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)設計以8層廓線*多，通常用戶與渦動相關系統(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，基于獨特設計的單光路雙波長測定技術，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、氣象學和植物學以及工業(yè)檢測等領域有廣泛應用。
AP200系統(tǒng)采用高精度LI-840A CO2/H2O 分析儀,CSI數據采集器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)及各參數實測值，手動控制氣路測量，搭配2GB大容量存儲卡，確保數據**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的數據采集器
l 自動進行標氣氣體校準，完成零點和span值標定
l 自動控制分析儀內部壓力和溫度，降低測量漂移誤差
l 數據采集器內部預裝測量和控制程序
l 高準確度：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 適應溫度更廣：-20~45℃
l 用戶可自行清潔光路，無需廠家校準
l 低耗電：穩(wěn)定狀態(tài)僅-3.6w
4 系統(tǒng)示意圖
5 詳細技術參數
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，基于獨特設計的單光路雙波長測定技術，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、氣象學和植物學以及工業(yè)檢測等領域有廣泛應用。
主要特點
? 高準確度：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
? 適應溫度更廣：-20~45℃
? 用戶可自行清潔光路，無需廠家校準
? 低耗電：穩(wěn)定狀態(tài)僅-3.6w
應用領域
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
7）蒸騰研究 8）海洋科學 9）果實儲藏 10）氣象學 11）半導體工業(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
技術指標
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CO2分析器
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H2O分析器
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量程
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0~20,000 μmol/mol
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0~60 mmol/mol
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準確度
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優(yōu)于讀數的1%
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優(yōu)于讀數的1.5 %
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校準漂移
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零點漂移
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<0.15 μmol/mol/℃
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<0.003 mmol/mol/℃
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跨度漂移
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<0.03 %/℃
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<0.03 %/℃ @ 10 mmol/mol
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總漂移
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<0.4 μmol/mol/℃ @ 370 μmol/mol
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<0.009 mmol/mol/℃ @ 10 mmol/mol
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RMS噪聲
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1 s信號過濾
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<1 μmol/mol@370 μmol/mol
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<0.01 mmol/mol@10 mmol/mol
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靈敏度
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CO2
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——
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<0.0001 mmol/mol H2O/ μmol/mol CO2
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H2O
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<0.1 μmol/mol CO2/ m mol/mol H2O
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——
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測量原理
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非色散紅外分析
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光源壽命
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~18,000 h
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標準
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CO2
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世界氣象組織標準
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電源
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12~30 V DC
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H2O
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LI-610便攜式露點發(fā)生器NIST標準
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壓力補償范圍
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15~115 kPa
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工作溫度范圍
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-20~45℃
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*大氣流速率
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1 L/min
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相對濕度范圍
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0~95%（非冷凝)
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輸出信號
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2個模擬電壓輸出，2個電流輸出
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體積
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22.2 L×15.3 W×7.6 H cm
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數字輸出：TTL（0~5 V）或開集電路
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重量
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1 kg
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內部光腔體積
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14.5mL
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電源要求
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12~30 V DC，預熱時為14 W，穩(wěn)定時為3.6W
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CR1000數據采集器
CR1000數據采集器是Campbell數據采集器里面性價比較高的一款。它提供傳感器的測量、時間設置、數據壓縮、數據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，具有強大的網絡通訊能力。
CR1000數據采集器的掃描速率能夠達到100Hz，擁有模擬輸入、脈沖計數、電壓激發(fā)轉換、數字等多個端口，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數據采集器。
CR1000所具有的高精度性、高適應性、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)應用的理想選擇。目前，CR1000數據采集器已在氣象觀測、農業(yè)研究、土壤水分研究、風力觀測、道路氣象站、工業(yè)產品測試、通量觀測、渦動協(xié)方差系統(tǒng)等眾多領域得到了廣泛應用。
標準的CR1000數據采集器包含4M的數據和程序存儲空間，可通過外接存儲模塊和CF存儲卡來實現16G大容量數據存儲。數據和程序保存在非失憶性閃存和內存里。鋰電池裝在內存和實時時鐘上。當優(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，從而減少不準確測量的可能性。CR1000可以通過外圍設備擴展從而形成一個數據采集系統(tǒng)。很多CR1000系統(tǒng)可以構建一個網絡從而形成當地或整個地區(qū)的監(jiān)測網絡。
特點
l 內部溫度補償，實時時鐘，超時和溫度變化實時校準
l 數據以表格形式存儲
l 具有強大的網絡通訊能力
l 采用氣體放電管（Gas Discharge Tube，GDT）保護數據輸入
l 軟件支持：LoggerNet3.4/4.0，PC4001.2,或者ShortCut2.2
l 配備內部鋰電池支持SRAM存儲和時鐘以確保數據、程序和精準的時間
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設備
主要技術參數
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℃（標準），-55℃~85℃（擴展）
l 內存：標準為4M內存，可擴展至16G
l 供電電壓：9~16VDC
l A/D轉換：13bit
l 微型控制器：16-bit H8S Hitachi，32-bit內部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公司的數據采集器上進行測量，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
重復性：±0.03mb
長期穩(wěn)定性：±0.1mb每年
響應時間：小于100毫秒
2．2 電學性能
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
預熱時間：小于1秒
6 應用案例
浙江農林大學安吉毛竹林雷竹林碳匯通量觀測站，浙江農林大學分別和安吉縣林業(yè)局，臨安市林業(yè)局共同建設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 技術資料，也為以后竹林碳匯交換研究提供了具體的數據支撐
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)，結合了空氣動力學梯度法，湍流渦動法，能量平衡法以及廓線法，相互印證，確保長期觀測數據的有效性。觀測項目包括近地邊界層大氣溫度，風，濕度，輻射，氣壓，降水量，蒸發(fā)量，土壤溫度，土壤熱通量，物質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，熱力結構，以及多圈層相互作用過程中各種能量收支，物質交換等綜合信息。
7 參考文獻
1韓曉陽；黃土塬區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)水-碳通量特征及產量時程演變趨勢 《中國科學院研究生院(教育部水土保持與生態(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——耦合的氣孔導度-光合作用-能量平衡模型; 《生態(tài)學報》 2012年15期
3. 張雪松;冬小麥農田生態(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;2009年
4. 陳晨；沃文偉；范文義； 森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型參數優(yōu)化 《東北林業(yè)大學學報》 2016年05期
