СИСТЕМА ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМИССИИ ГАЗОВ ИЗ ОБРАЗЦОВ ПОЧВЫ, КОМПОСТОВ И ДРУГИХ ТВЕРДЫХ СУБСТРАТОВ

2
Полезная модель относится к экологии, сельскому хозяйству, а конкретно к системе, позволяющей быстро и эффективно определять эмиссию газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов, и на основании полученных данных делать вывод, например, о здоровье почвы. Для любых образцов природных твердых субстратов их микробная активность сопровождается эмиссией, по крайней мере, одного из газов, выбранного из группы: углекислый газ (УГ), метан и NO.
Известна система для количественного определения эмиссии УГ из образцов почвы, состоящая из 96-луночного планшета и крышки для него, содержащей газопроницаемую прокладку и анализатора газа, состоящего из агарового геля, содержащего анилиновый краситель крезоловый пурпурный (патент Великобритании № GB 2410797, МПК G01N 1/26).
2
Наиболее близкой к заявляемой является известная система для количественного определения эмиссии газа (СO) из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов, состоящая из основания, содержащего не менее двух изолированных друг от друга одинаковых ячеек для образцов, крышки, и анализатора газа, в качестве которого использован агаровый гель с красителем (патент на полезную модель RU №74479, МПК G01N 33/24, 2006) - прототип. В данной системе крышка съемная и герметично закрывает каждую ячейку, а интенсивность выделения УГ регистрируют респирометрически по изменению оптической плотности теля с красителем.
Недостатком известной системы является то, что при ее использовании эффективность процесса количественного определения эмиссии газа из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов невысока, что связано с использованием низкочувствительного анализатора выделяемого образцами газа, действие которого основано на медленным проникновении выделяемого почвой газа в агаровый гель с красителем и необходимости обязательного использования дополнительного прибора -спектрофотометра для регистрации изменения цвета системы агаровый гель - краситель под действием выделяемого УГ. Это особенно ярко проявляется при использовании известной системы в полевых условиях. Эффективность процесса количественного определения эмиссии УГ из образцов также неизбежно снижает ретроингибирование микробиологической активности в исследуемых образцах выделяемым УГ. Известная система дает возможность определять только кумулятивное (суммарное) количество выделяемого образцами УГ, но не позволяет определять скорость его эмиссии по ходу эксперимента, что неизбежно снижает эффективность процесса количественного определения эмиссии газов из образцов. Кроме того, известная система обладает достаточно узкой областью применения и способна анализировать только УГ.
Задача полезной модели заключается в повышении эффективности процесса количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов.
2
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известной системе для количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов, состоящей из основания, содержащего не менее двух изолированных друг от друга одинаковых ячеек для исследуемых образцов, крышки и анализатора газа, ячейки объединены, по крайней мере, в один съемный картридж, в качестве анализатора газа использован, по крайней мере, один портативный автоматический анализатор газа и основание системы дополнительно содержит системный блок портативного компьютера с клавиатурой, крышку с гнездами для ячеек картриджа и расположенный под крышкой приборный отсек, содержащий кроме, по крайней мере, одного портативного автоматического анализатора газа также емкость для воды, емкость для жидкого питательного субстрата, источник электроэнергии, электронасос, соединенный, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами для подачи выделяемого из ячеек газа, по крайней мере, в один анализатор газа, электронасос для увлажнения образцов водой, соединенный с емкостью для воды и автоматическим клапаном, электронасос для внесения в образцы жидкого субстрата, соединенный с емкостью для жидкого субстрата и автоматическим клапаном, электронасос, соединенный с внешней средой и последовательно соединенный с электронагревателем воздуха и автоматическим клапаном, для подачи в ячейки неподогретого или подогретого воздуха, и электронагреватель с электрическим терморегулятором, термостатирующими приборный отсек и ячейки картриджа, а крышка системы несъемная откидная, состоит из двух автономных половинок, одна из которых расположена над клавиатурой компьютера и содержит с внутренней стороны экран компьютера, функционально соединенный с системным блоком компьютера, другая половинка крышки герметично закрывает каждую ячейку и содержит с внутренней стороны над каждой ячейкой одинаковое куполообразное углубление, в котором содержится не менее четырех отверстий на каждую ячейку для увлажнения образцов и/или внесения в них жидкого субстрата, не менее одного отверстия на ячейку для подачи в ячейку воздуха и не менее одного отверстия на ячейку для отвода из ячейки газа, при этом каждое отверстие для увлажнения образцов и/или внесения в них жидкого субстрата с помощью трубок последовательно соединено, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими подачу воды в ячейку, и последовательно соединено, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими подачу жидкого субстрата в ячейку, каждое отверстие для подачи в ячейку воздуха с помощью трубок последовательно соединено, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими подачу в ячейку воздуха, а каждое отверстие для отвода из ячейки газа соединено с помощью трубок, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими отвод в атмосферу подаваемого в ячейку воздуха и выделяемого из ячейки газа, и дополнительно соединено с помощью трубок с автоматическим клапаном, регулирующим подачу выделяемого из ячейки газа в анализатор газа, причем работой каждого из электронасосов, каждого из автоматических клапанов, электронагревателя воздуха, электронагревателя приборного отсека, электрического терморегулятора и каждого из анализаторов газов управляет компьютер. Предлагаемая система для количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов в качестве портативного автоматического анализатора газа содержит, по крайней мере, один портативный автоматический анализатор, выбранный из группы: анализатор УГ, анализатор метана, анализатор NO.
Предлагаемая система может быть использована для количественного определения эмиссии газов из природных и искусственно созданных твердых субстратов, например, из образцов почвы, компостов, искусственных грунтов, применяемых для выращивания растений, и т.д.
В предлагаемом техническом решении основание системы, крышка системы, картридж и крышка с гнездами для ячеек картриджа могут быть изготовлены из различных материалов, например, из полимеров, таких как органическое стекло, полистирол, поливинилхлорид и т.д., из металла и т.д. При этом основание системы и крышка системы являются полыми, что позволяет разместить в них отдельные вышеперечисленные конструктивные элементы предлагаемой системы.
В предлагаемой системе ячейки для образцов объединены, по крайней мере, в один съемный картридж, вставляемый в крышку с гнездами для ячеек картриджа, что позволяет легко как заполнять ячейки образцами перед определением эмиссии газов из них, так и очищать ячейки от предыдущих образцов почвы, компостов и других природных и искусственно созданных твердых субстратов, особенно если эти образцы были сильно влажными и могли сильно загрязнить ячейки. При этом число гнезд в крышке основания системы должно быть не менее числа ячеек для образцов картриджа.
Крышка с гнездами является съемной, что позволяет проводить профилактические и ремонтные работы в приборном отсеке системы, например, заменять источник электроэнергии. Крышка с гнездами вставляется в пазы основания системы и в случае необходимости может дополнительно закрепляться в основании с помощью одного ли нескольких фиксирующих элементов, например, винтов.
3
Съемный картридж в предлагаемой системе обязательно должен содержать не менее двух изолированных друг от друга одинаковых ячеек для образцов, одна из которых не заполняется образцами и используется для проверки работоспособности системы перед началом работы. Верхний предел числа ячеек в картридже не лимитирован и определяется только габаритами системы и возможностью ее транспортировки. Ячейки могут быть пронумерованы и форма ячеек может быть различной, например, круглый цилиндр, эллипсовидный цилиндр, параллелепипед и т.д. Следует отметить, что все ячейки в предлагаемой системе должны быть одинаковыми для получения достоверных и сравнимых результатов, объем каждой из ячеек в каждом конкретном варианте полезной модели может варьироваться и составлять, например, 5 см. Кроме того, ячейки должны быть изолированы друг от друга. Если это условие не выполнить, то предложенная система не работает.
В предлагаемой полезной модели каждая ячейка системы может быть дополнительно снабжена закрывающим ее сверху съемным мембранным бактериальным фильтром, предотвращающим контаминацию (инфицирование) конструктивных элементов системы обитающими в исследуемых образцах микроорганизмами в процессе работы с системой.
2
2
2
2
В полезной модели можно использовать один или несколько автоматических портативных анализаторов газов, выбранных из группы: портативный автоматический анализатор УГ, портативный автоматический анализатор метана и портативный автоматический анализатор NO. Выбор конкретного анализатора газов или комбинации таких анализаторов зависят от конкретной решаемой задачи. Анализ СO можно осуществлять, например, с помощью портативного автоматического анализатора марки «COWFA-OEM Capnography Module», США. Анализ метана можно осуществлять, например, с помощью портативного автоматического анализатора марки «Laser Methane Detector», США. Анализ NO можно осуществлять, например, с помощью портативного автоматического анализатора марки «Unisense», Дания).
Использование для определения эмиссии газов из образцов портативных автоматических анализаторов газов позволяет сделать работу экспериментатора с предложенной системой более удобной в эксплуатации, особенно в полевых условиях, и повышает эффективность процесса количественного определения эмиссии газов. Использование таких анализаторов газа уменьшает вес и габариты системы. При наличии в системе нескольких анализаторов газов выбор конкретного входящего в нее анализатора газа в процессе работы осуществляется с помощью компьютера, а непосредственное механическое переключение подачи выделяемых образцами газов проводится системой автоматических клапанов, управляемых компьютером. В предложенной системе должна быть предусмотрена возможность выброса газа, прошедшего через каждый газоанализатор, в атмосферу.
Основание предложенной системы дополнительно содержит системный блок портативного компьютера с клавиатурой, что при наличии соответствующего программного обеспечения и традиционного для системного блока компьютера комплектующих, например, таких как батарея электропитания, вентилятор, дисковод, гнезда для соединения компьютера с другими приборами и т.д., позволяет управлять работой предложенной системы и оперативно собирать и обрабатывать получаемую информацию и тем самым повышает эффективность процесса количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов.
В предложенной полезной модели могут быть использованы портативные компьютеры различных марок в зависимости от решаемой задачи, причем для удобства работы системы экран компьютера должен быть расположен в одной из автономных половинок полой крышки системы, находящейся над клавиатурой компьютера. В предлагаемой полезной модели расположенный в крышке системы экран компьютера обязательно должен быть функционально соединен с системным блоком компьютера, расположенным в основании системы. Если это условие не соблюсти, то система функционировать не будет.
Предлагаемая полезная модель дополнительно имеет в полом основании системы под крышкой с гнездами для ячеек картриджа приборный отсек, содержащий кроме, по крайней мере, одного портативного автоматического анализатора газа также имеющий емкость для воды и емкость для жидкого питательного субстрата, которые могут быть как съемными, так и жестко закрепленными в основании системы. Для заполнения емкостей водой или жидким питательным субстратом емкости могут содержать отверстия с крышками.
Необходимость присутствия в системе емкости для воды обусловлена тем, что эмиссия газов из образцов существенно зависит от их влажности, поэтому для получения достоверных и сравнимых результатов измерений и, как результат, повышения эффективности процесса определения эмиссии газов из образцов, исследуемые образцы вначале необходимо обязательно подсушить с помощью подачи в них холодного или преимущественного подогретого воздуха, а затем увлажнить до определенного уровня. Вышеописанные операции позволяют получать перед измерениями образцы с одинаковой влажностью и тем самым стандартизуют процедуру определения эмиссии газов из образцов и повышают эффективность этого процесса. В отсутствие емкости для воды сделать это не удается.
Необходимость присутствия в системе емкости для жидкого питательного субстрата обусловлена тем, что его введение в образцы резко повышает метаболическую активность микроорганизмов, обитающих в исследуемых образцах, и повышает эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов за счет уменьшения ошибки измерения, обусловленной малым объемом выделяемого образцом газа.
Объем емкости для воды и емкости для жидкого питательного субстрата определяется числом ячеек в системе и может варьироваться в широких пределах, например, от 1 мл и более.
Предлагаемая полезная модель также содержит в приборном отсеке системы источник электроэнергии, соединенный с вышеописанными электропотребляющими приборами системы. Источник электроэнергии необходим для обеспечения работы электроприборов системы, например, электронасосов, электронагревателя воздуха, электронагревателя приборного отсека с терморегулятором, автоматических анализаторов газов и автоматических клапанов. В качестве источника электроэнергии можно использовать, например, аккумуляторы различных марок, электрически батарейки различных марок и т.д. У источника электроэнергии может быть предусмотрена подзарядка от электросети. В отсутствие источника электроэнергии предлагаемая система не работает.
Расположенный в приборном отсеке системы электронасос с электронагревателем воздуха обязательно должен быть соединен с внешней средой и необходим для забора из нее воздуха и в случае необходимости подогрева забранного воздуха, например, до температуры +30°С и подачи воздуха в ячейки для подсушивания исследуемых образцов перед их увлажнением водой или жидким питательным субстратом. В случае отсутствия такого насоса система не работает, т.к., не позволяет получать воспроизводимых и сопоставимых результатов измерений, что неизбежно снижает эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов. Забирать воздух можно, например, из приборного отсека системы с помощью раструба или без него. Для пополнения воздуха в основании системы могут иметься одно или несколько отверстий, соединяющих отсек с атмосферой. Для предотвращения загрязнения образцов в процессе их сушки содержащимися в воздухе микроорганизмами забирать воздух целесообразно через бактериальный фильтр.
Электронасос для подачи выделяемого из ячеек газа в автоматический анализатор газа обязательно должен быть соединен, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, расположенными один на входе в насос и один на выходе из насоса перед каждым анализатором газа. Если эти условия не соблюсти, то система не работает.
Электронасос для увлажнения ячеек обязательно должен быть соединен на входе с емкостью для воды и соединен с автоматически клапаном на выходе из насоса. Если эти условия не соблюсти, то получить воспроизводимые и сопоставимые результаты не удается, что неизбежно снижает эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов.
Электронасос для внесения в ячейки с образцами жидкого питательного субстрата обязательно должен быть соединен на входе с емкостью для такого субстрата и соединен с автоматическим клапаном на выходе из насоса. Если эти условия не соблюсти, то внести питательный субстрат в ячейки не удается, что не позволит активировать метаболическую активность микроорганизмов, обитающих в исследуемых образцах, и, как результат, не даст возможности повысить эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов.
В предложенной полезной модели можно использовать электронасосы одинаковых или различных марок и производительности в зависимости от решаемой задачи и числа ячеек в системе. Например, можно использовать миниатюрный электронасос марки «Эжектор» (Россия) (neumo.narod.ru/ejector/index.html#opis) или миниатюрный электронасос марки Flowserve Guardian 3000 (Корпорация Flowserve USA).
Приборный отсек системы также содержит электронагреватель с терморегулятором, термостатирующие приборный отсек системы и ячейки с помещенными в них образцами, например, в интервале температур 20-30°С. Включение и выключение электронагревателя осуществляется с помощью электрического терморегулятора, соединенного с компьютером. Необходимость этих операций, как уже отмечалось выше, обусловлена тем, что эмиссия газов из образцов существенно зависит от температуры. Если эти условия не соблюсти, то эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов неизбежно снизится, например, при неблагоприятных погодных условиях. В предлагаемой полезной модели можно использовать электронагреватели и электрические терморегуляторы различных марок в зависимости от решаемой задачи.
В предлагаемой полезной модели крышка системы является полой, несъемной и откидной, причем она состоит из двух автономных половинок, геометрические размеры которых могут, как совпадать, так и отличаться друг от друга. Одна из половинок крышки располагается над клавиатурой компьютера и содержит с внутренней стороны экран компьютера. Другая половинка крышки системы расположена над картриджем с ячейками, герметично закрывает каждую ячейку системы и содержит с внутренней стороны над каждой ячейкой одинаковые куполообразные углубления, в каждом из которых содержаться не менее шести отверстий.
Наличие откидной крышки делает работу экспериментатора более удобной, позволяя наблюдать за определением эмиссии газов из образцов на экране компьютера, находящемся с внутренней стороны одной из половинок крышки системы, расположенной над клавиатурой компьютера. Другая автономная откидная половинка крышки позволяет легко помещать в основание системы картридж с ячейками для образцов и герметично закрывать каждую ячейку перед началом измерения.
Герметичность закрытия автономной половинки крышки системы, расположенной над картриджем с ячейками, может быть достигнута различными приемами, например, путем использования газонепроницаемых резиновых прокладок.
Автономные откидные половинки крышки крепятся к основанию системы с помощью петель. Крышка системы обязательно должна быть несъемной ввиду того, что между крышкой и основанием системы проходят электропровода, соединяющие расположенный в крышке экран компьютера с системным блоком и клавиатурой компьютера, расположенными в основании системы, а также электрические провода и соединительные трубки, обеспечивающие работу расположенных в крышке системы автоматических клапанов, подачу и отвод газов из ячеек, а также подачу в ячейки воды и жидкого питательного субстрата.
Наличие у полезной модели одинаковых куполообразных углублений, расположенных на внутренней стороне автономной половинки крышки системы над каждой из ячеек, обусловлено тем, что в этих углублениях будет собираться газ, образующийся вследствие жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в исследуемых образцах. Однако у каждого изделия все куполообразные углубления должны быть одинаковыми для стандартизации процедуры отбора газа из ячеек. Объем каждого куполообразного углубления и его форма в каждом конкретном варианте практической реализации полезной модели принципиального значения не имеют и могут достигать, например, 80% от объема каждой ячейки. Куполообразное углубления обязательно должны находиться с внутренней стороны крышки системы и располагаться над ячейками для образцов. Если такие углубления расположить на внешней стороне крышки системы или поместить их на внутренней стороне половины крышки, расположенной над клавиатурой компьютера, или поместить их не над каждой из ячеек, то система не работает.
В каждом куполообразном углублении крышки должно располагаться не менее четырех отверстий для увлажнения содержимого ячейки, и/или внесения в нее жидкого питательного субстрата, что обусловлено необходимостью равномерного распределения жидкости по площади сечения ячейки. Экспериментально было установлено, что при меньшем числе отверстий достичь равномерного увлажнения содержимого ячеек не удается, что неизбежно снижает эффективность процесса определения эмиссии газов.
Кроме того, в каждом куполообразном углублении предложенной системы содержатся не менее одного отверстия для подачи воздуха и не менее одного отверстия для отвода из ячейки подаваемого воздуха или отвода из нее выделяемого образцом газа. Для этих целей отверстия в куполообразном углублении целесообразно располагать равномерно по всей площади куполообразного углубления и не группировать их в одной части этого углубления. Верхний предел числа отверстий в куполообразном углублении не лимитирован. Диаметр каждого из отверстий принципиального значения не имеет. В отсутствие таких отверстий система не работает. Отверстия не должны касаться, помещаемых в ячейки образцов почвы.
Для получения достоверных и воспроизводимых результатов и, как следствие, повышения эффективности процесса определения эмиссии газов, куполообразные углубления в крышке над каждой из ячеек, число отверстий в куполообразных углублениях и взаимное расположение отверстий в нем должны быть одинаковыми.
Каждое из отверстий в куполообразном углублении системы должно быть соединено с помощь трубок, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, один из которых располагается в крышке системы, а другой в основании системы. Работой клапанов управляет компьютер, что позволяет регулировать подачу в ячейки воды, жидкого субстрата и воздуха, а также регулировать отвод из ячеек воздуха и газов. Если эти признаки исключить, то система не работает. Можно использовать одинаковые или различные автоматические клапаны разных моделей в зависимости от решаемой задачи и габаритов системы. Соединительные трубки системы могут быть изготовлены из одного или нескольких водо- и газонепроницаемых материалов, например, из металла, из пластика и т.д. В предлагаемой системе могут быть использованы одинаковые или различные автоматические клапаны различных марок в зависимости от решаемой задачи.
В предлагаемой полезной модели работой каждого из электронасосов, каждого из автоматических клапанов, электронагревателя воздуха, электронагревателя приборного отсека, электрического терморегулятора и каждого из анализаторов газов управляет компьютер.
В предлагаемой полезной модели все конструктивные элементы жестко закреплены в крышке или основании системы за исключением съемного картриджа с ячейками для образцов и емкостей для воды и жидкого питательного субстрата, которые могут быть съемными. В рабочем состоянии осуществляется статическое вращение отдельных составных частей клапанов, контролирующих подачу и отбор газов в системе, а также конструктивных элементов электронасосов, входящих в систему.
Предлагаемая система позволяет определять эмиссию газов из образцов в нескольких режимах, например, путем подсушивания образцов, их последующего увлажнения водой до определенного уровня и выдерживания полученных образцов перед измерением эмиссии газов из них в течение определенного времени, например, в течение часа. Другой режим включает подсушивание образцов, их последующее увлажнение до определенного уровня с помощью жидкого питательного субстрата и определение эмиссии газов из образцов без их предварительного увлажнения и выдерживания перед измерениями эмиссии газов. Возможны и другие режимы использования полезной модели.
Предлагаемая полезная модель в собранном виде представляет собой чемодан с ручкой и запором. Она удобна для транспортировки и работы в полевых условиях. В связи с тем, что исследуемые природные образцы могут обладать сыпучестью, запускать прибор в работу для анализа газов можно только тогда, когда ячейки с образцами находятся в горизонтальном положении и закрыты соответствующей частью автономной крышки системы.
При работе системы из каждой ячейки для образцов выделяемый почвой газ поступает в соответствующий анализатор газа. Анализатор газа идентифицирует выделяемый газ, определяет его концентрацию в системе за определенный промежуток времени и передает полученную информацию в портативный компьютер предлагаемой системы, где она обрабатывается с помощью соответствующего программного обеспечения. Таким образом, удается измерить скорость выделения конкретного газа по ходу эксперимента, а интегрирование полученных данных с помощью компьютера позволяет определить суммарное количество выделившегося конкретного газа из каждого из образцов, что существенно повышает эффективность процесса определения эмиссии газов из образцов. Кроме того, предлагаемая система позволяет избежать нежелательного ретроингибирования микробиологических процессов выделяющимися газами, что также повышает эффективность процесса количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов.
На фиг.1 показан рисунок предлагаемой системы, на котором цифрой 1 обозначено основание системы, содержащее системный блок портативного компьютера, обозначенного цифрой 2, с клавиатурой компьютера, обозначенный цифрой 3, дисководом компьютера, обозначенном цифрой 4, гнездами для подключения к компьютеру других приборов, обозначенными цифрой 5 и решеткой вентилятора компьютера, обозначенной цифрой 6. На этой фиг. цифрой 7 обозначен съемный картридж с 16-ю ячейками для исследуемых образцов, цифрой 8 обозначена автономная половинка крышки системы, содержащая с внутренней стороны экран компьютера, обозначенный цифрой 9. Цифрой 10 на фиг. обозначена другая автономная половинка крышки системы, содержащая с внутренней стороны крышки 16 куполообразных углублений, одно из которых обозначена цифрой 11.
На фиг.2 показан рисунок той же системы с поднятыми крышкой с гнездами для ячеек картриджа, обозначенной цифрой 12, и картриджем с ячейками для образцов, обозначенным цифрой 13. На фиг. также показано, что автономная половика крышки системы, обозначенная цифрой 10, содержит с внутренней стороны 16 куполообразных углублений, одно из которых обозначено цифрой 11, с отверстиями, одно из которых обозначено цифрой 14.
2
На фиг.3 показан рисунок той же предлагаемой системы со снятыми и удаленными крышкой с гнездами для ячеек картриджа и картриджем. На этой фиг. цифрой 15 обозначена емкость для воды, цифрой 16 обозначена емкость для жидкого питательного субстрата, цифрой 17 обозначен раструб для забора воздуха из приборного отсека. На фиг. цифрой 18 обозначен электронасос для подачи воды в ячейки, цифрой 19 обозначен электронасос для подачи жидкого питательного субстрата в ячейки, цифрой 20 обозначен электронасос для подачи в ячейки воздуха, цифрой 21 обозначен электрический подогреватель подаваемого в ячейки воздуха и цифрой 22 обозначен электронасос для подачи выделяемого образцами газа в анализатор газа или в атмосферу. На данной фиг. автоматические портативные анализаторы УГ, метана и NO обозначены цифрами 23, 24 и 25, соответственно. Цифрой 26 на фиг. обозначен электронагреватель с терморегулятором, термостатирующий приборный отсек системы и ячейки с образцами, цифрой 27 обозначен электрический терморегулятор, и цифрой 28 обозначен источник электроэнергии. Трубка для отвода в атмосферу газа, прошедшего через каждый газоанализатор газа, обозначена цифрой 29. Цифрой 30 на фиг. обозначены трубки, соединяющие электронасосы системы с автоматическими клапанами. Цифрой 31 на фиг. обозначены автоматические клапаны, находящиеся в основании системы. Автоматические клапаны, находящиеся в крышке системы, на фиг. не показаны. На фиг.1-3 также не показаны электрические провода, соединяющие электроприборы системы с источником питания, клапанами, электронасосами, портативными автоматическими анализаторами газов и компьютером.
При работе системы содержимое сосудов с жидкостями заменяют перед каждым новым заполнением ячеек новыми образцами для анализа, а сами сосуды, подводящие трубки и ячейки промывают стерилизующими растворами, например, этиловым спиртом.
Для получения сравнимых результатов при работе с системой подсушивание образцов в каждой ячейке осуществляют всегда строго последовательно от ячейки с номером 2 до последней, содержащей экспериментальной образец или наоборот. Увлажнение образцов водой в каждой ячейке после подсушивания осуществляют в той же строгой последовательно, в какой проводили подсушивание образцов. Отбор газов на анализ из каждой ячейки осуществляют в той же строгой последовательно, в какой проводили подсушивание образцов.
В связи с тем, что в трубках, подводящих почвенный газ к анализаторам, после каждого предыдущего анализа остается некоторое количество газа, концентрация которого может отличается от актуальной в ячейке, измерения проводят подряд три раза, причем за значимый результат принимают только значение, полученное в последнем измерении.
2
При использовании системы, содержащей все три портативных автоматических анализатора газов, отбор газов на анализ осуществляется последовательно. Последовательность анализа выбирает оператор, используя программное обеспечение компьютера. Рекомендуемая последовательность анализа газов: УГ, метан и NО.
При анализе результатов измерений необходимо учитывать время задержки или промежуток времени, требуемый на проведение каждой операции, т.к. между анализом первого, контрольного образца, и последнего экспериментального образца проходит промежуток времени, обусловленный инерционностью механических операций.
При использовании предлагаемой системы можно заполнять как все ячейки, так и только часть из них. Количество заполняемых образцами ячеек и оставляемых незаполненными выбирает оператор.
Преимущество предлагаемой системы иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1.
3
3
2
2
В опыте используют систему количественного определения эмиссии газов из образцов, внешний вид которой схематически на фиг.1-3. Система содержит 16 изолированных друг от друга одинаковых цилиндрических ячеек, каждая объемом по 5 см. Каждое полусферическое углубление в крышке системы имеет объем 4 см и содержит симметрично расположенные 4 отверстия для увлажнения образцов, по одному отверстию для подачи в ячейки воздуха и по одному отверстию для отвода из ячейки газов. Система содержит портативные автоматические анализаторы УГ, метана и NO. Емкость для воды имеет объем 100 мл и заполнена 30 мл дистиллированной стерильной воды. Емкость для жидкого питательного субстрата имеет объем 100 мл и заполнена 30 мл 0,7%-ного стерильного раствора глюкозы в дистиллированной воде. Первую ячейку в картридже почвой не заполняют, оставляя ее пустой для использования в качестве эталон-теста для проверки работоспособности и чувствительности системы. В ячейки картриджа системы с номерами 2-4 помещают по 4 г серой одинаковой лесной почвы. В каждые последующие три ячейки помещают по 4 г почвы, взятой с того же участка, но на расстоянии 20 м друг от друга. Картридж помещают в основание системы и закрывают автономной половиной крышки. Другую автономную половину крышки системы, содержащую экран компьютера, оставляют открытой. Включают компьютер и запускают программу управления работой системы. При этом согласно программы происходит термостатирование приборного отсека системы и ячеек с образцами в картридже системы, а в каждую ячейку системы в течение 10 мин происходит подача атмосферного воздуха, подогреваемого электроподогревателем воздуха до температуры 30°С, причем подача воздуха в каждую ячейку осуществляется последовательно от ячейки с №2 до ячейки №16. После этого в каждую ячейку системы за исключением ячейки с №1 автоматически последовательно вводится по 0,15 мл стерильной дистиллированной воды из находящейся в системе емкости для воды и система выдерживается в течение 12 час в условиях, позволяющих выделяющемуся из почвы газу выходить в атмосферу. По прошествии этого времени в каждую ячейку системы кроме ячейки №1 автоматически последовательно вводится по 0,15 мл вышеуказанного жидкого питательного субстрата, и автоматически последовательно происходит закрытие клапанов системы соединяющих каждую ячейку с атмосферой. После герметизации ячейки №1, незаполненной почвой, происходит отбор содержащегося в ячейке и куполообразном углублении над ней пробы газа и подача его в портативный автоматический анализатор УГ. После этого система автоматически осуществляет последовательный отбор из ячейки №1 двух аналогичных проб газа с последующим их направлением для анализа в автоматические портативные анализаторы метана и NO. Эти процедуры система осуществляет автоматически для проверки работоспособности системы и тестирования чувствительности газоанализаторов. После того, как оператор убеждается в работоспособности системы, им дается команда на определение эмиссии газов из образцов почвы.
2
2
Система производит последовательный отбор трех одинаковых проб газа из ячейки №2 с почвой и каждый раз направляет эти пробы газа в портативный автоматический анализатор УГ. Затем система производит аналогичный отбор трех одинаковых проб газа из ячейки №2 с почвой и направляет эти пробы в портативный автоматический анализатор метана. Аналогичная операция проводится системой и для NO. Троекратный отбор проб газа осуществляется с целью получения статистически достоверных результатов анализа. Аналогичные процедуры последовательно проводят для остальных образцов, находящихся в ячейках №3-16, и таким образом получают нулевые точки для каждого исследуемого образца, находящегося в системе. Последующий отбор проб почвенного газа из каждой ячейки для анализов и определения кинетики эмиссии газов производят через 4 часа. При этом для предотвращения ретроингибирования микробиологической активности в исследуемых образцах почвы выделяющимися газами в промежутке между отборами проб газов осуществляют проветривание каждой ячейки в течение 3 час путем выдерживания системы с открытыми соответствующими клапанами, дающими возможность выделяющимся газам беспрепятственно выходить в атмосферу. После этого у каждой ячейки компьютер переключает автоматический клапан и герметизирует каждую ячейку. В герметично закрытом состоянии каждая ячейка находится в течение одного часа, после чего из каждой ячейки производится вышеописанный отбор проб газов на анализ. Следует отметить, что операции проветривания, герметизации и отбора проб газов из ячеек на анализ система проводит последовательно от ячейки №2 до ячейки №16. На основании анализа полученных данных программа компьютера рассчитывает среднюю скорость эмиссии УГ, метана и NO в ячейках №2-16 для первых четырех часов экспозиции образцов почвы. Аналогичные измерения осуществляют через каждые 4 часа и проводят их в течение 7 суток. В связи с тем, что в ячейках №2-4 находится один и тот же образец почвы, компьютер автоматически усредняет полученные данные по эмиссии газов для этих ячеек и строит график зависимости скоростей выделения каждого из газов по ходу эксперимента. Путем интегрирования полученных результатов компьютер определяет кумулятивное (суммарное) количество каждого из газов, выделившегося за время эксперимента.
Пример 2.
2
Опыт проводят аналогично примеру 1, однако вместо образцов серой лесной почвы используют образцы компоста разной длительности компостирования и эксперимент проводят в течение 4-х суток. Получают графические зависимости изменение скорости выделения УГ, метана и NO и кумулятивное (суммарное) количество этих газов за время эксперимента.
Пример 3.
2
Опыт проводят аналогично примеру 1, однако вместо образцов серой лесной почвы используют образцы искусственной почвенной смеси, используемой в теплицах. Получают графические зависимости изменения скорости выделения УГ, метана и NO и кумулятивное (суммарное) количество этих газов за время эксперимента.
2
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенная система достаточно проста в эксплуатации, расширяет область применения известной системы, распространяя ее на метан и NO, и существенно повышает эффективность процесса количественного определения эмиссии газов из образцов почвы, компостов и других твердых субстратов за счет автоматизации всех процессов, высокой чувствительности портативных автоматических газоанализаторов, используемых в системе, компьютерной обработки получаемой информации и устранения нежелательного ретроингибирования микробиологической активности в исследуемых образцах выделяемыми газами.
Были проведены эксперименты, которые показали, что предложенная система не работает при исключении из нее любого из конструктивных элементов, таких как наличие в системе не менее двух изолированных друг от друга одинаковых ячеек для исследуемых образцов, наличие в системе крышки, наличие у системы основания, наличия в системе компьютера с клавиатурой, наличие приборного отсека, наличие в системе, по крайней мере, одного портативного автоматического анализатора газов, наличие в системе источника электроэнергии, наличие в системе электронасоса для подачи выделяемого газа в автоматический анализатор газа и наличие у системы автоматических клапанов, наличие в системе несъемной откидной крышки, наличие у крышки системы двух автономных половинок, расположение экрана компьютера в одной из половинок крышек системы, находящейся над клавиатурой компьютера, функциональное соединение экрана компьютера с системным блоком компьютера, наличие у системы герметичного закрытия каждой ячейки соответствующей половиной крышки, наличие в системе куполообразных углублений над каждой ячейкой на внутренней стороне половинки крышки системы, наличие в куполообразных углублениях системы не мене одного отверстия на ячейку для отвода газа из ячейки, соединения отверстий для отвода из ячеек газа с помощью трубок, по крайней мере, с одним анализатором газа и управления компьютером работой всей системы.
Были проведены дополнительные эксперименты, которые показали, что техническая задача полезной модели не выполняется, если из полезной модели исключить хотя бы один такой признак, как наличие в системе емкости для воды, наличие в системе емкости для жидкого питательного субстрата, наличие в системе электронасоса для увлажнения образцов водой, соединенного с емкостью для воды, наличие в системе электронасоса для внесения в образцы жидкого субстрата, соединенного с емкостью для жидкого субстрата, наличие в системе соединенного с внешней средой электронасоса с электроподогревателем воздуха для подачи в ячейки неподогретого или подогретого воздуха, наличие в системе электронагревателя приборного отсека с электрическим терморегулятором, наличие у системы одинаковых куполообразных углублений над каждой ячейкой, наличие в системе над каждым куполообразным углублением менее четырех отверстий на каждую ячейку для увлажнения образцов и/или внесения в них жидкого субстрата, отсутствие в каждом куполообразным углублении системы отверстия для подачи воздуха, отсутствие последовательного соединения с помощью трубок каждого отверстия для увлажнения образцов и/или внесения в них жидкого субстрата, по крайне мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими подачу воды в каждую ячейку, отсутствие последовательного соединения с помощью трубок каждого отверстия для увлажнения образцов и/или внесения в них жидкого субстрата, по крайне мере, с двумя автоматическими клапанами, регулирующими подачу жидкого питательного субстрата в каждую ячейку, отсутствие последовательного соединения с помощью трубок каждого отверстия для подачи в ячейку воздуха, по крайне мере, с двумя автоматическими клапанами, один из которых с помощью трубки последовательно соединен вначале с электроподогревателем воздуха, затем с электронасосом для подачи в ячейки воздуха, отсутствие в системе соединения с помощью трубок каждого отверстия для отвода из ячейки газа, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, позволяющими регулировать отвод в атмосферу подаваемого в каждую ячейку воздуха и выделяемого из каждой ячейки газа, отсутствие в системе соединения с помощью трубки каждого отверстия для отвода из ячейки газа, по крайней мере, с двумя автоматическими клапанами, затем с электронасосом и, по крайней мере, еще одним автоматическим клапаном, позволяющими регулировать и осуществлять подачу выделяемого каждым образцом газа, по крайней мере, в один автоматический анализатор газа.
Также были проведены эксперименты, показавшие, что система становится неудобной в работе, если в системе все ячейки не объединены, по крайней мере, в один съемный картридж, если над приборным отсеком системы отсутствует крышка с гнездами для ячеек картриджа, если экран компьютера в системе расположен не на внутренней стороне над клавиатурой компьютера, а на внешней стороне этой половинки крышки системы.