一种开放光路式气体分析仪通量校正测量装置及测量方法

摘要

一种开放光路式气体分析仪通量校正测量装置及方法，包括：温度探测器，用于探测气体测量仪表面温度；帕尔贴制冷元件，与光路底部外壳相接触，用于调整仪器外壳温度；装有红外滤光片的码盘，所述码盘周长边沿刻有等间距排列的狭缝，所述码盘在测量气体的转动过程中，通过狭缝产生斩波信号，用于同步触发A/D模块采集温度探测器上的信号；基于DSP和CPLD的温控电路，根据所述码盘转动的同步信号，采集所述温度探测器的温度数据，产生脉宽调制信号（PMW）驱动帕尔贴元件制冷；同时根据所述温度数据进行运算处理，产生WPL通量校准项，对通量进行实时校准。本发明通过实时温差数据计算出WPL通量校准项，可进一步提高气体分析仪的测量精度和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可提高开放光路式非分散红外（NDIR）气体分析仪通量测量精度的方法， 具体为气体测量仪仪器表面发热引起通量测量误差的校正方法及电路。

背景技术

了解陆地生态系统的碳水循环过程是认识全球气候变化的重要途径，可以为缓解淡水资 源短缺、调控全球变暖进程和农业生产生活等方面提供科学依据。国际上各通量站点通常采 用开放光路式NDIR气体分析仪，作为野外长期研究CO2、H2O和CH4等气体在陆地和海洋生 态系统中交换过程的设备。但由于开路式气体分析仪仪器表面发热会造成气体通量测量误 差，仪器公司和各通量站点研究人员采用不同的方法对测量误差进行校准。

目前LI-COR公司的LI-7500为世界上各气体通量测量站点使用的主流气体分析仪，该 仪器通过内部帕尔贴制冷，来控制仪器表面发热，减小仪器发热对气体通量测量的影响。但 该仪器只设定一档+30℃固定温控阈值，该阈值不能随环境温度进行调整，在环境温度和该 温控阈值温度相差较大时，表面发热导致通量增加的现象仍然较为严重，尤其是在环境温度 低于0℃以下，造成的通量测量误差更为严重。同时一些站点研究人员通过后期数据处理， 来消除气体分析仪表面热现象造成的数据误差，一般做法是在Webb-Pearman-Leuning(WPL) 函数中增加温差修正项，但该方法存在以下缺点：（1）不同外形的仪器修正项不同，不能通 用；（2）修正项系数都是通过先验数据生成，不能针对不同气体分析仪，通过实时环境数据 和气体分析仪表面形状数据匹配，进行误差修正。

开路式气体分析仪仪器表面热效应，不仅仅跟内部电子学电路发热有关，还跟仪器光路 的三维形状，仪器安装位置，太阳照射角度，仪器外壳的长波辐射都有很大关系，仅仅靠仪 器外壳固定温度设置或者以往经验模型匹配是无法完成精确修正气体通量测量的误差。

发明内容

本发明技术解决方案：为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种开放光 路式气体测量仪仪器表面发热引起通量测量误差的校正方法及电路，可根据气体分析仪光路 结构安装温度探测器，提高数据获取的准确率；温度探测器最多支持8个通道，满足复杂气 体分析仪的三维温度数据获取要求，为精确反演开路式气体分析仪表面加热现象提供依据； 通过实时温差数据计算出WPL通量校准项，可进一步提高气体分析仪的测量精度和稳定性。

本发明的技术方案包括：一种改善开放光路式气体测量仪仪器表面发热引起通量测量误 差的装置，其包括一组温度探测器，这些温度探测器根据光路表面形状，安装在气体分析仪 外壳不同的位置，用于探测仪器表面温度；一组帕尔贴制冷元件，安装在仪器内部，跟光路 底部外壳相接触，用于调整仪器外壳温度；一个装有红外滤光片的码盘，该码盘周长边沿刻 有等间距排列的狭缝，该码盘在测量气体的转动过程中，可通过狭缝产生斩波信号，用于同 步触发A/D模块采集温度探测器上的信号；

该装置还包括一套基于DSP和CPLD的温控电路。该电路根据码盘转动的同步信号，采 集上述温度探测器的温度数据，产生脉宽调制信号（PMW）驱动帕尔贴元件制冷；同时根据 该温度数据，DSP进行运算处理，产生WPL通量校准项，对通量进行实时校准。

上述装置中安装的温度探测器数量，最多可有8路同时工作；温度探测器数量可根据所 要安装的气体分析仪仪器发热表面形状来确定。

上述装置中安装的温度探测器，其中必须有一路安装在气体分析仪光路外，作为环境温 度探测使用。

上述装置中安装的温度探测器采用宽温，热惯性小的热敏电阻。

上述装置中安装的帕尔贴制冷元件数量为2块。

上述装置中安装的帕尔贴制冷元件所要达到的制冷温度，根据温度探测器获得的气体分 析仪光路内温度、环境温度和软件设定的阈值温度共同决定。

上述装置中安装的帕尔贴制冷元件，后面接有驱动电路，该驱动电路接收CPLD产生PMW 脉冲进行制冷。

上述装置中装有红外滤光片的码盘，码盘周边等间距刻划127个狭缝，且第一个狭缝缺 失。码盘转动过程中，光信号透过狭缝产生连续的斩波信号，CPLD处理电路依据斩波信号产 生同步触发信号，触发A/D电路采集温度探测器的值。

上述装置中码盘上的红外滤光片设置为4个，2个参考滤光片，2个所需测量气体的滤 光片，温度测量只需发生在气体测量时。

上述装置中的CPLD内设定两个计数器，计数器1以斩波信号作为计数时钟，当计数值 等于对应气体通道的设定值时，产生同步触发信号给A/D采集模块；计数器2对斩波方波的 每个脉宽进行计数，当计数值为上述第一个缺失狭缝的宽度时，产生码盘的圈同步信号。

上述装置中码盘斩波信号的产生，使用的是发光二极管和PIN光电探测器。

上述装置中的PIN光电探测器后面接有放大器，放大器输出信号经过比较器进CPLD。

上述装置中的DSP对接收到的A/D信号做如下处理，可获得WPL通量的校准项：

A、获得气体分析仪光路内温度和环境温度，算得温差。

B、比较温差和程序设定阈值，判断是否需要驱动CPLD产生制冷信号。

C、当温差在程序设定范围内，重新获得气体分析仪光路内温度和环境温度，再次计算 温差，同时从气体分析仪获得平均风速变量。

D、计算WPL通量校准项。

E、把校准项带入通量公式，计算校准后通量。

所述的方法，其中步骤A中温差数据一般包括底部温差，顶部温差和支撑杆温差。

所述的方法，其中步骤B在判断是否需要制冷时，所需的温差值选取底部温差作为判定 依据。

所述的方法，其中步骤B中程序设定的温差，是固化在程序中的温度阈值，该阈值可根 据需要由使用者更改。

所述的方法，其中步骤D中WPL通量校准项主要包括底部校准项、顶部校准项和支撑杆 校准项，且校准项不应以这三项为限，可根据气体分析仪表面形状增加或减少。

本发明与现有技术相比的优点在于：可根据气体分析仪光路结构安装温度探测器，提高 数据获取的准确率；最多可同时采集8个温度探测器，满足复杂气体分析仪的三维温度数据 获取要求，为精确反演开路式气体分析仪表面加热现象提供依据；通过实时温差数据计算出 WPL通量校准项，可进一步提高气体分析仪的测量精度和稳定性。

附图说明

图1是安装了本发明热补偿电路的气体分析仪结构图。

图2是本发明基于DSP和CPLD的信号处理电路结构图。

图3是本发明的信号处理流程示意图。

其中，图1中各标号如下：1、气体分析仪顶部外壳；2、安装于顶部的热探测器；3、 气体分析仪顶部光路接收窗口；4、光路；5、气体分析仪支撑杆；6、安装于气体分析仪支 撑杆上的热探测器；7、安装于气体分析仪底部的热探测器；8、气体分析仪底部壳内的帕尔 贴1；9、用于探测斩波信号的PIN管；10、气体分析仪底部光路发射窗口；11、气体分析仪 底部壳内的帕尔贴2；12、码盘；13、电机；14、用于探测环境温度的热探测器；15、DSP 数据处理板。

具体实施方式

以下结合附图，通过实例对本发明进行更为详细的说明。

如图1所示，本发明是一种可通过安装在气体分析仪表面不同部位的快速响应热探测器， 实时探测仪器外壳温度和环境温度差异，通过信号处理器计算产生校准数据，快速的对气体 通量测量数据进行修正。

本发明中温度数据采集的快速和实时性，是通过气体分析仪内部码盘转动产生斩波信 号，在采集气体信号时，同步触发A/D采集温度数据来保证的。

本发明中，在温度数据获得后，首先计算温差数据，并和软件内部设定的阈值比较，大 于阈值的启动帕尔贴制冷，达到减小温差的目的，在温差小于阈值后，再获得温度数据，计 算WPL校准项，进行通量校准；小于阈值的，不需要启动帕尔贴，可直接计算WPL校准项。

本实施例中，本发明的气体分析仪表面发热热补偿装置基本结构包括：使用了4个温度 探测器，为2、6、7、14，分别安装在气体分析仪的仪器的顶部下表面（Top）、支撑杆上（Spar）、 底部上表面（Bottom）和气体分析仪周围（Ambient），通过导线连接在DSP信号采集板15 上；两个制冷帕尔贴8、11，安装在底部发射光路两边，通过导线连接在DSP信号采集板15 上；一电机13，由电源驱动；一码盘12，由所述电机13带动按设定频率旋转；码盘12上 装有四个滤光片，两个测量滤光片和两个参考滤光片，码盘12的周边等间距刻画有127个 槽，其中在两个参考滤光片之间缺失一个槽；一个发光二极管和一个PIN管9；当码盘12 转动时，PIN管9接收到斩波信号,通过信号放大器，输入给信号处理电板15，信号处理板 15在码盘12转到第48号和80号槽时，触发A/D电路采集温度探测器2、6、7、14；信号 处理板15得到温度数据，计算温差数据，驱动帕尔贴8、11制冷，并计算WPL校准项。

如图2所示，在上述斩波信号产生后，本发明信号处理和电路动作过程如下：码盘转动 产生斩波信号，经过放大、比较整形电路生成方波信号，输入CPLD同步输出模块，CPLD通 过计数，产生触发脉冲，此脉输入多通道A/D采集电路，A/D采集电路完成热敏电阻信号采 集，产生中断，DSP进入中断程序完成数据读取；DSP根据程序设定的阈值，产生驱动信号， 控制驱动模块使帕尔贴制冷。

在本发明的CPLD同步输出模块内，通过设定两个计数器实现码盘的圈同步和气体信号 与温度采集的同步。计数器count1对码盘斩波产生的每个方波宽度进行计数，产生圈同步 信号；计数器count2对码盘斩波产生的方波个数计数，产生温度采集同步信号。

在本发明的CPLD同步输出模块内，在本实施例中，count1的工作时钟为40MHz，count2 的工作时钟为码盘斩波频率，约26KHz。

在本发明的CPLD同步输出模块内，上述斩波产生的方波信号，为高电平时，count1计 数，为低电平时，count1清零。

在本发明的CPLD同步输出模块内，上述斩波产生的方波信号触发count2计数，程序设 定count2计数器值为48和80，产生A/D触发脉冲；计数器count1在计数值大于1540时， count2清零。

本实施例中，上述的count2计数器值为48和80，是根据狭缝编号对应的气体滤光片位 置决定的，计数器count1计数值大于1540，是根据码盘缺失槽宽度决定的，本发明count1 和count2计数器计数值应不仅限于该数值。

在本发明的CPLD同步输出模块产生A/D触发脉冲后，在本实施例中，DSP依次读取A/D 内4个温度传感器的值，并设定热敏电阻14的值为上述帕尔贴启动需要判定的阈值。如果 热敏电阻7的温度值与该阈值相差大于5℃，则产生驱动信号启动帕尔贴制冷，在温差小于 5℃后，关闭CPLD驱动模块。

在上述帕尔贴启动需要判定的阈值阶段，本实施例中，设定温差为5℃，该温差值根据 功耗需求可调，本发明应不仅限于该数值。

在上述CPLD驱动模块驱动帕尔贴制冷阶段，CPLD产生78.12KHz方波信号，经过积分放 大器一端输入，形成三角波信号；积分放大器另一端输入为DSP设定电平，即为制冷目标值。 放大器输出经过比较器，产生宽度可调的PWM信号，通过H桥驱动，使帕尔贴制冷。

在本发明的帕尔贴制冷启动判定阶段，DSP采集温度信号，并在DSP内进行信号处理， 信号处理流程如图3所示：

1、在本实施例中，获取气体分析仪4个部位的温度值，光路连接杆温度6：T_spar，光路 底部温度7：T_bottom，光路顶部温度2：T_top，光路外围温14：T_a；并计算温差项，连接杆温 差：T_spar-T_a，光路底部温差：T_bottom-T_a，光路顶部温差：T_top-T_a；

2、在本实施例中，以T_bottom-T_a作为温差项，温差大于5℃时，DSP产生驱动信号驱动帕 尔贴制冷；帕尔贴处于关闭状态，温差小于5℃时，在码盘盘旋转进入下一轮测量时，重新 获得气体分析仪4个部位的温度值和温差值，同时获得风速变量U：

3、根据气体分析仪结构，通过以下表达式获得以下参数：为光路连 接杆空气边界层厚度，为光路底部空气边界层厚度， 为光路顶部空气边界层厚度，其它参数含义如下：k^air为空气的热传导系数，r^spar为光路连接杆的半径，l_spar为光路连接杆的直径，r^bottom为光路底 部柱体的半径，l_bottom为光路底部柱体的直径，r^top为光路顶部柱体的半径，l_top为光路顶部柱 体的直径。

4、根据上述气体分析仪不同部位的计算值，分别带入对应的气体分析仪表面热贡献的 WPL校准项，其中光路连接杆通量校准项表示为：光路底部 通量校准项表示为：光路顶部通量校准项表示为： $S_{\mathrm{top}}=k^{\mathrm{air}}\frac{(r^{\mathrm{top}}+{\delta }^{\mathrm{top}})(T_{\mathrm{top}}-T_a)}{r^{\mathrm{top}}{\delta }^{\mathrm{top}}}.$

5、上述三个通量校准项带入通量公式计算：

$F_{\mathrm{cnew}}=F_c+\frac{S_{\mathrm{spar}}+S_{\mathrm{bottom}}+S_{\mathrm{top}}}{\rho C_p}\frac{q_c}{T_a}(1.6077\frac{{\rho }_v}{{\rho }_d}+1);$其中ρ_d为干空气密度，ρ_v为水汽密度，ρ为 混合空气密度，q_c为光路外围二氧化碳密度，C_p为空气比热。这里F_c为未校准前气体的标 准通量公式，为现有技术所共知，这里不再赘述。

本发明将上述软件和硬件方法有机的结合起来，解决了数据的实时性，降低了后期数据 处理的复杂度，提高了气体通量测量的准确性。并且本发明适用性较强，可使用在多种气体 分析仪结构上。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。