[发明专利]一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及方法

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是一种用于农田光合作用产生的二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置。

（二）背景技术

二氧化碳（CO₂）浓度是许多领域需要实时监测和分析的重要数据，对二氧化碳浓度的监测应用于农业生产、环境保护等领域。二氧化碳是造成温室效应的重要因素，同时二氧化碳还是植物光合作用的主要原料，是农作物进行碳汇的主要途径，因此有关农田内二氧化碳浓度的监控与测量，对于农情信息采集、农田碳汇、二氧化碳施肥、提高作物产量具有重要意义。

农田近地气层二氧化碳浓度梯度观测是农田二氧化碳浓度测定的重要组成部分，是通过对同一地点不同高度分别进行二氧化碳浓度测量得出的浓度梯度分布。目前二氧化碳浓度梯度观测有两种方法：一种是用几台测试仪在不同高度同时进行观测；另一种是一台仪器工作，按时在各个高度上迅速采样，随即分别测出不同高度空气中二氧化碳浓度。这两种方法各有利弊:第一种方法测量准确，但成本较高不适于大面积农田使用；第二种方法主要有两个缺陷，一是容易受人为的影响，如采样者呼出的二氧化碳、人工测量引起的气体扰动等，影响精确度；二是资料不连续、不同步，观测高度也受限制。且以上两种方法都需要人工操作读数，易受人为因素影响，不利于进行数据的实时采集和远程获取。因此，发明一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置具有重要的现实意义。

（三）发明专利内容

针对上述技术问题，本发明专利提供了一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置及控制方法，该设备具有现场多点实时测量和远程数据传输功能，安装好后能够在农田等环境中自动进行同一地点不同梯度高度的二氧化碳浓度测量，并能够将数据发送至远端。

一种二氧化碳浓度梯度分布原位同步测量装置，主要包括：机械支架、气体变换机构、二氧化碳浓度测量模块和电气控制部分；机械支架由底座、立柱和多个肢架组成，用于测量时固定测量装置和导气管；气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀和微型气泵组成的，实现气体的采集、暂时存储和气体的分别测量；二氧化碳浓度测量模块采用红外测量的方式，将输入的气体进行实时测量；电气控制部分通过单片机对气体变换机构和测量模块进行控制，并通过嵌入GPS接收模块、风速风向模块、GPRS无线通讯模块将GPS信息、风速风向信息和测量信息发送至无线网络，然后传输至远端接收器。

所述机械支架由一个底座、立柱和多个肢架组成。所述底座是一个下面带有长钉上面带有圆柱形长孔的圆盘型结构，所述圆柱形长孔用于固定立柱，所述长钉用于将整个支架固定在土壤中。所述立柱标记有公制刻度，用以标记测量高度；所述肢架为杆状一端焊接有钢管固定夹使肢架可活动的垂直固定在立柱上。所述肢架在水平方向上的角度和垂直方向上的高度可以调整，肢架可以以一定的角度、不同的高度垂直安装在立柱周围，长导气管固定在各肢架上。

所述气体变换机构主要由导气管、二位三通电磁阀、微型气泵和一个气体质量流量控制器（MFC）构成；所述气体变换机构有若干个支路构成。每个支路由导气管、一个二位三通电磁阀和一个微型气泵组成。所诉导气管分为长导气管、短导气管和连接导气管，长导气管长度可根据后述的公式计算确定，长导气管一端安装有鹅颈弯管并接通到大气中，鹅颈弯管可以防止气体交换，长导气管另一端连接在二位三通电磁阀的进气口上，长导气管与二位三通电磁阀之间安装有微型气泵，短导气管和连接导气管一端分别连接在二位三通电磁阀的两个出气口上，短导气管另一端连接大气，连接导气管另一端连接在多通接头上；各个支路的连接导气管通过一个多通接头连接在干路气管上，干路气管长度以适宜为宜，气体质量流量控制器（MFC）安装在干路气管上紧接在多通接头后面，可以控制气体的流量并测量压力值；干路气管另一端接入二氧化碳浓度测量模块进行浓度测试。

所述二氧化碳浓度测量模块采用红外二氧化碳测量方式。该模块的原理是当红外光通过待测气体时这些气体分子对特定波长的红外光具有吸收作用，其吸收关系服从朗博—比尔吸收定律，由此可通过计算透过待测气体的红外光的强度变化确定待测气体浓度。该模块的主要结构是由一个红外光源、红外接收器及管状气室组成；红外光源和红外接收器分别在管状气室的两端；红外光源是红外光的发射装置；红外接收器是红外光的接受装置；气室用于盛放待测气体，两端有进气口和出气口。