Камера для измерения эмиссии газов с поверхности почвы

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, а именно к почвоведению и экологии, в частности к устройствам для измерения эмиссии газов из почвы с использованием метода закрытых камер.
2
2
Интенсивность эмиссии СО является одним из основных показателей биологической активности почвы и ее плодородия. Мониторинг эмиссионных потоков СО из почвы в атмосферу имеет важное значение для решения практических и научных задач управления процессами метаболизма углеродсодержащих веществ в земледелии, почвоведении, экологии.
Известен прибор для измерения эмиссии диоксида углерода методом закрытых камер с поверхности почв, в котором камеры устанавливаются на основания, предварительно установленные в грунт на глубину 3-5 см. Основания представляют собой втулки длинной около 5 см. На основания устанавливаются камеры, выполненные из труб длиной 25-30 см. Штуцеры, через которые осуществляется прокачка газа, находятся в торцевой крышке камеры. Основание, камера и крышка герметично собираются с применением резиновых уплотнительных колец. Открытие и закрытие камер выполняется вручную. (Д.В. Карелин, Д.Г. Замолодчиков, Г.Н. Краев. Методическое руководство по анализу эмиссий углерода из почв поселений в тундре. - М.: Изд-во ЦЭПЛ РАН, 2015. - 64 с.)
Недостатками прибора являются: во-первых, подача и отбор газа осуществляются в верхней части камеры, что приводит к уменьшению эффективного объема (объем системы участвующий в циркуляции газа); во-вторых, подача и отбор производятся точечно. Оба этих фактора ведут к неравномерному распределению концентрации газа по объему камеры, а следовательно к снижению точности измерения эмиссии. Кроме того, из-за ручного привода такая конструкция не может быть автоматизирована.
Так же известна автоматизированная система измерения почвенной эмиссии. К системе может подключаться до 12 камер для работы в автоматическом режиме. Каждая камера состоит из неподвижного основания, в котором смонтированы выходы коммуникаций и электропривод открытия, и подвижной цилиндрической чашу соединенной с неподвижной с помощью параллелограммных рычагов, из которых пара жестко связаны с выходным валом электропривода. Уплотнения осевые из мягкой губки с закрытой пористостью. Чаша поднимается вверх над основанием для проветривания примерно на 15 см. Полный объем камеры составляет примерно 2,5 л. (User Manual eosAC, eosMX and eosMX-P Autochambers, Multiplexers and related Software, Eosense Inc, 1 Research Drive, Dartmouth, Nova Scotia, Canada, B2Y4M9).
У данной конструкции имеются недостатки: во-первых, при открытии камеры ее объем не вытесняется, что ухудшает вентиляцию и требует больше времени на нее; во-вторых, масса камеры составляет 5 кг, что сильно ограничивает мобильность такой установки в дали от транспортных путей.
Наиболее близким по совокупности признаков, принятым за прототип, является автоматизированная система измерения почвенной эмиссии LI-8100A Soil Gas компании LI-COR. К системе могут подключаться обзорные камеры или долговременные, предназначенные для осуществления длительного автоматизированного мониторинга. Согласно технической документации обзорные камеры выпускаются двух типоразмеров и имеют следующую конструкцию: Каждая камера представляет собой подвижную чашу, закрепленную на неподвижной раме. В поднятом положении чаша позволяет поверхности почвы и своему объему вентилироваться, а в закрытом выполняются измерения. Подъем и опускание выполняются пневматическим сильфоном. Уплотнения осевые из мягкой губки с закрытой пористостью. Чаша поднимается на 5-10 см. Отверстия для прокачки газа в чаше расположены сверху. Долговременная камера похожа на обзорную с той лишь разницей, что открытие осуществляется не только подъемом чаши над основанием, а также смещением чаши в сторону для лучшей вентиляции грунта. Камеру предлагается устанавливать на грунт с помощью заглубленного основания, представляющего собой пластиковую втулку длинной около 10 см. LiCore LI-8100A (Using the LI-8100A Soil Gas Flux System and the LI-8150 Multiplexer, 2015, LI-COR, Inc., Publication No. 984-11123).
Данная конструкция камеры обладает следующими недостатками: подача и при открытии камеры ее объем не вытесняется, что ухудшает вентиляцию и требует больше времени для нее.
Задачей полезной модели является разработка простого, доступного устройства для измерения эмиссии газов с поверхности почвы.
Техническим результатом полезной модели является улучшение перемешивания газа внутри измерительного объема камеры во время проведения измерения; а также вытеснение большей части рабочего объема при открытии камеры, а также сокращение времени восстановления естественных атмосферных условий в измерительном объеме камеры.
Технический результат достигается тем, что камера для измерения эмиссии газов с поверхности почвы, состоит из подвижной части, приводимой в движение пневмоприводом, и неподвижной части с основанием, согласно заявляемой полезной модели, основание содержит шесть радиально-симметричных отверстий, на нижнюю сторону основания одевается юбка, в которую вкручен нижний штуцер, в центральное отверстие основания запрессована ось с четырьмя радиально-симметричными отверстиями, сверху на которую надет поршень, а на верхнем торце оси расположен верхний штуцер; подвижная часть камеры состоит из цилиндра и крышки, в которую вкручен штуцер, в закрытом состоянии камеры цилиндр, поршень и основание образуют измерительный объем.
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1 - вид камеры в сборе в разрезе
Фиг. 2 - вид основания камеры
На фиг. 1 и 2 приведена общая схема измерительной камеры. Камера состоит из подвижной и неподвижной части. К неподвижной части относится: основание 1, на нижнюю сторону которого одевается юбка 2, в основание 1 и юбку 2 вкручен нижний штуцер 3, в центральное отверстие (на фигурах не указано) основания 1 запрессована ось 4, сверху на ось 4 надет поршень 5, на верхнем торце оси 4 находится верхний штуцер 6. Подвижная часть камеры состоит из цилиндра 7 и крышкой 8, в которую вкручен штуцер 9.
Устройство работает следующим образом:
Камера устанавливается на поверхность почвы так, чтобы юбка 2 была заглублена в землю, установленная камера открывается с помощью подачи воздуха через штуцер 9 в полость между поршнем 5 крышкой 8, избыточное давление, действуя на крышку 8 снизу, заставляет подниматься подвижную часть. Закрытие камеры выполняется откачкой воздуха тем же путем из указанного выше объема, что образует под крышкой 8 разряжение, а атмосферное давление опускает подвижную часть.
В процессе измерения воздух прокачивается через камеру и анализатор по замкнутому контуру. В камеру он подается через нижний штуцер 3, затем попадая в канал 10 основания 1, воздух заходит в измерительный объем камеры через шесть радиально-симметричных отверстий 11 расположенных в основании 1, пройдя через измерительный объем, воздух заходит внутрь оси 4 через четыре радиально-симметричных отверстия 12 в ней и затем поднимается в верхний штуцер 6, из которого воздух уходит обратно в анализатор.
За счет того, что подача воздуха в измерительный объем камеры осуществляется через шесть радиально-симметричных отверстий, расположенных на периферии камеры, а забор через четыре радиально-симметричных отверстия, расположенных вблизи ее геометрической оси, поток газа становится более равномерно распределенным внутри измерительного объема камеры, тем самым лучше перемешивается с газом, уже имеющимся внутри измерительного объема. Тогда как в прототипе точки подачи и отбора разнесены недостаточно далеко и находятся в подвижной части камеры.
В заявляемой полезной модели открытие измерительного объема для проветривания, происходит с помощью подъема радиальных стенок, образованных цилиндром, при неподвижных основание и поршне, а газ, который находился в измерительном объеме, вытесняется поршнем. Такая конструкция ускоряет процесс проветривания измерительного объема, создавая меньше препятствий на пути ветра при прохождении через открытую камеру. В прототипе вытеснения не происходит, поскольку подвижным так же является верхняя поверхность границы измерительного объема и тем самым увеличивается время проветривания.
Таким образом, согласно заявляемой полезной модели камера имеет конструкцию, которая выполняет многоточечный отбор воздуха, улучшает перемешивание газа внутри камеры и обеспечивает вытеснение большей части рабочего объема при ее открытии, а также позволяет сократить время восстановления естественных атмосферных условий в измерительном объеме камеры.