开路涡度协方差测量系统说明书.doc

开路涡度协方差测量系统说明书

作者： 李尚刚
单位： 北京天正通工贸有限公司
时间： 二OO三年四月二十五日
目录
一、概述
二、安装
三、接线
四、程序
五、程序逻辑控制及键盘操作
六、通信及数据下载
七、数据质量诊断及系统维护

一、概述
系统由CR5000数据采集器、CSAT3超声风速仪、LI7500 CO2/H2O分析仪和一个1G的PC卡组成。CR5000控制测量、运算及数据存储；CSAT3测量三维风速和超声虚温；LI7500测量CO2、H2O和大气压力。
除了LI7500功耗较大外（12VDC，1A），其它仪器的功耗均较小。
CSAT3、LI7500以SDM方式输出。
CR5000数据采集器有2M内存。系统工作时计算在线通量，并存贮通量数据和时间系列数据。用户获取时间系列数据后，可另行计算通量。

数据采集器及各传感器工作温度范围如下：
CR5000 数据采集器 -25 ～ +50℃
CSAT3 超声风速仪 -30 ～ +50℃
LI7500 CO2/H2O分析仪 -25 ～ +50℃
SanDisc PC卡 -40 ～ +80℃
有的传感器若经过低温测试，工作温度范围可以扩展。普通PC卡工作温度范围为0 ～ +60℃。

二、安装
CSAT3、LI7500等传感器安装在塔或三角塔上。这些传感器都配有专用的安装支架，安装高度依研究者目的而定。
CSAT3探头朝向主风向，先大致拧紧万向节，用内六角固定好支架，高度确定后，再调节超声风速仪的水平泡居中，用扳手稍微拧松万向节，注意要拿稳超声探头的尾部，调节水平泡居中，拧紧万向节。
LI7500探头稍倾斜，以便降雨时水滴能方便滑落，建议LI7500与CSAT3的感应面选在同一高度，相距20至30cm。
CR5000数据采集器 与/或 电池等置于机箱中。机箱体积较大，为避免对风场形成较大影响，机箱应离传感器一定距离，并位于传感器的主风向下方。
警告：如果是铅酸电池，则机箱不要密封死，否则有爆炸的危险。

三、接线
CR5000 数据采集器 供电及接地
12V ----- 12V（外部供电）
G ----- G
接地 ----- 大地
CSAT3 超声风速仪：
绿 ----- SDM-C1
白 ----- SDM-C2
棕 ----- SDM-C3
黑 ----- G
透明 ----- G
CSAT3 供电
红 ----- 12V
黑 ----- G
透明 ----- G
LI7500 CO2/H2O 分析仪：
灰 ----- SDM-C1
蓝 ----- SDM-C2
棕 ----- SDM-C3
黑 ----- G
白 ----- G
LI7500 供电（单独供电，1安培）
红 ----- 12V
黑 ----- G
透明 ----- G
接地 ----- 大地

整个系统应由12VDC，70Ahr的电池供电，由12V10A浮充充电器或160W太阳能板对电池充电。
标有接地标志的仪器应接地良好。

如果不使用某种传感器，则该传感器的连接通道闲置，其它传感器的接线不变，并在数据采集器中使用相应的程序。

四、程序
程序名 传感器配置
1．EC_csat3.CR5 CR5000、CSAT3
2．OPEC_default.CR5 CR5000、CSAT3、LI7500

每个程序的执行间隔10Hz，输出实时数据（10Hz），保存在ts_data表格中；和在线通量（每30分钟），保存在flux表格中。

变量说明
单位符号 描述
C 摄氏度
g 克
kPa 千帕
m 米
mg 毫克
s 秒
W 瓦特
V 伏特

“ts_data”表格
“ts_data”表格中包含了CSAT3和LI-7500的原始测量，并且对数据做了同步处理。
变量符号 描述
Ux(1) 水平风速（x-轴）[m / s]
Uy(1) 水平风速（y-轴）[m / s]
Uz(1) 垂向风速 [m / s]
co2(1) 二氧化碳绝对密度 [mg / m^3]
h2o(1) 水蒸气绝对密度 [g / m^3]
Ts(1) 超声虚温 [C]
press(1) LI-7500 系统压力 [kPa]
diag_csat(1) CSAT3 诊断值 [unitless]

在其它的程序中，如果没有配置某个传感器（例如LI-7500），则“ts_data”时间系列数据表格中就不包含相应的变量输出。

“flux”表格
下面是“flux”表格中的输出及相应描述：

变量符号 描述
Fc_wpl 经过WPL变换的二氧化碳通量 [mg / {m^2 s}]
LE_wpl 经过WPL变换的潜热通量 [W / m^2]
Hs 用超声虚温计算得到的显热通量 [W / m^2]
tau 动量通量 [kg / {m s^2}]
u_star 摩擦风速 [m / s]
Fc_irga 未经过WPL修正的二氧化碳通量 [mg / {m^2 s}]
LE_irga 未经过WPL修正的潜热通量 [W / m^2]
co2_wpl_LE 二氧化碳通量WPL变换的潜热修正项 [mg / {m^2 s}]
co2_wpl_H 二氧化碳通量WPL变换的显热修正项 [mg / {m^2 s}]
h2o_wpl_LE 潜热通量WPL变换的潜热修正项 [W / m^2]
h2o_wpl_H 潜热通量WPL变换的显热修正项 [W / m^2]

cov_Uz_Uz(1) 垂直风速的方差 [(m / s)^2]
cov_Uz_Ux(1) 垂直风速和水平风速Ux的协方差 [(m / s)^2]
cov_Uz_Uy(1) 垂直风速和水平风速Uy的协方差 [(m / s)^2]
cov_Uz_co2(1) 垂直风速和二氧化碳密度的协方差 [mg / {m^2 s}]
cov_Uz_h2o(1) 垂直风速和水蒸气密度的协方差 [g / {m^2 s}]
cov_Uz_Ts(1) 垂直风速和超声虚温的协方差 [m C / s]
cov_Ux_Ux(1) 水平风速Ux的方差 [(m / s)^2]
cov_Ux_Uy(1) 水平风速Ux和Uy的协方差 [(m / s)^2]
cov_Ux_co2(1) 水平风速Ux和二氧化碳密度的协方差 [mg / {m^2 s}]
cov_Ux_h2o(1) 水平风速Ux和水蒸气密度的协方差 [g / {m^2 s}]
cov_Ux_Ts(1) 水平风速Ux和超声虚温的协方差 [m C / s]
cov_Uy_Uy(1) 水平风速Uy的方差 [(m / s)^2]
cov_Uy_co2(1) 水平风速Uy和二氧化碳密度的协方差 [mg / {m^2 s}]
cov_Uy_h2o(1) 水平风速Uy和水蒸气密度的协方差 [g / {m^2 s}]
cov_Uy_Ts(1) 水平风速Uy和超声温度的协方差 [m C / s]
cov_co2_co2(1) 二氧化碳密度的方差 [(mg / m^3)^2]
cov_h2o_h2o(1) 水蒸气密度的方差 [(g / m^3)^2]
cov_Ts_Ts(1) 超声虚温的方差 [C^2]

Ux_Avg(1) 水平风速Ux均值 [m / s]
Uy_Avg(1) 水平风速Uy均值 [m / s]
Uz_Avg(1) 垂直风速均值 [m / s]
co2_ Avg(1) 二氧化碳密度均值 [mg / m^3]
h2o_ Avg(1) 水蒸汽密度均值 [g / m^3]
Ts_ Avg(1) 超声虚温均值 [C]
press_Avg(1) 大气压均值 [kPa]
rho_a_Avg(1) 空气密度均值 [kg / m^3]
h2o_hmp_Avg(1)由HMP45C得到的水蒸气密度均值[g / m^3]
t_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的空气温度均值[C]
rh_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的空气相对湿度均值[fraction]
e_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的水蒸气分压均值[kPa]

wnd_dir_compass(1)罗盘坐标系下的风向方位角 [degrees]
wnd_dir_csat3(1) CSAT3坐标系下的风向角度 [degrees]
wnd_spd(1) 平均水平风速 [m / s]
rslt_wnd_spd(1) 矢量合成水平风速 [m / s]
std_wnd_dir(1) 合成风向的标准偏差 [degrees]

n_Tot(1) 参与统计的样本总数（通量，协方差，均值等）[samples]
csat_warning_Tot(1)CSAT3警告的总次数 [samples]
irga_warning_Tot(1)LI-7500警告的总次数 [samples]
del_T_f_Tot(1) CSAT3虚温温度差警告总次数 [samples]
track_f_Tot(1) CSAT3信号锁定警告总次数 [samples]
amp_h_f_Tot(1) CSAT3信号放大高警告总次数 [samples]
amp_l_f_Tot(1) CSAT3信号放大低警告总次数 [samples]
chopper_f_Tot(1) LI-7500断路器警告总次数 [samples]
detector_f_Tot(1) LI-7500检测器警告总次数 [samples]
pll_f_Tot(1) LI-7500相位锁定循环 [samples]
sync_f_Tot(1) LI-7500同步警告总次数[samples]
agc_Avg(1) LI-7500AGC均值 [unitless]

batt_volt_Avg(1) 电池电压均值 [V]
panel_temp_Avg(1) 面板温度均值 [C]

在其它的程序中，如果没有配置某个传感器（例如LI-7500），则“flux”通量数据表格中就不包含相应的变量输出及与此变量有关的输出。
在EC_csat3.cr5中，由于没有气压传感器，因此Rho_a_Avg(1)和h2o_hmp_Avg(1)等变量的计算用的是程序中预设的固定气压值。

五、程序逻辑控制及键盘操作
开路程序提供了2个控制标志，一个是在线通量运算标志“save_flx_flag_on”，另一个是保存时间系列数据“save_ts_flag_on”。
如果“save_flx_flag_on”值为高（Yes，True,非0值）表示当前测量的时间数据记录参与通量运算（计算相应时间间隔内的协方差、均值等）；如果为低（No，False，0），表示当前记录不参与通量运算，但通量数据表格（flux）仍会输出通量记录，其中通量数据为“NAN”，系统诊断信息如电池电压、面板温度等仍会输出。
如果“save_ts_flag_on”值为高（Yes，True,非0值），表示保存当前实时数据系列；如果为低（No，False，0），表示不保存当前实时数据系列。
在默认情形下，“save_flx_flag_on”和“save_ts_flag_on”均为高，例如程序刚下载到CR5000数据采集器，或恢复供电，数据采集器会重新编译程序，设置这2个标志为高。
程序设计了2个自定义菜单。用户可以在键盘显示器上通过这2个菜单查看或更改上述2个标志的值。
在某些情况下，例如系统维护时，用户如果愿意不进行通量运算及不输出实时数据系列，可手动设置这两个标志为低，之后重新设置这2个标志为高。

键盘显示器
CR5000带有液晶键盘显示器，含超时功能。
程序刚下载到数据采集器后，编译过程中，液晶显示器会显示“Compiling”；编译成功后，如果PC卡槽中有卡，会显示“Running”；如果没有卡，会显示“Warning”。超时后液晶显示器关闭，用户按压键盘会激活显示器。
随着操作系统的更新，液晶显示器的菜单有所变化。1.6版主菜单包括程序中自定义的菜单和系统菜单（“System Menu”）。按“Enter”键进入下一级菜单，按“ESC”键返回上一级菜单。
一级菜单包括背景光（Backlight）、数据（Data）、PC卡（PCCard）、文件（File）、状态（Status）、设置（Configuration）等。
1、背景光
打开或关闭背景光。
2、数据
包括实时表格（Real Time Tables）、实时自定义（Real Time Custom）、最终存贮数据（Final Storage Data）、重设数据表格等（Reset Data Table）、绘图设置（Graph Setup）等子菜单。
用户可以进入“Real Time Tables”下面的Public下查看实时公共变量数据。这些变量是程序中用Public关键字指定的。
其它不建议使用。
3、PC卡
包括取出卡（Remove Card）、格式化卡（Format Card）、活动表格状态（Active Table Status）和卡状态（Card Status）。
CR5000只支持16位格式（即FAT格式）的PC卡，可通过CR5000或PC机对PC卡进行格式化，格式化过的PC卡一般不需要重新格式化。
用户每次取出PC卡，都应该先选择“Remove Card”，数据采集器停止向PC写数据，同时会显示“Remove Card”，用户取出卡后，字幕才会消失。
“Active Table Status”会显示编译后的PC卡中定义的各个表格的一些信息，例如表格大小、已写入记录数、填充模式、估计填充时间等。
如果在往PC卡中写数据，“Card Status”下会显示：
PC Card Status:
Battery OK
5Volt Card
WP Disabled
4、文件
可以通过此菜单操作数据采集器CPU和PC卡中（此时PC卡在CR5000的卡槽中）的程序文件（*.CR5）。
5、状态
包含操作系统版本（OSVersion）、站名（Station Name）、当前程序名（Program Name）、开始运行时间（StartTime）、电池电压（Battery）等信息。
6、设置
包括调节对比度、设置时间/日期、安全、激活RS232超时、显示器超时设置、关闭数据采集器等。

CR5000的1.4版操作系统的主菜单为上述一级菜单，还包括“Custom”（自定义菜单）。

六、通信及数据采集
CR5000数据采集器控制整个系统的测量及数据存储。用户用PC机与CR5000通信。CR5000有CS/IO 与RS232两个通信接口。可以有多种通信方式。
一般使用CR5000的RS232口与PC的串口直接连接。
在PC中安装数据采集器支持软件LoggerNet。

初次建立PC机与CR5000之间的通讯之前需要进行设置。
用一普通RS232通信线连接CR5000的RS232口与PC的串口。
在PC上打开LoggerNet，单击“Setup”图标，在弹出的窗口中添加通信端口（Add Root…），往网络图中添加一个CommPort（PC机的串口），如果有则不用添加；在右侧的“Comm Port Connection”组合框中选择串口号，一般为Com1。其它为默认设置。
在网络图中选中CommPort，在其下面添加（Add…）一个CR5000数据采集器。
在网络图中选中CR5000，在右侧的hardware标签下，设置通讯端口的“Max Baud Rate”（最大）为19200或9600。
单击窗口底部的“Apply”以应用刚才所做的设置。
回到LoggerNet主界面，单击“Connect”。在连接窗口中，选取CR5000，单击“Connect”按钮，等连接成功后，按钮文字会变为“Disconnect”。将程序导入（“Send”按钮）数据采集器中，数采编译成功后即开始工作。初次编译或CR5000重新供电时卡槽中应有PC卡。
CR5000 1.4 版操作系统支持长文件名，1.6 版操作系统不支持长文件名，除去扩展名外，最长8个字符。例如，文件“OPEC_7500.CR5”下载到采集器里面，变为“OPEC_750.CR5”。
CR5000内有128K的内存专门用来存贮程序。通信方式导入CR5000的程序只会覆盖已有的同名程序文件，不会删除其它程序文件；如果剩余空间不够，则往CR5000导入程序不会成功。
可通过键盘显示器对CR5000中的程序文件进行操作，在“File”菜单下面，可编辑、删除、设置程序启动选项、CPU与PC卡之间相互拷贝程序等

如果通过“Connect”窗口的“Collect Now”（当前采集）按钮采集数据，除了保证上述通讯设置正常外，还要设置其它一些选项。
回到“Setup”窗口，在网络图中选中CR5000，再选择“Data Files”标签，单击下面的“Get Table Definitions”，收到表格定义后，数据表格图会显示所有的表格，带有绿色“√”标记表示该表格要输出。鼠标左键双击某表格会使其标记在“√”和“×”之间切换。
选择表格图要输出的表格，右侧显示相应的输出文件名及路径、输出选项（“File Output Option”）和输出格式（“Output Format”），建议选择输出选项为添加到文件尾（“Append to End of File”），和输出格式为TOA5（“ASCII,TOA5”）。
重新单击窗口底部的“Apply”以应用所做的更改。
回到LoggerNet主界面，单击“Connect”。在连接窗口中，如果已与CR5000连接成功，当前采集（“Collect Now”）按钮会激活，左键单击就会按设置的选项从数据采集器中采集数据。

通讯下载数据还包括定制下载（“Custom Collection”）方式。
定制下载（“Custom Collection”按钮）重新调整设置。它不影响当前下载的设置。定制下载的优点之一是可选择采集全部数据。

还可从PC卡直接拷贝数据表格。
对于通量数据，由于其容量不大，可通过通讯采集或从PC卡直接拷贝。对于实时数据系列，由于其容量太大，建议从PC卡直接拷贝。
经常用到的数据格式有TOA5、TOACI1、TOB1和TOB2。
TOA5和TOACI1都是ACSII码文本格式，都包括表头区和数据区。表头区显示的是系统信息和数据信息，TOA5的表头区4行，TOACI1的表头区2行。
TOB1和TOB2都是二进制格式，也分为表头区和数据区。
用户可选择通讯下载的数据格式为TOA5、TOACI1或TOB1，建议用TOA5文本格式；TOB2是存贮在PC卡中的数据格式，可拷贝到PC机上，再将其转换为ASCII码文本（TOA5）或TOB1格式。

当PC卡处在活动状态时取出它，会导致垃圾数据，并且容易损坏PC卡。用户每次取出PC卡，须通过菜单进行。将PC卡插入CR5000的卡槽后，应回到菜单检查PC卡的状态，以免数据采集器没有往PC卡写数据。当PC还处在活动状态时，千万不要切断CR5000数据采集器的电源。

如果CR5000中没有程序运行，或者运行的程序不使用PC卡，那么往PCMCIA卡槽中插入PC卡，不会引起CR5000的响应。当一个新程序编译后，要往PC卡中发送数据，CR5000会检测卡槽中是否有卡，且卡中是否有足够的空间分配给数据表格。
当运行的程序要发送数据到PC卡，且一个PC卡插入卡槽中，CR5000会检测卡，并显示相应消息。
如果卡中没有与程序创建的同名的数据表格，显示消息：
New Card. Start Storing? 新卡。开始存贮数据？
No 否
Yes 是
如果卡中存在与程序所创建数据表格相匹配的表格，则显示消息：
Tables on Card Must be Reset. Proceed?卡中表格必须重置。是否继续？
No 否
Yes 是
Same Card 同一张卡
“No”选项（不开始往PC卡存贮数据）让CR5000检查PC卡，并擦除文件，或者，如有必要则格式化PC卡。
“Yes”选项立即往PC卡存贮数据，重置卡中任何同名表格。该选项通常应用在插入一张空白的但格式化过的卡时，或者卡中的数据已经传送到PC机上，重新插入。
“Same Card”选项只能应用在卡中的数据表格表头与程序完全匹配，且程序已经对PC卡操作过的情况。该选项允许你取出PC卡读数据，再放回CR5000中，程序将新数据添加到卡中已有的数据的后面。当你选择该选项时，应该明确，如果当卡取出后时间过久，新数据会覆盖CR5000上2M内存中的最早的记录，则卡中的数据会不连续。

为防止出现PC卡中没有数据或没有生成通量数据等异常情况，插入PC卡后，应检查以下步骤：
1）LED指示灯先快速闪烁，后慢速闪烁；
2）Menu | PC Card | Card Status，检查PC卡状态；
3）Menu | PC Card | Active Table Status，检查定义的PC卡中数据表格的相关信息，看填充记录数（“Record”）是否在刷新，特别是ts_data表格；
4）在Custom菜单下，或Menu | Data | Real Time Tables的Public表格中，检查“save_flx_flag_on”和“save_ts_flag_on”2个标志是否均为高（YES、TRUE 或 -1），如果为低，则设为高。

七、数据质量诊断及系统维护
如果应用数字式（SDM或RS232）输出，CSAT3和LI7500都可返回诊断值。但是如果以模拟量方式输出，则没有数据诊断输出。

可以在时间系列数据表格（ts_data）和通量数据表格（flux）中查看CSAT3的诊断信息。诊断值及其含义如下：
诊断值（diag_csat） 含义
NaN或-99999 CSAT3没有响应
61440 丢失触发
61503 没有可用数据
61441 SDM通信错误

下面4个诊断标志为低（值为0）时表示正常，为高（值为1）时表示测量异常。
del_T_f CSAT3的三个非正交轴之间的声速差大于2.360 m/s（25℃时测得的温度差大于4℃）
track_f 追踪（信号锁定）弱
amp_h_f 超声信号放大太高
amp_l_f 超声信号放大太低
这4个诊断信息会综合在diag_csat（数据表格ts_data）中。出现其中任何一种情况，程序会输出警报值csat_warnings为高（值为1）。通量表格（flux）中会输出相应时间间隔内4个诊断标志和csat_warnings各自的和。

通量表格（flux）中输出相应时间间隔内AGC均值，4个诊断标志各自的和，警报值irga_warnings的和。LI7500输出的逻辑判断与CSAT3的相反，标志位低表示测量异常，程序中对此进行相反处理，因此，最后输出的LI7500的诊断标志为高（值为1）时表示异常。含义如下：
AGC 自动增益控制。这个值一般在55至今65之间（为数据采集器程序所计算。如果使用Li-cor的软件，则为55-65%），随着探头的光具座兰宝石窗口上的灰尘聚集，AGC的值会增加。
chopper_f 断路器温度控制超限。
detector_f 检测器的冷却装置没有保持适当的温度。
pll_f 相位锁定循环的偏移，指示断路电动机的状态异常。
sync_f LI7500内嵌软件与数字信号处理器没有同步。
4个标志位中只要有一个为高，程序会输出警报值irga_warnings为高（值为1）。

如果超声转换头上有水滴，则CSAT3不能正常测量。因此，降雨后，尽快检查，用棉条或吸水纸轻轻擦拭超声探头，让CSAT3恢复测量。对LI7500或KH20也一样处理。并作相应日志记录。
不要擦拭经过防水处理的CSAT3超声探头。

通常需要对LI7500做的维护工作有：
1． 必要时（例如AGC值接近100）应当清洁光学窗口。LI7500光学窗口的材质为兰宝石，非常坚硬。如果窗口变脏了，仪器的标定会变得困难，零点漂移会很大。
2． LI7500的控制盒中一个5安250伏的速熔保险管，来保护电源供应。如果电源供应失败，检查保险管是否熔断了。
3． 建议探头内的干燥剂一年更换一次。更换后应重新标定。

CR5000数据采集器：
通过通信方式下载数据，或重设数据采集器时钟（CR5000的时钟每月约偏差1分钟），应在输出通量间隔的中间进行。
经常检查一下通量文件中的电池电压，看供电是否正常。
每月检查一下机箱中的硅胶干燥剂，如果变为粉红/白色，应更换干燥剂。硅胶干燥剂可重复使用，在130℃下焙烤，颜色变回蓝/白色即可。在高湿环境下更换干燥剂须更频繁些。

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