ENGLISH

【澳作专栏】痕量含氮气体闭路涡动相关法通量观系统测设计要素之二

撰稿人: 日期:2020-11-18 点击次数:1536

 

痕量含氮气体闭路涡动相关法通量观测系统设计要素

—气体采样系统的设计

 

目前,只有闭路的气体分析仪能够实现对痕量含氮气体的测量。使用闭路气体分析仪需要将空气中气体抽入到气体分析仪的内部进行测量。为气体分析仪提供动力,将空气抽入到气体分析仪内部的装置可以被称之为气体采样系统。

气体采样系统的不仅起到输送气体,还起到保护气体分析仪的作用。气体采样系统的良好设计能够保障气体分析仪处于正常的工作状态。为了使气体分析仪正常的工作,气体采样系统需要满足一系列的要求:有效过滤空气中的灰尘;避免水汽在管路内凝结;减小管路内的压力波动;尽可能降低采样气体和气体分析内部的温差。


1气体采样系统的组成

 

气体采样系统一般由防雨帽、滤膜、管路、加热带、阀门、真空泵组成。防雨帽,可以选择倒置的漏斗,主要起到防止雨水进入管路的作用。滤膜,为疏水性的,主要起到过滤灰尘的作用。加热带,起到防止水汽凝结和温度波动的作用。阀门,在气体分析仪的前后各安装一个,起到微调压力保护气体分析仪的作用。真空泵起到提供动力的作用。

我们可以根据实际的情况选择和配置气体采样系统各个部分。最后,配置好的气体采样系统必须满足涡动相关法测量的基本要求:(1)气体分析仪采样池内气体置换时间必须小于0.1 s,因为气体浓度的测量频率为10 Hz,必须保证每次测量时的气体都是新的;(2)管路内的气体必须为湍流状态(Nemitz et al.,2018),因为涡动相关法建立在湍流理论的基础之上。


                                         2气体采样系统的示意图

 

气体分析仪的采样池内气体更新时间(cell turn-over time,τcell

(1)

(2)

其中,Vcell是采样池的体积(L),Q为进样口的气体流量(L min?1),Qpump为真空泵能够提供的气体流量(L min?1),Pcell为气体采样池内的压力(Pa),P0为标准状况下的大气压力(101.25 kPa)。

以Aerodyne公司的气体分析仪为例,气体采样池体积为0.5 L,仪器采样池的压力约为40 Torr,根据公式1和2,要使气体更新时间小于0.1 s,则进气口的最低流速要大于15 L min?1,真空泵的流量要大于500 L min?1

另外,气体在管路内的状态可以用无量纲的雷诺(Re)数来衡量:

(3)

其中,Q为进气口气体的流速(L min?1),D为管路的内径(m),γ为空气运动粘度(1.5×10?5 m?2 s?1)。当Re数小于2000时,气体处于层流状态,靠近管路内壁的气体受到的摩擦力大流速慢,位于中心气体流速快。气体的状态已经与未进入气体采样系统前状态完全不同,原有的脉动受到了破坏。当Re数大于2600时,管路内的气体才处于湍流状态(Leuning and King,1992)。

以Aerodyne公司的气体分析仪为例,采样管路的内径为1/4英寸(6.4 mm),根据公式(3),想要气体处于湍流的状态(Re> 2600),则进气口处气体的流速需要大于12 L min?1

总的来说,气体采样系统需要提供足够大的抽力(> 500 L min?1),使进气口的流速足够大(> 15 L min?1),才能够满足涡动相关法的测量要求。

 

 

 

参考文献:

Leuning R, King KM. Comparison of eddy-covariance measurements of CO2 fluxes by open-path and closed-path CO2 analyzers[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1992, 59(3): 297-311.

Nemitz E, Mammarella I, Ibrom A, et al. Standardisation of eddy-covariance flux measurements of methane and nitrous oxide[J]. International Agrophysics, 2018, 32(4): 517.

  • 文献下载
  • 产品中心
  • 新闻中心