Устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы Российский патент 2025 года по МПК G01N1/22 G01N33/24 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к лабораторному оборудованию для создания климатических условий в замкнутом цикле и отбора проб парниковых газов.

Известна камера с регулируемым микроклиматом для отбора проб парниковых газов, полученных в результате жизнедеятельности насекомых, включающее основную камеру для тестируемых насекомых, снабженную впускной и выпускной трубками с прорезиненными мембранами для отбора эмиссий и трубчатым соединением для смешивания воздуха, и предкамеру, герметично установленную на основной камере с возможностью периодического открывания. На конце впускной трубки смонтирован автоматический клапан, регулирующий объем воздуха, подаваемого в предкамеру к вентилятору с потенциометром и равномерно рассеиваемого диффузором, прикрепленным ко дну предкамеры под углом 45°, кроме того, под днищем основной камеры размещен нагреватель, а внутри смонтирован туманообразующий распылитель воды, подаваемой насосом из емкости, прикрепленной снаружи к стенке основной камеры, действие которых регулируется блоком управления со встроенным термостатом в зависимости от показаний термометра-гигрометра, обеспечивая стабильные, оптимальные условия микроклимата (Патент РФ №2822757, G01/N1/22, 2023).

Недостатками данного устройства являются:

1. Не предусмотрено изменение и измерение параметров давления воздуха;

2. Данное устройство не позволяет проведение эксперимента одновременно с отличающимися условиями.

Известно устройство для учета СО₂ в системе почва-растение-атмосфера, состоящее из двух частей: верхней, представляющей собой бокс с боковыми гранями из прозрачного органического стекла и верхней части из просветленного стекла с максимальным коэффициентом светопропускания, и нижней из нейтрального полимерного материала, которая предназначена для размещения лотков с почвой для выращивания растений. Извлечение избыточного СО₂ и влаги осуществляется посредством принудительной продувки в замкнутом цикле микрокомпрессором, размещенным в отдельном боксе, где соответствующие затворные клапаны регулируют направление воздушной массы, позволяющее улавливать избыточную влагу реактивом и концентрацию СО₂ в колбу с абсорбирующим раствором, после очистки воздуха от избытка СО₂ и влаги до значений окружающей среды в установку через клапан подается воздух извне с естественным содержанием кислорода, учитываемым датчиком кислорода, для этого соответствующие клапаны переводятся в определенные режимы, а световой режим поддерживается специализированной фитолампой с длиной волн красного спектра 630-670 нм и синего спектра 420-460 нм и с продолжительностью освещения 16 ч в сутки, мощность фитолампы 8 Вт с фотосинтетическим фотонным потоком 10 мкмоль/с, уровень освещенности в системе контролируется люксметром с фотометрическим преобразователем с диапазоном измерения 1-200000 лк, а влажность почвы контролируется датчиком, установленным в лотке с почвой в нижней части модуля, к которому прикреплена система полива, состоящая из насоса для подачи воды, емкости с поливной жидкостью, магистральной трубки с регулируемыми распылительными форсунками, которые также применяются при фертигации и распылении средств защиты растений и удобрений из отдельных емкостей, перемешивание и имитирование воздушного потока осуществляется модулятором ветра, а сбор данных с датчиков осуществляется с программируемой периодичностью с их передачей на цифровой носитель. Контроль концентрации СО₂, влажности и температуры воздуха осуществляется через единый блок с соответствующими сенсорами, передающий фиксируемые показатели на узел сбора данных для хранения, первичной обработки и визуализации, измерение СО₂ производится на основе недиспергирующего инфракрасного анализатора с диапазоном измерения 0-5000 ppm с точностью определения ± 30 ppm, сенсор СО₂ оснащен функцией Automatic Baseline Correction, которая выполняет автоматическую калибровку без использования технических газов, контроль температуры осуществляется в пределах +2…+50°С, а влажности воздуха - 20...80% RH, без конденсата (Патент РФ №2804124, МПК A01G 7/00, G 01N 33/24, 2023).

Недостатками данного устройства являются:

1. Параметры микроклимата внутри устройства главным образом обусловлены исходными показателями воздуха окружающей среды;

2. Возможность определения только одного параметра СО₂;

3. Не предусмотрено измерение и изменение параметров давления воздуха.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству относится устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы и растений, включающее камеру с приспособлением для вентилирования в ней воздуха. Устройство выполнено разъемным и состоит из цилиндрических камеры и основания, которые скреплены между собой посредством двух горизонтальных пластин с зажимами, смонтированных в верхней части основания и нижней части камеры, по центру пластин выполнены отверстия, диаметром равные диаметру цилиндра, при этом нижняя часть основания выполнена со скосами, а в верхней части камеры герметично установлена крышка с эластичной пробкой. Камера и основание выполнены из непрозрачного материала (Патент РФ №2518979, G01/F 1/05, G01P 5/00, 2012).

Недостатками данного устройства являются:

1. Отсутствует возможность дистанционного отбора проб газа;

2. Не предусмотрено измерение и изменение параметров давления воздуха окружающей среды.

Технической задачей изобретения является возможность измерения эмиссии парниковых газов в имитируемых условиях параметров микроклимата, включая имитацию расположения исследуемого материала над уровнем моря.

Техническая задача решается за счет того, что устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы содержащее цилиндрические камеру и основание, выполненные из непрозрачного материала. В верхней части основания жестко и герметично установлена втулка с дном с образованием между ней и наружным диаметром основания полости с возможностью установки в ней П-образной цилиндрической камеры, при этом в центре верхней части П-образной цилиндрической камеры жестко закреплена металлическая пластина с возможностью ее взаимодействия с электромагнитом, жестко закрепленным на стержне манипулятора, с возможностью его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, в верхних частях каждых П-образных цилиндрических камер герметично установлены по два штуцера, к нижней части одного из которых присоединена удлиняющая насадка, и соединенные трубками с воздушной помпой через устройство отбора проб воздуха, при этом основания устанавливают рандомизированно в испытуемый материал, находящийся в контейнерах, в которых размещены два независимых контура нагрева в верхней и нижней частях внутри исследуемого материала, контейнеры устанавливаются в секции шкафа, образованные разделением герметичной перегородкой на две равные части, стенки которого выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, при этом в перегородке установлена дверца с возможностью автоматического открытия и закрытия с герметизацией, напротив нее в торцевых стенках шкафа выполнены аналогичные дверцы с их герметизацией, внутри каждой секции установлены датчики температуры, влажности и СО₂ и внутри исследуемого материала также установлены датчики температуры и влажности, над поверхностью исследуемого материала установлены магистральные трубки с распылительными форсунками, соединенные с емкостью воды через насос, при этом регулировка температуры и влажности воздуха в секциях осуществляется посредством кондиционера и увлажнителя воздуха при открытой дверце перегородки и закрытыми торцевыми дверцами, при этом компрессор и вакуумный насос соединены с двумя секциями шкафа через электромагнитные вентили с возможностью поочередного регулирования давления в секциях по датчикам давления, установленным внутри секций, на боковой стенке шкафа на высоте 130-160 см от пола выполнено герметичное смотровое окно.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено устройство сбора парниковых газов, состоящее из П-образной цилиндрической камеры, штуцеров, пластины, удлиняющей насадки, трубок и основания; на фиг. 2 схематично изображен контейнер с испытуемым материалом, контурами нагрева, датчиками температуры и влажности, магистральными трубками с форсунками, П-образными цилиндрическими камерами и манипулятором с электромагнитом; на фиг. 3 схематично изображен шкаф с элементами: кондиционер воздуха, увлажнитель воздуха, вакуумный насос, компрессор воздуха, устройства отбора проб воздуха, воздушные помпы, вентилятор, датчики температуры, влажности, СО₂ и давления, электромагнитные вентили, пульты управления.

Устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы содержащее цилиндрические камеру 1 и основание 2, выполненные из непрозрачного материала. В верхней части основания 2 жестко и герметично установлена цилиндрическая втулка 3 с дном 4 с образованием между ней и наружным диаметром основания 2 полости 5 с возможностью установки в ней цилиндрической камеры 1, представляющей собой П-образную форму в вертикальном сечении, при этом в центре верхней части П-образной цилиндрической камеры 1 жестко закреплена металлическая пластина 6 с возможностью взаимодействия с электромагнитом 7, жестко закрепленным на стержне 8 манипулятора 9, с возможностью его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В верхних частях каждых П-образных цилиндрических камер 1 герметично установлены по два штуцера 10 и 11, к нижней части одного из которых присоединена удлиняющая насадка 12, соединенные трубками 13 с воздушной помпой 14 через устройство отбора проб воздуха 15. Основания 2 устанавливают рандомизированно в испытуемый материал, находящийся в контейнерах 16, в которых размещены два независимых контура нагрева 17 в верхней и 18 в нижней частях внутри исследуемого материала. Контейнеры 16 устанавливаются в секции 19 шкафа 20, образованные разделением герметичной перегородкой 21 на две равные части, стенки которого выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности. При этом в перегородке 21 установлена дверца 22 с возможностью автоматического открытия и закрытия с герметизацией, напротив нее в торцевых стенках шкафа 20 выполнены аналогичные дверцы 23 с их герметизацией. Внутри каждой секции 19 установлены датчики температуры 24, влажности 25 и СО₂ 26 и внутри исследуемого материала также установлены датчики температуры 27 и влажности 28. Над поверхностью исследуемого материала установлены магистральные трубки 29 с распылительными форсунками 30, соединенные с емкостью воды 31 через насос 32. Регулировка температуры и влажности воздуха в секциях 19 осуществляется посредством кондиционера 33 и увлажнителя воздуха 34 при открытой дверце 22 перегородки 21 и закрытыми торцевыми дверцами 23, при этом компрессор 35 и вакуумный насос 36 соединены с двумя секциями 19 шкафа 20 через электромагнитные вентили 37 с возможностью поочередного регулирования давления в секциях 19 по датчикам давления 38, установленным внутри секций 19. На боковой стенке шкафа 20 на высоте 130-160 см от пола выполнено герметичное смотровое окно 39. Манипулятор 9 управляется с выносного пульта 40. Для герметизации основания 2 с П-образной цилиндрической камерой 1 полость 5 заполнена жидкостью. Вентилятор 41 обеспечивает одинаковый микроклимат в секциях 19 при открытой дверце 22 и закрытых дверцах 23. Продувку секций 19 производят при открытых дверцах 22 и 23. Все измеряемые значения параметров микроклимата воздуха в секциях 19 и исследуемого материала и давления регистрируются устройством архивации данных (на фигуре не показан).

Устройство работает следующим образом.

В контейнеры 16 помещают заранее подготовленный для исследования испытуемый материал, например почву, в одинаковых объемах для каждого контейнера 16, в каждом из которых в верхней и нижней частях установлены два независимых контура нагрева 17 и 18. Контейнеры 16 помещают в каждую из секций 19 шкафа 20 при открытых дверцах 23 шкафа 20 и дверцы 22 перегородки 21. В исследуемый материал рандомизированно устанавливают основания 2 с полостью 5, наполненной жидкостью в n-ом количестве в каждый контейнер 16, на глубину не менее 4 см, где n=3-5. Датчики температуры 27 и влажности 28 почвы устанавливают на глубину 5 см. В каждой секции 19 размещены П-образные цилиндрические камеры 1 в количестве, равном количеству оснований 2, жестко закрепленной в верхней части металлической пластиной 6 с возможностью взаимодействия с электромагнитом 7 и штуцерами 10 и 11, к нижней части одного из которых присоединена удлиняющая насадка 12, а верхние концы штуцеров10 и 11 каждой n-ой камеры соединены трубками 13 с воздушной помпой 14 через устройство отбора проб воздуха 15. При этом устройства отбора проб воздуха 15 располагаются снаружи шкафа 20 с герметизацией между стенкой шкафа 20 и трубками 13. После установки контейнеров 16 закрывают дверцы 23 шкафа 20 при открытой дверце 22 перегородки 21. При помощи кондиционера 33 и увлажнителя воздуха 34 устанавливают заданные параметры температуры и влажности в обеих секциях 19. Для создания однородной среды внутри секций 19 включают вентилятор 41. Автоматическое достижение заданных параметров контролируется датчиками температуры 24 и влажности 25 воздуха, установленными в каждой секции 19. При достижении заданных параметров температуры и влажности подается сигнал на закрытие дверцы 22 перегородки 21, отключение вентилятора 41, кондиционера 33 и увлажнителя воздуха 34. Затем при помощи или вакуумного насоса 36 или компрессора 35 и электромагнитных вентилей 37 создается требуемая величина давления в каждой секции 19, имитирующая расположение исследуемого материала над уровнем моря. После достижения заданных параметров давления, контролируемого датчиками давления 38, установленными в каждой секции 19, отключают вакуумный насос 36, компрессор 35 и электромагнитные вентили 37. Установка П-образных цилиндрических камер 1 в полость 5 основания 2 осуществляется при помощи манипулятора 9, на стержне 8 которого установлен электромагнит 7, взаимодействующий с металлической пластиной 6, жестко закрепленной в центре верхней части П-образной цилиндрической камеры 1. Работа с манипулятором 9 осуществляется оператором, находящимся снаружи шкафа 20, имеющего возможность наблюдения за процессом установки П-образных цилиндрических камер 1 через окно 39 шкафа 20. Через промежутки времени согласно методике измерения производят забор проб воздуха из устройства отбора проб 15. В случае необходимости, изменение температуры и влажности исследуемого материала осуществляется при помощи контуров нагрева 17 и 18 и магистральных трубок 29 с распылительными форсунками 30, установленными над поверхностью испытуемого материала и соединенными с емкостью воды 31 через насос 32. В каждой секции 19 установлен датчик контроля СО₂ 26 , отслеживающего изменения концентрации СО₂ в воздухе секции 19 относительно первоначального значения CO₂ в воздухе. При превышении значений концентрации выше заданных подается сигнал оператору о необходимости завершения измерений и проведении продувки секций 19 шкафа 20 окружающим воздухом. По окончании требуемых измерений открывают дверцы 23 шкафа 20 и дверцу 22 перегородки 21, включают вентилятор 41 и производят вентилирование секций 19 окружающим воздухом для обеспечения параметров окружающей среды как воздуха, так и давления. При проведении эксперимента показания с датчиков 24, 25, 26, 27 и 28 архивируются в устройстве архивации данных (на фигуре не показан).

Предлагаемое изобретение позволяет производить лабораторные исследования эмиссии парниковых газов из почвы при имитации климатических условий в широком диапазоне, включая и расположение исследуемого материала над уровнем моря.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к области лабораторного оборудования. Устройство содержит цилиндрическую камеру с двумя штуцерами, соединенными трубками с воздушной помпой и устройством отбора проб воздуха, и основание, в верхней части которого выполнена полость с возможной установкой в последней П-образной цилиндрической камеры при помощи манипулятора. Контейнеры с испытуемым материалом, контурами обогрева и датчиками почвы и воздуха размещают в секциях шкафа, имеющего перегородку с дверцей и дверцами в торцевых его стенках с их герметизацией. Регулирование температуры, влажности и давления воздуха внутри секций осуществляется при помощи кондиционера, увлажнителя, компрессора и вакуумного насоса, что позволяет имитировать климатические условия в широком диапазоне. Технический результат - возможность измерения эмиссии парниковых газов в имитируемых условиях параметров микроклимата, включая имитацию расположения исследуемого материала над уровнем моря. 3 ил.

Устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы, содержащее цилиндрические камеру и основание, выполненные из непрозрачного материала, отличающееся тем, что в верхней части основания жестко и герметично установлена втулка с дном с образованием между ней и наружным диаметром основания полости с возможностью установки в ней П-образной цилиндрической камеры, при этом в центре верхней части П-образной цилиндрической камеры жестко закреплена металлическая пластина с возможностью ее взаимодействия с электромагнитом, жестко закрепленным на стержне манипулятора, с возможностью его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, в верхних частях каждых П-образных цилиндрических камер герметично установлены по два штуцера, к нижней части одного из которых присоединена удлиняющая насадка, и соединенные трубками с воздушной помпой через устройство отбора проб воздуха, при этом основания устанавливают рандомизированно в испытуемый материал, находящийся в контейнерах, в которых размещены два независимых контура нагрева в верхней и нижней частях внутри исследуемого материала, контейнеры устанавливаются в секции шкафа, образованные разделением герметичной перегородкой на две равные части, стенки которого выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, при этом в перегородке установлена дверца с возможностью автоматического открытия и закрытия с герметизацией, напротив нее в торцевых стенках шкафа выполнены аналогичные дверцы с их герметизацией, внутри каждой секции установлены датчики температуры, влажности и СО₂, и внутри исследуемого материала также установлены датчики температуры и влажности, над поверхностью исследуемого материала установлены магистральные трубки с распылительными форсунками, соединенные с емкостью воды через насос, при этом регулировка температуры и влажности воздуха в секциях осуществляется посредством кондиционера и увлажнителя воздуха при открытой дверце перегородки и закрытыми торцевыми дверцами, при этом компрессор и вакуумный насос соединены с двумя секциями шкафа через электромагнитные вентили с возможностью поочередного регулирования давления в секциях по датчикам давления, установленным внутри секций, на боковой стенке шкафа на высоте 130-160 см от пола выполнено герметичное смотровое окно.