Eddy2311f閉路渦動協(xié)方差采集系統(tǒng)
1.產(chǎn)品概述
渦動相關(guān)方法(或渦動協(xié)方差方法,即EC),是一種微氣象學(xué)測量方法,它可以直接測量生物圈與大氣圈之間的湍流交換通量, 已成為當(dāng)前地氣交換研究中和的通量觀測方法。EC通過測量三維風(fēng)速、溫度、水汽和二氧化碳濃度等的快速變化, 由計算水平風(fēng)速分量或某一標(biāo)量濃度與垂直風(fēng)速的協(xié)方差得到湍流輸送量。
Eddy2311f 型閉路渦動協(xié)方差采集系統(tǒng)（即閉路式通量觀測系統(tǒng)）是一款高性能、高可靠性的科研級閉路渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)，可用于大氣與生態(tài)系統(tǒng)之間的二氧化碳、水汽、熱量和動量交換的長期監(jiān)測。
2.系統(tǒng)組成
Eddy2311f 型閉路渦動協(xié)方差采集系統(tǒng)是由Eddy2311f閉路氣體分析儀、三維超聲風(fēng)傳感器、空氣溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、降雨傳感器、DR-805數(shù)據(jù)采集器以及其他配件組成，系統(tǒng)高度集成，該系統(tǒng)可通過編程控制實現(xiàn)水汽及二氧化碳氣體的自動零點標(biāo)定和跨度標(biāo)定，真正做到免維護系統(tǒng)自動運行，大大減少了終端用戶的維護成本；同時，該系統(tǒng)采樣進氣口采用渦旋過濾技術(shù)，可有效降低樣品采集過濾系統(tǒng)的維護成本。能夠為用戶提供“交鑰匙”系統(tǒng)，極大得方便了用戶的使用。
3.產(chǎn)品特點
? 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)：腔室內(nèi)同步測量的二氧化碳和水汽混合比，樣品腔室溫度和壓力，以及三維風(fēng)速和超聲虛溫，輸出更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；
? 堅實耐用：適用于野外各種惡劣環(huán)境，操作簡單、維護方便，免維護周期180天
? 抗雨性強：創(chuàng)新的內(nèi)部信號處理算法和探頭防雨網(wǎng)大幅度地改善了三維超聲風(fēng)速儀在降水事件期間的測量性能；
? 進氣管配有加熱器，防止水汽冷凝
? 的微氣象測量方法，原理上不基于任何假設(shè)，無需經(jīng)驗參數(shù)，計算方法有完善的理論論證
? 連續(xù)觀測CO2、H2O通量和環(huán)境要素，評價不同時間尺度的碳水通量特征及其環(huán)境響應(yīng)
? 系統(tǒng)集成度高，包含所需各種儀器及配件
? 頻率響應(yīng)性能優(yōu)異
? 低功耗，支持多種供電方式
4.工作原理及分析儀優(yōu)勢
該系統(tǒng)實際運行中，超聲風(fēng)速儀高頻響應(yīng)三維風(fēng)速（Ux、Uy、Uz）和虛溫（Ts），CO2/H2O 分析儀高頻響應(yīng) CO2 和 H2O，數(shù)據(jù)采集器實時采集這些變量數(shù)據(jù)，并對其做同步處理，之后在線計算得到感熱通量、潛熱（水汽）通量、CO2 通量、動量通量及摩擦風(fēng)速，以及這些數(shù)據(jù)所需的協(xié)方差/均值等，并將計算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)采集單元，與此同時各種高頻變量的原始數(shù)據(jù)也會保存在數(shù)據(jù)采集單元中，用戶可以對這些原始數(shù)據(jù)進行后期處理（分析和插補），從而獲得理想通量數(shù)據(jù)。
Eddy2311f優(yōu)勢：光腔衰蕩光譜技術(shù)能夠在高精度和10Hz或20Hz通量模式下，以ppb級靈敏度來測量 CO2和水汽。在通量模式下，分析儀以10Hz測量并得出所有二種組分的濃度。
優(yōu)異的長期穩(wěn)定性：為確保長時間測量精度，即使是在惡劣環(huán)境下，Eddy2311f也能夠憑借其精心的材料選擇和精細的機械設(shè)計來實現(xiàn)精確的溫度與壓強控制。由于激光會在所有儀器中發(fā)生漂移，因此 Eddy2311f還使用一種高精度波長監(jiān)控器來保持光譜位置。這款分析儀真正的之處在于分析儀不僅能夠在低流量精度模式下操作，還能夠在通量（快速流動）模式保持長期穩(wěn)定性。
漂移問題：頻繁的參比氣體測量會浪費昂貴的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體，同時還會耗用寶貴的數(shù)據(jù)測量時間。即使一小時內(nèi)只用五分鐘來進行氣瓶測量都會導(dǎo)致每年有 30 天的時間丟失數(shù)據(jù)。由于儀器和溫度漂移而須頻繁進行的數(shù)據(jù)校正會耗用大量時間、引入誤差，并增大出錯的機會。這就是為什么我們會更專注，來確保每臺儀器都符合低漂移標(biāo)準(zhǔn)。
通量模式：將風(fēng)速計經(jīng)由 RS232 而直接插入到至Eddy2311f分析儀中可以簡化儀器設(shè)置和數(shù)據(jù)分析過程，使我們的分析儀自動同步并將數(shù)據(jù)實時整合至一個文件中。為了能夠通過風(fēng)速計來集成相對濕度等其它傳感器，分析儀提供了最多四列額外的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的分析儀還包括更高精度 CO2 通量模式，以便用于最嚴苛的研究應(yīng)用。
5.技術(shù)指標(biāo)
產(chǎn)品名稱 | 性能參數(shù) |
閉路式通量傳感器(即閉路渦動協(xié)方差傳感器，型號：Eddy2311f） | 1.氣體分析儀測量性能 工作溫度：-30°到 +50℃ 工作壓力：70 到 106 kPa 工作頻率：10Hz或20Hz 氣體采樣泵流速：3～8LPM,具有自動控制功能 供電電壓：10到16Vdc 功耗：14.8W（上電后穩(wěn)定狀態(tài)） 輸出波寬：5, 10, 12.5, 或 20 Hz；用戶可編程控制 輸出選項：SDM, RS-485, USB, 模擬量（僅CO2和 H2O） 輔助輸入：空氣溫度和壓力 傳輸管長度：根據(jù)需求可定制 氣體分析儀技術(shù)規(guī)格 樣品腔室熱敏電阻精度：± 0.15℃ (-30°至 50℃) 樣品腔室壓力精度：±1.5kPa (＞0℃)， 線性增加到 ±3.7 kPa @ -30℃ 輸出參數(shù)： Ux (m/s) Uy (m/s) Uz (m/s) 超聲虛溫 (℃) CO2 混合比 (μmol/mol)，CO2通量 H2O 混合比 (mmol/mol)，水汽通量 顯熱通量 樣品腔室溫度 (℃) 樣品腔室壓力 (kPa) 三維超聲風(fēng)速儀診斷值 CO2信號強度 H2O信號強度 差壓 (kPa) 光源溫度 (℃) H2O性能參數(shù)： 量程：0～75 mmol/mol 準(zhǔn)確度：＜2%（或優(yōu)于2%） 增益漂移（）：±0.3%讀數(shù)/℃ CO2性能參數(shù)： 量程：0～1000µmol/mol 準(zhǔn)確度：＜1%（或優(yōu)于1%） 零點溫度漂移（）：±0.3µmol/mol/℃ 增益漂移（）：±0.1%讀數(shù)/℃ 啟動風(fēng)速：0.3m/s 抗風(fēng)強度：75m/s 風(fēng)速測量精密度：Ux 和 Uy：1mm/s（RMS）， Uz：0.5mm/s（RMS） 材質(zhì)：金屬材質(zhì) 具有防雨功能 啟動風(fēng)速：0.3m/s 抗風(fēng)強度：75m/s 風(fēng)向測量精密度：0.6° 其他參數(shù)性能： 超聲溫度分辨率：＜±0.025℃（RMS）@25℃ 3.空氣溫濕度傳感器測量性能 量程：-80～60℃（鉑電阻RTD），0-99%RH 精度（20℃時）：溫度±0.17℃；濕度±1% 響應(yīng)時間： 10秒 溫度依賴性：±0.05%RH/℃ 長期穩(wěn)定性：＜1%RH/年 可重復(fù)性：±0.03hPa，分辨率：±0.01mb 長期穩(wěn)定性： ±0.1hPa/年，啟動時間：1秒 操作溫度：-40-60℃ 5.2渦動通量在線校正計算軟件：可提供在線野點去除，協(xié)方差同步數(shù)據(jù)延時，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，頻率修正，超聲感熱修正，空氣密度修正，通量源區(qū)特征分析，數(shù)據(jù)質(zhì)量分級，實時分析診斷，數(shù)據(jù)下載狀態(tài)等功能。 5.3數(shù)據(jù)采集軟件：數(shù)據(jù)采集單元參數(shù)配置、收集數(shù)據(jù)的配套操作軟件，可用來對軟件參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)下載、收發(fā)程序、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、查看采集到計算機的數(shù)據(jù)、畫圖、取放卡、轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)等功能。 |
數(shù)據(jù)采集與遠程傳輸單元（型號：DR-805） | DR-805數(shù)據(jù)采集器是一款集成數(shù)字量，模擬量，差分信號量等多種信號處理方式于一體，具有存儲功能的數(shù)據(jù)采集器。該采集器可以在外部接入溫度傳感器，光合有效傳感器，總輻射傳感器，日照傳感器，地溫傳感器，風(fēng)速風(fēng)向傳感器，濕度傳感器，蒸發(fā)傳感器，二氧化碳傳感器，閉路渦動協(xié)方差傳感器，氣壓傳感器，氣體濃度傳感器和雨量傳感器等。 模擬電壓范圍：±5VDC 模擬電壓單端通道數(shù)量：12個 模擬量測量精度：±（0.04%讀數(shù)+偏移量）@0-40℃ A/D 轉(zhuǎn)換位：24 位 通訊方式： RS-232、RS-485，SDM，SDI-12 等 功耗：＜1mA（休眠狀態(tài)）；3mA（1Hz工作狀態(tài)） 帶有 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)，USB 等通訊接口 附 件： 防水機箱：帶有雙導(dǎo)管電纜口，防護等級：IP65；防水，防紫外； 具有腳本語言，支持用戶編程，提供完整的腳本語言說明； 配套渦動通量在線校正計算軟件：可提供在線野點去除，協(xié)方差同步數(shù)據(jù)延時，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，頻率修正，超聲感熱修正，空氣密度修正，通量源區(qū)特征分析，數(shù)據(jù)質(zhì)量分級，實時分析診斷，數(shù)據(jù)下載狀態(tài)等功能。 |
6.系統(tǒng)選址及安裝說明
6.1系統(tǒng)安裝說明
系統(tǒng)設(shè)備安裝方式靈活，但須保證儀器垂直放置，固定牢固。為避免雷擊，輻射的高壓靜電損壞儀器或傷人，儀器必須通過安裝管正確接地。不接地將會降低設(shè)備性能，尤其在電磁干擾比較嚴重的地方。接地導(dǎo)線通過底部的螺孔與儀器連接，導(dǎo)線截面積最小6平方毫米。供給超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的電源為24V±20%，并且此電源應(yīng)具有較小的紋波電壓。
系統(tǒng)不應(yīng)安裝在靠近高能雷達或無線發(fā)射器的旁邊。進行現(xiàn)場勘測，以確定當(dāng)?shù)氐碾娮痈蓴_。不要與任何雷達掃描裝置在一個平面上安裝，至少應(yīng)該保持2米以上的距離。
避免周圍建筑物比如樹、電線桿、高樓等這些可能會影響到氣流或產(chǎn)生紊亂的裝置，這可能對測量精度產(chǎn)生影響。安裝在盛行風(fēng)的一側(cè)。
6.2系統(tǒng)選址原則
渦動相關(guān)方法最初建立在地形平坦、植被粗糙度較低的下墊面的基礎(chǔ)上。由于地形起伏地區(qū)各種植被下墊面與大氣間的能量和物質(zhì)通量交換有著重要意義，現(xiàn)在大量通量站都建在較復(fù)雜的環(huán)境中。
觀測塔的位置應(yīng)盡可能選在自己所感興趣且有代表性的生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中，要求有足夠長的上風(fēng)距離（Fetch），可以先做風(fēng)玫瑰圖和足跡（Footprint）分析以確定一定觀測高度上，不同穩(wěn)定度
條件、風(fēng)速和風(fēng)向下被測量通量的源區(qū)。一般來說，觀測塔的位置應(yīng)該選在觀測區(qū)域內(nèi)地形相對較為平坦的地方，以減少平流的影響。
在塔的建設(shè)、安裝和運行期間，應(yīng)該盡可能減少對周圍環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的影響，且觀測塔應(yīng)建立在受相鄰生態(tài)系統(tǒng)干擾最小的地點。
一般情況下經(jīng)驗值，風(fēng)浪區(qū)(Fetch)是儀器安裝高度的100倍，也就是說如果塔高2米，那么測得的大部分通量來自于塔至上風(fēng)距離200米處的橢圓形區(qū)域；而在夜晚低風(fēng)速、穩(wěn)定條件下能達到安裝高度的500倍。
通常情況下，儀器安裝高度遵循以下原則：當(dāng)冠層高度低于3米時，建議安裝在冠層高度2倍以上、傳感器路徑長度的3至5倍以上、0.01倍上風(fēng)距離以下，且至少高于冠層高度1.5米；當(dāng)冠層高度大于3米時，建議安裝在冠層上方3米左右、0.01倍上風(fēng)距離以下。安裝在常通量層，因為這一層通量不隨高度增加而改變。
三維超聲風(fēng)探頭應(yīng)朝向主導(dǎo)風(fēng)向，并注意盡量減少由于塔結(jié)構(gòu)本身形成的流場阻擋或扭曲干擾的影響。三維超聲傳感器應(yīng)保持水平(超聲坐標(biāo)系的Z軸保持在垂直方向)以減少風(fēng)向變化帶來的不確定性。對于分體式渦動，氣體分析儀的探頭應(yīng)安裝在距離三維超聲傳感器的水平10至20cm，下方垂直0至20cm(因為距離過近會導(dǎo)致自然氣流的畸變從而影響通量的測量)；當(dāng)儀器架在15米以上時，水平距離和垂直距離可以增大到30至50cm。
7.安裝案例
