一种应用于开顶式气室的远程高精度CO2浓度自动控制系统的制作方法

本发明涉及一种应用于开顶式气室的远程高精度co2浓度自动控制系统,属于生态学或农学等野外实验研究技术领域,特别涉及到全球变化因子(如co2浓度、温度等)野外控制实验的装置。

背景技术：

近百年来，特别是近二三十年来，地球系统正经历着全球性显著变化，人类活动导致的大气co2浓度已从工业化前的约280μmol·mol-1(ppm)，增加到了2014年的398ppm，co2浓度增加的速率也在加快，年均增速达2.1ppm，据预测到2100年大气co2浓度将达到650～970ppm。co2浓度升高的施肥效应对陆地生态系统的碳循环和储量产生了深刻的影响，而后者的变化又会反馈于全球变化，加速或减缓全球气候变化进程。这一具争议性和挑战性问题的研究一直受到生态学家的极大关注，如何妥善应对全球变化问题，也事关我国经济社会可持续发展。

国内外关于野外控制实验模拟co2浓度升高的研究装置主要有开顶式气室(opentopchamber，otc)和自由大气式装置(freeairco2enrichment，face)2种实验装置。face装置设备造价昂贵，维护及co2消耗费用很高，国内仅在水稻作物有应用，高费用导致很难广泛使用。相对来说，otc装置更为经济可控，多为八边形或直筒柱形框架，室壁利用高透光材质(如玻璃、有机玻璃等)，可以有效降低了co2的耗散量，顶部呈平口或锥形收口敞开，自然采光，室内外空气流通，保持气室内外其它环境因素一致，使植物生长环境基本接近自然状态，对co2浓度控制效果较好，co2在气室内自由扩散，有效降低co2消耗量。

目前无论是利用face还是otc装置来模拟co2浓度升高的实验，均是以当前全球背景大气co2浓度年均值为对照，设置并控制co2浓度在一个恒定的浓度，一般为比当前浓度高50％～200％，如550ppm、600ppm、750ppm等，然而，co2浓度本身也存在日动态、季节动态变化，随着植物光合作用吸收固定co2量的变化，自由大气中co2浓度也随之发生变化，而目前的恒定值co2浓度控制显然不能很好的刻画生态系统碳交换的实际过程，因此，本发明采用动态监测自由大气co2浓度的10min均值作为背景值，设定otc内控制浓度以动态背景值为基准增加co2浓度，并通过无线传输和远程控制平台对整个系统进行在线监测和远程控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于开顶式气室的远程高精度co2浓度自动控制系统,以解决现有装置无法很好的刻画生态系统动态碳交换的实际过程的问题，并通过动态监测自由大气co2浓度的10min均值作为背景值，设定otc内控制浓度以动态背景值为基准增加co2浓度，通过无线传输和远程控制平台对整个系统进行在线监测和远程控制。

本发明一种应用于开顶式气室的远程高精度co2浓度自动控制系统,整套系统主要包括co2传感器、co2浓度自动控制系统、co2气源供应装置、通气混匀装置、远程在线管理平台。

co2传感器采用高精度传感器模块，有效控制反馈时间，提高控制精度，气室内、外各一个。

co2浓度自动控制系统主要包括co2浓度信号转换模块、pid控制主机、电磁阀控制模块、风扇控制模块、数据储存与3g转发模块以及液晶触摸屏显示与控制模块。其中，pid控制主机中plc是控制器的核心，co2浓度信号转换模块将模拟量转换输入，pid通过在plc运算，通过电磁阀控制输出，风扇控制与电磁阀开启同步，plc的数据输出到液晶显示屏，同时输出到数据存储和3g转发模块，再通过无线转发到云数据库。

co2浓度自动控制系统采用快速反馈调节的控制方式，通过接收气室内、外co2传感器信号，每2s自动记录储存一次数据，根据气室外10分钟的测定值均值v10min，加上设定浓度值增加值△e，再减去气室内实测值c,即根据(v10min+△e)-c的差值范围，控制电磁阀开启、关闭时间，通过环形通气管道、垂直通气管道及气体释放孔由co2气源供气装置向气室内通气，同时控制风扇开启混匀气室内气体。根据传感器精度和响应时间滞后的特点，自动控制系统采用前置控制方式，即在co2处理浓度范围内，距最低阈值10ppm时开启通气模式，在距离最高阈值10ppm时停止通气，等待co2传感器反馈浓度信号再执行下一次控制动作。

co2气源供应装置采用钢瓶气体，同时链接多个钢瓶集中供气方式，保证气源供应稳定。

通气混匀装置由环形通气管、垂直通气管、可调节高度的气体释放孔以及风扇组成。其中，环形通气管位于开顶式气室的底部，垂直通气管位于开顶式气室的立柱上且与环形通气管相连通，风扇设置于气室内的底部对角，数量为2个，通过顺时针方向循环吹风混匀气体。气体从co2气源供应装置中通气到环形通气管，再经垂直通气管到达气体释放孔，垂直通气管固定在开顶式气室的立柱上，每隔一定高度预设有固定卡扣，气体释放孔通过气管2通管与垂直通气管相连，可根据气室内植物生长高度进行手动调节气体释放孔连接垂直通气管，高度改变后则堵住相应高度垂直通气管，向上挪移气体释放孔连接更高高度的垂直通气管，以达到出气高度的调节。

远程在线管理平台由云数据库、在线数据管理软件和移动终端组成。co2浓度自动控制系统通过3g转发将数据存储到远程在线管理平台的云数据库中，移动终端通过网络登录在线数据管理软件访问云数据库，控制系统的数据进行在线浏览和下载保存。

本发明一种应用于开顶式气室的远程高精度co2浓度自动控制系统,其优点及功效在于：根据野外实际环境co2浓度日夜动态变化进行动态控制，而非恒定浓度控制，从而更好的模拟生态系统碳交换的实际过程。同时，快速反馈调节和循环供气有效降低脉冲供气，提高了co2浓度的控制精度和供气均匀性。此外，远程数据传输和管理实现了远程在线监控和数据浏览保存，提高了野外控制实验的自动化水平。

附图说明

图1所示为本发明整体结构示意图。

图中标号如下：

1、通气混匀装置2、环形通气管3、风扇4、垂直通气管

5、气体释放孔6、开顶式气室7、co2传感器

8、co2气源供气装置9、co2浓度自动控制系统10、远程在线管理平台

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种应用于开顶式气室的远程高精度co2浓度自动控制系统,如图1所示，整套系统主要包括co2传感器7、co2浓度自动控制系统9、co2气源供应装置8、通气混匀装置1、远程在线管理平台10。

co2传感器7采用高精度传感器模块，有效控制反馈时间，提高控制精度，气室内、外各一个。

co2浓度自动控制系统9主要包括co2浓度信号转换模块、pid控制主机、电磁阀控制模块、风扇控制模块、数据储存与3g转发模块以及液晶触摸屏显示与控制模块。其中，pid控制主机中plc是控制器的核心，co2浓度信号转换模块将模拟量转换输入，pid通过在plc运算，通过电磁阀控制输出，风扇控制与电磁阀开启同步，plc的数据输出到液晶显示屏，同时输出到数据存储和3g转发模块，再通过无线转发到云数据库。

co2浓度自动控制系统9采用快速反馈调节的控制方式，通过接收气室内、外co2传感器信号，每2s自动记录储存一次数据，根据气室外10分钟的测定值均值v10min，加上设定浓度值增加值△e，再减去气室内实测值c,即根据(v10min+△e)-c的差值范围，控制电磁阀开启、关闭时间，通过环形通气管道、垂直通气管道及气体释放小孔由co2气源供气装置向气室内通气，同时控制风扇开启混匀气室内气体。根据传感器精度和响应时间滞后的特点，自动控制系统采用前置控制方式，即在co2处理浓度范围内，距最低阈值10ppm时开启通气模式，在距离最高阈值10ppm时停止通气，等待co2传感器反馈浓度信号再执行下一次控制动作。

co2气源供应装置8采用钢瓶气体，同时链接多个钢瓶集中供气方式，保证气源供应稳定。

通气混匀装置1由环形通气管2、垂直通气管4、可调节高度的气体释放孔5以及风扇3组成。其中，环形通气管2位于开顶式气室6的底部，垂直通气管4位于开顶式气室6的立柱上且与环形通气管2相连通，风扇3设置于气室内的底部对角，数量为2个，通过顺时针方向循环吹风混匀气体。气体从co2气源供应装置8中通气到环形通气管2，再经垂直通气管4到达气体释放孔5，垂直通气管4固定在开顶式气室的立柱上，每隔一定高度预设有固定卡扣，气体释放孔5通过气管2通管与垂直通气管4相连，可根据气室内植物生长高度进行手动调节气体释放孔5连接垂直通气管，高度改变后则堵住相应高度垂直通气管，向上挪移气体释放孔连接更高高度的垂直通气管，以达到出气高度的调节。

远程在线管理平台10由云数据库、在线数据管理软件和移动终端组成。co2浓度自动控制系统通过3g转发将数据存储到远程在线管理平台的云数据库中，移动终端通过网络登录在线数据管理软件访问云数据库，控制系统的数据进行在线浏览和下载保存。