二氧化碳浓度的测量与控制

　　温室大棚是一个相对封闭的环境,使得大棚里的二氧化碳浓度不足和日夜变化大,影响了植物的生长发育。利用现代化电子设备,可以根据各种植物的生长需要,对二氧化碳的浓度进行测量和控制,将大棚里的二氧化碳的浓度控制在最佳状态,使植物始终处于最佳生长环境中,获得最好的收成。

　　1　大棚内二氧化碳的状况

　　由于植物的光合作用,大棚内二氧化碳浓度的日夜变化比较大。根据有关资料报道,黄瓜大棚内二氧化碳的浓度变化如图1所示。

　　从图1可以看到,大棚内早上的二氧化碳浓度最高,达到1.2mL/L;随着白天植物光合作用的增强,二氧化碳的浓度保持比较低的水平。在下午16时以后,植物的光合作用减弱,二氧化碳的浓度开始上升;到了晚上,在植物和土壤的作用下释放出二氧化碳,使二氧化碳的浓度逐渐达到一天中最高点。在其他作物的大棚中,二氧化碳浓度也有类似变化。

　　2　二氧化碳浓度的测量

　　专业的二氧化碳浓度测量仪表的价格在1万元/台左右,在一般用户中难以普及。我们采用化学与电子相结合的方法来测量二氧化碳的浓度,价格低,测量精度能够满足要求,每台的成本在几百元左右。测量原理如图2所示。

　　在反应器内放入适量的0.001当量浓度的碳酸氢钠溶液,并滴入少量甲酚红指示剂。此溶液在25℃时的pH值约7.9,呈深红色,二氧化碳的浓度大约0.3mL/L。当大棚中二氧化碳的浓度逐渐增加时,溶液中吸收的二氧化碳也增加,溶液的颜色逐渐从深红色向红色、桔红色、淡黄色变化,二氧化碳的浓度从0.3mL/L增加到1.4mL/L左右,溶液的pH值变化为7.30左右。所以,灯的光线透过该溶液照到光敏三极管的强度也发生变化,测量光敏三极管的输出电压就可以测量出大棚中二氧化碳的浓度了。

　　为了提高测量的精度,需要对反应器内溶液的温度进行控制。以热敏电阻作为温度传感器,以电阻丝为加热器,使溶液的温度基本保持在25℃。在用高精度的二氧化碳测量仪表测量浓度的同时,记录光敏三极管的输出电压值,把二氧化碳的浓度和对应的电压值以表格的方式存储在单片机中,供单片机控制程序使用。

　　3　二氧化碳气体的产生

　　在二氧化碳浓度的低的时候,需要向大棚输入二氧化碳来增加浓度。二氧化碳气体发生器及控制装置如图3所示。

　　存储在高位的稀硫酸通过管道进入盛有碳酸氢铵的容器中发生化学反应,产生的二氧化碳气体,经过水过滤后在鼓风机的作用下进入大棚。化学反应原理如下:

　　H2SO4+2NH4HCO32CO2+2H2O+(NH4)2SO4

　　在本反应中,硫酸与碳酸氢铵的化学反应产生二氧化碳气体、水和硫酸铵,其中硫酸铵是一种优质氮肥。稀硫酸、碳酸氢铵的加入量由单片机来控制。