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Eddy2311f閉路渦動(dòng)協(xié)方差采集系統(tǒng)
1.概述
渦動(dòng)相關(guān)方法(或渦動(dòng)協(xié)方差方法, 簡稱 EC) , 是一種微氣象學(xué)測(cè)量方法, 它可以直接測(cè)量生物圈與大氣圈之間的湍流交換通量, 已成為當(dāng)前地氣交換研究中的通量觀測(cè)方法。EC通過測(cè)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(jì)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 閉路式通量觀測(cè)系統(tǒng)是一款高性能、高可靠性的科研級(jí)閉路渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)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(dòng)量交換的長期監(jiān)測(cè)。
2.系統(tǒng)組成
Eddy2311f 閉路渦動(dòng)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，系統(tǒng)可通過編程控制實(shí)現(xiàn)水汽及二氧化碳?xì)怏w的自動(dòng)零點(diǎn)標(biāo)定和跨度標(biāo)定，真正做到免維護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，大大減少了用戶的維護(hù)成本，能夠?yàn)橛脩籼峁?span>“交鑰匙”系統(tǒng)，極大得方便了用戶的使用。
3.產(chǎn)品特點(diǎn)
l? 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)：腔室內(nèi)同步測(cè)量絕對(duì)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)；
l? 堅(jiān)實(shí)耐用：適用于野外各種惡劣環(huán)境，操作簡單、維護(hù)方便，免維護(hù)周期180天
l? 抗雨性強(qiáng)：創(chuàng)新的內(nèi)部信號(hào)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(cè)量性能；
l? 進(jìn)氣管配有加熱器，防止水汽冷凝
l? 微氣象測(cè)量方法，原理上不基于任何假設(shè)，無需經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算方法有完善的理論論證
l? 連續(xù)觀測(cè)CO2、H2O通量和環(huán)境要素，評(píng)價(jià)不同時(shí)間尺度的碳水通量特征及其環(huán)境響應(yīng)
l? 系統(tǒng)集成度高，包含所需各種儀器及配件
l? 頻率響應(yīng)性能優(yōu)異
l? 低功耗，支持多種供電方式
4.工作原理及分析儀優(yōu)勢(shì)
系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(shí)時(shí)采集這些變量數(shù)據(jù)，并對(duì)其做同步處理，之后在線計(jì)算得到感熱通量、潛熱（水汽）通量、CO2 通量、動(dòng)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(jì)算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)采集單元，與此同時(shí)各種高頻變量的原始數(shù)據(jù)也會(huì)保存在數(shù)據(jù)采集單元中，用戶可以對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理（分析和插補(bǔ)），從而獲得理想通量數(shù)據(jù)。
Eddy2311f優(yōu)勢(shì)：光腔衰蕩光譜技術(shù)能夠在高精度和 10 Hz 通量模式下，以 ppb 級(jí)靈敏度來測(cè)量 CO2和水汽。在通量模式下，分析儀以 10 Hz 測(cè)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(shí)間測(cè)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(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)精確的溫度與壓強(qiáng)控制。由于激光會(huì)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)控器來保持絕對(duì)光譜位置。這款分析儀真正的獨(dú)特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(dòng)）模式保持長期穩(wěn)定性。
漂移問題：頻繁的參比氣體測(cè)量會(huì)浪費(fèi)昂貴的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體，同時(shí)還會(huì)耗用寶貴的數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間。即使一小時(shí)內(nèi)只用五分鐘來進(jìn)行氣瓶測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致每年有 30 天的時(shí)間丟失數(shù)據(jù)。由于儀器和溫度漂移而須頻繁進(jìn)行的數(shù)據(jù)校正會(huì)耗用大量時(shí)間、引入誤差，并增大出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。這就是為什么我們會(huì)更專注，來確保每臺(tái)儀器都符合低漂移標(biāo)準(zhǔn)。
通量模式：將風(fēng)速計(jì)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(dòng)同步并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)整合至一個(gè)文件中。為了能夠通過風(fēng)速計(jì)來集成相對(duì)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，以便用于嚴(yán)苛的研究應(yīng)用。
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產(chǎn)品名稱 |
性能參數(shù) |
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閉路式通量傳感器(即閉路渦動(dòng)協(xié)方差傳感器，型號(hào)：Eddy2311f） |
1.氣體分析儀測(cè)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(dòng)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(xiàng)：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，潛熱通量 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(hào)強(qiáng)度 H2O信號(hào)強(qiáng)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（最大）：讀數(shù)的±0.3%/℃ CO2性能參數(shù)： 量程：0～1000μmol/mol 準(zhǔn)確度：＜1%（或優(yōu)于1%） 零點(diǎn)溫度漂移（*大）：±0.3μmol/mol/℃
增益漂移（*大）：讀數(shù)的±0.1%/℃ 啟動(dòng)風(fēng)速：0.3m/s 抗風(fēng)強(qiáng)度：75m/s
風(fēng)速測(cè)量精密度：Ux 和 Uy：1mm/s（RMS）， Uz：0.5mm/s（RMS） 啟動(dòng)風(fēng)速：0.3m/s 抗風(fēng)強(qiáng)度：75m/s 風(fēng)向測(cè)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(cè)量性能 量程：-80～60℃（鉑電阻RTD），0-100%RH 精度（20℃時(shí)）：溫度±0.17℃；濕度±1% 響應(yīng)時(shí)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(dòng)時(shí)間：1秒
操作溫度：-40-60℃ |
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數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸單元（型號(hào)：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(hào)量等多種信號(hào)處理方式于一體，具有存儲(chǔ)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(dòng)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(gè)? 模擬量測(cè)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(jī)箱：帶有雙導(dǎo)管電纜口，防護(hù)等級(jí)：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(dòng)通量在線校正計(jì)算軟件：可提供在線野點(diǎn)去除，*大協(xié)方差同步數(shù)據(jù)延時(shí)，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(jí)，實(shí)時(shí)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。不完全接地將會(huì)降低設(shè)備性能，尤其在電磁干擾比較嚴(yán)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(dá)或無線發(fā)射器的旁邊。進(jìn)行現(xiàn)場勘測(cè)，以確定當(dāng)?shù)氐碾娮痈蓴_。不要與任何雷達(dá)掃描裝置在一個(gè)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(huì)影響到氣流或產(chǎn)生紊亂的裝置，這可能對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。最好安裝在盛行風(fēng)的一側(cè)。
6.2系統(tǒng)選址原則
渦動(dòng)相關(guān)方法建立在地形平坦、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(cè)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(cè)高度上，不同穩(wěn)定度條件、風(fēng)速和風(fēng)向下被測(cè)量通量的源區(qū)。一般來說，觀測(cè)塔的位置應(yīng)該選在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地形相對(duì)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(yùn)行期間，應(yīng)該盡可能減少對(duì)周圍環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的影響，且觀測(cè)塔應(yīng)建立在受相鄰生態(tài)系統(tǒng)干擾最小的地點(diǎn)。
一般情況下經(jīng)驗(yàn)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(cè)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(dá)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(shí)，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(shí)，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?yàn)檫@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(duì)于分體式渦動(dòng)，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?yàn)榫嚯x過近會(huì)導(dǎo)致自然氣流的畸變從而影響通量的測(cè)量)；當(dāng)儀器架在15米以上時(shí)，水平距離和垂直距離可以增大到30至50cm。
7.安裝案例
