一种微量气体自动采集和分析系统及其方法

专利名称：一种微量气体自动采集和分析系统及其方法
技术领域：
本发明属于土壤和低矮植被(甲烷、二氧化碳、氧化亚氮和一氧化氮)的测量，涉 及一种微量气体的自动采集和分析系统及其方法。
背景技术：
近百年来，大气中二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体浓度升高诱发的全球气 候变化问题对世界经济、社会和生态环境等产生了重大影响，严重威胁着各国经济的可持 续发展和国家安全。土壤是大气中微量气体的主要来源，尤其是依托于土壤的农业活动，更 是大气CH4、C02、N20和NO等微量气体的重要来源。这些在温室效应和大气化学过程中具有 重要贡献的微量气体，它们的源估算仍然具有很大的不确定性。而估算的不确定性主要来 自两个方面-观测数据和估算模型。以队0为例，全球大气队0有70%来源于土壤排放，其 中农田土壤的排放量占大约一半。目前对全球大气队0源汇的估计很不平衡，其中排放源被 低估了大约10%或1. 7Tg N yr_\对农田土壤N2O排放量的估计为0.6-14. 8Tg N yr-1 (IPCC， 2001)，显然具有很大的不确定性。产生这样大不确定性的原因，很可能是所依赖的观测数 据绝大多数都来源于低频率测定。许多研究表明，队0的排放多是脉冲式发生的，每个脉冲 式排放峰持续的时间为几个小时到1 3天。然而，目前国际上绝大部分的观测采用的都 是3 10天1次的低频率人工观测。根据这样低频率的观测数据估计的季节或年N2O排 放量，与每天6次的观测相比，要偏低大约20 50% (Zheng et al.，2004)。当采用低频 观测数据来验证模型计算的逐日队0排放量时，经常遇到困难，即无法判断模型计算结果是 否正确，因为间歇式观测很容易漏测一些持续时间短(通常仅1 2天)但通量值却非常 大(可能会比平常值高1 3个数量级)的队0排放峰。因此，这样的低频率观测数据也 不适合用于过程模型的建立与验证。正是由于低频观测导致不可避免的大误差，使得对N2O 排放过程及其环境要素控制机制的研究非常难以开展。现有的人工观测技术不能原位获取 碳氮微量气体的长期同步观测有效数据，已有的原位观测技术仅能对014和队0这两种成分 进行测定，亟需发展原位自动观测技术对多种碳氮成分(CH4、C02、N20、N0)同时进行观测，以 研究陆地生态系统-大气碳氮微量气体交换过程、规律与机制，获取验证模型的实测数据 和参数，以及评价生态系统温室气体减排措施有效性。

发明内容
有鉴于国际上还没有一套原位观测技术设备能够令人满意地做到同时对CH4、C02、 N2O和NO这几种重要碳氮微量气体的净交换进行同步、连续测定的问题，本发明的目的在于 提出一种获取精度高、准确可靠、连续完整的土壤及低矮植被微量气体排放观测资料、减少 观测人员的劳动强度和工作量的微量气体的自动采集和分析系统及其方法。为达成所述目的，本发明的一方面，提供的微量气体的自动采集和分析系统，采用 以下技术方案包括中心控制计算机、工业控制模块组、采样部和气体采集分析部，其中中心控制计算机为工业控制计算机，通过工控组态软件编写程序，生成并发送采样部的箱盖的工控指令、气路和气体采集分析的工控指令；接收并存储工业控制模块组发 来含有环境气象参数和微量气体浓度数据的模拟信号；工业控制模块组分别与中心控制计算机、采样部和气体采集分析部连接；气体采 集分析部分别与采样部的管线连接，气体采集分析部接收采样部的管线输送气体样品；工 业控制模块组接收中心控制计算机生成的采样部箱盖、气路和气体采集分析的工控信号、 接收采样部的输出具有环境气象参数电压信号；接收气体采集分析部输出具有微量气体浓 度数据电压信号；其中工业控制模块组对采样部的箱盖、气路和气体采集分析工控信号 进行电压转换生成并输出控制采样部的箱盖的多路开关信号、气路逻辑分配信号和控制气 体采集分析的多路开关电压信号，用于控制采样部的箱盖按照工控信号自动开启与关闭， 用于控制气体采集分析部按照工控信号对采样部的管线输送的气体样品进行采集，用于对 气体采集分析部的气体样品浓度数据进行气相色谱、非色散红外和化学发光分析；工业控 制模块组对采样部输出具有环境气象参数电流信号进行处理，生成并输出含有环境气象参 数的模拟信号；工业控制模块组对气体采集分析部输出具有气体浓度数据电压信号进行处 理，生成并输出含有气体浓度数据模拟信号。为达成所述目的，本发明的第二方面，提供的微量气体的自动采集和分析方法，该 方法包括步骤如下步骤Sl 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采 集单元选择A组第一采样三通电磁阀开启，开启由A组第一采样三通电磁阀和管线组成的 第一采样通道，抽气泵将对应的A组第一采样箱内的气体送入气体采集分析部的气路逻辑 分配器；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准气进样状态，采样箱内气体通过 管路、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制器最后从流量计的放空口流出系统； 同时，标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和第一个标准气进 样；步骤S2 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选 择对应A组第一三通电磁控制启动阀开启，关闭第一采样箱；气路逻辑分配器接收中心控 制计算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和CO2;第一采样箱内气体通过气路 逻辑分配器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气体 CH0CO2和队0的浓度分析；系统完成第一采样箱第一次气体样品的NO、(X)2浓度分析，第一 个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S3 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令 后，状态转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；第一采样箱内气体经气路逻辑分配器进入温室 气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第一采样箱第一次 气体样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤S4 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采 集单元关闭A组第一采样三通电磁阀，打开B组第一采样三通电磁阀，开启由B组第一采样 三通电磁阀和管线组成的第二采样通道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准 气进样状态，第二采样箱内气体通过管路、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制 器最后流出系统；同时，标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和 第二个标准气进样；
步骤S5 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选 择对应的B组第二三通电磁控制启动阀开启，关闭第二采样箱；气路逻辑分配器接收中心 控制计算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和CO2;第二采样箱内气体通过气 路逻辑控制器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气 体CH4、⑶2和队0的浓度分析；系统完成第二采样箱第一次气体样品的N0、0)2浓度分析，第 二个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S6 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令 后，气路逻辑转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；第二采样箱内气体经气路逻辑分配器进入 温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第二采样箱第 一次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S7 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采 集单元关闭B组第一采样三通电磁阀，打开C组第一采样三通电磁阀，开启由C组第一采样 三通电磁阀和管线组成的第三采样通道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准 气进样状态，第三采样箱内气体通过管路、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制 器最后流出系统；同时，标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和 第三个标准气进样；步骤S8 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选 择对应的C组第三三通电磁控制启动阀开启，关闭第三采样箱；气路逻辑分配器接收中心 控制计算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和CO2;第三采样箱内气体通过气 路逻辑分配器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气 体CH4、⑶2和队0的浓度分析，系统完成第三采样箱第一次气体样品的C02、N0浓度分析，第 三个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S9 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令 后，气路逻辑分配器的状态转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；第三采样箱内气体经气路逻 辑分配器进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成 第三采样箱第一次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤SlO 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体 采集单元关闭C组第一采样三通电磁阀，打开A组第一采样三通电磁阀，开启第一采样通 道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测 状态，第一采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系 统完成第一采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤Sll 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指 令后，气路逻辑分配器状态转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；箱内气体经气路逻辑分配器 进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第一采样 箱第二次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S12 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体 采集单元关闭A组第一采样三通电磁阀，打开B组第一采样三通电磁阀，开启第二采样通 道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测 状态，第二采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系统完成第二采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤S13 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指 令后，气路逻辑分配器状态转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；第二采样箱内气体经气路逻 辑分配器进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成 第二采样箱第二次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S 14 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体 采集单元关闭B组第一采样三通电磁阀，打开C组第一采样三通电磁阀，开启第三采样通 道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测 状态，第三采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系 统完成第三采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤S15 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指 令后，气路逻辑分配器的状态转为分析气体样品CH4、CO2和队0 ；箱内气体经气路逻辑分配 器进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第三采 样箱第二次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；重复步骤S10-S15，完成第一采样箱、第二采样箱和第三采样箱的第三次、第四次 和第五次气体样品分析，完成一个轮次三个标准气体、每个采样箱5个采集样品的分析；所 有浓度数据由气体采集分析部以电压信号发送给第三工业控制模块，经数模转换后以数字 信号进入中心控制计算机存储；环境气象参数由采样部以电流信号方式发送给第一工业控 制模块，经数模转换为数字信号进入中心控制计算机存储。本发明的有益效果本发明所采用的分体式采样箱，在开启状态时，除顶箱箱盖自动打开外，箱体也以 底座一边为轴向上打开，底座与箱体间呈剪刀口状，改善箱体内的通风条件，有效降低箱内 的温室效应；其次，组合式的箱体设计可在不同的植物生长期选用顶箱或顶箱加延长箱的 方式，以适应作物不同生长阶段的观测需要。本发明气路逻辑分配器的使用实现样品气体在不同检测仪器间的切换，同时兼顾 仪器的标定。气路逻辑分配器由五个三通电磁阀组成，通过这五个三通电磁阀不同状态的 组合，分别完成气体样品在NO和(X)2浓度分析、温室气体(C02、CH4和队0)浓度分析、标准 气体进样和分析、室内管路冷凝水去除等过程之间的转换，完成多种成分分析的同时节约 分析时间，获取更多的数据量。本发明提出了一套基于静态透明箱，适用于多处理、多重复田间实验，可同步、高 频、长期自动连续原位观测土壤及低矮植被微量气体排放的技术设备系统。该系统将自动 箱技术与气相色谱法、红外分析法和化学发光法结合起来，能同时进行％0、CH4、0)2和NO的 排放观测，并测定相关的环境参数。这是一套可长期不间断地在田间对12个点位的微量气 体排放进行每天6次同步连续观测的自动系统，由计算机自动控制样品采集和分析、存储， 能够长期、有效地获取微量气体排放通量原位观测数据，数据有效率达90%以上；可测定 与排放通量数据配套的环境因子，包括箱内外空气温度和分层的土壤湿度和土壤温度等。 本发明的系统精度高、准确可靠、连续完整的土壤及低矮植被微量气体排放观测资料，减少 观测人员的劳动强度和工作量。本发明能够原位获取碳氮微量气体的长期同步观测有效数 据，是研究陆地生态系统-大气碳氮微量气体交换过程、规律与机制的基础，也是获取验证模型的实测数据和参数，以及评价生态系统温室气体减排措施有效性非常必要的检测技术 手段。


图1为本发明微量气体自动观测系统采集和分析系统总框图；图2为本发明微量气体自动观测系统采集和分析电路图；图3为本发明微量气体自动观测系统采集和分析气路图；图如为本发明气体采样部开启状态的工作示意图；图4b为本发明气体采样部关闭状态的工作示意图；图5为本发明气路逻辑分配器工作图；图fe气路逻辑1-标准气进入温室气体进样仪、N0X/C02管路清洗；图恥气路逻辑2-气相色谱分析队0、CH4, CO2标准气；N0X/(X)2分析气体样品；图5c气路逻辑3-气体样品进入温室气体进样仪；NOXAD2放空；图5d气路逻辑4-气相色谱分析气体样品；NOXAD2检测下一个气体样品；图k气路逻辑5-管路除水。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明图1示出微量气体自动观测系统总体框图，由中心控制计算机1、工业控制模块组 2、气体采集分析部3和采样部4组成，其中中心控制计算机1为工业控制计算机，与工业控制模块组2通过RS232接口连接， 通过中心控制计算机1中的工控组态软件编写程序，生成并发送采样部4的箱盖的工控指 令、气路和气体采集分析的工控指令；接收并存储工业控制模块组2发来含有环境气象参 数和微量气体浓度数据的模拟信号；工业控制模块组2分别与中心控制计算机1、气体采集分析部3和采样部4通过接 口连接；气体采集分析部3分别与采样部4的管线连接，气体采集分析部3接收采样部4的 管线输送气体样品；工业控制模块组2接收中心控制计算机1生成的采样部4的箱盖、气路 和气体采集分析的工控信号、接收采样部4的输出具有环境气象参数电流信号；接收气体 采集分析部3输出具有微量气体浓度数据电压信号；其中工业控制模块组2对采样部4的 箱盖、气路和气体采集分析工控信号进行电压转换生成并输出控制采样部4的箱盖的多路 开关信号、气路逻辑分配信号和控制气体采集分析的多路开关电压信号，用于控制采样部4 的箱盖按照工控信号自动开启与关闭，用于控制气体采集分析部3按照工控信号对采样部 4的管线输送的气体样品进行采样，用于对气体采集分析部3的气体样品的CH4、C02、N20和 NO浓度数据进行气相色谱、非色散红外和化学发光分析；工业控制模块组2对采样部4输 出具有环境气象参数电流信号进行处理，生成并输出含有环境气象参数的模拟信号；工业 控制模块组2对气体采集分析部3输出具有气体浓度数据电压信号进行处理，生成并输出 含有气体浓度数据模拟信号。图2示出微量气体自动观测系统采集和分析电路图，其中工业控制模块组2包括 通讯模块21、第一工业控制模块22、第二工业控制模块23和第三工业控制模块24。第一工业控制模块22与采样部4连接，第一工业控制模块22按照采样部4的箱盖的工控信号，生 成并输出实现采样部4的箱盖顺序关闭和顺序打开的控制信号；第二工业控制模块23与气体采集分析部3中具有的气体采集单元32连接，根据 气体采集的工控信号，生成并输出对气体样品进行十二选一的采集分析控制；第三工业控制模块M与气体采集分析部3中具有的气路逻辑分配器31连接，根 据气体分析的工控信号，生成并输出对气路逻辑分配器31进行控制的控制信号，实现气体 样品按照设定程序进入各检测仪器；通讯模块21通过接口与中心控制计算机1连接，通过通讯总线与第一工业模块控 制22、第二工业控制模块23和第三工业控制模块M并行连接；通讯模块21接收中心控制 计算机1的工控组态程序发送的工控信号，将工控信号传输给第一工业控制模块22、第二 工业控制模块23和第三工业控制模块M ；通讯模块21接收第一工业控制模块22和第三 工业控制模块M发送的模拟信号并传输给中心控制计算机1 ；第一工业控制模块22接收 工控信号并转换为开关量信号输送给采样部4，用于控制采样部4的箱盖打开或关闭，接收 采样部4输出的具有环境气象参数电流信号并生成数字模拟信号发送到通讯模块21 ；第二 工业控制模块23接收工控信号并转换为开关量信号发送到气体采集及分析部3，用于控制 气体样品采集；第三工业控制模块M接收工控信号并转换为开关量信号发送给气体采集 及分析部3，用于控制气体样品的CH4、C02j20和NO浓度分析，接收气体采集分析部3生成 的具有微量气体浓度电压信号转换并为模拟信号发送到通讯模块21。气体采集分析部3包括气路逻辑分配器31、气体采集单元32、二氧化碳分析仪33、 氮氧化物分析仪34、温室气体进样仪35和气相色谱仪36。气体采集单元32与工业控制模 块组2连接，气体采集单元32接收工业控制模块组2的第二工业控制模块23输出的开关 信号，用于控制气体样品采集来源的选择；气路逻辑分配器31与工业控制模块组2连接，气 路逻辑分配器31接收工业控制模块组2的第三工业控制模块M输出的开关信号，生成并 输出对气体样品在二氧化碳分析仪33、氮氧化物分析仪34、温室气体进样仪35和气相色谱 仪36之间切换的控制信号；二氧化碳分析仪33、氮氧化物分析仪34和气相色谱仪36与气 路逻辑分配器31连接，二氧化碳分析仪33、氮氧化物分析仪34和气相色谱仪36生成并输 出气体样品的浓度数据以电压信号发送给工业控制模块2的第三工业控制模块M，用于完 成对气体样品的CH4、CO2, N2O和NO浓度进行分析。采样部4的机械部分由多组采样箱、A组三通电磁控制启动阀AQ，B组三通电磁控 制启动阀BQ和C组三通电磁控制启动阀CQ、空气压缩机47、驱动气缸(图中未标记)和泰 富龙高压驱动气路管线(图中未标记)组成；驱动气缸装在采样箱两侧，通过驱动气路管线 与三通电磁控制启动阀连接；空气压缩机47的出气口分别与A组三通电磁控制启动阀AQ、 B组三通电磁控制启动阀BQ和C组三通电磁控制启动阀CQ的进气口 b串联，A组三通电磁 控制启动阀AQ、B组三通电磁控制启动阀BQ和C组三通电磁控制启动阀CQ的常开口 a和 常闭口 c分别通过泰富龙高压驱动管线与各对应驱动气缸的下进气口和上进气口相连。所述A组三通电磁控制启动阀AQ，B组三通电磁控制启动阀BQ和C组三通电磁控 制启动阀CQ共具有十二个三通电磁控制启动阀包括所述A组三通电磁控制启动阀AQ具有第一三通电磁控制启动阀AQl、第二三通电 磁控制启动阀AQ2、第三三通电磁控制启动阀AQ3和第四三通电磁控制启动阀AQ4 ；
所述B组三通电磁控制启动阀BQ具有第一三通电磁控制启动阀BQl、第二三通电 磁控制启动阀BQ2、第三三通电磁控制启动阀BQ3和第四三通电磁控制启动阀BQ4 ；所述C组三通电磁控制启动阀CQ具有第一三通电磁控制启动阀CQl、第二三通电 磁控制启动阀CQ2、第三三通电磁控制启动阀CQ3和第四三通电磁控制启动阀CQ4。所述多组采样箱为分体结构，其包括A组采样箱44、B组采样箱45和C组采样箱 46，A组采样箱44包括A采样箱441至444，B组采样箱45包括B采样箱451至454，C组 采样箱46包括C采样箱461至464。采样部4电路包括多组田间控制终端和多组采样箱；所述多组田间控制终端包 括A组田间控制终端41、B组田间控制终端42、C组田间控制终端43 ；该A组田间控制终端41、B组田间控制终端42和C组田间控制终端43分别与第 一工业控制模块22并行连接，A组田间控制终端41、B组田间控制终端42和C组田间控制 终端43接收第一工业控制模块22发出的开关信号，控制采样部4的A组三通电磁控制启 动阀AQl至AQ4、B组三通电磁控制启动阀BQl至BQ4、C组三通电磁控制启动阀CQl至CQ4 的开关改变驱动气缸的压缩空气流向，完成A组采样箱44、B组采样箱45和C组采样箱46 中的各采样箱的打开和关闭；并A组田间控制终端、B组田间控制终端和C组田间控制终端 还接收采样箱环境参数探测器(温度和湿度)发回的测量电流信号，输送到工业控制模块 组2中的第一工业控制模块22。所述通讯模块为485模块，工业控制模块组包括开关量模块、模拟量模块、双路开 关电源和交流发光管指示灯。田间控制终端包括固态继电器、直流开关电源、交流发光管指 示灯、电源插座和三刀开关。图3示出微量气体自动观测系统采集和分析气路图，由气体采集分析部3和采样 部4组成。气体采集分析部3包括气路逻辑分配器31、气体采集单元32、二氧化碳分析仪33、 氮氧化物分析仪34、温室气体进样仪35、气相色谱仪36、标准气体30、质流量控制计38、流 量计39和不锈钢管路。所述气路逻辑分配器31由二通电磁阀311、第一三通电磁阀312、第 二三通电磁阀313、第三三通电磁阀314和第四三通电磁阀315五个电磁阀组成；第一三通 电磁阀312的第一进样口 b与除水冷阱323相连，第一三通电磁阀312的第一常开口 a与 第二三通电磁阀313的第二常开口 a相连，第一三通电磁阀312的第一常闭口 c与第三三 通电磁阀314的第三常闭口 c相连；第二三通电磁阀313的第二进样口 b与二氧化碳分析 仪33相连，而第二常闭口 c则放空；二氧化碳分析仪33与氮氧化物分析仪34串连，质流量 控制器38和流量计39串连在氮氧化物分析仪34的出口处；第三三通电磁阀314的第三常 开口 a与标准气体30相连，第三三通电磁阀314的第三进气口 b与第四三通电磁阀315的 第四常闭口 c相连；第四三通电磁阀315的第四进气口 b与温室气体进样仪35相连，第四 常开口 a则放空。二通电磁阀311与除水冷阱323的底部相连，开启时排出除水冷阱323 内的水。气体采集单元32由多组采样三通电磁阀、集束器321、抽气泵322和除水冷阱323 组成。多组采样三通电磁阀包括A组采样三通电磁阀AZ、B组采样三通电磁阀BZ和C组 采样三通电磁阀CZ，A组采样三通电磁阀AZ含有第一采样三通电磁阀AZ1至第四采样三通 电磁阀AZ4 ；B组采样三通电磁阀BZ含有第一采样三通电磁阀BZl至第四采样三通电磁阀BZ4 ；C组采样三通电磁阀CZ含有第一采样三通电磁阀CZl至第四采样三通电磁阀CZ4 ；多 组采样三通电磁阀的每个采样三通电磁阀的常开口 a均为放空，每个采样三通电磁阀的常 闭口 c均与集束器321相连；A组采样三通三通电磁阀AZ的进样口 b分别与A组采样箱相 连；B组采样三通电磁阀BZ的进样口 b分别与B组采样箱相连；C组采样三通电磁阀CZ的 进样口 b分别与C组采样箱相连；抽气泵322进气口端与集束器321相连，出气口端与除水 冷阱323相连。所述第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313、第三三通电磁阀314和第四三通 电磁阀315、A组、B组和C组三通电磁控制启动阀AQ、BQ和CQ、A组采样三通电磁阀AZ、B 组采样三通电磁阀BZ和C组采样三通电磁阀CZ都是使用三通电磁阀，该三通电磁阀为二 位三通电磁阀，有进气口 b、常开口 a和常闭口 c三个口 ；在不通电情况下(关闭)，进气口 b和常开口 a相通，常闭口 c关闭；通电情况下(开启)，进气口 b和常闭口 c相通，常开口 a关闭。气路逻辑分配器31五个电磁阀由程序控制实现的开关状态，完成五种逻辑状态 ①标准气进入温室气体进样仪、CO2分析仪和NOx分析仪管路清洗；②气相色谱分析N20、 CH4, CO2标准气；③气体样品进入温室气体进样仪、CO2分析仪和NOx分析仪放空；④气相色 谱分析气体样品、(X)2分析仪和NOx分析仪检测下一个气体样品和⑤管路除水；图如为本发明气体采样箱开启状态的工作示意图；以采样箱441为例。采样箱 441由箱盖4411、箱体4412、底座4414、支架4415、驱动气缸4413、温度传感器4416、湿度 传感器4417、采样口 4418、混气扇4419和平衡管4410组成。其中，平衡管4410位于箱体 4412上，底座4414由不锈钢角钢焊接而成，在底座4414的四个角焊有刃口向下的四只支架 4415。箱体4412的立体边框由不锈钢角钢焊接而成，箱壁板采用2mm厚的聚碳酸酯板，透 过光谱宽，紫外和长波的主要部分可以透过85%。箱体4412和箱盖4411通过不锈钢铰链 连接，箱体4412和底座4414通过转轴连接。箱体4412可由顶箱单独组成，也可由顶箱和 延长箱组成，以适应被观测作物的生长状况。箱体4412内壁上装有温度传感器4416、湿度 传感器4417、采样口 4418和混气风扇4419。两只驱动气缸4413分装在箱体4412两侧，驱 动气缸4413的驱动气由空气压缩机47提供。箱体4412具有五个面的透明薄板，透明薄板 选用聚碳酸酯材料。各个采样箱的驱动气流向受对应的三通电磁控制启动阀控制，如采样箱441对应 A组第一三通电磁控制启动阀AQl。三通控制启动电磁阀不通电时，在压缩空气的作用下驱 动气缸4413滑杆伸出，箱盖4411向上开启，与箱体4412间呈约75°角，同时箱体4412以 底座4414 一边为转轴开启，箱体4412与底座4414间打开呈剪刀口状，采样箱441开启 ’第 一工业控制模块22接收中心控制计算1发出的工控信号并转换为开关信号发送到A组田 间控制终端41。A组田间控制终端41的继电器开启，对应的第一三通控制启动电磁阀AQl 通电，空气压缩机47的空气流向改变，在空气压力下气缸4413的滑杆缩回，箱体4412回到 底座4414，同时箱盖4411关闭，采样箱441关闭，如图4b为采样箱关闭状态的工作示意图。 箱盖4411和底座4414的框架间均粘贴密封条，保证关闭时采样箱内不漏气。在箱体4412 与底座4414张开的剪刀口处，安装两个扭簧(图中未画出)，以消除开关采样箱时对底座快 速冲击造成的震动。分体式采样箱的优点在于开启状态时，除顶箱箱盖自动打开外，箱体也以底座一边为轴向上打开，底座与箱体间呈剪刀口状，改善箱体内的通风条件，有效降低箱内的温室 效应；其次，组合式的箱体设计可在不同的植物生长期选用顶箱或顶箱加延长箱的方式，以 适应作物不同生长阶段的观测需要。图fe-图k示出气路逻辑分配器31在不同气路逻辑下各三通电磁阀的工作状 态。气路逻辑分配器31为本发明的核心部分。气路逻辑分配器31由第一三通电磁阀312、 第二三通电磁阀313、第三三通电磁阀314、第四三通电磁阀315和二通电磁阀311组成，通 过这五个电磁阀不同状态的组合，分别完成气体样品NO和CO2浓度分析、温室气体(C02、CH4 和N2O)浓度分析、标准气体进样和分析、室内管路冷凝水去除等过程，完成多种微量气体浓 度分析的同时节约分析时间。图fe为气路逻辑①-标准气进入温室气体进样仪、(X)2分析仪和NOx分析仪管路清 洗；此时二通电磁阀311、第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313和电磁阀第三三通314 关闭，第四三通电磁阀315开启；图恥气路逻辑②-气相色谱分析&0、CH4、0)2标准气；(X)2分析仪和NOx分析仪分 析气体样品，此时二通电磁阀311、第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313、第三三通电 磁阀314和第四三通电磁阀315全部关闭；图5c气路逻辑③-气体样品进入温室气体进样仪，CO2分析仪和NOx分析仪放空； 此时二通电磁阀311关闭，第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313、第三三通电磁阀314 和第四三通电磁阀315开启；图5d气路逻辑④-气相色谱分析气体样品，CO2分析仪和NOx分析仪检测下一个 气体样品；此时二通电磁阀311关闭，第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313和第四三 通电磁阀315开启，第三三通电磁阀314关闭；图^3气路逻辑⑤-管路除水；此时二通电磁阀311开启，第一三通电磁阀312、第 四三通电磁阀315关闭，第二三通电磁阀313和第三三通电磁阀314开启；检测仪器中，二氧化碳分析仪33和氮氧化物分析仪34均为市售商品，可以直接用 于样品(X)2和NO的检测。而气相色谱仪36的进样部分不能满足同时分析CH4、⑶2和队0的 需要，需配置大气物理所自行研制的温室气体进样仪35后，才能实现CH4、⑶2和N2O三种温 室气体的同步分析。微量气体自动采集和分析系统应用于土壤及低矮植被，在此十二个采样箱分为三 组，每组四个采样箱，对应田间三种处理A、B、C，每个处理四个重复；要求每个田间处理在 每一个小时都有通量数据，且通量数据由5个浓度数据产生。因此，每个小时内需要顺序对 A、B、C三个处理的一个重复进行气体样品的采集和分析，即每小时顺序关闭三个采样箱，抽 取箱内气体样品进行分析；四个小时后，对所有的采样箱完成一次循环；每天可完成六次 循环。根据上述要求在中心控制计算机1的工控组态软件内编写工控程序，根据采样顺 序以采样箱441、采样箱451和采样箱461分别为第一采样箱、第二采样箱和第三采样箱，第 一个小时内气体样品采集及分析过程为例，步骤如下测量期间，空气压缩机47和抽气泵322连续运转。步骤Sl 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32选择A组第一采样三通电磁阀AZl开启，开启由A组第一采样三通电磁阀AZl和管线组成的第一采样通道，抽气泵322将对应的采样箱441内的气体送入气体采集分 析部3的气路逻辑分配器31 ；气路逻辑分配器31处于气路逻辑①；采样箱441内气体通过 管路、A组第一采样三通电磁阀AZl Wb 口和c 口、集束器321、除水冷阱323、第一三通电 磁阀312的第一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 b 口和第二 a 口，进入二氧化 碳分析仪33和氮氧化物分析仪34，通过质流量控制器38，最后从流量计39的放空口排出 系统，用采样箱441内空气冲洗采样管路。同时，标准气体30通过第三三通电磁阀314的 第三a 口和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和第四b 口进入温室气体进样仪；系 统完成管路清洗和第一个标准气进样；步骤S2 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端 41选择对应A组第一三通电磁控制启动阀AQl开启，采样箱411的驱动气缸4413内压缩空 气流向改变，驱动气缸4413的滑杆收回，采样箱441关闭；气路逻辑分配器接收中心控制计 算机发出的指令，转为气路逻辑②；采样箱441内气体通过A组第一采样三通电磁阀AZl的 b 口和a 口、集束器321、除水冷阱323、经气路逻辑分配器31第一三通电磁阀312的第一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 a 口和第二 b 口，再进入二氧化碳分析仪33和 氮氧化物分析仪34进行采样箱441内第一个空气样品的CO2和NO浓度分析；同时，气相色 谱仪36开始分析第一个标准气样品的CH4、0)2和队0浓度。系统完成第一采样箱第一次气 体样品的NO、CO2浓度分析，第一个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S3 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器31接收 指令后，转为气路逻辑③；第一三通电磁阀312、第二三通电磁阀313、第三三通电磁阀314 和第四三通电磁阀315开启，采样箱441内气体通过第一三通电磁阀312的第一 b 口和第 一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和第 四b 口进入温室气体进样仪35，进样20秒后，第四三通电磁阀315关闭，气体平衡20秒后 气相色谱仪36开始分析采样箱441内第一个空气样品的CH4、0)2和N2O浓度。系统完成第 一采样箱第一次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S4 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32关闭A组第一采样三通电磁阀AZ1，打开B组第一采样三通电磁阀BZ1，开启 由B组第一采样三通电磁阀BZl和管线组成的第二采样通道；气路逻辑分配器31接收中心 控制计算机1的指令，转为气路逻辑①，处于管路清洗、标准气进样状态；B组第一采样三通 电磁阀BZl打开，抽气泵322开始抽取采样箱451内气体，通过气路逻辑分配器31、B组第 一采样三通电磁阀BZl Wb 口和c 口、集束器321、除水冷阱323、第一三通电磁阀312的第 一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 b 口和第二 a 口，进入二氧化碳分析仪33 和氮氧化物分析仪34，通过质流量控制器38，最后从流量计39的放空口排出，用采样箱451 内空气冲洗采样管路200秒；同时，标准气体30再次通过第三三通电磁阀314的第三a 口 和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和第四b 口进入温室气体进样仪35和气相色 谱仪36 ；系统完成管路清洗和第二个标准气进样；步骤S5 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，采样部4的田间控制终 端42选择对应的B组第一三通电磁控制启动阀BQl开启，关闭采样箱451 ；气路逻辑分配 器31接收中心控制计算机1发出的指令，气路逻辑转为气路逻辑②；采样箱451内气体通 过B组第一采样三通电磁阀BZl的b 口和a 口、集束器321、除水冷阱323、经气路逻辑分配器31第一三通电磁阀312的第一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 a 口和第二 b 口，再进入二氧化碳分析仪33和氮氧化物分析仪34进行采样箱451内第一个空气样品的 CO2和NO浓度分析；同时，气相色谱仪36开始分析第二个标准气样品的CH4、CO2和N2O浓 度。系统完成第二采样箱第一次气体样品的NO、CO2浓度分析，第二个标准气体CH4、CO2和 N2O浓度分析；步骤S6 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 路逻辑分配器31接收指令后，转为气路逻辑③，采样箱451内气体通过第一三通电磁阀312 的第一 b 口和第一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀315 的第四c 口和第四b 口进入温室气体进样仪35;随后，气体平衡20秒后气相色谱仪36开 始分析采样箱451内第一个空气样品的014、0)2和队0浓度；系统完成第二采样箱第一次气 体样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤S7 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32关闭B组第一采样三通电磁阀BZ1，打开C组第一采样三通电磁阀CZ1，开启 由C组第一采样三通电磁阀CZl和管线组成的第三采样通道；气路逻辑分配器31处于气路 逻辑①，采样箱461内气体通过管路、C组第一采样三通电磁阀CZl的b 口和c 口、集束器 321、除水冷阱323、第一三通电磁阀312的第一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第 二 b 口和第二 a 口，进入二氧化碳分析仪33和氮氧化物分析仪34，通过质流量控制器38， 最后从流量计39的放空口排出系统，用采样箱461内空气冲洗采样管路。同时，标准气体 30通过第三三通电磁阀314的第三a 口和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和第 四b 口进入温室气体进样仪；系统完成管路清洗和第三个标准气进样；步骤S8 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，采样部4的田间控制终 端43选择对应的C组第一三通电磁控制启动阀CQl开启，关闭采样箱461 ；气路逻辑分配 器31接收中心控制计算机1发出的指令，转为气路逻辑②；采样箱461内气体通过C组第 一采样三通电磁阀CZl Wb 口和a 口、集束器321、除水冷阱323、经气路逻辑分配器31第 一三通电磁阀312的第一 b 口和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 a 口和第二 b 口，再 进入二氧化碳分析仪33和氮氧化物分析仪34进行采样箱461内第一个空气样品的(X)2和 NO浓度分析；同时，气相色谱仪36完成标准气体CH4、⑶2和N2O的浓度分析，系统完成第三 采样箱第一次气体样品的C02、NO浓度分析，第三个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S9 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 路逻辑分配器31接收指令后，转为气路逻辑③；采样箱461内气体通过第一三通电磁阀 312的第一 b 口和第一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀 315的第四c 口和第四b 口进入温室气体进样仪35，进样20秒后，第四三通电磁阀315关 闭，气体平衡20秒后气相色谱仪36开始分析采样箱461内第一个空气样品的CH4、CO2和 N2O浓度。系统完成第三采样箱第一次气体样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤SlO 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32关闭C组第一采样三通电磁阀CZ1，打开A组第一采样三通电磁阀AZ1，开启 第一采样通道；气路逻辑分配器31处于气路逻辑④，采样箱441内气体通过A组第一采样 三通电磁阀AZlWb 口和c 口、集束器321、除水冷阱323、第一三通电磁阀312的第一 b 口 和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 b 口和第二 a 口，进入二氧化碳分析仪33和氮氧化物分析仪34进行(X)2和NO浓度检测；系统完成第一采样箱第二次气体样品C02、N0浓度 分析；步骤Sll 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器31接 收指令后，状态转为气路逻辑③，采样箱441内气体通过第一三通电磁阀312的第一 b 口和 第一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和 第四b 口进入温室气体进样仪35 ；随后，气体平衡20秒后气相色谱仪36开始分析采样箱 441内第二个空气样品的CH4、C02*N20浓度；系统完成第一采样箱第二次气体样品CH4、⑶2 和N2O浓度分析；步骤S12 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32关闭A组第一采样三通电磁阀AZ1，打开B组第一采样三通电磁阀BZ1，开启 第二采样通道；气路逻辑分配器31处于气路逻辑④，采样箱451内气体通过B组第一采样 三通电磁阀BZl Wb 口和c 口、集束器321、除水冷阱323、第一三通电磁阀312的第一 b 口 和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 b 口和第二 a 口，进入二氧化碳分析仪33和氮氧 化物分析仪34进行(X)2和NO浓度检测；系统完成第二采样箱第二次气体样品C02、N0浓度 分析；步骤S13 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器31接 收指令后，气路逻辑分配器状态转为气路逻辑③，采样箱451内气体通过第一三通电磁阀 312的第一 b 口和第一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀 315的第四c 口和第四b 口进入温室气体进样仪35 ；随后，气体平衡20秒后气相色谱仪36 开始分析采样箱451内第二个空气样品的CH4、C02*N20浓度；系统完成第二采样箱第二次 气体样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤S14 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部3的气 体采集单元32关闭B组第一采样三通电磁阀BZ1，打开C组第一采样三通电磁阀CZ1，开启 第三采样通道；气路逻辑分配器31处于气路逻辑④，采样箱461内气体通过C组第一采样 三通电磁阀CZlWb 口和c 口、集束器321、除水冷阱323、第一三通电磁阀312的第一 b 口 和第一 a 口、第二三通电磁阀313的第二 b 口和第二 a 口，进入二氧化碳分析仪33和氮氧 化物分析仪34进行(X)2和NO浓度检测；系统完成第三采样箱第二次气体样品C02、N0浓度 分析；步骤S15 中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器31接 收指令后，转为气路逻辑③，采样箱461内气体通过第一三通电磁阀312的第一 b 口和第一 c 口，第三三通电磁阀314的第三c 口和第三b 口、第四三通电磁阀315的第四c 口和第四 b 口进入温室气体进样仪35 ；随后，气体平衡20秒后气相色谱仪36开始分析采样箱461内 第二个空气样品的CH4、⑶2和N2O浓度；系统完成第三采样箱第二次气体样品CH4、⑶2和N2O 浓度分析；重复步骤S10-S15，完成第一、第二和第三采样箱的第三次、第四次和第五次气体 样品分析，完成一个轮次(包括三个标准气体、每个采样箱5个采集样品)的分析；
然后，中心控制计算机1通过工控组态程序发出指令，采样部4的田间控制终端41 选择对应A组第一三通电磁控制启动阀AQl关闭，采样箱441开启；采样部4的田间控制终 端42选择对应B组第一三通电磁控制启动阀BQl关闭，采样箱451开启；采样部4的田间控制终端43选择对应C组第一三通电磁控制启动阀CQl关闭，采样箱461开启；气路逻辑 分配器31接收指令后，转为气路逻辑⑤，系统除水，准备进入下一轮次的采集和分析。在第二、第三和第四个小时里，相应开启的三通电磁控制启动阀和采样三通电磁 阀为 AQ2、BQ2、CQ2, AZ2、BZ2、CZ2 ；AQ3、BQ3、CQ3, AZ3.BZ3, CZ3 ；AQ4、BQ4、CQ4, AZ4、BZ4 和 CZ4，对应采样箱442、452、462，443、453、463和444、454、464，采集与分析步骤与第一个轮 次相同。所有浓度数据由气体采集分析部3以电压信号发送给第三工业控制模块M，经数 模转换后以数字信号进入中心控制计算机1存储；环境气象参数由采样部4以电流信号方 式发送给第一工业控制模块22，经数模转换为数字信号进入中心控制计算机1存储。第五个小时开始第二个周期，重复第一个小时的循环。如此连续循环下去，每日完 成6个周期，直至观测和分析工作完毕。本发明装置已经在山西省永济市董村农场投入正常观测。本发明具有如下优点适用观测对象广，可应用于农田、草地、林地；连续、高频、 精度高，能同时获取多种气体的有效数据；箱体设计可减少箱内环境的温室效应；资料连 续可靠，免除了人工采集的辛劳。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，包括中心控制计算机、工业控制模 块组、采样部和气体采集分析部，其中中心控制计算机为工业控制计算机，通过工控组态软件编写程序，生成并发送采样部 的箱盖的工控指令、气路和气体采集分析的工控指令；接收并存储工业控制模块组发来含 有环境气象参数和微量气体浓度数据的模拟信号；工业控制模块组分别与中心控制计算机、采样部和气体采集分析部连接；气体采集分 析部分别与采样部的管线连接，气体采集分析部接收采样部的管线输送气体样品；工业控 制模块组接收中心控制计算机生成的采样部箱盖、气路和气体采集分析的工控信号、接收 采样部输出具有环境气象参数电流信号；接收气体采集分析部输出具有微量气体浓度数据 电压信号；其中工业控制模块组对采样部的箱盖、气路和气体采集分析工控信号进行电 压转换生成并输出控制采样部的箱盖的多路开关信号、气路逻辑分配信号和控制气体采集 分析的多路开关电压信号，用于控制采样部的箱盖按照工控信号自动开启与关闭，用于控 制气体采集分析部按照工控信号对采样部的管线输送的气体样品进行采集，用于对气体采 集分析部的气体样品浓度数据进行气相色谱、非色散红外和化学发光分析；工业控制模块 组对采样部输出具有环境气象参数电流信号进行处理，生成并输出含有环境气象参数的模 拟信号；工业控制模块组对气体采集分析部输出具有气体浓度数据电压信号进行处理，生 成并输出含有气体浓度数据模拟信号。
2.如权利要求1所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，所述工业控制模 块组含有通讯模块、第一工业控制模块、第二工业控制模块和第三工业控制模块，其中第一工业控制模块与采样部连接，第一工业控制模块按照采样部箱盖的工控信号，生 成并输出实现采样部箱盖顺序关闭和打开的控制信号；第二工业控制模块与气体采集分析部中具有的气体采集单元连接，根据气体采集的工 控信号，生成并输出对气体样品进行十二选一的采集分析控制；第三工业控制模块与气体采集分析部中具有的气路逻辑控制器连接，根据气体分析的 工控信号，生成并输出对所述气路逻辑控制器进行控制的控制信号，实现气体样品按照设 定程序进入各检测仪器；通讯模块分别与第一工业控制模块、第二工业控制模块和第三工业控制模块并行连 接，通讯模块接收中心控制计算机的工控组态程序发送的工控信号，将工控信号传输给第 一工业控制模块、第二工业控制模块和第三工业控制模块；通讯模块接收第一工业控制模 块和第三工业控制模块发送的模拟信号并传输给中心控制计算机；第一工业控制模块接收 工控信号并转换为开关量信号输送给采样部，用于控制采样部的开闭，接收采样部输出的 电流信号并生成数字模拟信号发送到通讯模块；第二工业控制模块接收工控信号并转换 为开关量信号发送到气体采集及分析部，用于控制气体样品选择和采集；第三工业控制模 块接收工控信号并转换为开关量信号发送给气体采集分析部，用于控制气体样品的浓度分 析，接收气体采集分析部生成的电压信号并转换为模拟信号发送到通讯模块。
3.如权利要求1或2所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，所述气体采集 分析部由气路逻辑分配器、气体采集单元、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、温室气体进 样仪和气相色谱仪组成；气体采集单元与第二工业控制模块连接，接收第二工业控制模块输出的开关信号，用于控制气体样品采集来源的选择；气路逻辑分配器与第三工业控制模块连接，接收第三工业控制模块输出的开关信号， 生成并输出对气体样品在二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、温室气体进样仪和气相色谱 仪之间切换的控制信号；二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪和气相色谱仪与气路逻辑分配器连接，二氧化碳分 析仪、氮氧化物分析仪和气相色谱仪接收切换控制信号，二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪 和气相色谱仪生成并输出气体样品的浓度数据以电压信号发送给工业控制模块，完成对气 体样品浓度的分析。
4.如权利要求3所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，所述气路逻辑分 配器由二通电磁阀、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀、第三三通电磁阀和第四三通电磁阀 五个电磁阀组成，气路逻辑分配器的五个电磁阀由程序控制实现的开关状态，完成标准气 进入温室气体进样仪、(X)2分析仪和NOx分析仪管路清洗，气相色谱分析N20、CH4、⑶2标准气， 气体样品进入温室气体进样仪、CO2分析仪和NOx分析仪放空，气相色谱分析气体样品、CO2 分析仪和NOx分析仪检测下一个气体样品和管路除水五种逻辑状态；其中第一三通电磁 阀的第一进样口与除水冷阱相连，第一三通电磁阀的第一常开口与第二三通电磁阀的第二 常开口相连，第一三通电磁阀的第一常闭口与第三三通电磁阀的第三常闭口相连；第二三 通电磁阀的第二进样口与二氧化碳分析仪相连，而第二常闭口则放空；二氧化碳分析仪与 氮氧化物分析仪串连，质流量控制器和流量计串连在氮氧化物分析仪的出口 ；第三三通电 磁阀的第三常开口与标准气体相连，第三三通电磁阀的第三进气口与第四三通电磁阀的第 四常闭口相连；第四三通电磁阀的第四进气口与温室气体进样仪相连，第四常开口则放空； 二通电磁阀与除水冷阱的底部相连，开启时排出除水冷阱内的水。
5.如权利要求1所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，还包括，采样部 的机械部分由多个采样箱组、多组三通电磁控制启动阀、空气压缩机、驱动气缸和高压驱动 气路管线组成；驱动气缸装在采样箱两侧，通过驱动气路管线与三通电磁控制启动阀连接； 每个三通电磁控制启动阀的常开口与对应驱动气缸的下进气口相连；每个三通电磁控制启 动阀的进气口均与空气压缩机的出气口相连；每个三通电磁控制启动阀的常闭口与对应驱 动气缸的上进气口相连；空气压缩机通过驱动气路管线与各三通电磁控制启动阀连接。
6.如权利要求1或5所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，还包括，采样 部的电路部分含有多组田间控制终端和多组采样箱；所述多组田间控制终端包括A组田 间控制终端、B组田间控制终端和C组田间控制终端；所述多组采样箱包括A组采样箱、B 组采样箱和C组采样箱；所述A组田间控制终端、B组田间控制终端和C组田间控制终端分别与第一工业控制 模块并行连接，A组田间控制终端、B组田间控制终端和C组田间控制终端接收第一工业控 制模块发出的开关信号，用于控制采样部的多组三通电磁控制启动阀的开关改变驱动气缸 的压缩空气流向；以控制A组采样箱、B组采样箱和C组采样箱中的各采样箱箱盖的打开和 关闭；并A组田间控制终端、B组田间控制终端和C组田间控制终端还接收采样箱环境参数 探测器发回的测量电流信号，输送到工业控制模块组中的第一工业控制模块。
7.如权利要求1或6所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，气体采集单元 由多组采样三通电磁阀、集束器、抽气泵和除水冷阱组成，多组采样三通电磁阀包括A组采样三通电磁阀、B组采样三通电磁阀和C组采样三通电磁阀；多组采样三通电磁阀的每个 采样三通电磁阀的常开口均为放空，每个采样三通电磁阀的常闭口均与集束器相连；A组 采样三通电磁阀的进样口分别与A组采样箱相连；B组采样三通电磁阀的进样口分别与B 组采样箱相连；C组采样三通电磁阀的进样口分别与C组采样箱相连；抽气泵进气口端与集 束器相连，出气口端与除水冷阱相连。
8.如权利要求6所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于，所述每个采样箱 由平衡管、箱盖、箱体、驱动气缸、底座、四只支架、温度传感器、湿度传感器、采样口和混气 扇组成，其中，平衡管位于箱体上，在底座的四个角焊有刃口向下的四只支架；箱体的立体 边框由角钢焊接而成；箱体和箱盖铰链链接，箱体和底座为转轴连接，采样箱在开启状态 时，箱盖开启同时箱体以底座一边为转轴开启，箱体与底座间形成剪刀口状开口 ；箱体内壁 装有温度传感器、湿度传感器、采样口和混气风扇，两只驱动气缸分装在箱体两侧，驱动气 缸的驱动气由空气压缩机提供。
9.如权利要求8所述的微量气体自动采集和分析系统，其特征在于箱体具有五个面 的透明薄板，透明薄板选用聚碳酸酯材料。
10.一种微量气体的自动采集和分析方法，其特征在于，包括步骤如下步骤Sl 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集单 元选择A组第一采样三通电磁阀开启，开启由A组第一采样三通电磁阀和管线组成的第一 采样通道，抽气泵将对应的A组第一采样箱内的气体送入气体采集分析部的气路逻辑分配 器；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准气进样状态，采样箱内气体通过管路、 二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制器最后从流量计的放空口流出系统；同时， 标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和第一个标准气进样；步骤S2 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选择对 应A组第一三通电磁控制启动阀开启，关闭第一采样箱；气路逻辑分配器接收中心控制计 算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和CO2;第一采样箱内气体通过气路逻辑 分配器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气体CH4、 CO2和队0的浓度分析；系统完成第一采样箱第一次气体样品的N0、0)2浓度分析，第一个标 准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S3 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后， 状态转为分析气体样品CH4、0)2和队0 ；第一采样箱内气体经气路逻辑分配器进入温室气体 进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第一采样箱第一次气体 样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤S4 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集单 元关闭A组第一采样三通电磁阀，打开B组第一采样三通电磁阀，开启由B组第一采样三通 电磁阀和管线组成的第二采样通道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准气进 样状态，第二采样箱内气体通过管路、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制器最 后流出系统；同时，标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和第二 个标准气进样；步骤S5:中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选择 对应的B组第二三通电磁控制启动阀开启，关闭第二采样箱；气路逻辑分配器接收中心控制计算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和(X)2 ；第二采样箱内气体通过气路 逻辑控制器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气体 CH0CO2和队0的浓度分析；系统完成第二采样箱第一次气体样品的NO、(X)2浓度分析，第二 个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S6 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后， 气路逻辑转为分析气体样品CH4、0)2和队0 ；第二采样箱内气体经气路逻辑分配器进入温室 气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第二采样箱第一次 气体样品CH4、CO2和N2O浓度分析；步骤S7 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集单 元关闭B组第一采样三通电磁阀，打开C组第一采样三通电磁阀，开启由C组第一采样三通 电磁阀和管线组成的第三采样通道；气路逻辑分配器的气路逻辑处于管路清洗、标准气进 样状态，第三采样箱内气体通过管路、二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪、质流量控制器最 后流出系统；同时，标准气体进入温室气体进样仪和气相色谱仪，系统完成管路清洗和第三 个标准气进样；步骤S8:中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，采样部的田间控制终端选择 对应的C组第三三通电磁控制启动阀开启，关闭第三采样箱；气路逻辑分配器接收中心控 制计算机发出的指令，气路逻辑转为分析气体样品NO和(X)2 ；第三采样箱内气体通过气路 逻辑分配器进入二氧化碳红外分析仪和氮氧化物分析仪；同时，气相色谱仪完成标准气体 CH4, CO2和队0的浓度分析，系统完成第三采样箱第一次气体样品的C02、NO浓度分析，第三 个标准气体CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S9 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后， 气路逻辑分配器的状态转为分析气体样品CH4、⑶2和队0 ；第三采样箱内气体经气路逻辑分 配器进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第三 采样箱第一次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S 10 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集 单元关闭C组第一采样三通电磁阀，打开A组第一采样三通电磁阀，开启第一采样通道；气 路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测状态， 第一采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系统完 成第一采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤Sll 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后， 气路逻辑分配器状态转为分析气体样品CH4、0)2和队0 ；箱内气体经气路逻辑分配器进入温 室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第一采样箱第二 次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；步骤S12:中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集 单元关闭A组第一采样三通电磁阀，打开B组第一采样三通电磁阀，开启第二采样通道；气 路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测状态， 第二采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系统完 成第二采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤S13 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后，气路逻辑分配器状态转为分析气体样品CH4、o)2和队0 ；第二采样箱内气体经气路逻辑分配 器进入温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第二采 样箱第二次气体样品ch4、CO2和队0浓度分析；步骤S14:中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气体采集分析部的气体采集 单元关闭B组第一采样三通电磁阀，打开C组第一采样三通电磁阀，开启第三采样通道；气 路逻辑分配器的气路逻辑处于气相色谱分析气体样品、CO2分析仪和NOx分析仪检测状态， 第三采样箱内气体通过二氧化碳分析仪、氮氧化物分析仪进行(X)2和NO浓度检测；系统完 成第三采样箱第二次气体样品C02、NO浓度分析；步骤S15 中心控制计算机通过工控组态程序发出指令，气路逻辑分配器接收指令后， 气路逻辑分配器的状态转为分析气体样品CH4、0)2和队0 ；箱内气体经气路逻辑分配器进入 温室气体进样仪和气相色谱仪，分析气体样品CH4、CO2和队0浓度；系统完成第三采样箱第 二次气体样品CH4、CO2和队0浓度分析；重复步骤S10-S15，完成第一采样箱、第二采样箱和第三采样箱的第三次、第四次和第 五次气体样品分析，完成一个轮次三个标准气体、每个采样箱5个采集样品的分析；所有浓 度数据由气体采集分析部以电压信号发送给第三工业控制模块，经数模转换后以数字信号 进入中心控制计算机存储；环境气象参数由采样部以电流信号方式发送给第一工业控制模 块，经数模转换为数字信号进入中心控制计算机存储。
全文摘要
本发明是一种微量气体自动采集和分析系统，包括中心控制计算机、工业控制模块组、采样部和气体采集分析部，其中中心控制计算机通过工控组态软件编写程序，生成并发送箱盖、气路和气体分析的指令；接收并存储工业控制模块组发来含有环境气象参数和微量气体浓度数据的模拟信号；工业控制模块组分别与中心控制计算机、采样部和气体采集分析部连接；气体采集分析部与采样部管线连接；工业控制模块组接收工控指令并输出多路开关信号，控制采样部和气体采集分析部按照程序自动进行箱盖开关、气体采集和微量气体浓度分析；工业控制模块组对采样部输出电流信号和气体采集分析部输出电压信号进行处理，输出含有环境气象参数和气体浓度数据的模拟信号。
文档编号G05B19/418GK102053164SQ20091023671
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者刘广仁, 刘春岩, 王跃思, 王迎红, 郑循华 申请人:中国科学院大气物理研究所