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一种灾害性气候模拟装置

阅读：1043发布：2020-09-01

IPRDB可以提供一种灾害性气候模拟装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的灾害性气候模拟装置用于解决探明/揭示田间作物在复合环境变化影响下的响应机理的技术问题，其结构包括：由透明材质制成的控制箱；还包括：内环境控制系统和监测系统；控制箱设置有热风入口和冷风/排湿出口；内环境控制系统包括：热风发生装置、风力循环装置、排湿装置和监测装置；内环境控制系统通过设置有所述热风发生装置的第一管路与所述热风入口密封连接；所述内环境控制系统通过设置有所述排湿装置的第二管路与所述冷风/排湿出口密封连接；所述风力循环装置密封连接在所述第一管路与所述第二管路之间；所述监测装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。本发明具有能模拟田间灾害性气象环境的技术优点。，下面是一种灾害性气候模拟装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种灾害性气候模拟装置，包括：控制箱；其特征在于，还包括：内环境控制系统和监测系统；所述控制箱设置有热风入口和冷风/排湿出口；所述内环境控制系统包括：热风发生装置、风力循环装置、排湿装置和监测装置；所述内环境控制系统通过设置有所述热风发生装置的第一管路与所述热风入口密封连接；所述内环境控制系统通过设置有所述排湿装置的第二管路与所述冷风/排湿出口密封连接；所述风力循环装置密封连接在所述第一管路与所述第二管路之间；所述监测装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述监测装置包括：温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器和土壤水分传感器。

3.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述监测系统包括：PLC、控制面板和显示装置；所述控制面板和显示装置分别与所述PLC电连接；所述监测装置与所述PLC信号连接；所述控制面板用于通过所述PLC调节所述监测装置的触发值，及所述显示装置上所显示的参数内容；所述显示装置用于显示所述监测装置所反馈的参数信息。

4.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述热风发生装置为翅片管散热器和/或阻丝散热片。

5.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述控制箱内还设置有高压钠灯。

6.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述控制箱由透明材质制成。

7.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述控制箱的底面安装设置有万向轮。

8.根据权利要求7所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述控制箱的底面通过金属支架连接所述万向轮。

9.根据权利要求1或7所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，当所述灾害性气候模拟装置放置在地面上时，所述控制箱的底面与地面之间围罩有保温幕帘。

10.根据权利要求1所述的灾害性气候模拟装置，其特征在于，所述内环境控制系统还包括制冷装置；所述制冷装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。

说明书全文

一种灾害性气候模拟装置

技术领域

[0001] 本发明涉及农作物优良性状选择设备技术领域，尤其是涉及一种灾害性气候模拟装置。

背景技术

[0002] 我国是一个受季风与大陆性气候影响明显的农业大国，天气气候复杂多变。作物生长发育赖以生存的温度、湿度、风速等气象要素，为农业提供丰富的光热水资源，但极端变化下产生的气象灾害又会制约农业安全生产，亦或造成损失。气候变化背景下，气象灾害频发，对农业生产的影响较大，造成的损失较重。现有技术中针对农业气象灾害对作物影响的评估工作，多依赖于单因素控制试验(如控水、控光、控温等)；而多因素复合控制试验，无论是硬件设施还是控制手段，仍存在技术不完善、精度不够高、设施工艺不先进等诸多技术问题。现有技术中多因子、复合型的农业气象灾害对作物生长发育的影响最为复杂和严重，且作物响应的机理尚未清晰明确。通常情况下仅能依靠单因素稳定控制后，叠加另一要素进行稳定控制，难以重现气候变化(复合型农业气象灾害)的真实过程，更无法真实模拟上述过程对作物造成的实际影响。此外，受在不同的地域、季节，设施/装置的建造费用、模拟精度等方面的限制，灾害损失评估，作物对环境的响应机理等难以开展深入的研究。目前，科学家们主要采用大田试验、数据统计或者作物模拟模型方法来深入量化作物对气象要素的机理研究。典型站点的田间模拟试验仍是时下使用最多的，其原理就是在封闭或半封闭的农田内，通过人为控制环境要素，监测、调控、评估作物对可控环境的响应机理。该方法的优点是可以深入挖掘作物受单一环境因子变化所激发出的响应机理；其缺点就是易受研究地域/季节、要素控制精度技术所影响，进而凸显出存在对多要素协变控制时所表现出的实验结果不稳定的技术问题。进一步地，气候变化中最为复杂的就是温、湿、风等要素共同变化，极端条件下会产生农业气象灾害，亦伴生灾害同时发生，至今，农业科研工作者仍无法定量剥离、评估复合型环境变化对作物造成的实际损失和机理，也无法精准的控制综合环境的变化，如温度增加、风速提高后并不能提升湿度的变化。

[0003] 因此，提供一种灾害性气候模拟装置，用于解决上述技术缺陷中的至少一种就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明基于，目的是提供一种灾害性气候模拟装置，用于探明/揭示田间作物在复合环境变化影响下的响应机理。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种灾害性气候模拟装置，包括：由透明材质制成的控制箱；还包括：内环境控制系统和监测系统；所述控制箱设置有热风入口和冷风/排湿出口；所述内环境控制系统包括：热风发生装置、风力循环装置、排湿装置和监测装置；所述内环境控制系统通过设置有所述热风发生装置的第一管路与所述热风入口密封连接；所述内环境控制系统通过设置有所述排湿装置的第二管路与所述冷风/排湿出口密封连接；所述风力循环装置密封连接在所述第一管路与所述第二管路之间；所述监测装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。

[0006] 优选地，所述监测装置包括：温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器和土壤水分传感器。

[0007] 优选地，所述监测系统包括：PLC、控制面板和显示装置；所述控制面板和显示装置分别与所述PLC电连接；所述监测装置与所述PLC信号连接；所述控制面板用于通过所述PLC调节所述监测装置的触发值，及所述显示装置上所显示的参数内容；所述显示装置用于显示所述监测装置所反馈的参数信息。

[0008] 优选地，所述热风发生装置为翅片管散热器和/或阻丝散热片。

[0009] 优选地，所述控制箱内还设置有高压钠灯。

[0010] 优选地，所述控制箱由透明材质制成。

[0011] 优选地，所述控制箱的底面安装设置有万向轮。

[0012] 优选地，所述控制箱的底面通过金属支架连接所述万向轮。

[0013] 优选地，当所述灾害性气候模拟装置放置在地面上时，所述控制箱的底面与地面之间围罩有保温幕帘。

[0014] 优选地，所述内环境控制系统还包括制冷装置；所述制冷装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。

[0015] 本发明基于传热学原理与自动控制技术，设计一种灾害性气候模拟装置，通过控制作物生长环境要素，为进一步探明/揭示田间作物对复合环境变化的响应机理提供重要的技术手段。其中，内环境控制系统结合控制箱的设置，用于实现对温度、风速和空气湿度等环境要素同步精准控制的目标。本发明通过对环境要素进行复合控制模拟田间试验，针对温、湿、风极端变化对作物生长发育的影响展开深入研究；本发明通过内环境控制系统控制控制箱的内环境变化，模拟作物生长的既定环境；通过对作物状态监测单元可以对箱体内温度、湿度、风速、光照、土壤温度、土壤含水量及作物叶面温度等生长环境指标进行监测和处理，并实时传递到处理控制单元，实现了对作物受干热风影响程度的实时监测，以期观测复合环境变化对作物生长发育的影响，为典型气候条件下农业气象灾害的监测、评估、预警、防控技术提供参考依据。

附图说明

[0016] 图1为本发明其中一个实施例中灾害性气候模拟装置的结构示意图。具体实施例

[0017] 下面详细描述本发明的实施例，由于下述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，进而不能理解为对本发明的限制。

[0018] 为进一步优化农业气象灾害田间模拟技术、重现灾害发生过程、提高灾害模拟精度，图1所示，本发明提供一种灾害性气候模拟装置，包括：控制箱100；还包括：内环境控制系统200和监测系统300；所述控制箱100设置有热风入口110和冷风/排湿出口120；所述内环境控制系统200包括：热风发生装置210、风力循环装置220、排湿装置230和监测装置240；所述内环境控制系统200通过设置有所述热风发生装置210的第一管路201与所述热风入口
110密封连接；所述内环境控制系统200通过设置有所述排湿装置230的第二管路202与所述冷风/排湿出口120密封连接；所述风力循环装置220密封连接在所述第一管路201与所述第二管路202之间；所述监测装置240设置在所述控制箱内并与所述监测系统300信号连接。

[0019] 本发明基于传热学原理与自动控制技术，设计一种灾害性气候模拟装置，通过控制作物生长环境要素，为进一步探明/揭示田间作物对复合环境变化的响应机理提供重要的技术手段。其中，内环境控制系统结合控制箱的设置，用于实现对温度、风速和空气湿度等环境要素同步精准控制的目标。本发明通过对环境要素进行复合控制模拟田间试验，针对温、湿、风极端变化对作物生长发育的影响展开深入研究；本发明通过内环境控制系统控制控制箱的内环境变化，模拟作物生长的既定环境；通过对作物状态监测单元可以对箱体内温度、湿度、风速、光照、土壤温度、土壤含水量及作物叶面温度等生长环境指标进行监测和处理，并实时传递到处理控制单元，实现了对作物受干热风影响程度的实时监测，以期观测复合环境变化对作物生长发育的影响，为典型气候条件下农业气象灾害的监测、评估、预警、防控技术提供参考依据。

[0020] 本发明依据热风/冷风穿流、排湿干燥的原理，采用模块化设计，以温度、穿流风速、风量、空气湿度等为控制要素，利用控制箱、内环境控制系统(主机)、监测系统为主控件，所研制出的可移动、要素变化精度可控的灾害性气候模拟装置，根据农业气象灾害对环境指标的界定，控制环境温度、空气湿度和平均风速达到既定要求并在一定的误差控制范围内可控。

[0021] 本发明上述灾害性气候模拟装置大体具有以下几个特点：①箱体外形尺寸尽量小、可依需要设置可折叠的滚轮，提高装置的便携性；②集数据采集、过程控制、信息传递为一体，通过传感器将实时数据反馈至系统主机，控温控风选用“热风穿流”技术，控湿采用“分流法”控制干湿其他的比例，实现对箱体内环境要素的实时监测、传输和存储；③提高装置的控制精度、控制时间等，以期达到预期环境控制目标。本申请是建立农业气象灾害模拟基础上的技术设备，用于探索农业气象灾害模拟技术的运用，科学控制参数，优化操作程序，为不同研究区域内农业健康可持续发展提供科学支持和解决方案，对实现环境精准控制技术的进一步优化意义重大。

[0022] 注：上述“热风穿流”技术是指在风穿过箱体的过程中，风是传递热量的介质，是向箱体内传递热量和带走湿度的载体。从一方输入，一方输出就是穿流。上述“分流法”是指在风穿过箱体的过程中，合理地控制风量是穿流过程中提高温度降低湿度的重要手段，具体实现时，可采用在入风口和出风口设置百叶片来对风速进行调节。

[0023] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述监测装置包括：温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器和土壤水分传感器。

[0024] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述监测系统包括：PLC、控制面板和显示装置；所述控制面板和显示装置分别与所述PLC电连接；所述监测装置与所述PLC信号连接；所述控制面板用于通过所述PLC调节所述监测装置的触发值，及所述显示装置上所显示的参数内容；所述显示装置用于显示所述监测装置所反馈的参数信息。

[0025] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述热风发生装置为翅片管散热器和/或阻丝散热片。

[0026] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述控制箱内还设置有高压钠灯。高压钠灯的设置用于在控制箱采光不足的情况下进行补光，还可用于配合模拟炎热干燥的夏季气候。

[0027] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述控制箱由透明材质制成。透明材质制成的控制箱不仅可以充分利用外界光照满足箱内作物的光照需求，还能利用温室效应节约控制箱内增温时所需的能耗。

[0028] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述控制箱的底面安装设置有万向轮，方便提升控制箱的移动便捷性。

[0029] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述控制箱的底面通过金属支架连接所述万向轮。金属支架的设置将控制箱底部与地面相隔开，并为万向轮提供可折叠收纳的空间，既满足控制箱的移动需要，又能对地面与控制箱底部间发生的热交换形成有效阻隔。

[0030] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，当所述灾害性气候模拟装置放置在地面上时，所述控制箱的底面与地面之间围罩有保温幕帘。保温幕帘的设置能够更进一步避免控制箱内的热量从底部发生流失，同时也抑制地面温度对控制箱内温度造成的负面影响。优选地，上述保温幕帘采用黑色的厚制帆布，外延平铺至地面。

[0031] 进一步地，在本发明的其中一个优选技术方案中，所述内环境控制系统还包括制冷装置；所述制冷装置设置在所述控制箱内并与所述监测系统信号连接。

[0032] 具体的：

[0033] 为实现对温度、风速、空气湿度的精准控制、实时监测等功能，本系统需要经传感器采集、处理传输信号，显示、存储和查询数据等功能，是一个包含信号采集、数据处理、监测、显示和控制的系统。当启动整个控制程序，控制系统识别通过空气湿度传感器、风速传感器的信号，以期达到设定温度/湿度/风速等初始值，进而循环风机将湿润/干燥的空气通过风道均匀或带有一定速度的送至环境控制箱内。箱体内空气再从另一侧排出环境控制箱，送至环境控制主机系统处，如此往复循环，以期稳定达到设定湿度/风速等的设定值。①温度控制环节部件选用电阻丝散热片和半导体制冷片，控制增加或降低温度的时间，通过高精度传感器在测量箱体内检测实时温度，当箱体内温度高于设定温度值，停止供热/加大半导体制冷；当箱体内温度低于设定温度时候，继续加热/关闭半导体制冷，实现对箱体内温度参数的有效控制；②在穿流中，风是传递热量的介质，是向作物传递热量的载体，合理地控制风量也是环控中的重要因素。风机吹出来的风量经过加热/制冷装置即形成热空气/冷空气，通过风道送进箱体内，可带有一定的速度也可以均匀送至箱体内；③加湿装置在作物干燥的过程中对箱体内空气湿度进行干预，主要是调节干空气和湿空气的比例，以达到降低/提高空气湿度的预期效果；④送至箱体内达标的环境要素，在经过出风口送回至主机处，再进行干预，往复循环，直至达到环境控制要求的时间要求；⑤本地操作控制面板及温湿度仪表可对加热和加湿进行控制，温湿传感器可对干燥的温度和湿度进行检测，然后将数值反馈到温湿度仪表，控制面板再对热风的温度和加湿量进行调节；⑥在环境控制过程中，大多以时间为控制参数向执行机构输送指令，使其按照程序进行运作。为使试验装置具有较好的适应性，能够在田间要求范围内进行试验，控制系统对时间的有效控制是不可缺少的；⑦为便于操作，监测系统采用PLC控制系统，控制面板可用于调节环境因素运行时间，以及温湿度控制的温湿度上下限和运行时间；控制面板中安放的显示界面可显示当前干球温度、湿球温度、各传感器运行状态和运行时间等。例如：当温度低于目标温度时，温度传感器将箱体内实际温度输入至PLC模拟量输入模块，PLC程序将热风温度实际值与热风温度设定值进行比较；当热风温度低于设定值时，输出加热器启动信号，对热风进行加热；当热风的温度达到设定值时，PLC系统自动切断加热器电源，停止加热，使干燥室温度维持在一个稳定范围变化。湿度的控制根据设定干燥加湿的时间段启动内部时间计时器。当需要加湿时，PLC内部时间计时器输出，启动湿度调节系统，程序自动将干燥室内湿度传感器湿度值与湿度设定值相比较。⑧软件部分包含有主程序、中断服务、测量、按键、显示、温度补偿和查表等功能模块。⑨设计中，装置的温度控制范围-40℃～60℃，误差，控制精度±1℃；湿度控制范围0～100％，控制精度±3％；风速控制范围0～5m/s，控制精度±0.2m/s。

[0034] 其中，(1)控制箱，①箱体尺寸可优选为长×宽×高＝0.8×1.2×1.2m3的长方体，箱体底部中心有长×宽＝0.5×1.0m2长方形中空，用于将田间作物置入控制箱的箱体内。上述长方形中空的四周以黑色厚制帆布外延平铺至地面，用于保证箱体内热量和风速不轻易流失；②箱体侧面靠上开一φ0.2m圆形孔，用作热风入口；在热风入风口处加一个可活动的百叶，用于控制入风量，防止植株倒伏；③在作热风入口对侧靠下同样开一φ0.2m圆形孔，用作冷风、排湿出口；④出风、入风口均通过软管连接至内环境控制系统；为实现控制箱和内环境控制系统的整机性，接缝处需做密闭处理；⑤控制箱箱体材料选用透光率较好的厚制透明材料制造，具有一定的隔绝作用，最大限度的隔绝与外界环境的热量交换过程，最大限度地保证热源/冷源；⑥控制箱箱体底部四角安装以可上折的滑轮，当滑轮触地时可方便箱体自由移动，当滑轮向上折叠时，箱体可固定在已选择的样方处并与地面紧密接触，用于方便控制箱移动的同时，保证箱体内热量和风速不轻易流失；⑦控制箱箱体虽采用透明材质制造而成，但仍损失了一部分太阳光照，内置高压钠灯(HID)可以有效进行补光调节，及时补充田间实际日照的遮挡和反射损失，亦能平衡空气输送中热量的变化；⑧箱体内置温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器，用于实时测定控制箱箱体内的环境要素，上述环境要素包括但不限于空气温度、空气湿度和风速；内置在控制箱内的传感器还能将信号返回监测系统，检测其是否达到环境控制要求；⑨排湿系统安装在出风口处；⑩土壤水分传感器的设置用于测定和监测土壤水分。

[0035] (2)内环境控制系统(主机)，①根据需要开启或关闭热风发生装置(翅片管散热器和/或阻丝散热片)，以达到增加/降低/不调节空气温度的目的；②根据需要开启或关闭排湿装置(排湿系统)，以达到增加/不调节空气温度的目的；当干燥室内的湿度高于设定值时，排湿系统与进风系统同时自动打开，此时，干燥室内的湿空气被排出，干燥的新鲜空气进入到干燥室内，当干燥室内湿度低于设定值时候，排湿系统和进风系统会同时关闭，确保干燥室内的湿度始终在设定范围内；此外，在排湿系统和进风系统会同时关闭的前提下通过提升控制箱内的温度亦能达到增加控制箱内空气湿度的技术效果；③根究需要开启或关闭风力循环装置，以达到提高/不调节空气风速的目的；④为控制箱进一步设置的金属支架，用于防止户外箱体受凝露、雨水潮湿气体渗透至箱内的影响；⑤为防止控制箱内设置的传感器发生损坏或更进一步延长传感器的使用寿命，可在传感器内设置干燥剂。

[0036] (3)监测系统，为实现对温度、风速、空气湿度的精准控制、实时监测等功能，本系统需要经传感器采集、处理传输信号，显示、存储和查询数据等功能，是一个包含信号采集、数据处理、监测、显示和控制的系统。温度控制环节部件选用电阻丝散热片和半导体制冷片，控制增加或降低温度的时间，通过高精度传感器在测量箱体内检测实时温度，当箱体内温度高于设定温度值，停止供热；当箱体内温度低于设定温度时候，继续加热；实现对箱体内温度参数的有效控制。空气湿度、风速的控制与温度控制相同，主要是通过排湿系统/风机的开闭实现，如此反复。当启动整个控制程序，控制系统识别通过空气湿度传感器、风速传感器的信号，以期达到设定温度/湿度/风速等初始值，进而循环风机将湿润/干燥的空气通过风道均匀或带有一定速度的送至环境控制箱内。箱体内空气再从另一侧排出环境控制箱，送至环境控制主机系统处，如此往复循环，以期稳定达到设定湿度/风速等的设定值。为便于操作，监测系统采用PLC控制系统，控制面板可调节环境因素运行时间，以及温湿度控制的温湿度上下限和运行时间；监测系统的控制面板中界面可显示当前干球温度、湿球温度、各传感器运行状态和运行时间。设计中，优选作业参数如下：装置的温度控制范围-40℃～60℃，误差，控制精度±1℃；湿度控制范围0～100％，控制精度±3％；风速控制范围0～5m/s，控制精度±0.2m/s。

[0037] 与现有技术中的灾害性气候模拟装置相比，本专利具有以下优势：

[0038] 1、带有箱体滚轮，可在田间移动，方便对不同作物，不同区域的作物进行生长干预。

[0039] 2、集环境数据采集、过程控制、信息传递为一体，通过传感器及时将实时数据传递至主机，控温控风选用热风穿流技术，控湿采用分流法原理对干湿气比例进行控制，实现箱体内对温、湿、风等的在线测量和传输。

[0040] 3、减少仪器外形尺寸，提高装置的便携性，可移动性。

[0041] 4、对温度、风速、湿度变化的区间、时间等进行实时调控，以期达到灾害发生强度，取环境控制条件下的作物生长发育过程的变化为参照，开展作物在温湿风控制环境下的灾害模拟试验，定量描述温湿风复合环境下作物生长发育的响应。

[0042] 应用例：

[0043] 利用该研发装置模拟小麦灌浆期间，温度、湿度、风速复合作用下的干热风灾害对冬小麦生长发育的影响。

[0044] ①温度对田间作物影响：保持无风，恒定湿度的条件下，模拟研究作物不同生育阶段对不同温度的响应机理，以作物产量、株高等产量构成要素为试验判定指标。适用于干旱、高温等农业气象灾害对作物影响的模拟试验研究中。

[0045] ②湿度对田间作物影响：保持无风，恒定温度的条件下，模拟研究作物不同生育阶段对不同湿度的响应机理，以作物产量、株高等产量构成要素为试验判定指标。适用于高湿环境下对滋生病虫害的模拟试验研究中。

[0046] ③风速对田间作物影响：保持恒定温度、湿度的条件下，模拟研究作物不同生育阶段对不同风速的响应机理，以作物产量、株高等产量构成要素为试验判定指标。适用于模拟研究作物抗倒伏试验。

[0047] ④温度、湿度和风速复合对田间作物影响：在冬小麦灌浆期间，一般是5月初至6月中旬，通过同时控制温度、湿度、风速环境因素，以达到干热风灾害发生的条件(温度≥34℃，湿度≤30％，风速≥3m/s)，对比分析进入主控箱的冬小麦受以上三个环境因素变化的影响，深入分析环境因素的变化对作物的影响机理。适用于干热风模拟研究中。

[0048] 与现有技术中的田间环境模拟装置相比，本发明具有以下至少一种优点：

[0049] (1)箱体结构简单，成本低廉，及操作方便；

[0050] (2)装置具有通用性，能满足温度、湿度、风速在一定范围内可调，科学监控箱体内环境变化，具有可控性、适应性强、模拟可靠等优点，适用于大田作物生长发育的气象环境模拟试验的广泛开展.

[0051] 上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

标题	发布/更新时间	阅读量
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