土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置以及验证方法

摘要

一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置，土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置内的部件集成安装在三防箱(1)内，主要包括2L标气气瓶(2)、三通电磁阀(7)、土环(20)和高精度注射泵(4)，以及用于控制土环(20)的控制单元(3)，其特征在于，所述的，2L标气气瓶(2)通过三通电磁阀(7)分别与土环(20)，以及高精度注射泵(4)、控制单元(3)连接，所述的控制单元(3)通过电缆与电池(5)连接在一起。本发明的有益效果是，采用高精度的流量计对注射器泵注入的气体速度进行检测，以确定气流量的稳定，从而确保气流量的变异系数在1%以下。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤气体通量验证装置领域，具体为一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置，以及一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证方法。

背景技术

现存的商业化土壤CO₂通量设备，自身的精度(precision)和准确度(accuracy)的性能指标均有制造商提供，而用户使用时，并不能完全知道其性能指标是否准确或在可接受的范围内，因此使得仪器测量得到的数据缺乏说服力。

土壤CO₂通量设备，亟需对其通量测量准确度和精度的指标进行量化，这样才能把握样本数据的准确性。

目前虽然有科学家意识到对土壤CO₂通量设备进行准确性测试的重要性并尝试制作这类通量验证设备，但并未形成通用的标准，准确的说，这类设备未注明其标准气源的结构，只验证浓度，没有进行不同梯度的检测，对于评估整套设备的偏差和误差，这类验证设备没有太大的意义。

发明内容

本申请的目的在于提供一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置以及验证方法，通过对混合标定气体进行测定，验证整套通量系统的准确度和精度指标。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置，土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置内的部件集成安装在三防箱(1)内，主要包括2L标气气瓶(2)、三通电磁阀(7)、土环(20)和高精度注射泵(4)，以及用于控制土环(20)的控制单元(3)，其特征在于，所述的，2L标气气瓶(2)通过三通电磁阀(7)分别与土环(20)，以及高精度注射泵(4)、控制单元(3)连接，所述的控制单元(3)通过电缆与电池(5)连接在一起。

进一步，所述三防箱(1)内的部件分上下两层进行放置，所述上层放置在面板(12)上，所述下层放置在底板(11)上。

进一步，所述面板(12)上固定安装的2L标气气瓶(2)，所述2L标气气瓶(2)通过管路与调节阀(6)连接在一起，在调节阀(6)的一侧设有用于测量调节阀(6)内气体压力的气压表(8)，所述气压表(8)的旁边设有用于检测电池(5)内电压的电压表(10)。

进一步，所述高精度注射泵(4)通过泵固定件1(14)和泵固定件2(15)固定安装于底板(11)上，在面板(12)与底板(11)之间设有三通电磁阀(7)，通过三通电磁阀(7)将调节阀(6)和高精度注射泵(4)连接在一起。

进一步，所述2L标气气瓶(2)通过两个大卡箍(16)紧固在面板(12)上，所述调节阀(6)通过小卡箍(17)紧固在面板(12)上，通过电池固定板(13)将电池(5)固定在底板(11)上，

进一步，所述底板(11)位于面板(12)下面，所述底板(11)上设有电池(5)，在电池(5)的一侧还连有继电器(9)，所述底板(11)上还设置有高精度注射泵(4)。

进一步，所述面板(12)的下端设有与视窗(18)对应的开口，在面板(12)的左下侧设有控制单元(3)。

本发明还包括一种土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证方法，采用土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置的设备，其步骤如下：

A安置土环(20)：土环(20)的底部为密封开关，标定时将呼吸室置于土环(20)上；

B对电池(5)进行充电：在测量前提前对电池(5)充电；

C系统连接：将土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置内部的各部件进行连接；

D测定步骤：分别打开2L标气气瓶(2)、高精度注射泵(4)，将2L标气气瓶(2)中的气体充入土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置中进行测量；

通量验证系统CO₂，CH₄，N₂O通量的计算公式如下：

根据理想气体状态方程PV=nRT，推算得出高精度注射泵(4)与理论通量值之间的关系如下：

   FCO₂=V注射×107 ×P×T1%/(60×R×(t+273.15)×s)

   FCH₄=V注射×107 ×P×T2%/(60×R×(t+273.15)×s)

   FN₂O=V注射×107 ×P×T3%/(60×R×(t+273.15)×s)

式中：

FCO₂,FCH₄,FN₂O分别为标定系统中CO₂，CH₄，N₂O理论通量值，单位为umol/(m2×s)，T1%，T2%和T3%分别为其在标气气瓶中的组成百分比。

V注射为高精度注射泵(4)设定的注射速度，单位为ml/min；

P为测量环境的气压，单位为kPa；

R为气体常数，单位为8.314 cm3 · MPa / (k×mol)； 

S为标定系统collar截面积，单位为cm2；

t为测量环境的气温，单位为℃。

本发明创造的有益效果是，本发明的原理为通过土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置内的2L标气气瓶(2)即含有CO₂/CH₄/N₂O混合气体，将测定模拟值与理论计算的排放速率进行比较，从而验证土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置的准确度和精度。同时，采用高精度的流量计对注射器泵注入的气体速度进行检测，以确定气流量的稳定，从而确保气流量的变异系数在1%以下，具有以下优点：

A：土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置为行业内首创，提出了具体的精度和准确度的性能指标量化标准，并设计系统对应的计算公式；

B：采用已知成分的标准气瓶，准确输出混合标定气体，保证整套通量系统的准确度和精度指标, 土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置的气流量的变异系数在1%以下，其整体系统验证效果可达到：通量精度分别优于0.5umolm-2s-1(CO₂), 1nmolm-2s-1(CH₄)和0.5nmolm-2s-1(N₂O),精度：±0.5%；重复性：<3%；

C：业内首创采用提出的抽取-注射的方式进行标定，通过高精度注射器泵和高精度注射器，调整泵的注射速度，能得到不同通量梯度的稳定气流，针对同一个设备，可进行多次测量和不同梯度测量，测量数据真实准确；

D：可以天候工作，土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置集成三防箱(1)内，能够对抗各种恶劣天气，并适合野外作业；

E：设有电压表(10)，可以对电池电量评估，能实时读取电池电压，方便用户进行操作规划和安排。

附图说明

图1是本发明实施原理图 

图2是本发明的结构爆炸图

三防箱1；2L标气气瓶2；控制单元3；高精度注射泵4；电池5；调节阀6；三通电磁阀7；气压表8；继电器9；电压表10；底板11；面板12；电池固定板13；泵固定件114；泵固定件215；大卡箍16；小卡箍17；视窗18；6mm管19；土环20。

具体实施方式

如图1所示，土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置主要包括2L标气气瓶(2)、三通电磁阀(7)、土环(20)和高精度注射泵(4)，以及用于控制土环(20)的控制单元(3)，其中2L标气气瓶(2)通过三通电磁阀(7)分别与土环(20)，以及高精度注射泵(4)、控制单元(3)连接。控制单元(3)通过电缆与电池(5)连接在一起，电池(5)为土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置提供所需的电力。

其具体工作过程如下：

A安置土环(20)：土环(20)的底部为密封开关，标定时将呼吸室置于土环(20)上，以避免土壤排放气体的干扰。

B对电池(5)进行充电：由于测定时间较长，在测量前需提前电池(5)充足电，以确保测量过程中电能充足。

C系统连接：参照图1所示，将土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置内部的各部件进行连接。

D测定步骤：首先，分别打开2L标气气瓶(2)、高精度注射泵(4)，将2L标气气瓶(2)中的气体充入土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置中进行测量。

通量验证系统CO₂，CH₄，N₂O通量的计算公式：

根据理想气体状态方程PV=nRT，推算得出注射泵注射速度与理论通量值之间的关系如下：

   FCO₂=V注射×107 ×P×T1%/(60×R×(t+273.15)×s)

   FCH₄=V注射×107 ×P×T2%/(60×R×(t+273.15)×s)

   FN₂O=V注射×107 ×P×T3%/(60×R×(t+273.15)×s)

式中：

FCO₂,FCH₄,FN₂O分别为标定系统中CO₂，CH₄，N₂O理论通量值，单位为umol/(m2×s)，T1%，T2%和T3%分别为其在标气气瓶中的组成百分比。

V注射为高精度注射泵(4)设定的注射速度，单位为ml/min；

P为测量环境的气压，单位为kPa；

R为气体常数，单位为8.314 cm³ · MPa / (k×mol)； 

S为标定系统collar截面积，单位为cm2；

t为测量环境的气温，单位为℃。

如图2所示，土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置中的各个部件放置于三防箱(1)中，在三防箱(1)的内的部件分两层进行放置，其中，上层放置在面板(12)上，在面板(12)上固定安装的2L标气气瓶(2)，2L标气气瓶(2)通过两个大卡箍(16)紧固在面板(12)上，2L标气气瓶(2)通过管路与调节阀(6)连接在一起，其中调节阀(6)通过小卡箍(17)紧固在面板(12)上，在调节阀(6)的一侧设有气压表(8)，用于测量调节阀(6)内气体的压力，气压表(8)的旁边设有电压表(10)，用于检测电池(5)内电压，在面板(12)的下端设有与视窗(18)对应的开口，使用者可以方便的通过面板(12)上的气压表(8)、电压表(10)，以及视窗(18)察看土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置的运行情况。在面板(12)的左下侧设有控制单元(3)，用于控制土壤二氧化碳、甲烷和二氧化氮通量验证装置各部件的闭合。

在面板(12)的下面设有底板(11)，在底板(11)上设有电池(5)，通过电池固定板(13)将电池(5)固定在底板(11)上，在电池(5)的一侧还连有继电器(9)，在底板(11)上还设置有高精度注射泵(4)，高精度注射泵(4)通过泵固定件1(14)和泵固定件2(15)固定安装于底板(11)上，以免高精度注射泵(4)与底板(11)发生相应位移，在面板(12)与底板(11)之间设有三通电磁阀(7)，通过三通电磁阀(7)将调节阀(6)和高精度注射泵(4)连接在一起。

虽然上面的举例了一些特定实施例来说明和描述本发明，但并不意味着本发明仅局限于其中的各种细节。相反地，在等价于权利要求书的范畴和范围内可以不偏离本发明精神地在各种细节上做出各种修改。说明书中未写明的部分为本领域公知常识，未进行详细述说。