一、概述
為預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)大氣組成變化的后果,科學(xué)界作了長(zhǎng)期的努力。上世紀(jì)80年代前,大量的研究在溫室、培養(yǎng)箱或開頂式氣箱中進(jìn)行。由于相應(yīng)的試驗(yàn)條件如溫度、風(fēng)速、濕度、降雨等因素與自然條件相去甚遠(yuǎn),特別是系統(tǒng)中植物與昆蟲、病源的隔離,從這種模擬環(huán)境中所取得的研究結(jié)果預(yù)測(cè)大氣組成和氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,具有較多的不確定性。鑒于此,研制開發(fā)在自由空氣條件下的升高大氣某個(gè)特定組分和(或者)溫度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng),以在盡可能接近自然生態(tài)環(huán)境的條件下,研究生態(tài)系統(tǒng)對(duì)變化的響應(yīng)和適應(yīng)是非常必要的。
北京華益瑞科技有限公司設(shè)計(jì)的開放體系中調(diào)控CO2組分濃度和溫度的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng),即“二氧化碳及溫度FACE (Free Air gas Concentration Enrichment)”系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)在野外的目標(biāo)區(qū)域沒有任何隔離設(shè)施,氣體可以自由流通,區(qū)域內(nèi)通風(fēng)、光照、溫度、濕度等條件十分接近自然生態(tài)環(huán)境。該系統(tǒng)平臺(tái)能在比較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)(超過國(guó)際上同類系統(tǒng))滿足較大區(qū)域內(nèi)對(duì)目標(biāo)氣體濃度的控制精度要求(超過國(guó)際上同類系統(tǒng))。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制軟件,包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集控制和分析處理軟件包,遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理,為研究生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣中CO2濃度和溫度變化響應(yīng)提供理想手段,使我國(guó)FACE平臺(tái)技術(shù)*于國(guó)際。
二、方案介紹與性能指標(biāo)
在較大區(qū)域內(nèi)改變和調(diào)控自由空氣中的特定氣體成分,是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的技術(shù)研究工作。世界上有多個(gè)優(yōu)良團(tuán)隊(duì),正在研究在開放體系增加空氣中CO2、O3等多個(gè)組分濃度以及改變溫度、降水等因子的自動(dòng)控制技術(shù)。世界上過去和正在運(yùn)行的FACE系統(tǒng)基本上是旱地系統(tǒng),如美國(guó)研制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為試驗(yàn)區(qū)域的濃度比大氣中高50%,但實(shí)際達(dá)到的指標(biāo)是平均高20%(Schroeder,2006)。由于這種平臺(tái)技術(shù)的缺陷,影響到相關(guān)研究結(jié)果的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。
遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)管理整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行,設(shè)置布?xì)鈱?shí)驗(yàn)時(shí)間、氣象條件等,可進(jìn)行CO2濃度/溫度設(shè)置值或者增強(qiáng)比例/幅度設(shè)定,控制樣地?cái)?shù)據(jù)采集器獲得對(duì)照樣地?cái)?shù)據(jù)采集器的參考數(shù)據(jù),對(duì)控制量進(jìn)行運(yùn)算,通過各種控制器、質(zhì)量流量計(jì)、調(diào)壓器等進(jìn)行實(shí)施,再通過控制樣地內(nèi)的傳感器、分析儀對(duì)樣地內(nèi)的溫度、氣體濃度進(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)反饋、閉環(huán)控制。
增溫性能: 增溫幅度:0.25~4℃ 調(diào)節(jié)分辨率:0.01℃ 調(diào)節(jié)相對(duì)精度:0.05℃ 調(diào)節(jié)穩(wěn)定度:0.1℃@風(fēng)速不大于2m/s 0.2℃@風(fēng)速不大于5m/s
| CO2濃度增強(qiáng)樣地性能: CO2濃度增強(qiáng)幅度:10~1000ppmv 有效調(diào)節(jié)分辨率:3ppmv 調(diào)節(jié)精度:總濃度的1.5%+5ppmv 調(diào)節(jié)穩(wěn)定度: 5ppmv@風(fēng)速不大于2m/s 10ppmv@風(fēng)速不大于5m/s |
平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如下:
本系統(tǒng)的控制核心部件使用CampbellScientific,Inc的數(shù)據(jù)采集器,比較國(guó)際上的FACE系統(tǒng),有的采用了Campbll的數(shù)據(jù)采集器,有的使用PLC來控制。有的使用了電腦控制相比之下,使用采集器有如下優(yōu)點(diǎn)。
CO2增強(qiáng)PID自動(dòng)計(jì)算控制調(diào)節(jié),PID方程 比例微積分方程(PID方程)是過程控制中常用的方法,其框圖如下:
采樣進(jìn)氣口防水汽凝結(jié)方案,防灰塵過濾
CO2進(jìn)氣組件(pn 27693)包括用于設(shè)定流量的孔口,去除大氣灰塵的過濾器和雨水分配器,這樣可以允許環(huán)境空氣自由采用而不會(huì)降低能量進(jìn)入。雨水分流器被加熱以防止冷凝。進(jìn)氣組件包括一個(gè)平衡室以抑制CO2和H2O的環(huán)境濃度的波動(dòng)。
三、軟件平臺(tái)與移動(dòng)監(jiān)控
1、電腦監(jiān)控界面
O3-FACE監(jiān)控控制回路顯示,下圖為生態(tài)環(huán)境研究中心的FACE實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面。
O3-FACE監(jiān)控控制回路顯示,下圖為臭氧制作銷毀控制系統(tǒng)監(jiān)控界面,為了是O3的增強(qiáng)不破壞大自然和周邊環(huán)境,本系統(tǒng)采用了臭氧銷毀裝置。
2、 手機(jī)APP應(yīng)用監(jiān)控
查看數(shù)據(jù)以及曲線(Android以及ios版本)
(一) 直接點(diǎn)擊手機(jī)App:Linker,則直接進(jìn)入顯示所有在線圈名稱的界面,如下圖所示:
該界面顯示所有在線的圈地名稱,可對(duì)圈地名稱進(jìn)行修改以及添加新名稱的操作。也可直接輸入圈地編號(hào)直接點(diǎn)擊查找。