1 系統(tǒng)概述
美國CSI研發(fā)的AP200系統(tǒng)，主要用于測量大氣中的CO2和H2O濃度的廓線，是一套綜合的監(jiān)測垂直剖面上CO2和H2O含量變化的測量系統(tǒng)，測量CO2和H2O在空間分布以及傳輸規(guī)律。AP200可以測量多層CO2和H2O的濃度，常規(guī)設(shè)計以8層廓線*多，通常用戶與渦動相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)合使用，進行大氣表層氣體交換測量。
2 系統(tǒng)原理
LI-840A CO2/H2O 分析儀是一款非色散紅外（NDIR）氣體分析儀，基于設(shè)計的單光路雙波長測定技術(shù)，專門用于連續(xù)監(jiān)測各種環(huán)境條件下CO2和H2O的優(yōu)良濃度。目前在碳存儲和截獲、土壤碳通量、TOC系統(tǒng)、昆蟲呼吸、果實貯藏、大氣檢測、溫室氣體研究、氣象學(xué)和植物學(xué)以及工業(yè)檢測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
AP200系統(tǒng)采用高精度LI-840A CO2/H2O 分析儀,CSI數(shù)據(jù)采集器CR1000，以及加熱采氣裝置，通過程序控制不同氣路回路通斷以及氣泵的工作停止來實現(xiàn)不同高度CO2/H2O測量。系統(tǒng)可選配CR1000KD鍵盤顯示系統(tǒng)狀態(tài)及各參數(shù)實測值，手動控制氣路測量，搭配2GB大容量存儲卡，確保數(shù)據(jù)安全備份。
3 系統(tǒng)特點
l 綜合地測量系統(tǒng)
l 耗能低，只需要13W的電源（在平均溫度25°C，12V直流電源條件下）
l 系統(tǒng)采用CR1000的數(shù)據(jù)采集器
l 自動進行標(biāo)氣氣體校準(zhǔn)，完成零點和span值標(biāo)定
l 自動控制分析儀內(nèi)部壓力和溫度，降低測量漂移誤差
l 數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部預(yù)裝測量和控制程序
l 高準(zhǔn)確度：溫度和壓力自動補償
l 高穩(wěn)定性：零點和量程漂移小
l 可校正因水氣造成的CO2譜帶變寬
l 量程更大：0~20,000 μmol/mol
l 適應(yīng)溫度更廣：-20~45℃
l 用戶可自行清潔光路，無需廠家校準(zhǔn)
l 低耗電：穩(wěn)定狀態(tài)僅-3.6w
4 系統(tǒng)示意圖
5 詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
LI-840A CO2/H2O分析儀
LI-840A CO2/H2O 分析儀是一款非色散紅外（NDIR）氣體分析儀，基于設(shè)計的單光路雙波長測定技術(shù)，專門用于連續(xù)監(jiān)測各種環(huán)境條件下CO2和H2O的優(yōu)良濃度。目前在碳存儲和截獲、土壤碳通量、TOC系統(tǒng)、昆蟲呼吸、果實貯藏、大氣檢測、溫室氣體研究、氣象學(xué)和植物學(xué)以及工業(yè)檢測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
主要特點
? 高準(zhǔn)確度：溫度和壓力自動補償
? 高穩(wěn)定性：零點和量程漂移小
? 可校正因水氣造成的CO2譜帶變寬
? 量程更大：0~20,000 μmol/mol
? 適應(yīng)溫度更廣：-20~45℃
? 用戶可自行清潔光路，無需廠家校準(zhǔn)
? 低耗電：穩(wěn)定狀態(tài)僅-3.6w
應(yīng)用領(lǐng)域
1）CO2貯藏 2)CO2隔離 3）土壤CO2 4）TOC系統(tǒng) 5）大氣監(jiān)測 6）植物科學(xué)
7）蒸騰研究 8）海洋科學(xué) 9）果實儲藏 10）氣象學(xué) 11）半導(dǎo)體工業(yè) 12）生物治理研究
13）昆蟲呼吸研究 14）溫室控制系統(tǒng) 15）環(huán)境空氣監(jiān)測
技術(shù)指標(biāo)
|
| CO2分析器 | H2O分析器 | |||
| 量程 | 0~20,000 μmol/mol | 0~60 mmol/mol | |||
| 準(zhǔn)確度 | 優(yōu)于讀數(shù)的1% | 優(yōu)于讀數(shù)的1.5 % | |||
| 校準(zhǔn)漂移 | 零點漂移 | <0.15 μmol/mol/℃ | <0.003 mmol/mol/℃ | ||
| 跨度漂移 | <0.03 %/℃ | <0.03 %/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| 總漂移 | <0.4 μmol/mol/℃ @ 370 μmol/mol | <0.009 mmol/mol/℃ @ 10 mmol/mol | |||
| RMS噪聲 | 1 s信號過濾 | <1 μmol/mol@370 μmol/mol | <0.01 mmol/mol@10 mmol/mol | ||
| 靈敏度 | CO2 | —— | <0.0001 mmol/mol H2O/ μmol/mol CO2 | ||
| H2O | <0.1 μmol/mol CO2/ m mol/mol H2O | —— | |||
| 測量原理 | 非色散紅外分析 | 光源壽命 | ~18,000 h | ||
| 標(biāo)準(zhǔn) | CO2 | 世界氣象組織標(biāo)準(zhǔn) | 電源 | 12~30 V DC | |
| H2O | LI-610便攜式露點發(fā)生器NIST標(biāo)準(zhǔn) | ||||
| 壓力補償范圍 | 15~115 kPa | 工作溫度范圍 | -20~45℃ | ||
| *大氣流速率 | 1 L/min | 相對濕度范圍 | 0~95%（非冷凝) | ||
| 輸出信號 | 2個模擬電壓輸出，2個電流輸出 | 體積 | 22.2 L×15.3 W×7.6 H cm | ||
| 數(shù)字輸出：TTL（0~5 V）或開集電路 | 重量 | 1 kg | |||
| 內(nèi)部光腔體積 | 14.5mL | 電源要求 | 12~30 V DC，預(yù)熱時為14 W，穩(wěn)定時為3.6W | ||
CR1000數(shù)據(jù)采集器
CR1000數(shù)據(jù)采集器是Campbell數(shù)據(jù)采集器里面性價比較高的一款。它提供傳感器的測量、時間設(shè)置、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)和程序的儲存以及控制功能，由一個測量控制模塊和一個配線盤組成，具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力。
CR1000數(shù)據(jù)采集器的掃描速率能夠達到100Hz，擁有模擬輸入、脈沖計數(shù)、電壓激發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)字等多個端口，外圍接口有CS I/O、RS-232以及SDM等，采用12VDC外接可充電電池供電。對于低溫的環(huán)境，用戶還可以選擇低溫型的CR1000-XT數(shù)據(jù)采集器。
CR1000所具有的高精度性、高適應(yīng)性、高可靠性以及合理的價格等特點，使其成為科研、商業(yè)與工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。目前，CR1000數(shù)據(jù)采集器已在氣象觀測、農(nóng)業(yè)研究、土壤水分研究、風(fēng)力觀測、道路氣象站、工業(yè)產(chǎn)品測試、通量觀測、渦動協(xié)方差系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
標(biāo)準(zhǔn)的CR1000數(shù)據(jù)采集器包含4M的數(shù)據(jù)和程序存儲空間，可通過外接存儲模塊和CF存儲卡來實現(xiàn)16G大容量數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)和程序保存在非失憶性閃存和內(nèi)存里。鋰電池裝在內(nèi)存和實時時鐘上。當(dāng)優(yōu)選電池（BPALK，PS100）電壓降至9.6V以下時，CR1000也能夠延緩執(zhí)行操作，從而減少不準(zhǔn)確測量的可能性。CR1000可以通過外圍設(shè)備擴展從而形成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。很多CR1000系統(tǒng)可以構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)從而形成當(dāng)?shù)鼗蛘麄€地區(qū)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
特點
l 內(nèi)部溫度補償，實時時鐘，超時和溫度變化實時校準(zhǔn)
l 數(shù)據(jù)以表格形式存儲
l 具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力
l 采用氣體放電管（Gas Discharge Tube，GDT）保護數(shù)據(jù)輸入
l 軟件支持：LoggerNet3.4/4.0，PC4001.2,或者ShortCut2.2
l 配備內(nèi)部鋰電池支持SRAM存儲和時鐘以確保數(shù)據(jù)、程序和精準(zhǔn)的時間
l 支持多種擴展配件，使用方便
l CSI/O和RS-232串行接口
l 支持PakBus、Modbus、DNP3、TCP/IP、FTP和SMTP協(xié)議、SDI-12協(xié)議和SDM設(shè)備
主要技術(shù)參數(shù)
l *大掃描速率：100Hz
l 模擬輸入：16個單端通道（8個差分）
l 脈沖通道：2個
l 工作溫度： -25℃~50℃（標(biāo)準(zhǔn)），-55℃~85℃（擴展）
l 內(nèi)存：標(biāo)準(zhǔn)為4M內(nèi)存，可擴展至16G
l 供電電壓：9~16VDC
l A/D轉(zhuǎn)換：13bit
l 微型控制器：16-bit H8S Hitachi，32-bit內(nèi)部CPU
CS100大氣壓傳感器
CS100是Setra公司的一種大氣壓傳感器，傳感器通過IC模擬電路測量大氣壓力，測量范圍為600……1100mba。
CS100輸出的線性信號是0……2.5VDC，此傳感器可以直接連接到Campbell公司的數(shù)據(jù)采集器上進行測量，傳感器的*小啟動和測量時間為1秒。傳感器的外殼為一個不銹鋼和聚酯組成的盒子，并配置一個1/8”的氣管連接頭用來測量。
規(guī) 格
一般性能
量程：600mb到1100mb(hPa)
總精度：±0.5mb @ 20℃
±1.0mb @ 0……40℃
±1.5mb @ -20……50℃
±2.0mb @ -40……60℃
溫度范圍：-40℃到+60℃
線性：±0.4mb
滯后性：±0.05mb
重復(fù)性：±0.03mb
長期穩(wěn)定性：±0.1mb每年
響應(yīng)時間：小于100毫秒
2．2 電學(xué)性能
供電電壓：9.5……28V DC
電流消耗：工作狀態(tài)<3mA,等待狀態(tài)<1μA
輸出電壓：0到2.5V DC
預(yù)熱時間：小于1秒
6 應(yīng)用案例
浙江農(nóng)林大學(xué)安吉毛竹林雷竹林碳匯通量觀測站，浙江農(nóng)林大學(xué)分別和安吉縣，臨安市共同建設(shè)毛竹林碳匯通量觀測塔，雷竹林碳匯通量觀測塔。建立在安吉縣山川鄉(xiāng)毛竹現(xiàn)代科技園區(qū)的毛竹林碳匯通量觀測塔，總高度40米，共20層，該系統(tǒng)包含梯度觀測系統(tǒng)和AP200廓線系統(tǒng)，能全自動，全天候采集竹林不同冠層的CO2濃度等竹林生態(tài)系統(tǒng)的宏觀信息，以此觀測，記錄毛竹林，雷竹林的固碳功能。竹林碳匯通量觀測塔的建成，為浙江撫育毛竹林，雷竹林，發(fā)揮固碳功效提供 技術(shù)資料，也為以后竹林碳匯交換研究提供了具體的數(shù)據(jù)支撐
湛江桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)定位站，安裝于湛江南方***林木種苗示范基地的近地通量觀測系統(tǒng)，開創(chuàng)了國內(nèi)桉樹水汽通量研究的先河。該系統(tǒng)用于湛江南方***林木種苗示范基地桉樹人工林的CO2通量和H2O通量研究，在35米鐵塔上構(gòu)建了八層的AP200廓線系統(tǒng)，1層的EC150渦動協(xié)方差系統(tǒng)，5層氣象梯度系統(tǒng)，結(jié)合了空氣動力學(xué)梯度法，湍流渦動法，能量平衡法以及廓線法，相互印證，確保長期觀測數(shù)據(jù)的有效性。觀測項目包括近地邊界層大氣溫度，風(fēng)，濕度，輻射，氣壓，降水量，蒸發(fā)量，土壤溫度，土壤熱通量，物質(zhì)通量及熱量動量通量等要素，以獲取不同下墊面上的大氣邊界層動力，熱力結(jié)構(gòu)，以及多圈層相互作用過程中各種能量收支，物質(zhì)交換等綜合信息。
7 參考文獻
1韓曉陽；黃土塬區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水-碳通量特征及產(chǎn)量時程演變趨勢 《研究生院(水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)》 2016年
2. 施婷婷，高玉芳，袁鳳輝，Takeshi Ohta，徐子羽 溫帶混交林碳水通量模擬及其對冠層分層方式的響應(yīng)——耦合的氣孔導(dǎo)度-光合作用-能量平衡模型; 《生態(tài)學(xué)報》 2012年15期
3. 張雪松;冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、水循環(huán)特征及冠層上方碳通量的模擬[D];南京信息工程大學(xué);2009年
4. 陳晨；沃文偉；范文義； 森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型參數(shù)優(yōu)化 《東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報》 2016年05期
