CN112710621A - 一种涡动相关仪 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种涡动相关仪，包括具有内腔体的支撑部件、延长管、固定部件，延长管两端分别与支撑部件及固定部件相接，在固定部件上设置超声收发装置及光收发装置，超声收发装置包括安装在固定部件一端的超声波发射器和安装在固定部件另一端的超声波接收器；光收发装置设置于超声收发装置安装底面上；支撑部件的内腔体设置集成电路板，集成电路板经穿过延长管通孔的线缆与超声收发装置和光收发装置电连接，集成电路板用于控制超声收发装置发送超声波进行风速测量，以及控制光收发装置发送激光或红外光进行气体浓度分析。应用本发明实施例提供的涡动相关仪进行气体分析时，由于大气湍流的观测区域内没有遮挡，从而提高了气体分析的准确程度。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量监测仪器技术领域，特别涉及一种涡动相关仪。
背景技术
涡动相关仪是应用于气象、水文等领域的一种仪器，它可以直接测量三维风速、风向、湿度、大气压力、二氧化碳通量、显热通量、潜热通量等物理量。现有技术中，通常利用超声风速仪和气体分析仪对大气湍流进行联合观测，具体地，利用超声风速仪测量水平风速和垂直风速，利用气体分析仪测量大气的物质密度。
参见附图1，为现有技术提供的一种利用超声风速仪和气体分析联合观测大气湍流的安装示意图(请参见专利文献USD680455S)，为了保证对于观测区域内大气湍流分析的准确程度，通常将超声风速仪和气体分析仪安装在较近的距离范围内，而且，从理论上分析可知，超声风速仪与气体分析仪之间的测量区域距离越接近越好。
然而，当超声风速仪与气体分析仪的距离过于接近时二者会互相干扰，如图2所示，为分别针对联合观测情况和理论无干扰情况的气流示意图，其中，图2中上半部分的安装情况与图1所示安装方式相同，图2中下半部分的安装情况为理想无干扰的情况。可以看出，对于超声风速仪和气体分析仪互相无干扰的理想情况而言，气流可以正常通过超声风速仪；但是，对于图2中上半部分的安装情况而言，由于气体分析仪位于超声风速仪的伞形部件内部，从而阻挡气流通过，因而形成分流现象。很显然，这样会降低超声风速仪在伞形部件内部的气体分析的准确程度。
发明内容
本发明实施例提供一种涡动相关仪，以提高对气体分析的准确程度以及数据的可靠程度。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种涡动相关仪，所述涡动相关仪包括：具有内腔体的支撑部件、延长管、固定部件，所述延长管的两端分别与所述支撑部件及所述固定部件相接，在所述固定部件上设置有超声收发装置及光收发装置，所述超声收发装置包括安装在所述固定部件一端的超声波发射器和安装在所述固定部件另一端的超声波接收器；所述光收发装置设置于所述超声收发装置的安装底面上，所述光收发装置的安装尺寸不超过所述超声收发装置的安装底面的安装尺寸；
所述支撑部件的内腔体设置有集成电路板，所述集成电路板经穿过所述延长管通孔的线缆分别与所述超声收发装置和所述光收发装置电连接，所述集成电路板用于控制所述超声收发装置发送超声波进行风速测量，还用于控制所述光收发装置发送激光或红外光进行气体浓度分析。
优选地，所述固定部件为一体式固定架，其中，所述固定架的一端设置有第一伞形支架，所述固定架的另一端设置有第二伞形支架，所述第一伞形支架和所述第二伞形支架对称设置，并且张口相向，所述超声波发射器设置于所述第一伞形支架上、所述超声波接收器设置于所述第二伞形支架上。
优选地，所述固定部件为一对分体式的第一固定座和第二固定座，其中，第一固定座上设置有第三伞形支架，第二固定座上设置有第四伞形支架，所述第三伞形支架和所述第四伞形支架对称设置，并且张口相向，所述超声波发射器设置于所述第三伞形支架上、所述超声波接收器设置于所述第四伞形支架上。
优选地，所述超声收发装置包括三个超声波发射器、以及分别与所述三个超声波发射器配对使用的三个超声波接收器；所述三个超声波发射器分别安装在所述第一伞形支架或所述第三伞形支架的伞骨端部；所述三个超声波接收器分别安装在所述第二伞形支架或所述第四伞形支架的伞骨端部。
优选地，所述光收发装置包括激光发射器、激光接收器和激光反射器，所述激光发射器和所述激光接收器设置于所述第一伞形支架或所述第三伞形支架上，所述激光反射器设置于所述第二伞形支架或所述第四伞形支架上；
所述激光发射器用于向所述激光反射器发射激光，所述激光经所述激光反射器反射后由所述激光接收器接收。
优选地，所述光收发装置包括红外发射器和红外接收器，所述红外发射器设置于所述第一伞形支架或第三伞形支架上，所述红外接收器设置于所述第二伞形支架或所述第四伞形支架上；
所述红外发射器用于向所述红外接收器发射红外光。
优选地，所述延长管为直管或弯管。
优选地，所述固定架包括三个对称分布的C型支臂。
优选地，所述三个C型支臂两两之间成120°夹角。
优选地，还包括底座，所述支撑部件设置于所述底座上。
优选地，所述支撑部件的内腔体设置有干燥剂盒。
本发明提供的涡动相关仪中，将光收发装置设置于超声收发装置的安装底面上，并且，该光收发装置的安装尺寸不超过超声收发装置的安装尺寸，这样，在利用涡动相关仪进行大气的湍流运动观测时，大大降低了对固定部件内部区域的大气湍流运动的影响，从而提高了观测数据的可靠性以及对大气湍流运动分析的准确程度。
进一步地，通过在第二伞形支架或第四伞形支架上设置激光反射器，能够将设置于第一伞形支架或第三伞形支架上的激光发射器所发射的红外光反射至同样位于第一伞形支架或第三伞形支架上的激光接收器中，从而可以由电路部分根据激光的收发时间来进行分析，可见，利用本发明提供的涡动相关仪进行气体分析时，可以完全消除由第一伞形支架与第二伞形支架之间、或第三伞形支架与第四伞形支架之间的张口形成的观测区域中障碍物干扰，从而有效提高观测数据的可靠性和对大气分析的准确程度。
进一步地，通过在第二伞形支架或第四伞形支架上集成安装尺寸较小的红外接收器，能够有效降低由第一伞形支架与第二伞形支架之间、或第三伞形支架与第四伞形支架之间的张口形成的内部观测区域中障碍物干扰，从而有效提高观测数据的可靠性和对大气分析的准确程度。
利用本发明提供的涡动相关仪进行气体分析时，由于固定部件内对大气湍流的观测区域内没有遮挡，从而提高了气体分析的准确程度。
当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种利用超声风速仪和气体分析联合观测大气湍流的安装示意图；
图2为分别针对联合观测情况和理论无干扰情况的气流示意图；
图3为大气的湍流运动示意图；
图4为本发明实施例提供的具有“I”型延长管的涡动相关仪的一种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的图4仰视角度的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的具有“L”型延长管的涡动相关仪的一种结构示意图；
图7为本发明实施例提供的具有“I”型延长管的涡动相关仪的另一结构示意图；
图8为本发明实施例提供的图7仰视角度的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的具有“L”型延长管的涡动相关仪的另一结构示意图；
图10为本发明实施例提供的具有“Y”型延长管的涡动相关仪的一种结构示意图；
图11为本发明实施例提供的图10仰视角度的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的具有“Y”型延长管的涡动相关仪的一种结构示意图；
图13为本发明实施例提供的图12仰视角度的结构示意图。
附图中标号：
支撑部件10、延长管20、固定架31、第一固定座32、第二固定座33、第一伞形支架34、第二伞形支架35、第三伞形支架36、第四伞形支架37、超声波发射器41、超声波接收器42、激光发射器51、激光接收器52、激光反射器53、红外发射器54、红外接收器55
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在对本发明方案进行说明之前，先对涡动相关仪进行下介绍。涡动相关仪是基于涡动协方差原理进行工作的，利用涡动相关仪对大气的湍流运动进行分析属于微气象学的一种测量方法，大气的湍流运动会产生无数个小的气团即漩涡，如图3所示。而涡动相关仪则利用能够快速响应的传感器来测量大气到下垫面之间的湍流气团的特征，从而获得物质交换和能量交换的相关数据。
现有技术中，通常采用高频的三维超声风速仪进行水平风速和垂直风速的观测，再通过气体分析仪测量大气的物质密度，然后在将利用高频的三维超声风速仪测得的水平风速或垂直风速与测量得到的大气的物质密度进行协方差运算，从而得到大气的物质通量。这是一种直接测算通量的标准方法,是测定生态***物质、能量交换通量的关键技术。
通常，气体分析仪主要包括以下两种类型，其中一种是基于TDLAS(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)技术的气体传感器，另外一种是基于NDIR(Non-dispersive Infrared,非分光红外线)技术的气体传感器。
利用涡动相关仪所搭建的涡动观测***可以测量能量通量(即显热通量、潜热通量、动量通量)和物质通量(即CO2或H2O)以及一些空气动力学参数等,主要应用于边界层理论研究、大气扩散、能量收支研究、水分等物质收支等众多领域。
其中，物质通量观测适用于森林、草地、农田、沙漠、城市、水域等各种下垫面环境，被广泛应用于中科院、林科院、气象局、***及各科研领域对区域碳、水循环过程的研究；作为测算生态***与大气间物质和能量交换信息的有效手段，为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用提供重要的数据基础，为大尺度、长期和连续的科学研究提供支撑。
由上述对涡动相关仪的介绍可知，涡动相关仪对大气的空气质量分析起着至关重要的作用，因此，为了获得可靠的观测数据以及提高对大气空气质量分析的准确程度，本发明提供了一种涡动相关仪。
下面结合图4至图13，对本发明提供的涡动相关仪进行说明。
本发明实施例提供的涡动相关仪可以包括如下部件：具有内腔体的支撑部件10、延长管20、固定部件，所述延长管20的两端分别与所述支撑部件10及所述固定部件相接，在所述固定部件上设置有超声收发装置及光收发装置，所述超声收发装置包括安装在所述固定部件一端的超声波发射器41和安装在所述固定部件另一端的超声波接收器42；所述光收发装置设置于所述超声收发装置的安装底面上，所述光收发装置的安装尺寸不超过所述超声收发装置的安装底面的安装尺寸；
所述支撑部件10的内腔体设置有集成电路板，所述集成电路板经穿过所述延长管通孔的线缆分别与所述超声收发装置和所述光收发装置电连接，所述集成电路板用于控制所述超声收发装置发送超声波进行风速测量，还用于控制所述光收发装置发送激光或红外光进行气体浓度分析。
可见，本发明提供的涡动相关仪中，将光收发装置设置于超声收发装置的安装底面上，并且，该光收发装置的安装尺寸不超过超声收发装置的安装尺寸，这样，在利用涡动相关仪进行大气的湍流运动观测时，大大降低了对固定部件内部区域的大气湍流运动的影响，从而提高了观测数据的可靠性以及对大气湍流运动分析的准确程度。
在本发明实施例中，所述集成电路板上的电路部分按照功能划分为观测目标区域风速的超声测速电路以及对目标区域大气湍流运动进行浓度分析的气体分析电路。另外，光收发装置在进行激光或红外线的收发时，需要由气路和电路两部分共同实现，气路和电路的联系部件发送器将被测大气的浓度变化转为电参数变化，并通过相应的电路转换成电压或电流输出。其中，所提及的发送器由光学***和检测器两部分组成，主要构成部件有红外辐射光源、气室和滤光元件、检测器。
由于支撑部件的内腔体中需要放置电路部分和光学器件，因此支撑部件的安装尺寸通常较大，如果将第二伞形支架直接与支撑部件相连，尤其是当大气湍流沿着支撑部件的方向时，支撑部件势必会对气体分析造成一定的影响，因此，通过在支撑部件和固定部件之间设置一个横截面尺寸更小的延长管，则能够有效降低上述影响，从而能够提供观测数据的可靠性，有利于提高大气湍流运动的准确程度。
一种实现方式中，穿过所述延长管通孔的线缆可以是电缆或光纤。需要说明的是，上述提及的电缆或光纤为本发明列举的优选实现方式，不应理解为对本发明方案的限定。
在本发明的一个实施例中，请参见图4至图9，固定部件为一体式固定架，该固定架31的一端设置有第一伞形支架34，固定架31的另一端设置有第二伞形支架32，该第一伞形支架34和该第二伞形支架35对称设置，并且张口相向，该超声波发射器41设置于第一伞形支架34上、该超声波接收器42设置于第二伞形支架35上。
一种具体实现方式中，该一体式固定架31可以包括三个对称分布的C型支臂。优选地，三个C型支臂两两之间成120°夹角。
根据几何学原理可知，这种规则的结构其承受风力的性能最好。当然，本发明实施例并不对该固定架的具体形状进行限定，本领域技术人员可以根据实际应用中的具体情况，比如安装场所、观测对象等进行合理的设置。
在本发明的另一个实施例中，请参见图10至图13，所述固定部件为一对分体式的第一固定座32和第二固定座33，其中，第一固定座32上设置有第三伞形支架36，第二固定座33上设置有第四伞形支架37，所述第三伞形支架36和所述第四伞形支架37对称设置，并且张口相向，所述超声波发射器41设置于所述第三伞形支架36上、所述超声波接收器42设置于所述第四伞形支架37上。
在实际应用中，测量风速通常依据声波在大气中的传播速度随风速而变化的原理，在本发明中，使用超声波作为超声收发装置中超声波发射器的声源,从而与环境声波相区别。
举例而言，设置一对超声波发射器和超声波接收器,超声波从超声波发射器到超声波接收器逆风传播时间与顺风传播时间之差与该距离范围内的风速分量成正比,而逆风传播与顺风传播时间之和与该距离范围内的空气温度有关。因此，通过集成电路板测得时间差与时间和便可以得到相应的风速。
进一步地，在本发明的一个具体实施例中，所述超声收发装置包括三个超声波发射器41、以及分别与所述三个超声波发射器41配对使用的三个超声波接收器42；所述三个超声波发射器41分别安装在所述第一伞形支架34或所述第三伞形支架36的伞骨端部；所述三个超声波接收器42分别安装在所述第二伞形支架35或所述第四伞形支架37的伞骨端部。可以理解的是，通常在进行超声波观测时，往往采用三维观测方式，具体而言，第一伞形支架或第三伞形支架的三个伞骨端部均设置有一个超声波接收器，每一个超声波接收器用于接收一个维度的超声波，相应地，第二伞形支架或第四伞形支架的三个伞骨端部均设置有一个超声波发射器，每一个超声波发射器用于向同一维度的超声波接收器发射超声波。也就是说，第一伞形支架和第二伞形支架上设置有三对配套使用的超声波收发传感器，同样，第三伞形支架和第四伞形支架上也设置有三对配套使用的超声波收发传感器。
需要说明的是，该实现方式中所提及的超声波接收器的数量和超声波发射器的数量为本发明实施例提供的一种优选设置，不应该理解为对本发明的限定，本领域技术人员可以根据实际应用中的具体情况进行合理的设置，比如增加或减少相应超声波接收器和超声波发射器。
在本发明的一个优选实施例中，所述光收发装置包括激光发射器51、激光接收器52和激光反射器53，所述激光发射器51和所述激光接收器52设置于所述第一伞形支架34或所述第三伞形支架36上，所述激光反射器53设置于所述第二伞形支架35或所述第四伞形支架37上；
所述激光发射器51用于向所述激光反射器53发射激光，所述激光经所述激光反射器53反射后由所述激光接收器52接收。
可以看出，通过在第二伞形支架上设置激光反射器，能够将设置于第一伞形支架上的激光发射器发射的激光反射至同样位于第一伞形支架上激光接收器中，从而可以由集成电路板根据激光的收发时间来进行分析，因此，利用该实施例提供的涡动相关仪进行气体分析时，可以完全消除由第一伞形支架与第二伞形支架的张口形成的观测区域中障碍物的干扰，从而有效提高了观测数据的可靠性和对大气分析的准确程度。
在本发明的另一个优选实施例中，所述光收发装置包括红外发射器54和红外接收器55，所述红外发射器54设置于所述第一伞形支架31上，所述红外接收器55设置于所述第二伞形支架32上；
所述红外发射器54用于向所述红外接收器55发射红外光。
可以看出，通过在第二伞形支架上集成安装尺寸较小的红外接收器，能够有效降低由第一伞形支架与第二伞形支架之间、或第三伞形支架与第四伞形支架之间的张口形成的内部观测区域中障碍物的干扰，从而有效提高了观测数据的可靠性和对大气分析的准确程度。
为了使得涡动相关仪能够更加适应各种应用场景的安装使用，所述延长管20可以设计为直管(即延长管为“I”型)或弯管(即延长管为“L”型)，请参见图4至图9。在本发明中，如图10至图13所示，延长管还可以设计为“Y”型，在后续内容中进行说明，此处不再赘述。
一种优选实现方式中，该弯管的角度可以设置为90°，也可以根据实际安装空间的需要设置多种不同角度。
需要说明的是，本发明中的延长管为硬质材料制成的空心管，且以防潮防腐蚀的绝缘材料为最佳。
一种优选地实现方式中，该支撑部件10的内腔体还可以设置有干燥剂盒。通过在干燥剂盒内放置干燥器能够有效降低集成电路板所在空间的干燥程度，从未对集成电路板起到保护作用，延长使用寿命。
在实际应用中，除了需要考虑应用场景的安装要求外，还需要考虑到不同气流层风向对于大气的湍流运动的影响。比如，在大气的湍流运动观测中，垂直风速观测便非常重要。实际应用中，涡动相关仪可以采用横向安装，也可以采用纵向安装，其中，横向安装是指安装涡动相关仪时第一伞形支架与第二伞形支架的连线与水平风向垂直，纵向安装是指安装涡动相关仪时第一伞形支架与第二伞形支架的连线与竖直风向垂直。
另外，根据试验数据可知，通过改变涡动相关仪的整体安装方向，能够有效提高大气湍流运动观测的准确程度。
需要说明的是，在涡动相关仪的安装过程中，需要结合具体应用场景，不断地调试涡动相关仪的安装角度。当然，本发明并不限定涡动相关仪在实际应用中的具体角度值，本领域内的技术人员需要根据实际应用中的具体情况进行合理的设置。
另外，为了提高涡动相关仪的安装稳固性，所述涡动相关仪还可以包括底座，所述支撑部件10设置于所述底座上。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种涡动相关仪，其特征在于，所述涡动相关仪包括：具有内腔体的支撑部件、延长管、固定部件，所述延长管的两端分别与所述支撑部件及所述固定部件相接，在所述固定部件上设置有超声收发装置及光收发装置，所述超声收发装置包括安装在所述固定部件一端的超声波发射器和安装在所述固定部件另一端的超声波接收器；所述光收发装置设置于所述超声收发装置的安装底面上，所述光收发装置的安装尺寸不超过所述超声收发装置的安装底面的安装尺寸；
所述支撑部件的内腔体设置有集成电路板，所述集成电路板经穿过所述延长管通孔的线缆分别与所述超声收发装置和所述光收发装置电连接，所述集成电路板用于控制所述超声收发装置发送超声波进行风速测量，还用于控制所述光收发装置发送激光或红外光进行气体浓度分析。
2.根据权利要求1所述的涡动相关仪，其特征在于，所述固定部件为一体式固定架，其中，所述固定架的一端设置有第一伞形支架，所述固定架的另一端设置有第二伞形支架，所述第一伞形支架和所述第二伞形支架对称设置，并且张口相向，所述超声波发射器设置于所述第一伞形支架上、所述超声波接收器设置于所述第二伞形支架上。
3.根据权利要求1所述的涡动相关仪，其特征在于，所述固定部件为一对分体式的第一固定座和第二固定座，其中，第一固定座上设置有第三伞形支架，第二固定座上设置有第四伞形支架，所述第三伞形支架和所述第四伞形支架对称设置，并且张口相向，所述超声波发射器设置于所述第三伞形支架上、所述超声波接收器设置于所述第四伞形支架上。
4.根据权利要求2或3所述的涡动相关仪，其特征在于，所述超声收发装置包括三个超声波发射器、以及分别与所述三个超声波发射器配对使用的三个超声波接收器；所述三个超声波发射器分别安装在所述第一伞形支架或所述第三伞形支架的伞骨端部；所述三个超声波接收器分别安装在所述第二伞形支架或所述第四伞形支架的伞骨端部。
5.根据权利要求4所述的涡动相关仪，其特征在于，所述光收发装置包括激光发射器、激光接收器和激光反射器，所述激光发射器和所述激光接收器设置于所述第一伞形支架或所述第三伞形支架上，所述激光反射器设置于所述第二伞形支架或所述第四伞形支架上；
所述激光发射器用于向所述激光反射器发射激光，所述激光经所述激光反射器反射后由所述激光接收器接收。
6.根据权利要求4所述的涡动相关仪，其特征在于，所述光收发装置包括红外发射器和红外接收器，所述红外发射器设置于所述第一伞形支架或第三伞形支架上，所述红外接收器设置于所述第二伞形支架或所述第四伞形支架上；
所述红外发射器用于向所述红外接收器发射红外光。
7.根据权利要求1-3任一项所述的涡动相关仪，其特征在于，所述延长管为直管或弯管。
8.根据权利要求1或2所述的涡动相关仪，其特征在于，所述固定架包括三个对称分布的C型支臂。
9.根据权利要求8所述的涡动相关仪，其特征在于，所述三个C型支臂两两之间成120°夹角。
10.根据权利要求1-3任一项所述的涡动相关仪，其特征在于，还包括底座，所述支撑部件设置于所述底座上。
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