专利名称：用于双分析器气体交换系统的偏置补偿技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于双分析器气体交换系统的偏置补偿技术。背景本发明一般地涉及气体交换观测系统，且更具体地涉及含有带有优化的气流交换配置来补偿分析器偏置的双分析器的开路的光合测量系统。植物光合作用、蒸腾和呼吸测量一般用测量气体交换测得。宽泛地，可用开路的或闭路的系统来执行气体交换测量。开路的气体交换系统将植物的一部分或有时是全部放置在样本室内。具有已知浓度的流动气体(用于光合作用的CO2以及用于呼吸作用的H2O)以已知的质量流速被注入样本室。这个气流在下文中被称为室流入物。在室出口处测量气体浓度，且该出口处气流在下文中称为室流出物。在稳定的状态假设下，流入物和流出物之间的浓度差，以及质量流速，则被用于计算气体交换的速率(如，使用CO2差异计算光合作用以及使用H2O差异计算呼吸作用)。较低的光合作用以及呼吸作用速率的气体交换测量，尤其是在较小的叶子区域处，需要对于流入物和流出物浓度之间的微小差异的准确测量。然后使用这些绝对浓度的被计算出来的差异来计算光合作用和呼吸作用速率。开路的气体交换系统一般使用一个或两个气体分析器。单分析器系统使用阀门来将流过单分析器的流从室流入物交换为室流出物，然后换回来。双分析器系统使用一个分析器来测量室流入物，使用另一个分析器来测量室流出物。双分析器系统中的基本复杂化因素是一个分析器可能与另一个分析器有偏置。由于分析器组件的老化或者操作环境的变化，这个偏置一般是很慢地变化的。另外，这个偏置可能是正在测量的绝对浓度的函数。任何分析器偏置人为地表现为气体交换。因此，双分析器系统必须具有用于补充这些分析器偏置的机构。单分析器系统并没有受到这个的影响， 因为使用同一个分析器测量流入物和流出物流。因此，理想的是提供克服上述以及其他问题的系统与方法。

发明内容
本发明提供使用优化的气流交换配置来补偿双分析器偏置误差的系统与方法。各实施例提供在双分析器气体分析系统中补偿分析器偏置的系统与方法。各实施例约比双分析器系统的已知方法快两倍；所减少的时间转换为整体更快的气体交换测量。根据本发明的一个方面，提供了用在气体交换分析系统中的传感器。该传感器一般地包括界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端，以及气体出口端。所述传感器还一般地包括被配置为测量气体浓度的第一气体分析器、被配置为测量所述气体的浓度的第二气体分析器、以及气流交换设备，其具有与所述样本室的气体出口端相耦合的第一输入端、与气体源相耦合的第二输入端、与所述第一气体分析器相耦合的第一输出端、以及与所述第二气体分析器相耦合的第二输出端。在一般操作中，响应于控制信号，该气流交换设备自动地在第一配置和第二配置之间转换，其中在第一配置中所述气流交换设备将第一输入端与第一输出端相耦合、将第二输出端和第二输入端相耦合，且其中在第二配置中所述气流交换设备将第一输入端和第二输出端相耦合、将第二输入端和第一输出端相I禹合。根据本发明的一个方面，提供了在气体交换分析系统中使用的传感器头。该传感器头一般地包括界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端，以及气体出口端。所述传感器头还一般地包括被配置为测量气体浓度的第一气体分析器、被配置为测量所述气体的浓度的第二气体分析器、以及气流交换设备，其具有与所述样本室的气体出口端相耦合的第一输入端、与气体源相耦合的第二输入端、与所述第一气体分析器相耦合的第一输出端、以及与所述第二气体分析器相耦合的第二输出端。在一般操作中，响应于控制信号，该气流交换设备自动地在第一配置和第二配置之间转换，其中在第一配置中所述气流交换设备将第一输入端与第一输出端相耦合、将第二输出端和第二输入端相耦合，且其中在第二配置中所述气流交换设备将第一输入端和第二输出端相稱合、将第二输入端和第一输出端相f禹合。根据本发明的又一方面，提供可用于测量气体交换分析系统中气体浓度差的方法，所述系统具有传感器头，该传感器头具有界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端以及气体出口端。该方法一般包括使用气流交换设备提供第一气流路径配置，该第一配置具有在样本室的输出端和第一气体分析器之间的第一气流路径，以及在气体源和第二气体分析器之间的第二气流路径。该方法一般还包括使用第一气体分析器在输出端测量离开样本室的气体的第一浓度，使用第二气体分析器测量来自气体源的所述气体的第二浓度，基于所述第一浓度和所述第二浓度而确定所述气体的第一浓度差，且然后，响应于控制信号，使用所述气流交换设备自动地转换到第二气流路径配置，所述第二配置具有在样本室的输出端和第二气体分析器之间的第三气流路径、 以及在气体源和第一气体源之间的第四气流路径。在特定方面，该方法进一步包括使用第二气体分析器在输出端测量离开样本室的气体的第三浓度，并使用第一气体分析器测量来自气体源的所述气体的第四浓度。在特定方面，该方法进一步包括基于所述第三浓度和第四浓度来确定第二浓度差。在特定方面，所述方法附加地包括基于所述第一浓度差和第二浓度差之间的差异(所述差异被除以二)的绝对值而确定误差。参照本说明书的其余部分，包括附图
和权利要求书，将实现本发明的其它特征和优点。以下参照附图描述本发明的其它特征和优点以及本发明各个实施例的结构和操作。 在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。附图简述图I示出两个独立气体分析器(分析器I和分析器2)以及理论上完美的分析器的概念性的表现。图2示出根据一个实施例，带有处于第一配置的气流交换设备的开路气体交换系统。图3示出带有处于第二配置的气流交换设备的开路气体交换系统。图4示出根据一个实施例，测量图2的系统中的气体浓度差的方法。详细描述本发明提供用于在气体交换测量系统中补偿双分析器偏置误差的系统和方法。
一般地，有用于测量室流入物和流出物气体流浓度的两种技术1)动态地将单个气体分析器从室流入物转换到流出物，然后反过来，以及2)使用两个独立的气体交换分析器同时测量室流入物和流出物流。第一种技术一般简单且紧凑，因为只需要单个气体分析器。气体交换测量一般假设稳定状态的条件。对于单分析器系统，在从室流入物转换到流出物、或者流出物到流入物的时间段内，样本条件必须适当地稳定。除了所需的影响气流交换的时间之外，在气流从流入物切换到流出物以及切换回来时，分析器中的瞬变现象必须消散。第二种技术一般地增加了系统尺寸和复杂度，因为需要附加的分析器。双分析器系统在测量中具有更快的响应时间，因为不存在与单分析器系统中的气流交换相关联的瞬变现象。与单分析器系统不同，双分析器系统受到两个分析器之间在同一个气体浓度的偏置的影响。分析器之间的任何偏置将表现为非零差异，且这个非零差异将会被解读为气体交换(如，光合作用/蒸腾作用)。修正分析器之间的偏置对于较小交换速率的准确测量是非常重要的，因为这个偏置是该浓度差异的更显著的部分。图I示出两个独立气体分析器(分析器I和分析器2)以及理论上完美的分析器的概念性的表现。图I假设分析器I和分析器2接收并测量同一个气体组分。对于理论上完美的分析器，所测得的浓度精确地等同于真实浓度。真实分析器的偏离可能是分析器设计固有的(不相关于时间的)、分析器变化或退化的结果(相关于时间的)(如，光路径污染)、改变诸如温度之类的环境条件的结果(相关于时间的)、以及不可归因的“随机漂移” 的源(相关于时间的)。图I示出，在“匹配浓度”处，在分析器I和分析器2的所测得的浓度之间有偏置， 被标为“匹配偏置”。由于两个分析器接收并分析相同的气体组分，它们的测量应该是相同的。为了修正这个偏置误差，计算这个匹配误差并随后从分析器2的值中减去。图示地，图 I中，这将未匹配的分析器2响应(实线)改变为经匹配的分析器2响应(虚线)。假设该分析器响应曲线缓慢地改变，且假设所测量的浓度将会接近于“匹配浓度”的那些，偏置修正移除了所感知的气体交换的误差源。重要的是注意，假设图I中的分析器I和2的分析器响应曲线接近于一致。理论上完美的分析器具有精确地一致的响应曲线。偏置修正没有考虑到匹配浓度点附近的分析器曲线误差。尽管在图I中的分析器I和被匹配的分析器2中都存在很小的绝对浓度误差， 这个绝对浓度误差并不影响分析器I和经匹配的分析器2浓度之间的差异。匹配分析器已经移除了偏置误差，且在匹配浓度处的一致的分析器响应曲线的假设确保了在匹配浓度点附近的准确的浓度差异计算。当分析器响应曲线不再一致时，或者当浓度远离“匹配浓度点”时，浓度差异误差变得更加明显。因此，重要的是在做出测量的浓度附近匹配分析器。图2示出根据一个实施例的开环气体交换系统10。系统10包括调节好的空气供应20、两个气体分析器(分析器I和分析器2)和(被围住的)分析室40 (其中放置了被调查的样本)以及气流交换设备50。调节好的空气供应20包括的一个或多个气体源和气体调节设备。例如，在光合作用和蒸腾作用测量的上下文中，气体源可包括CO2和H2O库，且调节设备用于调节每一个气体浓度。分析室40提供样本的用于分析的已知测量体积。室40 包括与空气供应20相耦合的气体入口端和与匹配阀50相耦合的气体出口端。样本一般包括叶子或植物物质，但可包括需要测量气体交换特性的任何其他物质。调节好的空气供应20将稳定的气体浓度(如，稳定的CO2和H2O浓度)传递给系统。在一个实施例中，图2中所述的组件被包括在远离控制台(可包括空气供应和诸如智能模块之类的其他组件)的传感器头中(除了空气供应20之外)；含有远程传感器头的系统提供由用户操作的可能性和便利。各管道和连接件提供耦合如图所示各系统组件的液体流动路径。例如，在一个实施例中，来自空气提供20的经调解的空气供应由可变气流分流件30分为两个流。将受控且已知的质量气流，经由流量计35传递到室40的气体入口端，且剩余的气流从旁边通过叶子室40并被提供给气流交换设备50。室40的气体出口端也与气流交换设备50流体地耦合，以使室流出物被传递给气流交换设备50。在特定方面中，气流交换设备50包括如图所示的匹配阀，具有2个可能的配置。在图2中，气流交换设备(“匹配阀”)50被图示在第一配置中，室流入物被传递给气体分析器2，且室流出物被传递给气体分析器I。在任何任意时间，可将气流交换设备50的配置转换(如，响应于手动、或者自动地产生、响应于控制信号)为图3中所示的第二配置。利用第二配置中的气流交换设备，室流入物被传递给气体分析器1，且室流出物被传递给气体分析器2。气体分析器(分析器I和分析器2)可每一个包括红外气体分析器(IRGA)，如现有技术已知的那样，或者其他气体分析器。智能模块 (未示出)，如，处理器或计算机系统，与气体分析器耦合来控制系统10和气体分析器的操作并从气体分析器中接收代表气体浓度测量的数据信号。通过改变匹配阀的配置，初始地连接至室流出物的气体分析器连接至室流入物。 反之，初始地连接至室流入物的气体分析器连接至室流出物。通过改变阀门配置，每一个气体分析器所测量的气体流被有效地“交换了 ”。在图2中，用分析器2来测量经调节的空气供应(流入物)的浓度。就在“交换” 之前，分析器2所测量的浓度被记录为Cb (tj。然后将气流交换为图3的配置。在这个交换之后，存在其中分别的气体奔流通过气体分析器的瞬变时间td。在这个初始的瞬变之后， 分析器I所测量的浓度被记录为CaUftd)。假设经调节的空气供应浓度在时间段h < t
<t0+td内是稳定的，由于在交换之前(t < h)将经调节的空气供应传递给分析器2，在交换之后t> to被传递给分析器I，差异cb(tj-caUftd)代表分析器偏置。然后使用这个偏置值来修正所有之后的测量，直到下一个匹配时间间隔。现有的仪器，诸如LI-COR LI-6400和Walz GFS-3000仪器使用串联匹配方法。即， 在匹配过程中将分析器串联设置，然后以相同的流速看相同的气体流。这个操作状态并不允许同时地测量室流入物和流出物浓度。这些系统具有特定的匹配模式状态，在这个状态中不可做出气体交换测量。串联匹配需要约两倍时间的分析器奔流时间(上述的、)来完成匹配周期。在分析器在匹配模式中达到平衡时存在初始延迟(td)，在分析器回复到其正常操作配置之后，存在第二延迟时间(td)，在此期间瞬变消散。与使用诸如LI-COR LI-6400和Walz GFS-3000仪器之类现有仪器的串联匹配相比，此处公开的实施例有利地减少了用于分析器匹配的时间约2倍或更多。当改变匹配阀配置时需要初始延迟td，不过在这个延迟时间之后，本发明的实施例能马上恢复测量。单分析器系统不需要偏置修正或匹配模式，但考虑到通过将分析器从流出物转换到流入物，或者反之，而引入的瞬变，确需要类似的延迟时间td。在此处公开的实施例中，气体分析器不接收同样的气体流。因此，重要的是在匹配过程中经调节的气体供应的气体浓度是稳定的。经调节的气体供应的气体浓度的任何改变将被解读为附加的分析器偏置。然后这个错误的分析器偏置将不适当地被施加到将来的偏
置计算。图4示出根据一个实施例的测量气体交换测量系统10中的气体浓度差的方法 400。在步骤410中，通过设定气流交换设备到两个配置中的一个而将气流路径配置设定到第一配置，如，如图2中所示，定义样本室40的输出端和气体分析器I之间的第一气流路径，以及气体源(如，气流分流件30)和气体分析器2之间的第二气流路径。在步骤420中， 测量每一个气体分析器中的气流的气体浓度。例如，使用气体分析器I测量离开样本室的气体(室流出物)的第一浓度，使用气体分析器2测量来自气体源的气体的第二浓度。在步骤430中，确定基于第一浓度和第二浓度的气体第一浓度差。在步骤440中，通过设定气流交换设备到两个配置中的另一个而将气流路径配置设定到第二配置，如，如图3中所示， 定义样本室40的输出端和气体分析器2之间的第三气流路径，以及气体源(如，气流分流件30)和气体分析器2之间的第四气流路径。在特定方面，提供转换信号给气流交换设备而自动地在理想的时间转换气流配置。应该理解的是，步骤410和440中确定的流体交换设备的第一和第二配置的顺序的使用是可以互换的。在步骤450中，测量第二气流路径配置中每一个气体分析器中的气流的气体浓度。例如，使用气体分析器2测量样本室中存在的气体(室流出物)的第三浓度，使用气体分析器I测量来自气体源的气体的第四浓度。在步骤460中，确定基于第三测得的浓度和第四测得的浓度的气体第二浓度差。在步骤470中，基于步骤430和460中确定的第一浓度差和第二浓度差来确定偏置误差。在一个实施例中，例如，确定基于所述第一浓度差和第二浓度差之间差异(所述差异被除以二)的绝对值的偏置误差。在步骤480中，将代表偏置误差的数据显示在显示器或其他显示设备上或者进一步处理或用于产生(并显示)经修正的气体浓度测量。可使用集成在传感器头和/或气体分析提供的控制台和/或通信地与气体分析系统耦合的远程计算机系统中的智能模块来执行步骤430、460和470。可将用于实现各计算和控制步骤的代码存储在与智能模块耦合、或者智能模块可访问的存储器上，或者在诸如 ⑶、DVD、硬盘等任何有形计算机可读介质上提供。尽管通过示例且根据具体实施例描述了本发明，但可以理解，本发明不限于所公开的各个实施例。相反，旨在覆盖对本领域技术人员显而易见的各种变体和类似配置。因此，所附权利要求的范围应当根据最宽泛的解释，以便于包括所有这些变体和类似配置。
权利要求
1.用在气体交换分析系统中的传感器，所述传感器包括界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端，以及气体出口端；配置为测量气体浓度的第一气体分析器；配置为测量所述气体浓度的第二气体分析器；以及气流交换设备，其具有与所述样本室的所述气体出口端相耦合的第一输入端、与所述气体源相耦合的第二输入端、与所述第一气体分析器相耦合的第一输出端、以及与第二气体分析器相耦合的第二输出端，其中，响应于控制信号，所述气流交换设备自动地在第一配置和第二配置之间转换，其中在所述第一配置中，所述气流交换设备将所述第一输入端和所述第一输出端相耦合，将所述第二输出端和所述第二输入端相耦合，以及其中在所述第二配置中，所述气流交换设备将所述第一输入端和所述第二输出端相耦合，将所述第二输入端和所述第一输出端相f禹合。
2.如权利要求I所述的传感器，其特征在于，所述第一气体分析器和所述第二气体分析器各自包括IR气体分析器。
3.如权利要求I所述的传感器，其特征在于，由所述第一和第二气体分析器测量的所述气体包括CO2或H2O。
4.用在气体交换分析系统中的传感器头，所述传感器头包括界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端，以及气体出口端；配置为测量气体浓度的第一气体分析器；配置为测量所述气体浓度的第二气体分析器；以及气流交换设备，具有与所述样本室的所述气体出口端相耦合的第一输入端、与所述气体源相耦合的第二输入端、与所述第一气体分析器相耦合的第一输出端、以及与第二气体分析器相I禹合的第二输出端，其中，响应于控制信号，所述气流交换设备自动地在第一配置和第二配置之间转换，其中在所述第一配置中，所述气流交换设备将所述第一输入端和所述第一输出端相耦合，将所述第二输出端和所述第二输入端相耦合，以及其中在所述第二配置中，所述气流交换设备将所述第一输入端和所述第二输出端相耦合，将所述第二输入端和所述第一输出端相f禹合。
5.如权利要求4所述的传感器头，其特征在于，由所述第一和第二气体分析器测量的所述气体包括CO2或h2o。
6.如权利要求4所述的传感器头，其特征在于，所述第一气体分析器和所述第二气体分析器各自包括IR气体分析器。
7.用于测量气体交换分析系统中气体浓度差的方法，所述系统具有传感器头，该传感器头具有界定样本的用于分析的测量体积的样本室，所述样本室具有与气体源相耦合的气体入口端以及气体出口端，所述方法包括使用气流交换设备提供第一气流路径配置，所述第一配置具有在所述样本室的输出端和第一气体分析器之间的第一气流路径，以及在所述气体源和第二气体分析器之间的第二气流路径；使用所述第一气体分析器在所述输出端测量离开所述样本室的气体的第一浓度；使用所述第二气体分析器测量来自于所述气体源的气体的第二浓度；以及基于所述第一浓度和所述第二浓度来确定所述气体的第一浓度差，且其后响应于控制信号，使用所述气流交换设备自动地转换到第二气流路径配置，所述第二配置具有在所述样本室的所述输出端和所述第二气体分析器之间的第三气流路径，以及在所述气体源和所述第一气体分析器之间的第四气流路径。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括使用所述第二气体分析器在所述输出端测量离开所述样本室的气体的第三浓度；以及使用所述第一气体分析器测量来自于所述气体源的所述气体的第四浓度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述第三浓度和第四浓度来确定所述气体的第二浓度差。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一浓度差和第二浓度差之间差异的绝对值而确定误差，所述差异被除以二。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，由所述第一和第二气体分析器测量的所述气体包括CO2或H20。
全文摘要
本发明涉及用于双分析器气体交换系统的偏置补偿技术。提供了用于在双分析器气体分析系统中补偿分析器偏置的系统与方法。气流交换设备，当处于第一配置中时，将室流入物传递到第一气体分析器，且将室流出物传递到第二气体分析器。在任何任意时间，可将该气流交换设备的配置转换为，其中将室流入物传递到第二气体分析器，且将室流出物传递到第一气体分析器。通过改变匹配阀的配置，初始地连接至室流出物的气体分析器连接至室流入物。反之，初始地连接至室流入物的气体分析器连接至室流出物，实现分析器之间的偏置误差确定。各实施例约比用于双分析器系统的已知方法快两倍；所减少的时间转换为整体更快的气体交换测量。
文档编号G01N33/00GK102608262SQ20121002051
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月12日 优先权日2011年1月13日
发明者J·威尔斯 申请人:利康股份有限公司