Автоматическая камера для измерения потоков парниковых газов на поверхности раздела почва-атмосфера

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области экологии, в частности к способам измерения эмиссии парниковых газов из почвы и растений с использованием камер для отбора проб.
Уровень техники
Известна автоматическая камера, приведенная на рис.16 и описанная на стр. 73-75 в диссертации [Шнырев Н. А, Режимные наблюдения и оценка газообмена на границе почвы и атмосферы (на примере потоков метана болотного стационара среднетаежной зоны Западной Сибири «Мухрино»). Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. http://soil.msu.ru/attachments/article/2284/shnyrev_dissertation.pdf.].
Камера прямоугольной формы выполнена из прозрачного материала и основанием для установки камеры на землю и створками, установленными в верхней части камеры, которые на время измерения закрываются. Изначально створки камеры подняты, она открыта, и газообмен с атмосферой происходит свободно, как и должно быть в натурных условиях. Блок управления камеры содержит электрическую схему управления мотором для подъема и опускания створок камеры. Вентиляторы для равномерного перемешивания воздуха внутри камеры в период измерений закреплены на рейке, соединяющей верхние края двух боковых стенок и служащей опорным элементом для опускающихся створок камеры.
В предложенном варианте камеры под сомнение можно поставить качество герметичности закрытия камеры. Согласно иллюстративным материалам, герметичность обеспечивается собственным весом дверок в период закрытого состояния камеры. К недостаткам камеры можно отнести и пониженную ветровую устойчивость дверок камеры в открытом положении, что может привести к их механической деформации. Также при данной конструкции целесообразнее было бы разместить вентиляторы на дверках с целью ускорения проветривания внутреннего объема камеры в режиме ее открытого состояния.
В качестве ближайшего аналога выбрана автоматическая камера, описанная в статье [Tree Physiology 23, 825-832, 2003 Heron Publishing-Victoria, Canada A multichannel automated chamber system for continuous measurement of forest soil CO2 efflux http://research.eeescience.utoledo.edu/lees/papers_PDF/Liang_2003_TreePhys.pdf]
Камера имеет прямоугольную форму и выполнена из прозрачного материала и основанием для установки камеры на землю и створками, установленными в верхней части камеры, которые на время измерения закрываются. Камера выполнена прямоугольной формы с боковыми стенками из прозрачного материала ПВХ и приклеена к раме (основанию) из экструдированного ПВХ для установки камеры на землю. Камера имеет крышки, также выполненные из ПВХ, установленные на шарнирах на боковых стенках. Края крышек армированы полосой из ПВХ, а к нижней стороне крышки, на внутренней стороне ленты из ПВХ, прикреплена полиуретановая резиновая прокладка, чтобы обеспечить герметичное уплотнение со стенкой камеры и полосой ПВХ приклеенной по центру камеры, в месте соединения крышек. Каждая крышка соединена с поршнем пневматических цилиндров, расположенных внутри камеры. Створки поднимаются в вертикальное положение или закрываются под действием поршней, которые управляются с помощью сжатого воздуха из компрессора. Два вентилятора установлены внутри камеры и обеспечивают циркуляцию воздуха, когда камера закрыта, и проветривание рабочего объема камеры в открытом положении.
Эксплуатация (натурные эксперименты) статической камеры, сконструированной авторами вышеприведенной статьи, выявила существенные недостатки в конструкции. К ним, прежде всего, можно отнести расположение элементов пневматических приводов внутри камеры. В процессе длительной эксплуатации было выявлено, что в связи износом сальников и старением герметизирующих элементов пневматических цилиндров (приводов) открытия и закрытия дверок камер происходит добавление за счет утечек воздушной смеси неизвестной концентрации во внутренний объем камеры, приводя к искажению измерения потоков парниковых газов. Так же к недостаткам можно отнести низкую ветровую устойчивость дверок камеры и достаточно длительное время проветривания рабочего объема камеры.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача разработки конструкции автоматической камеры для измерения потоков парниковых газов с поверхности почвы с повышенной ветровой нагрузкой и реализацией быстрого проветривания рабочего объема.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является: повышение достоверности измерения потоков парниковых газов, получаемой за счет обеспечения надежной герметичности камеры в закрытом положении и отсутствия элементов пневматических приводов внутри рабочего объема камеры; проведение непрерывных измерений в автоматическом режиме; повышение надежности конструкции камеры при повышенной ветровой нагрузке; уменьшение времени восстановления естественных атмосферных условий в измерительном объеме камеры.
Поставленная задача решается тем, что, предлагаемая автоматическая камера для измерения потоков парниковых газов на поверхности раздела почва-атмосфера выполнена из двух частей: подвижной и неподвижной части, и содержит основание квадратной формы для установки камеры на землю, при этом неподвижная часть камеры, выполнена в виде рамы квадратной формы, с закрепленным на ней цельным листом из прозрачного материала, установленной на вертикальных стойках, зафиксированных на основании, а подвижная часть камеры, образована каркасом, имеющим форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, на котором установлены боковые стенки из прозрачного материала, при этом она дополнительно содержит крестообразную раму, установленную над каркасом, образующие элементы которой закреплены на углах каркаса, а к концам образующих раму элементов прикреплены штоки пневмоцилиндров, установленных вертикально на основании камеры, при этом верхние части корпусов пневомоцилиндров закреплены на дополнительной раме квадратной формы, расположенной параллельно основанию камеры.
Пневмоцилиндры предназначены для передвижения (подъема и опускания) подвижной части камеры относительно неподвижной.
Кроме того, основание камеры представляет собой сборную раму, состоящую из четырех элементов: первый элемент - пластина с квадратным вырезом на углах которой монтируются пневмоцилиндры; второй элемент, выполнен в форме квадратного колодца, обеспечивающего заглубление основания камеры в почву, который прикреплен к первому элементу (пластине) с помощью связующих элементов (третьего элемента), выполненных из стального уголка, обеспечивающих жесткость всей сборной конструкции основания, а четвертый элемент состоит из двух горизонтально размещенных стальных пластин, предназначенных для крепления на основании вертикальных стоек неподвижной части камеры.
Кроме того, камера содержит вертикальные направляющие, обеспечивающие сопряжение каркаса подвижной части камеры с основанием и дополнительно рамой, тем самым придавая ветровую устойчивость всей конструкции,
При этом, крестообразная рама жестко соединена с каркасом подвижной части с помощью шпилек.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 приведен чертеж заявляемой автоматической камеры в открытом положении.
На фиг. 2 приведен чертеж заявляемой автоматической камеры в закрытом положении.
Предлагаемая автоматическая камера (фиг. 1) содержит:
- основание камеры, состоящее из пластины 1 с квадратным вырезом (820×820 мм), элемента 2, выполненного в форме квадратного колодца, обеспечивающего заглубление основания камеры в почву, связующих элементов 3 (предпочтительно трех, закрепленных (приваренных) на каждой грани колодца с ее внешней стороны) для крепления элемента 2 к пластине 1, тем самым обеспечивая жесткость всей сборной конструкции основания; и двух горизонтально размещенных стальных пластин 4, закрепленных на противоположных гранях колодца с внутренней стороны;
- подвижную часть камеры 5, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, включающую каркас, изготовленный из алюминиевого уголка, на котором установлены боковые стенки, выполненные из прозрачного материала - цельных кусков листового полиметилметакрилата (оргстекла);
- пневмоцилиндры 6, основание (нижняя часть) которых закрепляется на пластине 1;
- крестообразную раму 7, сочлененную с каркасом камеры 5 с помощью шпилек 8, обеспечивая тем самым сочленение подвижной части камеры 5 с пневмоцилиндрами 6, приводящими в движение подвижную часть камеры;
- неподвижную часть камеры 9, выполненную в виде квадратной рамы с закрепленным на ней цельным листом полиметилметакрилата (оргстекла), установленной на вертикальных стойках 10, зафиксированных на пластинах 4.
Жесткость конструкции обеспечивается путем фиксации верхней части пневноцилиндров 6 с помощью дополнительной рамы 11, ветровая устойчивость достигается за счет применения вертикальных направляющих 12, обеспечивающих сопряжение подвижной части камеры 5 с пластиной 1 и рамой 11 при помощи втулок 13, установленных в нижней части каркаса 5.
Заявляемая автоматическая камера предназначена для непрерывных исследований потоков парниковых газов на поверхности раздела почва-атмосфера. Основание камеры представляет собой сборную раму, состоящую из четырех элементов. Первый элемент -пластина 1 с квадратным вырезом (820×820 мм) из стали, на которой по углам монтируются пневматические пневмоцилиндры 6 (CAMOZZI 60M2L032A0500), назначение которой - обеспечить герметичное примыкание камеры к основанию. Второй элемент основания выполнен в форме квадратного колодца 2 и обеспечивает заглубление основания камеры в почву и крепится к пластине 1 с помощью связующих элементов 3, обеспечивая жесткость всей сборной конструкции основания камеры. Стыковые соединения элементов 1 и 2 герметизируются. Четвертый элемент состоит из двух горизонтально размещенных стальных пластин 4, предназначенных для крепления вертикальных стоек 10. С одной из боковых сторон квадратного колодца 2 установлены два штуцера для присоединения воздуховодных трубок (не показаны), обеспечивающих подачу анализируемого воздуха в газоанализатор и его отвод обратно во внутрикамерное пространство по замкнутому циклу, а также герметичный разъем (не показан) для подсоединения электрического кабеля, обеспечивающего подачу электропитания к вентиляторам (не показаны), датчикам давления и температуры (не показаны) и передачу измеряемых ими параметров на компьютер. На пластине основания 1, вертикально установлены пневмоцилиндры 6, верхние части которых жестко фиксируются между собой при помощи дополнительной рамы 11. Штоки пневмоцилиндров 6 соединены с подвижной частью камеры 5 при помощи крестообразной рамы 7 и шпилек 8. Подвижная часть камеры 5 имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. Каркас изготовлен из алюминиевого уголка. Боковые стенки сделаны из цельных кусков листового полиметилметакрилата (оргстекла). Пневмоцилиндры подбирались таким образом, чтобы рабочий ход штока в режиме проветривания измерительной камеры обеспечивал поднятие ее подвижной части 5 выше уровня неподвижной 9. Вертикальные направляющие 12 исключают горизонтальные смещения подвижной части камеры 5 при нахождении в положении «открыто», а также во время ее движения вверх или вниз. В положении «закрыто» основание подвижной части камеры 5 плотно прижато к пластине основания 1, а верх плотно прижимается к неподвижной части камеры 9. Герметизация камеры в закрытом состоянии обеспечивается за счет Ш-образных резиновых уплотнителей, прикрепленных к нижней части каркаса 5, сопрягаемого с пластиной 1 и верхней части каркаса 5, сопрягаемой с неподвижной частью камеры 9. Все элементы пневматических приводов расположены вне рабочего объема камеры.
Открытие и закрытие предлагаемой камеры осуществляется путем подачи сжатого воздуха в пневмоцилиндры 6. Для подачи и распределения сжатого воздуха в пневмоцилиндры 6 были выбраны распределители (не показаны) с электропневматическим управлением и пружинным возвратом. Для одновременного и равномерного перемещения 4-х штоков, поднимающих и опускающих подвижную часть камеры, на пневмоцилиндрах 6 были установлены регулировочные пневматические дроссели с обратным клапаном (не показаны).
Управление всем процессом работы камеры и регистрация измеряемых параметров осуществляется с помощью компьютера, сопряженного с АЦП и массивом транзисторных ключей, по расписанию специально созданного программного обеспечения.