动压平衡装置及土壤呼吸测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种动压平衡装置，包括腔室和气室，气室上开设有第一通风口和第二通风口，气流从第一通风口或第二通风口流入，进入气室后，从第二通风口或第一通风口流出，气室上还开设有通气口，通气口上安装有连接管，连接管的一端通过通气口与气室连通，连接管的另一端与腔室连通，第一通风口的截面积为S1，第二通风口的截面积为S2，通气口处气室内腔的截面积为S3，S1与S3的比值范围为0.1～0.4，S2与S3的比值范围为0.1～0.4。本装置在外部风速较大的情况下也能够保证腔室内部压力和外部压力平衡，同时能够模拟腔室外部自然风导致的动态压力变化。本实用新型还公开了一种土壤呼吸测量系统。
【专利说明】动压平衡装置及土壤呼吸测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及土壤检测领域，尤其涉及一种对于来自土壤的气体进行收集测量的动压平衡装置及使用该平衡装置的土壤呼吸测量系统。
【背景技术】
[0002]在全球变暖的大背景下，全球碳循环已经成为地球科学、生物科学和社会科学共同关注的主题之一(陈泮勤，2004)，从土壤中释放的气体(例如，二氧化碳和甲烷)在全球气候变化中起到非常重要的作用。由于土壤呼吸作用是土壤碳库向大气层碳库输入的主要途径(Schimel，1995)，同时土壤呼吸速率相对微小的改变都会显著改变大气中CO2的浓度和土壤碳的累积速率，从而加剧或减缓全球气候变暖(Schlesinger&Andrews, 2000)。因此对于科学界来说提供土壤呼吸定量测量技术以及精确的数据是迫切需要的。测量腔室是对来自于土壤的气体进行收集测量应用得最多的方法，但是这种测量方法也存在着许多问题。
[0003]土壤呼吸受到压力的影响比较大，对此，科学界建议使用通风口装置使得测量腔室中的压力与外部的压力保持平衡，从而消除土壤呼吸作用下腔室内压力增大从而抑制气体从土壤中溢出的不利效果。上述安装有通风口的土壤呼吸测量装置可以在无风或者微风(lm/s)条件下运行，但是这些安装有通风口的装置不能在风速较大(I?5m/s)情况下运行，同时也不能模拟腔室外部自然风导致的动态压力要素。
实用新型内容
[0004]本实用新型目的是提供一种动压平衡装置，在外部风速较大的情况下也能够保证腔室内部压力和外部压力平衡，同时能够模拟腔室外部自然风导致的动态压力变化。
[0005]本实用新型解决技术问题采用如下技术方案:一种动压平衡装置，包括腔室和气室，所述气室上开设有第一通风口和第二通风口，气流从第一通风口或第二通风口流入，进入气室后，从第二通风口或第一通风口流出，所述气室上还开设有通气口，所述通气口上安装有连接管，所述连接管的一端通过通气口与气室连通，所述连接管的另一端与腔室连通，所述第一通风口的截面积为SI，第二通风口的截面积为S2，所述通气口处气室内腔的截面积为S3，所述SI与S3的比值范围为0.1?0.4，所述S2与S3的比值范围为0.1?0.4。
[0006]可选的，所述连接管的长度为5?20厘米。
[0007]可选的，所述气室包括上盖和下盖，上盖和下盖通过连接杆固定连接，所述上盖包括外缘、连接部和上顶，所述外缘呈圆环形，所述上顶呈圆形，所述上顶的直径小于外缘的内径，所述上顶位于外缘上方，所述外缘和上顶通过连接部连接，所述下盖呈圆形，所述下盖的边缘位于所述外缘的正下方，所述外缘与下盖边缘之间的间隙构成第一通风口和第二通风口。
[0008]可选的，所述通气口开设在下盖上。
[0009]可选的，所述下盖的中部向上凸起形成凸台，所述通气口开设在下盖的凸台上。
[0010]可选的，所述上盖的上顶与下盖的凸台之间的距离为hl，所述上盖的外缘与下盖的边缘之间的距离为ho，所述hi是ho的4?6倍。
[0011]可选的，所述hi为4?48毫米，所述ho为I?8毫米。
[0012]可选的，所述连接部与上顶的夹角al为120°?140°，所述凸台的圆周面与顶部的夹角a2为120°?140°。
[0013]本实用新型的另一个目的是提供一种土壤呼吸测量系统，在实现土壤气体成分检测的同时，能够实现测量腔室内压力和外部压力在静态和动态要素变化的界面条件下保持平衡。
[0014]本实用新型一种土壤呼吸测量系统，包括上述的动压平衡装置、抽排气管和气体分析仪，所述气体分析仪通过抽排气管与腔室连通。
[0015]可选的，本系统还包括传感器安装腔，所述传感器安装腔固定安装在腔室的顶部，所述传感器安装腔与腔室连通，所述抽排气管通过传感器安装腔与腔室连通，所述连接管的下端固定安装在传感器安装腔上，所述连接管通过传感器安装腔与腔室连通。
[0016]本实用新型具有如下有益效果:现有技术中的测量土壤气体的腔室通过在腔室上开设通气口，实现了无风情况下强室内的压力与腔室外部的压力保持平衡。但是，通过伯努利方程，可以知道静态压力在有风的情况下会下降，因此，如果通风口与腔室顶部的静态压力平衡，其中通风口处于腔室的顶部，在有风的情况下将会降低的腔室压力。风在土壤表面是过渡性流动(介于层流和紊流之间)，在土壤表面过渡性流动接近自由气流(界面层外的风速)的10%?40%。为了使得腔室中的压力与位于腔室本身顶部的通风口处压力保持平衡，本装置通过设置气室和第一、二通风口，并开设通气口，开设通气口处的气室的截面积为第一、第二通风口的截面积的2.5?10倍，根据伯努利方程及质量守恒定律，在有风的情况下，能够实现腔室内土壤表面的压力与腔室外土壤表面的压力相同，从而实现模拟腔室外部自然风导致的动态压力变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型实施例2动压平衡装置的结构示意图；
[0018]图2为图1中气室和连接管的结构不意图；
[0019]图3为本实用新型动压平衡装置的压力分布图(在通风口处模拟5m/s风速)；
[0020]图4为本实用新型动压平衡装置的流速分布图(在通风口处模拟5m/s风速)；
[0021]图5为本实用新型土壤呼吸测量系统的结构示意图；
[0022]图中标记示意为:10_腔室；20_气室；21_通气口 ；22_连接管；23_上盖；24_下盖；25_外缘；26_连接部；27_上顶；28_凸台；30_抽排气管；31_气体分析仪；32_传感器安装腔；33_ 土壤圈。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步阐述。
[0024]实施例1
[0025]本实施例提供了一种动压平衡装置，包括腔室和气室。腔室呈上端封闭、下端开口的圆筒装置。
[0026]在气室上开设有第一通风口和第二通风口，气流从第一通风口流入，进入气室后，从第二通风口流出。如果风向相反，气流从第二通风口流入，进入气室后，从第一通风口流出。本实施例中，第一通风口和第二通风口左右对称设置。在气室上还开设有通气口，通气口上安装有连接管，连接管的一端通过通气口与气室连通，连接管的另一端与腔室连通，第一通风口的截面积为SI，第二通风口的截面积为S2，通气口处气室内腔的截面积为S3，SI与S3的比值范围为0.1?0.4，S2与S3的比值范围为0.1?0.4。
[0027]本装置通过设置气室和第一、二通风口，并开设通气口，开设通气口处的气室的截面积为第一、第二通风口的截面积的2.5?10倍，根据伯努利方程及质量守恒定律，在有风的情况下，能够实现腔室内土壤表面的压力与腔室外土壤表面的压力相同，从而实现模拟腔室外部自然风导致的动态压力变化。
[0028]实施例2
[0029]如图1所示，本实施例提供了一种动压平衡装置，包括腔室10和气室20。腔室10呈上端封闭、下端开口的圆筒装置。在气室20上开设有第一通风口和第二通风口，气流从第一通风口流入，进入气室20后，从第二通风口流出。如果风向相反，气流从第二通风口流入，进入气室20后，从第一通风口流出。
[0030]在气室20上还开设有通气口 21，通气口 21上安装有连接管22，连接管22的一端通过通气口 21与气室20连通，连接管22的另一端与腔室10连通，第一通风口的截面积为SI，第二通风口的截面积为S2，通气口 21处气室20内腔的截面积为S3，SI与S3的比值范围为0.1?0.4，S2与S3的比值范围为0.1?0.4。为了使空气以更为接近自然气流流速进入第一或第二通风口，本实施例中连接管22的长度为5?20厘米。
[0031]结合图2所示，在本实施例中，气室20包括上盖23和下盖24，上盖23包括外缘25、连接部26和上顶27，外缘25呈圆环形，上顶27呈圆形，上顶27的直径小于外缘25的内径，上顶27位于外缘25上方，外缘25和上顶27通过连接部26连接，连接部26呈下大上小的近似圆锥形，下盖24呈圆形，下盖24的边缘位于外缘25的正下方。外缘25与下盖24边缘之间的间隙构成第一通风口和第二通风口，也就是说，外缘25与下盖24之间的圆形的间隙的一侧作为第一通风口时，另一侧就可以作为第二通风口，本实施例中将第一通风口和第二通风口连接在一起形成一个环形的通风口，能够有效的消除通风口的方向依赖性，不必人工改变通风口的位置，使用更加方便。风的入口 /出口表示由风向确定边缘开口是否为入口 /出口，一种风条件下的入口可以成为另一种风条件下的出口。
[0032]本实施例中，通气口 21开设在下盖24上，下盖24的中部向上凸起形成凸台28，通气口 21开设在下盖24的凸台28上。上盖23的上顶27与下盖24的凸台28之间的距离为hl，上盖23的外缘25与下盖24的边缘之间的距离为h0，hi是h0的4?6倍，本实施例中优选hi是h0的6倍。
[0033]上盖23和下盖24通过连接杆(图中未示出)固定连接，连接杆可以设置一根或多根，连接杆的上端与上盖固定连接，连接杆的下端与下盖固定连接，连接杆的位置可以设置在上盖23的上顶27与下盖24的凸台28之间，也可以设置在上盖23的外缘25与下盖24边缘之间。
[0034]根据伯努利方程及质量守恒定律，当风通过第一或第二通风口时，风的自由气流速度VO与横截面面积成比例减少，在此情况下，对于任何小的任意宽度来说(开口要小)，Vl = hO/hlVO。因此，通过生成与土壤表面在自然条件经历的相同静态压力，在腔室10中施加合适的压力，从而对风向或风速不敏感，从而使腔室10内的效果达到自然条件下土壤表面情况一样的效果。
[0035]本实施例中hi为4?48毫米，h0为I?8毫米，优选hi为24毫米，h0为4毫米。连接部26与上顶27的夹角al为120°?140°，优选130°，凸台28的圆周面与顶部的夹角a2为120°?140°，优选130°。
[0036]本动压平衡装置的有效性由图3和图4中仿真实验证实。图3为在自然风为5m/s (相对比较高的风速)条件下气室的压力分布图，可以看出在气室中心区域的压降大约在IlPa左右，非常接近于土壤地表的自然情况，这样本装置消除了由于在有风条件下的压力扰动导致的测量误差。图4为在自然风为5m/s (相对比较高的风速)条件下气室内流速分布图，可以看出在气室中心区域的流速大约为0.6m/s，达到了降低风速的效果，使之与地表自然状况效果一致。
[0037]本动压平衡装置可以用于非土壤流量腔室的应用，当然，本动压平衡装置可以用于需要实现腔室内压力与外部压力保持平衡的情形。
[0038]实施例3
[0039]如图5所示，本实施例提供了一种土壤呼吸测量系统，包括如实施例1或实施例2记载的动压平衡装置、抽排气管30和气体分析仪31，气体分析仪31通过抽排气管30与腔室10连通。本系统还包括传感器安装腔32，传感器安装腔32固定安装在腔室10的顶部，传感器安装腔32与腔室10连通，抽排气管30通过传感器安装腔32与腔室10连通，连接管22的下端固定安装在传感器安装腔32上，连接管22通过传感器安装腔32与腔室10连通。
[0040]本系统在使用时，首先在测量的土壤位置安装土壤圈33，然后将腔室10安装在土壤圈33上，土壤圈能够使从土壤中发出的气体紧密密封，并使其在垂直方向移动。气体分析仪31测量离开土壤的气体浓度随时间的改变，并计算气体从土壤到大气的速率。腔室10中的压力平衡时通过连接管22与第一、第二通风口相连实现的，第一、第二通风口可以实现腔室10内的压力与腔室外部的压力保持平衡。
[0041]通过伯努利方程，可以知道静态压力在有风的情况下会下降，因此，现有技术中，如果通风口与腔室顶部的静态压力平衡，其中通风口处于腔室的顶部，在有风的情况下将会降低的腔室压力。风在土壤表面是过渡性流动(介于层流和紊流之间)，在土壤表面过渡性流动接近自由气流(界面层外的风速)的10%?40%。
[0042]本系统中开设通气口处的气室的截面积为第一、第二通风口的截面积的2.5?10倍，根据伯努利方程及质量守恒定律，在有风的情况下，能够实现腔室内土壤表面的压力与腔室外土壤表面的压力相同，从而实现模拟腔室外部自然风导致的动态压力变化。
[0043]本土壤呼吸测量系统用于土壤呼吸测量系统以测量发自土壤中的CO2，本系统还可以用于测量水汽、甲烷等其他气体。
[0044]以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
[0045]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种动压平衡装置，包括腔室(10)，其特征在于，还包括气室(20)，所述气室(20)上开设有第一通风口和第二通风口，气流从第一通风口或第二通风口流入，进入气室(20)后，从第二通风口或第一通风口流出，所述气室(20)上还开设有通气口(21)，所述通气口(21)上安装有连接管(22)，所述连接管(22)的一端通过通气口(21)与气室(20)连通，所述连接管(22)的另一端与腔室(10)连通，所述第一通风口的截面积为SI，第二通风口的截面积为S2，所述通气口(21)处气室(20)内腔的截面积为S3，所述SI与S3的比值范围为0.1?0.4，所述S2与S3的比值范围为0.1?0.4。
2.根据权利要求1所述的动压平衡装置，其特征在于，所述连接管的长度为5?20厘米。
3.根据权利要求1或2所述的动压平衡装置，其特征在于，所述气室(20)包括上盖(23)和下盖(24)，所述上盖(23)和下盖(24)通过连接杆固定连接，所述上盖(23)包括外缘(25)、连接部(26)和上顶(27)，所述外缘(25)呈圆环形，所述上顶(27)呈圆形，所述上顶(27)的直径小于外缘(25)的内径，所述上顶(27)位于外缘(25)上方，所述外缘(25)和上顶(27)通过连接部(26)连接，所述下盖(24)呈圆形，所述下盖(24)的边缘位于所述外缘(25)的正下方，所述外缘(25)与下盖(24)边缘之间的间隙构成第一通风口和第二通风口。
4.根据权利要求3所述的动压平衡装置，其特征在于，所述通气口(21)开设在下盖(24)上。
5.根据权利要求4所述的动压平衡装置，其特征在于，所述下盖(24)的中部向上凸起形成凸台(28)，所述通气口(21)开设在下盖(24)的凸台(28)上。
6.根据权利要求5所述的动压平衡装置，其特征在于，所述上盖(23)的上顶(27)与下盖(24)的凸台(28)之间的距离为hl，所述上盖(23)的外缘(25)与下盖(24)的边缘之间的距离为h0，所述hi是h0的4?6倍。
7.根据权利要求6所述的动压平衡装置，其特征在于，所述hi为4?48毫米，所述h0为I?8毫米。
8.根据权利要求7所述的动压平衡装置，其特征在于，所述连接部(26)与上顶(27)的夹角al为120°?140°，所述凸台(28)的圆周面与顶部的夹角a2为120°?140°。
9.一种土壤呼吸测量系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的动压平衡装置、抽排气管(30)和气体分析仪(31)，所述气体分析仪(31)通过抽排气管(30)与腔室(10)连通。
10.根据权利要求9所述的土壤呼吸测量系统，其特征在于，还包括传感器安装腔(32)，所述传感器安装腔(32)固定安装在腔室(10)的顶部，所述传感器安装腔(32)与腔室(10)连通，所述抽排气管(30)通过传感器安装腔(32)与腔室(10)连通，所述连接管(22)的下端固定安装在传感器安装腔(32)上，所述连接管(22)通过传感器安装腔(32)与腔室(10)连通。
【文档编号】G05D16/14GK203965429SQ201420354126
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】张光辉 申请人:北京普瑞亿科科技有限公司