通量分析儀

開(kāi)路式的紅外分析儀如同超聲風(fēng)速計(jì)一樣，其測(cè)定光路被暴露在空氣中，用10 Hz以上的頻率測(cè)定空氣中二氧化碳/水汽的密度脈動(dòng)，在其原理上最符合渦度相關(guān)法的技術(shù)要求，所以也被稱(chēng)之為二氧化碳/水汽氣體分析儀。代表性的產(chǎn)品有美國(guó)的Li-Cor公司的 LI-7500 (0.12 m)，Data Design公司的OP-2(0.20 m)和日本的E009B(0.20 m)。

開(kāi)路系統(tǒng)直接測(cè)定湍流脈動(dòng)的基本原理是利用紅外線光源將光束照射到二氧化碳/水汽的測(cè)定光路上，在另一方利用檢測(cè)器的鏡頭能聚集紅外線。檢測(cè)器是利用分光、透射、反射二氧化碳/水汽的吸收帶波長(zhǎng)的干涉濾光器，測(cè)定出二氧化碳/水汽脈動(dòng)的裝置。

目前最先進(jìn)的二氧化碳/水汽測(cè)定儀為L(zhǎng)I-7500紅外二氧化碳/水汽分析儀，它是高頻響、高精度的二氧化碳/水汽開(kāi)路系統(tǒng)分析儀，可在復(fù)雜組成的氣體中分析二氧化碳/水汽的絕對(duì)密度。LI-7500探測(cè)器由紅外線光源、檢測(cè)器、4種波段的濾光片組合起來(lái)的截光器、透鏡、窗等部分組成。

使用開(kāi)路分析儀進(jìn)行通量測(cè)定時(shí)，由于其傳感器被長(zhǎng)期放置在野外，會(huì)造成儀器的故障或精度的下降。因此在渦度相關(guān)法中，也有采用閉路分析儀進(jìn)行渦度相關(guān)測(cè)定的。閉路式分析儀是將空氣抽入分析儀的內(nèi)部進(jìn)行測(cè)定，所以使用分散型的紅外分析儀(NDIR)作為分析儀的本體，分析儀本體以外需要有氣泵和取樣管。盡管因管內(nèi)脈動(dòng)衰減等原因與開(kāi)路方式相比其時(shí)間響應(yīng)差些，但是因?yàn)槠浞€(wěn)定性好，也被廣泛應(yīng)用于通量觀測(cè)之中，市場(chǎng)上有各種各樣的分析儀，但被用于渦度相關(guān)測(cè)定中具有代表性的機(jī)型為L(zhǎng)i-Cor公司的LI-6262型及繼其后推出的LI-7000型。

在LI-6262分析儀的內(nèi)部有樣品室和參比室，在樣品室測(cè)定對(duì)象的空氣以一定的速度流入，在參比室將利用藥品(蘇打石灰，過(guò)氯酸鎂)去掉CO₂和水汽的空氣封入，或利用不含CO₂和水汽的的N₂，以一定的流量通氣。從光源射出的紅外線由高速回轉(zhuǎn)的快門(mén)交互進(jìn)入兩個(gè)室，透過(guò)室的紅外線分成兩個(gè)方向，透過(guò)中心波長(zhǎng)為2.6 μm和4.3μm波段的濾波器后，分別被檢測(cè)器測(cè)出其輻射強(qiáng)度。由樣品室與參比室透過(guò)輻射強(qiáng)度之比，分別算出CO₂和水汽在其吸收波長(zhǎng)的透過(guò)率，將透過(guò)率代入關(guān)系式(校正曲線)再經(jīng)過(guò)室內(nèi)的氣壓和溫度校正就可以得到CO₂和水汽密度。 2100433B

二氧化碳和水汽濃度的測(cè)定，可以使用根據(jù)紅外線吸收原理制成的紅外二氧化碳/水汽分析儀。市場(chǎng)上有幾個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品，其原理是利用二氧化碳和水汽在紅外線域?qū)μ囟úǘ?二氧化碳4.3 FLM，水汽2.6RLm)的輻射吸收來(lái)測(cè)定二氧化碳和水汽密度(或濃度)。具體來(lái)說(shuō)是利用測(cè)定光源和受光部之間的輻射吸收率來(lái)計(jì)算所測(cè)氣體的密度。這類(lèi)儀器根據(jù)分析光路的配置方式大致可以分成開(kāi)路式和閉路式兩種。

通量

在流體運(yùn)動(dòng)中，通量表示單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某單位面積的某屬性量，是表示某屬性量輸送強(qiáng)度的物理量。

輻射通量又稱(chēng)輻射功率，指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的輻射能，是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率，單位為W（瓦），即1W=J/s（焦耳每秒）。它也是輻射能隨時(shí)間的變化率Φ=dQ/dt 。測(cè)量輻射通量的方法一般是由直流電置換輻射通量的等價(jià)置換原理進(jìn)行的。

實(shí)際上，輻射源所發(fā)射的能量往往由很多波長(zhǎng)的單色輻射所組成，為了研究各種波長(zhǎng)的輻射能量，還須對(duì)單一波長(zhǎng)的光輻射作相應(yīng)的規(guī)定。前面介紹的幾個(gè)重要輻射量，都有與其相對(duì)應(yīng)的光譜輻射量，光譜輻射量又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率：

Φ(λ)=dΦ/dλ （1）

單位為W/μm（瓦每微米）,或W/nm（瓦每奈米）其中波長(zhǎng)為λ的輻射通量與λ值有關(guān)。總輻射通量應(yīng)該是各譜段輻射通量之和或輻射通量的積分值。

人眼感受到的輻射通量稱(chēng)為光通量。

依據(jù)熱傳導(dǎo)方式的不同，熱通量分為傳導(dǎo)熱通量（傳導(dǎo)熱流密度）、輻射熱通量（輻射熱流密度）和對(duì)流熱通量（對(duì)流熱流密度） 對(duì)于不同的應(yīng)用，熱通量的名稱(chēng)還有如：大地?zé)嵬浚ㄒ卜Q(chēng)大地?zé)崃髅芏?，土壤熱通量），它是大地（土壤）中熱傳?dǎo)方式的表述；感熱通量是物體在加熱或冷卻過(guò)程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量通量；潛熱通量是物質(zhì)發(fā)生相變（物態(tài)變化）且溫度不發(fā)生變化時(shí)吸收或放出的熱量通量。

熱通量的測(cè)量可以以幾種不同的方式進(jìn)行。通常已知但通常不切實(shí)際的方法是通過(guò)測(cè)量具有已知導(dǎo)熱率的一塊材料上的溫差來(lái)進(jìn)行的。這種方法類(lèi)似于測(cè)量電流的標(biāo)準(zhǔn)方法，其中測(cè)量已知電阻上的電壓降。通常這種方法很難執(zhí)行，因?yàn)楸粶y(cè)試材料的熱阻通常是未知的。為了確定熱阻，需要準(zhǔn)確的材料厚度和熱導(dǎo)率值。利用熱阻以及材料兩側(cè)的溫度測(cè)量，可以間接計(jì)算熱通量。

測(cè)量熱通量的第二種方法是通過(guò)使用熱通量傳感器或熱通量傳感器來(lái)直接測(cè)量傳遞到熱通量傳感器所安裝到的表面的熱量的量。最常見(jiàn)的熱通量傳感器類(lèi)型是差示溫度熱電堆，其基本上與所提到的第一種測(cè)量方法相同，除了其具有的優(yōu)點(diǎn)是熱阻/傳導(dǎo)率不需要是已知的參數(shù)。由于熱通量傳感器能夠通過(guò)使用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有熱通量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此不必知道這些參數(shù)。但是，差熱電堆熱通量傳感器已經(jīng)在為了進(jìn)行校準(zhǔn)，以涉及它們的輸出信號(hào)[μV]到熱通量值[W/(m²?K)]。一旦熱通量傳感器被校準(zhǔn)，它就可以用來(lái)直接測(cè)量熱通量，而不需要罕見(jiàn)的熱阻或熱傳導(dǎo)值。