前还没有研究温室气体通量的全自动采集装置。
[0007]本发明将使用电池加太阳能板供电，可以全天候工作，还可远程控制，主要用于需要大量温室气体样品采集的科学研究中，将极大地提高温室气体监测中气体样品采集的效率，为应对气候变化服务。
【发明内容】
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[0008]针对上述人工采样的不利条件，本发明的主要目的是发明一种与静态箱相结合的全自动气体采集装置，可以用于野外环境中全天候和长时间无人值守时，自动采集温室气体通量监测样品并贮存于真空样品瓶中。并且可以远程监控、参数设置和发送采样命令，提高野外大气环境研究中的自动样品采集水平。
[0009]为实现上述功能，本发明提供了一种能远程操控的自动温室气体监测样品采集装置，其特征在于包含:一电源系统、一主控系统、一自动静态箱、一水密封系统、一静态箱升降系统、一采气系统、二注气系统、一定位系统和一样品收集系统。其中所述电源系统包括一太阳能板、一固定杆、一蓄电池、一充电控制模块、一电源稳压模块和一防水控制箱，主要用于整个取 样装置的电力供应；所述主控系统包括一主控板、一信号输入模块组、一主控芯片、一显示芯片、一液晶显示屏、四按键、一信号输出模块组、一无线通讯模块、一天线、一控制箱和一固定杆，此系统控制整个装置依照设定的程序进行数据的采集、各部件的协同动作，还负责远程通讯及控制；所述自动静态箱包括一主框架、一聚碳酸酯板、一风扇、一空气温度探头、一防福射罩、一空气湿度探头、一底座、一土壤温度探头和一土壤水分探头，主要用于形成一个密闭的空间，以便进行气体浓度的采集和通量计算；所述水密封系统包括一搁板、一水箱、一电磁阀、二水管、两固定螺钉、一水槽和一水位开关，主要功能是自动控制水槽中的水位，将所述自动静态箱采用水密封，保证取样时的密闭性；所述自动静态箱升降系统包括一导向支撑管、一直流减速电机、一升降臂、一丝杆、二滑块、一基座、一导向槽、二磁感应探头、一磁铁和二固定杆，主要通过升降动作控制所述自动静态箱的打开和封闭，同时，所述导向槽上还有偏转槽，使所述自动静态箱在非采气时间偏转一定的角度，降低所述自动静态箱对被测地块的影响；所述米气系统包括一底板、六气管、一米气泵、一回气电磁阀、一通道选择电磁阀、二针头座、二采气针头和两密封圈，主要用于将所述自动静态箱内的气体通过所述采气泵、所述气管及所述电磁阀，输送到所述采气针头，为气体的采集贮存作准备；所述注气系统包括一进针电机、三固定螺钉、一丝杆、一进针滑块、一导向杆、一探头固定板、两磁感应探头和一磁铁，主要用于所述采气针头的上下运动注射气体；所述定位系统包括一定位电机、一中轴、^槽、^销、一轴承、一螺姆、一定位螺钉、一底盖、二磁感应探头、多个磁铁、多个脚垫及多个固定螺钉，此系统主要是通过所述定位电机的旋转及磁铁和探头的定位，将所述采气针头定位到需要的位置，保证采气的准确进行；所述样品盘收集系统包括一上盘、一中盘、一下盘、十八气瓶、十八密封盖、八双头螺柱、八空心管、十三磁铁和一外罩，主要用于盛装所述气瓶并自动定位到所述采气针头的下方，保证样品采集的准确进行。
[0010]采用了上述技术方案的本发明具有以下优点:
[0011]1、由于本发明中集成了太阳能板、蓄电池和无线通讯模块，可以通过太阳能保证系统的电力供应，使本系统不受外部电力限制，可在野外无电力供应条件下长期自动运行，而且能通过远程无线通讯了解系统的工作状态及发送采样指令，保证了其自动化的优势；
[0012]2、本发明采用丝杆提升静态箱，节省电力并保证了高的可靠性，而且当自动静态箱提升到顶端后会发生偏转，极大地降低了自动静态箱对被测地块的影响；另外，静态箱采用自动补水的水密封系统，保证了自动静态箱的密闭性；
[0013]3、本发明的气路系统采用回气电磁阀形成一闭合气路，可以实现用自动静态箱内的气体冲洗采气管道，保证了采气的纯度，同时也避免了因采气对自动静态箱内压力的影响；另外，气路中还含通道选择阀，可以增加可自动采集气体样品的数量，提高自动化效率；
[0014]4、本发明的丝杆升降定位、采气针头运动及样品盘的转动定位均采用磁铁与磁感应探头定位方式，这种非接触式定位既保证了运动的顺畅，又保证了定位的精度；另外，用于样品盘中气瓶定位的磁感应探头位于样品盘的最外沿，定位路程长，定位精度高。
【专利附图】
【附图说明】:
[0015]图1是本发明的总体构造示意图
[0016]图2是本发明自动静态箱底及水密封系统构造示意图
[0017]图3是本发明导向槽顶部局部放大图
[0018]图4是本发明针头座剖视图
[0019]图5是本发明进针滑块俯视图
[0020]图6是本发明中轴顶部端面正视图
[0021]图7是本发明中轴底部端面正视图
[0022]图8是本发明样品盘上盘正视图
[0023]图9是本发明样品盘中盘正视图
[0024]图10是本发明样品盘下盘正视图
[0025]图11是发明密封瓶盖剖视图
[0026]图12是发明控制工作流程图
【具体实施方式】:
[0027]如图1所示，本发明“一种用于温室气体排放通量监测的自动样品采集站”包括一电源系统10、一主控系统20、一自动静态箱30、一水密封系统40、一静态箱升降系统50、一采气系统60、二注气系统70、一定位系统80和一样品收集系统90共9大部分，下面以这9大部分的组成结构、装配及功能实现分别进行介绍。
[0028]如图1所示的电源系统10包括蓄电池11、充电控制模块12、太阳能板13、电源稳压模块14、电线15、固定杆16和控制箱18。蓄电池11作为整个装置的电力来源，一方面通过电线与充电控制模块12及太阳能板13相连，使系统通过太阳能板13吸收太阳的能量，经充电控制模块12转换后将太阳能存蓄于蓄电池13中；另一方面，蓄电池13中的电力通过电线15输出，经电源稳压模块14稳压后，给主控板21供电，保证整个装置的电力供应。太阳能板13背面通过螺钉(图1中未示)将固定杆16的上端与太阳能板13相连，固定杆16的下端直接插入大地17中，用于固定太阳能板13。蓄电池11、充电控制模块12和电源稳压模块14均装入控制箱18中，防止外部风、雨和辐射等对其性能的影响。
[0029]如图1所示的主控系统20包括主控板21、信号输入模块组22、主控芯片23、显示芯片24、无线通讯模块25、液晶显示屏26、按键27、信号输出模块组28、天线29和固定杆16。主控板21是本发明的控制中心，集成有电源稳压模块14、信号输入模块组22、主控芯片23、显示芯片24、无线通讯模块25和信号输出模块组28，各模块担负相应的功能动作，其中主控芯片负责控制主控板21上所有其它部件的工作。电源稳压模块14用于保持蓄电池13供给的整个系统电压的稳定。信号输入模块组22用于接收所有外部探头的信号。信号输出模块组28是主控板通过此模块向外部的动作部件发送执行命令。显示芯片24通过电线15与液晶显示屏26相连，用来显示系统的状态，通过按键27操作可以控制主控系统运行。无线通讯模块25与天线29构成远程发射和接收通讯系统，既可以无线发送系统的状态及数据，也可以接收远程主机发送来的信号，实现远程参数设置、状态查询和操控运行。信号输出模块组28使用电线15与各功能执行部件相连，输出控制命令使各功能部件协同工作实现自动气体采集。主控系统20中除天线29在控制箱18外部以外，其余部件均安装于防水控制箱18中，控制箱18通过螺钉与固定杆16相连,并通过固定杆16插入大地17中固定。
[0030]如图1所示的自动静态箱30包括主框架31、聚碳酸酯板32、底座33、空气温度探头34、防辐射罩35、空气湿度探头36、土壤温度探头37、土壤水分探头38和风扇39。主框架31由不锈钢棒无缝焊接而成一个圆村形框架，在圆柱形主框架31的侧面及顶部分别覆盖有聚碳酸酯板32，聚碳酸酯板32以螺钉(图1中未示)固定于主框架上，并使用透明密封胶密封。在主框架31的内部悬挂有空气温度探头34和空气湿度探头36，其中空气温度探头的上部还安装有一防辐射罩35，用来防止太阳辐射对温度测定的影响。静态箱的底座33的结构图如图2所示，底座33内部是一圆柱形不锈钢管，下端插入大地17中，在底座33的内部圆柱管外面中间部位垂直无缝焊接一圆环状不锈钢板，然后在所焊接的圆柱形板的外沿向上垂直无缝焊接一圆柱形不锈钢管，且这一圆柱形管的高度要低于底座33内部圆柱管的高度，使底座33的外部圆柱管、圆环状不锈钢板内圆柱管无缝焊接形成一个外低内高的水槽47，而且主框架31覆盖聚碳酸酯板32后的外径要大于水槽47的内径且小于水槽47的外径，当自动静态箱30的主框架31的底端垂直降入水槽47内，并且水槽47内充满水时，可以将自动静态箱内部空气与外部空气密封隔绝。在底座33内地上部种植有植物331，在底座33内地下部埋设有土壤温度探头37和土壤水分探头38。在自动静态箱内部顶端还装有一风扇39,用来测定时混勻箱内气体。
[0031]如图1所示的水密封系统40包括搁板41、水箱42、电磁阀43、水管44、固定螺钉45、水位开关46和水槽47。搁板41是折弯为90度直角的不锈钢板，使用螺钉(图1中未示)固定于底座33上，在搁板41上放置有水箱42，并用固定螺钉45安装有电磁阀43，水箱42与电磁阀43及电磁阀43与水槽47之间使用水管连接，水槽47内还安装有一水位开关46，当需要注水时，打开电磁阀43，水箱42内的水通过水管44及电磁阀43注入到水槽47中，到注水达到水位开关46的设定值后，主控板21会发送指令关闭电磁阀43而停止注水。
[0032]如图1所示的自动静态箱升降系统50包括导向支撑管51、直流减速电机52、升降臂53、丝杆54、滑块55、基座56、导向槽57、磁感应探头58、磁铁59和固定杆16。导向支撑管51是一段厚壁不锈钢管，在管的顶端焊接有固定片，用来使用固定螺钉45固定直流减速电机52，在导向支撑管51正对自动静态箱30的一面开有一条导向槽57，图3是导向槽57的局部放大图，如图3所示导向槽57的上部还有两个斜向上的偏转槽571和偏转槽572，在偏转槽572的下方导向支撑管51的外部还固定有一个磁感应开关58,在导向支撑管51内部轴心有一段丝杆54，丝杆54上部中心有一圆孔，直流减速电机52的轴可以伸入丝杆54内部，两者使用固定螺钉45连接，在丝杆54上穿设有两个配套的圆柱形滑块55，滑块55中心的螺纹与丝杆54上的螺纹配套。升降臂53是由二根平行的不锈钢实心棒和一根竖直的不锈钢实心棒焊接为图1中所示的形状，升降臂的一头使用螺钉固定于自动静态箱30的主框架31上，另一端则穿过导向槽57使用螺钉(图1中未示)与上下滑块55相连。在下滑块上还打孔埋设有一个圆柱形磁铁59。导向支撑管51焊接于一块不锈钢基座56上，基座56上有两个固定孔，使用固定柱16钉入大地17中，将自动静态箱升降系统50固定于地上。自动静态箱30的升降通过直流减速电机52的旋转带动滑块55运动，由于升降臂53只能导向槽57中运动，使得滑块55带动升降臂53及相连的自动静态箱主框架31 —起运动，当滑块55上升到导向槽顶部时，由于导向槽571和导向槽572的同时偏转，带动自动静态箱30向同一方向偏转,这样可以减少自动静态箱的遮蔽对被测定植物生长的影响，固定于滑块55上的磁铁及固定于导向支撑管51外的磁感应探头可以使系统检测到自动静态箱升降的到位程度。
[0033]如图1所不的米气系统60包括底板61、气管62、米气泵63、回气电磁阀64、通道选择电磁阀65、针头座66、密封圈67、内采气针头68、外采气针头69和侧孔681。采气泵63、回气回气电磁阀64和通道选择电磁阀65都使用固定锡钉45固定于底板61上,底板61上有孔供两根气管62穿过并通入针头座66中心。自动静态箱30内的气体从伸入其内部的气管62处进入,经米气泵63抽动并经出口气管62输送入回气电磁阀64,回气电磁阀64是一个二位三通电磁阀，当其不通电处于关闭状态时，左边进气口与顶部出气口相通，气体可再由顶部出口处相连气管回输到密闭的自动静态箱30，这样起到用待采集的自动静态箱30内的气体冲洗采气所使用的气管62的作用，保证抽取的气体与自动静态箱30内的气体最大程度接近。当回气电磁阀64打开时，其顶部的出口关闭，同时右边的出气口打开，气管62内的气体由米气泵63抽取输送到通道选择电磁阀65,通道选择电磁阀65的结构与回气电磁阀64相似，当其不通电关闭时，左边进气口与顶部出气口相通，当其通电打开时，左边进气口只与右边出气口相通，主控板21通过打开或关闭此阀可以选择不同的气体通道将气体输送到中空的内采气针头68或外采气针头69，在内采气针头68或外采气针头69接近针尖部侧面有一圆形的侧孔681，可防止进针时密封垫的碎沫堵塞针头。针头座66以固定螺钉45可固定于进针滑块73上，图4给出了其剖面图，其左右两边均有一个固定螺钉45可穿过的螺钉孔661，在针头座的中心有一个可供气管62通过的进气管孔662，针头座66的下部有螺纹可供连接针头，如图1中所示内采气针头68和外采气针头69内部均有螺纹可以旋设于针头座66上，气管62穿过针头座66后，套设有“O”型密封圈67，当内采气针头68或外采气针头69与针头座66拧紧时压紧“O”型密封圈67，保证针头座66、气管62与外采气针头68或内采气针头69之间不漏气。
[0034]如图1所示的注气系统70包括进针电机71、固定螺钉45、进针丝杆72、进针滑块73、导向杆74、探头固定板75、锁紧螺钉76、磁感应探头58和磁铁59。图1显示了两套注气系统70，现以靠近中心的注气系统70来介绍其结构，进针电机71使用固定螺钉45固定于底板61上，进针电机71的轴穿过底板61，在进针电机71的下方有一个进针丝杆72，进针丝杆72的顶部中心径向有一个圆孔，进针电机71的轴伸入到进针丝杆72的中心圆孔中，并使用固定螺钉45固定。在进针丝杆72上穿设有一圆柱形的进针滑块73，图5显示了进针滑块的俯视图，进针滑块73中心螺纹孔731与进针丝杆72外螺纹配套，滑块左侧有一个固定针座66的针座槽732，在针座槽732中有一个针座孔733和两个针座固定螺纹孔734，可以将针座66安装于进针滑块73上并使用固定螺钉45固定。在进针滑块73的右侧有一个导向孔735，可以将导向杆74穿设其中用于导向，在进针滑块73的最右侧还埋设有一磁铁59，用于针头位置的感知。图1中显示了导向杆的安装，其端部采用过盈配合的方式插入到底板61中，与底板61垂直并且穿过进针滑块73的导向孔735。在导向杆74旁侧有一个探头固定板75，此探头固定板折弯呈90度直角竖直放置，与底板61平行的一面通过固定螺钉45固定于底板61上，使竖直放置的一面与导向杆74平行，当进针电机71转动带动进针丝杆72转动时，由于导向杆73的导向作用，使得进针滑块73在进针丝杆72上作直线运动，当进针滑块73运到到进针丝杆72的最上端或最下端进，在与其上面的磁铁59正对的地方，在探头固定板74上分别使用强力胶水粘接一个磁感应探头，用来感知进针滑块是否运动到位，从而可以指示出固定在进针滑块73上的针头座66上的针头是否运动到位。在进针丝杆72的末端还采用螺纹连接固定有一个锁定螺钉76，用来防止进针滑块73旋转滑出进针丝杆72。
[0035]如图1所示的定位系统80包括定位电机81、中轴82、卡槽83、卡销84、轴承85、螺母86、定位螺钉87、底盖88、磁感应探头58、磁铁59、脚垫89及固定螺钉45。定位电机81使用固定螺钉45固定于外罩98上，为旋转定位提供动力。定位电机81的轴伸入中轴82的内部，在定位电机81的电机轴径向有一小孔，可以将一圆柱形的卡销84过盈配合穿过电机轴，使卡销84垂直于电机轴。图6显示了中轴82顶端俯视图，中轴82的顶端中心有一个圆孔821，定位电机81的电机轴可以伸入其中，与中心圆孔821相连的还有一个长条形的卡槽83，将电机轴对准圆孔821，将卡销84对次卡槽83即可将定位电机81与中轴82卡接起来。图7显示了中轴82底端俯视图，在中轴82的底端中心有一轴承85，在轴承85的两边各有一固定用的螺钉孔822。中轴82通过两个固定螺钉45穿过下盘93固定在下盘93上。在中轴82的最大端有一底盖88，底盖88是一个圆形的带螺纹的盖子，正中心有螺纹孔，在底盖88上采用粘接的方式固定有脚垫89，使底盖88可以立于地上。有一定位螺钉87穿过底盖88中心的螺纹孔后，使用螺母86锁紧，再穿过下盘93伸入轴承85的中心孔。
[0036]如图1所示的样品收集系统90包括上盘91、中盘92、下盘93、气瓶94、密封盖95、双头螺柱96、空心管97、磁铁59和外罩98。样品盘上盘91俯视图如图8所示，盘上以圆周方式均匀分布有两圈气瓶孔911，本发明上盘91内圈有6个气瓶孔911，外圈有12个气瓶孔911，在上盘91盘中心与每个气瓶孔911中心相连的延长线与盘外沿相交处均埋设一个圆柱形磁铁59，由于上盘91中心与内圈气瓶孔911与外圈气瓶孔911连线有重合，本实施例中外圈磁铁共有12个，另外，在上盘的外沿还有一个反向安装磁铁591，用来定位上盘的初始位置，上盘92上还有四个螺钉固定孔912，中心有一个可供中轴穿过的轴心孔913。中盘92的俯视图如图9所示，其与上盘91的主要不同是没有埋设磁铁59和反向磁铁591，盘上也分内外两圈均匀分布有气瓶孔921、螺钉固定孔922和轴心孔913。下盘93的俯视图如图10所示，与中盘92的区别是没有气瓶孔，增加了两个螺钉固定孔931，轴心孔933变小，螺钉固定孔932的相对位置与中盘92上的一致。如图1所示，上盘91、中盘92和下盘93的连接采用双头螺柱96和空心管97，固定螺钉45从下盘93的固定螺钉孔932的下面穿过，再穿过空心管97和中盘92的固定螺钉孔922后旋入双头螺柱96内，另一固定螺钉45从上盘91上的固定螺钉孔912穿过盘体后旋入双头螺柱96内，上盘91、中盘92和下盘93的对应四个螺钉孔均采用这种方式连接成一个完整的样品盘99，再将中轴82从上盘91的轴心孔913穿入，再穿过中盘92的轴心孔922后与下盘93紧密接触，再使用固定螺钉45从下盘93的下部螺钉固定孔931穿过后旋入到中轴82的螺钉固定孔822中，将样品盘99与中轴82连接起来。在样品盘99的气瓶孔911中放置有螺口气瓶94，在螺口气瓶94上旋紧有密封盖95，图11是密封盖95的剖视图，密封盖内有圆片状密封用橡胶垫951，瓶盖中心有一可供针头68穿过的圆孔952，密封盖95采用螺纹951与螺口气瓶94相连，当密封盖95旋紧后,橡胶垫951可以保证气瓶94的密封。如图1所不，在底盘88的上部有一外罩98，外罩98采用透明塑料制成，呈倒扣圆柱形的大螺口瓶形状，使用螺纹连接于底盘88上，在外罩98的上部采用双头螺柱66和固定螺钉45与底板61连接，外罩98与底板61至少使用三个双头螺柱66连接固定，保证其连接牢固。在外罩98内壁正对于上盘91的其中一个磁铁59和反向磁铁591的位置，分别粘接有一个磁感应探头58用来感知样品盘99的旋转位置。样品瓶94的定位方式是:使用定位电机81提供动力顺时针转动中轴82，中轴82带动固定于其底部的样品盘99 一起顺时针转动，当上盘91上的反向磁铁591转动到其对应的固定于外罩上的磁感应探头58的位置时，主控系统20将其设定为初始位置，气瓶的编号置为0，然后样品盘继续顺时针转动，当每转动到上盘中一个磁铁59与磁感应探头相对应时，使对应的样品盘99上内圈或外圈的气瓶94则正好转到注射针头68的上方定位，为采集气体做准备，样品盘每转动一个磁铁58的位置，则样品盘99内圈或外圈的气瓶94计数就增加一个瓶位，当样品盘从起始位置旋转一圈又转到反向磁铁591的位置时，气瓶94又从O开始重新定位计数。
[0037]以上介绍了本发明的各功能部分的装配及功能实施方式，现结合图1和图12来说明本发明总体配合实施方式。当如上所述的各部件按照图1的方式安装完成后，将空气温度探头34、空气湿度探头36、土壤温度探头37、土壤水分探头38、水位开关46和所有的磁感应探头58使用电线15从信号输入模块组22接入主控板21，将风扇39、电磁阀43、直流减速电机52、回气电磁阀64、通道选择电磁阀65、进针电机71和定位电机81从信号输出模块组28接入主控板21，使主控系统能对本发明装置的所有电动部件进行控制。
[0038]如图12所示的工作流程图，当电源系统10给主控系统20供电后，主控系统20进行上电自检，检测系统各个部件是否正常，并将系统各部件复位，如果上电自检不能通过，则在液晶屏上显示错误信息并将此出错信息通过无线模块进行发送；如果上电自检通过后，采样器需要进行采样参数的设置，参数的设置可以通过远程终端无线传输设置，也可以通过板载的按键27来设置；当采样的参数设置好后，可以通过远程终端或按键发布运行命令，开始自动采样的流程，此时采样器处于一种等待采样时间到达的准备状态，此过程中可以接收设置或动作指令；当时间到达设定的采样时间后，采样器进入采样进程，如图1所不，由米样器的主控系统20给静态箱30发送盖箱命令,给直流减速电机52通电使电机轴带动丝杆54旋转，丝杆54带动滑块55在导向槽57的作用下作直线下降运动，和滑块55相连的升降臂53带着静态箱主框架31 —起作直线下降运动，直至滑块上的磁铁59被固定在支撑管51底部的磁感应探头58感应到后停止，这时静态箱主框架31正好落在底座33的水槽47中，完成盖静态箱动作；此时打开电磁阀43，水箱42中的水通过水管44流入到水槽47中，当水位开关46指示水槽47中的水位已达到预设的高度时，水槽47中的水将静态箱主框架31与底座33密封起来，此时关闭电磁阀43，切断水的注入，完成加水密封动作；随后主控系统打开风扇39，混匀自动静态箱30内的气体，紧接着打开采气泵63，静态箱30内气体经气管62由采气泵63抽取，经回气电磁阀64顶部出口再次由气管62回送到自动静态箱30中，此过程主要目的是使用自动静态箱内的气体冲洗采气的管道，减少管道中残存的气体对采气的影响；清洗管道完成后，系统打开回气电磁阀64，使气体从回气电磁阀64的右侧流出并进入通道选择电磁阀65，系统根据采气的需要打开或关闭通道选择阀，使气流通达到内采气针头68或外采气针头69，此过程的作用是用来自自动静态箱31内的气流冲洗采气针头及其连接管道，保证采气的纯度；接着主控系统20控制样品瓶的定位，其流程是定位电机81旋转并带动连接的中轴82和样品盘的上盘91、中盘92、下盘93 —起旋转，气瓶94放置于样品盘上也一并旋转，在上盘的外沿分布有磁铁59和反向安装磁铁591，反向安装磁铁用于指示样品盘的初始位置，磁铁59用于指示样品盘是对应瓶位的位置，当样品盘旋转到相应的瓶位位置，使得相应的磁铁59被磁感应探头感应到时,停止转动，内采气针头68或外采气针头69也停于待采集的气瓶94的上方，完成瓶的定位动作；接下来是进针采气，其动作流程是当针头及相应管道冲洗完成后，进针电机71旋转带动进针丝杆72，进针丝杆72带动进针滑块73，进针滑块73在导向杆74上滑动，带动相连的内采气针头68或外采气针头69向下移动，针头刺破下方已抽真空的气瓶94的密封盖95的橡胶垫951，插入到真空气瓶94中，橡胶垫951在弹性的作用下紧密抱紧针头使针头与橡胶垫951密封，当进针滑块73的磁铁59被探头固定板75下部的磁感应探头58探测到时停止进针，此时经采气泵63抽取的自动静态箱30中的气体通过气管62、回气电磁阀64、通道选择电磁阀65及针头侧孔681压入到气瓶94中采集气体；接下来完成当次采样点采气动作，此过程主要包括退针、关采气泵63、关电磁阀64、关风扇39四个动作，退针动作与进针动作相反，其流程是进针电机71反向旋转带动针丝杆72、进针滑块73以及与其相连的内采气针头68或外采气针头69向上运动，将针头从气瓶94中拔出，当进针滑块73的磁铁59被探头固定板75上部的磁感应探头58探测到时停止运动，完成退针动作；紧接着退针动作完成后，主控系统20控制关闭采气泵63、关闭回气电磁阀64和风扇39，紧接着记录采气时的系统的状态数据，完成第I个采样点的采气过程，为了测定气体通量的准确性，一般在盖箱的情况下要采集4?5点次；接下来主控系统20判断采样点是否结束，如果没有结束，系统进入等待下一个采样点时间的状态，当到达下一个采样点时间后，系统将执行如图1所示的从开风扇39到关风扇39的流程进行采气；当最后一个采样点结束后，主控系统打开自动静态箱31，其动作流程是与盖箱相反，由采样器的主控系统20给直流减速电机52反向通电使电机轴带动丝杆54逆时针旋转，丝杆54带动滑块55、升降臂53和静态箱主框架31 —起在导向槽57的引导下作直线上升运动，当滑块55上的磁铁59被固定在支撑管51顶部的磁感应探头58感应到后停止，自动静态箱31完全打开；当静态箱主框架31打开后，主控系统检查所有设定的采样任务是否完成，如没有完成，则系统进入等待下次采样时间状态，如果所有采样任务已经结束，系统就完成了整个采样过程，进入待机状态，准备接收新的采样命令；如图12所示的流程图虚框部分，在采样的过程中如果出错，则主控系统会停止采样，并回到采样的初始状态，在屏幕上报告错误信息，并通过无线远程发送出错信息报告。
[0039]本发明是为温室气体通量自动监测设计，也可以不连接自动静态箱，在程序上设定与自动静态箱30相关的动作均不执行，直接采集大气环境中的气体，可以用于任何大气环境监测中的气体样品自动采集。
【权利要求】
1.一种监测大气环境条件中气体排放通量的自动气体样品采集装置，包含电源系统、主控系统、自动静态箱、水密封系统、静态箱升降系统、采气系统、注气系统、定位系统和样品收集系统九大部分，其特征在于，此气体自动采集装置安装于野外植物生长环境，可通过蓄电池和太阳能板获取装置所需的电能，通过主控制系统控制自动静态箱、静态箱升降系统和水密封系统来控制自动静态箱的开闭，通过定位系统将样品盘定位到所需的位置，通过采气系统从密闭的自动静态箱采集气体，通过注气系统将采集的气体注入到真空气瓶中。
2.如权利要求1所述的自动气体样品采集装置，其特征在于，所述自动静态箱采用直流减速电机带动丝杆及滑块在导向槽内滑动，所述导向槽具有偏转机构，在抬升到顶部时可以自动偏转。
3.如权利要求1所述的自动气体样品采集装置，其特征在于，所述的自动静态箱采用电磁阀控制密封用水的自动加入，当达到预设水位高度时能自动停止加水，保证自动静态箱的密封。
4.如权利要求1所述的自动气体样品采集装置，其特征在于，所述定位系统的上盘外侧有若干正向或反向安装的磁铁，在旋转时能被磁感应探头感应到，从而能定位放置于样品盘上的气瓶。
5.如权利要求1和权利要求4所述的自动气体样品采集装置，其特征在于，所述定位系统的中轴上端有一卡槽，下端有一轴承，可以方便地装卸样品盘和取放气瓶，当使用定位螺钉锁固后，轴承结构可以保证旋转定位。
6.如权利要求1所述的自动气体样品采集装置，其特征在于，其主控系统含有按键及无线控制模块，既可通过按键进行操控，也可以通过无线发送方式进行参数设置和发送操控命令，并且当装置运行出错时，可以远程发送错误报告。
【文档编号】G01N1/22GK103926115SQ201410141455
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】万运帆, 李玉娥, 高清竹, 游松财, 秦晓波, 刘硕, 马欣, 王斌, 张卫红 申请人:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 万运帆