[发明专利]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

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。