一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、目標(biāo)空間、監(jiān)測系統(tǒng)；位于供氣系統(tǒng)內(nèi)部的氣流動力源與運(yùn)輸系統(tǒng)的一端相連，并將載氣氣體送入與運(yùn)輸系統(tǒng)另一端連接的目標(biāo)空間，位于供氣系統(tǒng)內(nèi)部的污染氣體源提供污染氣體，通過分流裝置分流后經(jīng)軟管進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)側(cè)部的小孔，使污染氣體與載氣一起進(jìn)入目標(biāo)空間；位于目標(biāo)空間內(nèi)部的監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測空間內(nèi)對應(yīng)信息，用于反饋調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述實驗系統(tǒng)在滿足實驗需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了低成本、高穩(wěn)定、易變化的目標(biāo)，且能夠達(dá)到一種污染不同梯度或多種污染復(fù)合的實驗?zāi)康摹?br>【專利說明】
一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于大氣模擬研究領(lǐng)域，具體涉及一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)革命以來，人類活動的加劇、化石燃料的大量使用、汽車尾氣急劇增加、含N化肥的廣泛應(yīng)用等，使得大氣環(huán)境發(fā)生了一系列變化。二氧化碳濃度的增加，使全球氣溫逐年升高，溫室效應(yīng)明顯，各種極端天氣愈發(fā)頻繁;氮氧化物的增加則使得空氣中的光化學(xué)污染日益加劇，近地層大氣中臭氧濃度增加。近地層大氣條件的變化，對多種農(nóng)作物產(chǎn)生了影響，而在目前的氣候變化趨勢下，在未來作物將會產(chǎn)生如何響應(yīng)，需要在穩(wěn)定的空間內(nèi)種植作物，甚至進(jìn)行長時間的年季實驗?，F(xiàn)有的模擬方法主要有:
1、靜態(tài)室法。該方法包括封閉氣室和溫室，可以實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定變化，但與實際情況相差較大，不能較好地模擬真實田間情況，目前已經(jīng)很少使用，基本處于被淘汰狀態(tài)。
[0003]2、傳統(tǒng)開頂式氣室法。該方法利用傳統(tǒng)0TC-1型氣室，重點(diǎn)關(guān)注某條件的目標(biāo)變化，如臭氧或二氧化碳?xì)怏w濃度變化，強(qiáng)行加入空氣過濾器，導(dǎo)致氣室內(nèi)部與真實大氣狀況產(chǎn)生較大差異;該方法會導(dǎo)致氣室內(nèi)部溫度的升高，且在陽光充足的時間尤其明顯;對于穩(wěn)定氣體如二氧化碳，該方法的濃度控制系統(tǒng)可以保證，但對于臭氧等易衰減氣體，該方法的室外傳感器分析方式則會導(dǎo)致氣室內(nèi)真實值與檢測值存在差異，真實值常高于檢測值。
[0004]3、自由大氣法(FACE)。該方法直接在大田模擬氣候變化，作物在農(nóng)田中生長，最貼近現(xiàn)實情況，但就實驗而言，該方法極易受多種因素影響，速度很小的風(fēng)就能引起實驗環(huán)境的波動，為實驗帶來極大不穩(wěn)定性;為了取得具有科學(xué)性、代表性的實驗樣品，需要設(shè)置較多重復(fù)或采集較多樣品，增大了實驗人員的勞動成本;實驗小區(qū)之間需要間隔較大，建造成本極大，極大的規(guī)模也帶來了極大的運(yùn)營成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對目前的模擬方法，不能在貼近自然情形的情況下實現(xiàn)大氣條件變化的穩(wěn)定維持的難題，提供了一種接近自然，條件穩(wěn)定，價格低廉，靈活自由，維護(hù)簡易的模擬系統(tǒng)。
[0006]—種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、目標(biāo)空間、監(jiān)測系統(tǒng);位于供氣系統(tǒng)內(nèi)部的氣流動力源與運(yùn)輸系統(tǒng)的一端相連，并將載氣氣體送入與運(yùn)輸系統(tǒng)另一端連接的目標(biāo)空間，位于供氣系統(tǒng)內(nèi)部的污染氣體源提供污染氣體，通過分流裝置分流后經(jīng)軟管進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)側(cè)部的小孔，使污染氣體與載氣一起進(jìn)入目標(biāo)空間；位于目標(biāo)空間內(nèi)部的監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測空間內(nèi)對應(yīng)信息，用于反饋調(diào)節(jié)。
[0007]所述的供氣系統(tǒng)還包括溫度調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)控制供氣系統(tǒng)及載氣的溫度。
[0008]所述的污染氣體源包括二氧化碳?xì)馄?、高純氧氣瓶和臭氧發(fā)生器。
[0009]所述的氣流動力源為軸流風(fēng)機(jī)。
[0010]所述的軟管的個數(shù)為至少一個，軟管的直徑為0.5-0.7cm。
[0011]所述的運(yùn)輸系統(tǒng)主體為直徑20cmPVC硬管，外包Icm厚用于保溫的海綿板，所述的運(yùn)輸系統(tǒng)2側(cè)部設(shè)置至少一個小孔。
[0012]所述的目標(biāo)空間主體為0TC-1型氣室，采用不銹鋼管做骨架、3mm厚玻璃做表面的透明半封閉空間。
[0013]所述的監(jiān)測系統(tǒng)包括二氧化碳分析儀、臭氧濃度監(jiān)測儀和溫度計。
[0014]所述的溫度調(diào)節(jié)器為空調(diào)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)所述實驗平臺在滿足實驗需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了低成本、高穩(wěn)定、易變化的目標(biāo)。
[0016](2)所述實驗平臺達(dá)到一種污染不同梯度或多種污染復(fù)合的實驗?zāi)康摹?br>【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述實驗平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明所述實驗平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為采用本發(fā)明所述實驗平臺測定2015年3月21日臭氧濃度日變化圖。
[0020]圖4為采用本發(fā)明所述實驗平臺測定2015年3月10日至2015年5月30日臭氧濃度變化圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1和圖2，本發(fā)明所述的一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)1、運(yùn)輸系統(tǒng)2、目標(biāo)空間3、監(jiān)測系統(tǒng)4，位于供氣系統(tǒng)I內(nèi)部的氣流動力源7與運(yùn)輸系統(tǒng)2的一端相連，并將載氣氣體送入與運(yùn)輸系統(tǒng)2另一端連接的目標(biāo)空間3，位于供氣系統(tǒng)I內(nèi)部的污染氣體源5提供污染氣體，通過分流裝置8分流后經(jīng)軟管進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)2側(cè)部的小孔，使污染氣體與載氣一起進(jìn)入目標(biāo)空間3;位于目標(biāo)空間3內(nèi)部的監(jiān)測系統(tǒng)4實時監(jiān)測空間內(nèi)對應(yīng)信息，用于反饋調(diào)節(jié)。分流后污染氣體由運(yùn)輸系統(tǒng)2側(cè)部的小孔進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)2，可根據(jù)需要設(shè)置一根或多根、一種或多種軟管，以達(dá)到一種污染不同梯度或多種污染復(fù)合的實驗?zāi)康摹?br>[0022]本發(fā)明主要對目標(biāo)空間3主體即改進(jìn)后的0TC-1型開頂式氣室進(jìn)行控制。目標(biāo)空間3主體由不銹鋼骨架和3mm玻璃構(gòu)成，頂部換氣口上方1cm處有一透明有機(jī)玻璃板，保證了透光性和通氣性，同時具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。氣室上部由邊長Im的正八邊形收口至邊長
0.5m正八邊形(45°傾斜向內(nèi)收攏)，形成換氣口。氣室為正八棱柱，邊長為lm，高2m，體積為14m3，氣室底部為不銹鋼板，板上均勻布滿直徑5mm小孔，鋼板上放置兩個不銹鋼架臺(高20cm)用于安放實驗用盆栽，以防止堵住小孔，造成氣室內(nèi)氣體的不均勻。鋼板下方為高25cm的氣體混勻室，氣體在氣流動力源7的推動下經(jīng)過運(yùn)輸系統(tǒng)2進(jìn)入該混勻室，在該空間內(nèi)達(dá)到空氣與外加條件的混合均勻的目的。運(yùn)輸系統(tǒng)2主體為直徑20cmPVC硬管，外包I cm厚用于保溫的海綿板，所述的運(yùn)輸系統(tǒng)2側(cè)部設(shè)置至少一個小孔，運(yùn)輸系統(tǒng)2—端連接目標(biāo)空間3的氣體混勻室中部，另一端與供氣系統(tǒng)I中設(shè)置的氣流動力源7(軸流風(fēng)機(jī))相連。在需要控制溫度時，在供氣系統(tǒng)I內(nèi)設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器6(可采用空調(diào))，同時在運(yùn)輸系統(tǒng)2上包裹Icm厚海綿板用于保溫。軸流風(fēng)機(jī)排風(fēng)量應(yīng)滿足氣室內(nèi)每分鐘2-3次的換氣頻率。
[0023]將目標(biāo)氣體利用軟管，導(dǎo)入運(yùn)輸系統(tǒng)2側(cè)壁設(shè)置的小孔，與氣流動力源7推送的空氣進(jìn)行混合，軟管需和氣瓶、發(fā)生器出氣口匹配，采用內(nèi)徑0.6厘米的軟管。需要改變某氣體濃度，則將軟管與污染氣體源5的某污染氣體相連，插入兩條軟管即可達(dá)到兩種氣體復(fù)合，多條軟管則為多種氣體復(fù)合，且通過改變軟管條數(shù)，也可以控制形成不同氣體濃度梯度。溫度則由供氣系統(tǒng)I內(nèi)設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器6，控制軸流風(fēng)機(jī)推送氣體的溫度，到達(dá)控制目標(biāo)空間3內(nèi)部溫度的目的。利用監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的二氧化碳檢測儀、臭氧監(jiān)測儀、溫度計等在目標(biāo)空間3中進(jìn)行實時監(jiān)測條件變化，將相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備置于目標(biāo)空間3內(nèi)部，真實反映內(nèi)部情況。反饋目標(biāo)空間3內(nèi)部信息，調(diào)節(jié)二氧化碳、臭氧流量，空調(diào)溫度，進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)要求。
[0024]在已進(jìn)行的三季作物生長實驗中，預(yù)設(shè)實驗處理臭氧濃度比對照處理(正常大氣)高40nL/L，實驗整個進(jìn)程目標(biāo)增大濃度與預(yù)設(shè)濃度差異分別為1.5%、4.75%和-0.75%，且差異均不顯著。如圖3所示，在2015年3月21日臭氧濃度日變化圖中，目標(biāo)處理(臭氧濃度升高40nL/L)臭氧日平均濃度為75.36nL/L，比正常大氣臭氧平均濃度36.67nL/L高38.69nL/L，與預(yù)設(shè)目標(biāo)差異3.27%。在圖4中，2015年3月10日至2015年5月30日，目標(biāo)處理臭氧平均濃度為80.2nL/L，比正常大氣39.6nL/L高40.6nL/L，與預(yù)設(shè)目標(biāo)差異1.5%。
[0025]在本發(fā)明的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)中，已經(jīng)成功進(jìn)行了兩季小麥、一季水稻的種植實驗，并得到了一定的成果。在滿足實驗需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了低成本、高穩(wěn)定、易變化的目標(biāo)，這是其它方法難以實現(xiàn)的。本發(fā)明為模擬大氣條件變化的相關(guān)實驗提供了良好的手段。
[0026]總之，本發(fā)明所述的實驗平臺模擬成本低，僅需要建造若干改進(jìn)后氣室，將自然大氣進(jìn)行目標(biāo)化改動，通過風(fēng)機(jī)經(jīng)由管道通入氣室底部即可，由監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果反饋調(diào)節(jié)改動程度，到達(dá)模擬狀態(tài)，在某一實驗地點(diǎn)的一段時間內(nèi)，不需要其他改動、維護(hù)。
[0027]本發(fā)明提供的實驗系統(tǒng)靈活多變，可以實現(xiàn)二氧化碳、臭氧、溫度等條件的靈活復(fù)合，且僅需要進(jìn)行部分改動或增加。二氧化碳由于其穩(wěn)定性，較之臭氧更容易控制，污染氣體僅需要在進(jìn)氣管道中打一小孔，將二氧化碳?xì)馄炕虺粞醢l(fā)生器出氣口利用細(xì)小軟管(臭氧需用聚四氟乙烯內(nèi)襯的PVC管)連接至小孔，將氣體引入即可，在氣室內(nèi)利用相應(yīng)監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測，反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制目的。溫度控制需要風(fēng)機(jī)處于相對密閉空間，利用空間中空調(diào)調(diào)節(jié)溫度。在陽光充足的夏天，若無空調(diào)控制，氣室內(nèi)溫度可達(dá)到45°C左右(室外溫度約38°C)，即使在春、秋天，陽光充足時室內(nèi)溫度仍可高約2_3°C在氣室中加入若干溫度計(多點(diǎn)分布)即可監(jiān)測室內(nèi)溫度，進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用空調(diào)可將室內(nèi)溫度控制在不高于室外1°C以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)(I)、運(yùn)輸系統(tǒng)(2)、目標(biāo)空間(3)、監(jiān)測系統(tǒng)(4);其特征在于，位于供氣系統(tǒng)(I)內(nèi)部的氣流動力源(7)與運(yùn)輸系統(tǒng)(2)的一端相連，并將載氣氣體送入與運(yùn)輸系統(tǒng)(2)另一端連接的目標(biāo)空間(3)，位于供氣系統(tǒng)(I)內(nèi)部的污染氣體源(5)提供污染氣體，通過分流裝置(8)分流后經(jīng)軟管進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)(2)側(cè)部的小孔，使污染氣體與載氣一起進(jìn)入目標(biāo)空間(3);位于目標(biāo)空間(3)內(nèi)部的監(jiān)測系統(tǒng)(4)實時監(jiān)測空間內(nèi)對應(yīng)信息，用于反饋調(diào)節(jié)。2.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的供氣系統(tǒng)(1)還包括溫度調(diào)節(jié)器(6)，用于調(diào)節(jié)控制供氣系統(tǒng)(I)及載氣的溫度。3.如權(quán)利要求2所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫度調(diào)節(jié)器(6)為空調(diào)。4.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的污染氣體源(5)包括二氧化碳?xì)馄?9)、高純氧氣瓶(11)和臭氧發(fā)生器(10)。5.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的氣流動力源(7)為軸流風(fēng)機(jī)。6.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的軟管的個數(shù)不少于一個，軟管的直徑為0.5-0.7cm。7.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的運(yùn)輸系統(tǒng)(2)主體為直徑20cmPVC硬管，外包Icm厚用于保溫的海綿板，所述的運(yùn)輸系統(tǒng)(2)側(cè)部設(shè)置至少一個小孔。8.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的目標(biāo)空間(3)主體為OTC-1型氣室，采用不銹鋼管做骨架、3_厚玻璃做表面的透明半封閉空間。9.如權(quán)利要求1所述的模擬大氣條件變化的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的監(jiān)測系統(tǒng)(4)包括二氧化碳分析儀、臭氧濃度監(jiān)測儀和溫度計。
【文檔編號】G01N17/00GK106092870SQ201610714595
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發(fā)明人】王小治, 魏思雨, 劉天宇, 王亞波, 尹微琴, 柏彥超
【申請人】揚(yáng)州大學(xué)