CN113848285B - 一种活性气体地表通量的测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了活性气体地表通量的测量方法及测量系统，该方法包括：令动态通量箱开放，测量环境大气中待测量活性气体的浓度，得到第一浓度值，将动态通量箱关闭，抽取动态通量箱内的环境大气，同时向动态通量箱内通入环境大气，且通入量与抽取量相同，测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到第二浓度值，利用第一、第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量；该测量系统包括动态通量箱、活性气体分析仪、自动控制器、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀等。本发明能够保证动态通量箱内外的环境参数的一致性，避免动态通量箱对大气环境的影响，实现真实、准确地获知活性气体的地表通量。

Description

一种活性气体地表通量的测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及活性气体地表通量测量技术领域，更为具体来说，本发明为一种活性气体地表通量的测量方法及测量系统。

背景技术

通量，是指在流体运动中单位时间内流经某单位面积的某属性量，是表示某属性量输送强度的物理量；所以通量可以表示物质地表排放量。在物质地表排放量的在线通量观测过程中，活性氮等活性气体污染物的连续在线通量观测通常是十分困难的。现有的观测方法是动态通量箱法，即用箱子将地表封闭起来，通过测定此封闭系统内物质含量的变化来计算物质通量，虽然该方法具有设备成本低且可以实现空间多点分布等优点，但是，传统的动态通量箱法改变了温度、相对湿度及环境气体含量等因子，必然相应地改变了地表排放环境，使测量时的地表环境与实际的地表环境之间存在较大不同，导致地表通量的测量结果误差非常大；尤其对于活性气体，环境温湿度的改变对其浓度的影响不可忽视，所以活性气体地表通量测量一直是世界难题。

因此，如何有效降低地表通量的测量结果误差以及提高活性气体地表通量测量的准确性，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和研究的重点。

发明内容

为解决传统的活性气体地表通量测量方法存在的测量结果误差过大、准确性较低等问题，本发明创新提供了一种活性气体地表通量的测量方法及测量系统，通过开放动态通量箱的方式使动态通量箱内环境最大程度地接近环境大气，依靠交替测量环境大气和经过动态通量箱的环境大气中的活性气体的浓度，实现对地表活性气体释放通量的计算，从而彻底解决了现有活性气体地表通量测量技术存在的诸多问题。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种活性气体地表通量的测量方法，所述测量方法包括如下步骤；

步骤1，在令动态通量箱处于开放状态的条件下，利用活性气体分析仪抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；

步骤2，将所述动态通量箱关闭，利用活性气体分析仪抽取所述动态通量箱内的环境大气，同时向所述动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气，通入至所述动态通量箱内的气体量与所述活性气体分析仪抽取的气体量相同，利用所述活性气体分析仪测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值；

步骤3，利用所述第一浓度值和所述第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量。

基于上述技术方案，本发明能够在保证不破坏、不影响地表排放环境的前提下完成对活性气体地表通量的测量，测量的结果真实、准确，从而彻底解决了现有活性气体地表通量测量方案存在的误差大等问题。

进一步地，步骤2中，在得到第二浓度值后，判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体：如果是，则选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体、返回步骤1；如果否，执行步骤3；

步骤3中，利用已经得到的至少一组对应的第一浓度值和第二浓度值计算待测量的至少一种活性气体地表通量。

基于上述改进的技术方案，本发明能够实现对很多种活性气体的地表通量进行自动化测量，具有测量速度快、可靠性强、自动化程度高等突出优点。

进一步地，步骤3中，计算第一浓度值和第二浓度值的差值，将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量。

进一步地，所述目标位置距离地面的高度为2米。

进一步地，所述待测量活性气体为活性氮。

为实现上述技术目的，本发明还公开了一种活性气体地表通量的测量系统，所述测量系统包括动态通量箱、活性气体分析仪、自动控制器、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管；三通电磁阀的第一入口与目标位置通过输气管连通，三通电磁阀的出口与活性气体分析仪通过输气管连通，动态通量箱的入口与目标位置之间连通的输气管上设置有输气泵和质量流量控制器，动态通量箱的出口与三通电磁阀的第二入口连通；所述动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵及三通电磁阀均与所述自动控制器连接；

所述活性气体分析仪：用于在动态通量箱处于开放状态的条件下抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；且用于在动态通量箱处于关闭状态时抽取所述动态通量箱内的环境大气、测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值；还用于利用所述第一浓度值和所述第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量；

所述自动控制器：用于控制动态通量箱开放或关闭，且用于控制输气泵、三通电磁阀以及活性气体分析仪工作，还用于获取活性气体分析仪从动态通量箱抽取的气体量信息及将该气体量信息发送至质量流量控制器；

所述质量流量控制器：用于根据得到的气体量信息控制向动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气的气体量，且用于令通入至所述动态通量箱内的气体量与所述活性气体分析仪抽取的气体量相同；

所述输气泵：用于在活性气体分析仪抽取动态通量箱内的环境大气时向所述动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气；

所述三通电磁阀：用于连通所述活性气体分析仪与所述目标位置或者用于连通所述活性气体分析仪与所述动态通量箱。

基于上述技术方案，本发明能够在保证不破坏、不影响地表排放环境的前提下完成对活性气体地表通量的测量，测量的结果真实、准确，从而彻底解决了现有活性气体地表通量测量方案存在的误差大等问题。

进一步地，所述活性气体分析仪，还用于在得到当前的活性气体的第二浓度值后判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体，并在存在的情况下选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体。

基于上述改进的技术方案，本发明能够实现对很多种活性气体的地表通量进行自动化测量，具有测量速度快、可靠性强、自动化程度高等突出优点。

进一步地，所述活性气体分析仪，还用于计算第一浓度值和第二浓度值的差值，以及用于将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量。

进一步地，所述目标位置距离地面的高度为2米。

进一步地，所述待测量活性气体为活性氮。

进一步地，动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管内部均具有惰性材料涂膜；所述动态通量箱为透明箱体。

基于上述改进的技术方案，动态通量箱、输气泵、三通电磁阀等内部采用惰性材料(聚四氟乙烯)涂膜，防止气体发生反应；动态通量箱采用透明材料，不遮光，从而不影响地表排放的光化学过程。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明能够保证动态通量箱内外环境参数的一致性，避免动态通量箱对大气环境的影响，从而实现真实、准确地获知活性气体的大气地表排放情况，进而彻底解决了现有的活性气体地表通量测量方法存在的误差大、准确性差等问题，实现了物质地表排放量的在线通量观测；本发明能够对多种活性气体地表通量进行快速测量，自动化程度较高。

附图说明

图1为本发明涉及的活性气体地表通量的测量方法的流程示意图。

图2为本发明涉及的活性气体地表通量的测量系统的工作原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明涉及的一种活性气体地表通量的测量方法及测量系统进行详细的解释和说明。

实施例一：

如图1、2所示，本实施例公开了一种活性气体地表通量的测量方法，依靠定时开放关闭动态通量箱的方式保证动态通量箱内环境最大程度地接近环境大气，同时通过交替测量环境大气中的活性气体浓度和经过通量箱的环境大气中的活性气体的浓度，从而实现对多种活性气体地表通量的准确、快速计算；活性气体包括活性氮。具体来说，该测量方法包括如下步骤。

步骤1，在令动态通量箱处于开放状态的条件下，利用活性气体分析仪抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；本实施例中，目标位置距离地面的高度为2米，目标位置的选取根据实际情况进行合理而明智的选择，本发明不再赘述。

步骤2，将动态通量箱关闭，利用活性气体分析仪抽取动态通量箱内的环境大气，同时向动态通量箱内通入来自目标位置的环境大气，通入至动态通量箱内的气体量与活性气体分析仪抽取的气体量相同，基于从动态通量箱中抽取的气体，利用活性气体分析仪测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值。本实施例中，在测量动态通量箱内地表活性气体通量期间，利用输气泵和质量流量控制器向动态通量箱内输入环境大气，而且输入量与活性气体分析仪的抽取量相同，从而保证动态通量箱内气体动态平衡；需要说明的是，通入至动态通量箱内的气体量小于第一预设值，从而尽可能缩小输气对地表活性气体排放的影响，以避免流量过大而影响测量精度的问题；应当理解，上述的“第一预设值”的具体值可根据实际情况进行合理而明智的选择，本发明不再赘述。

如图1所示，作为进一步改进的技术方案，本实施例的步骤2中，在得到第二浓度值后，判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体：如果是，则选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体、返回步骤1，以对选取的新种类的活性气体地表通量进行测量；如果否，执行步骤3。本实施例中，向动态通量箱内输入环境大气与动态通量箱开放时活性气体分析仪抽取的环境大气均来源于同一位置(即目标位置、为地面以上2m位置处)，保证了活性气体地表通量计算更为准确。

步骤3，利用上述的第一浓度值和第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量，具体来说，利用已经得到的至少一组对应的第一浓度值和第二浓度值计算待测量的至少一种活性气体地表通量，从而实现多一种或多种活性气体地表通量的测量。在本步骤中，计算活性气体地表通量时，计算第一浓度值和第二浓度值的差值，从而将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量；在本发明公开的内容基础上，可以在获取的大量浓度值数据的基础上采用更符合具体情况的处理方式计算活性气体的地表通量，比如均值计算、无效数据剔除等等。本实施例中，待测量活性气体为活性氮。另外，第一浓度值可为多个，比如A1、A2……An，第二浓度值可为多个，比如B1、B2……Bn，且第一浓度值个数与第二浓度值个数相同；即本发明能够一次同时测量多种气体，在同时测量多种气体时，活性气体分析仪抽取的气体量随单次测量气体种类的增多而增大。

实施例二：

与实施例一基于相同的发明构思，本实施例公开了一种活性气体地表通量的测量系统，测量系统包括动态通量箱、活性气体分析仪、自动控制器、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管。

该测量系统中各个部件之间的连接关系如下：三通电磁阀的第一入口与目标位置通过输气管连通，三通电磁阀的出口与活性气体分析仪通过输气管连通，动态通量箱的入口与目标位置之间通过输气管连通，动态通量箱的入口与目标位置之间连通的输气管上设置有输气泵和质量流量控制器，动态通量箱的出口与三通电磁阀的第二入口连通；动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵及三通电磁阀均与自动控制器连接；图2中的粗箭头可理解为管道连接、细箭头可理解为有线或无线通信连接；活性气体分析仪可包括：HONO分析仪、NOx分析仪等等。通过动态通量箱、自动控制器、三通电磁阀、活性气体分析仪及输气泵等部件，本发明按照设定时间序列分别将环境大气和通过动态通量箱的环境大气通入特定的活性气体分析仪，可以实现多种活性气体(比如活性氮)大气污染物通量观测，本实施例通过自动控制器控制动态通量箱在仪器测量环境大气时开放、在测量通过动态通量箱的环境大气时闭合，以避免动态通量箱对环境大气的改变，进而尽量保证动态通量箱内外环境参数的一致性，并将活性氮气体分析仪的采样流量作为依据，利用质量流量控制器对通量箱输入同样流量的环境大气，以保证箱内气体动态平衡，从而反映真实大气地表排放活性氮情况；具体说明如下。

活性气体分析仪：用于在动态通量箱处于开放状态的条件下抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；且用于在动态通量箱处于关闭状态时抽取动态通量箱内的环境大气、测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值；还用于利用第一浓度值和第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量。另外，活性气体分析仪，还用于在得到当前的活性气体的第二浓度值后判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体，并在存在的情况下选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体，其中，测量活性气体明细表可以存储在活性气体分析仪中，用于活性气体分析仪对多种活性气体(比如活性气体明细表中记载的所有种类活性气体)地表通量的测量。活性气体分析仪，还用于计算第一浓度值和第二浓度值的差值，以及用于将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量。

自动控制器：用于控制动态通量箱开放或关闭，且用于控制输气泵、三通电磁阀以及活性气体分析仪工作，还用于获取活性气体分析仪从动态通量箱抽取的气体量信息及将该气体量信息发送至质量流量控制器；在本发明已公开内容的基础上，也可令活性气体分析仪与质量流量控制器之间直接进行通信，从而实现将活性气体分析仪抽取的气体量信息发送至质量流量控制器。

质量流量控制器(简称MFC，全称MASS FLOW CONTROLLER)：其用于根据得到的气体量信息控制向动态通量箱内通入来自目标位置的环境大气的气体量，以及用于令通入至动态通量箱内的气体量与活性气体分析仪抽取的气体量相同。

输气泵：用于在活性气体分析仪抽取动态通量箱内的环境大气时向动态通量箱内通入来自目标位置的环境大气。

三通电磁阀：用于动态通量箱开放时连通活性气体分析仪与目标位置或者用于动态通量箱关闭时连通活性气体分析仪与动态通量箱。

本实施例的测量系统按照如下方式工作：在自动控制器(即自动控制单元)的控制作用下，整个系统循环进行两个不同时间段的观测(即测量)。以活性氮地表通量的测量为例：在第一时间段内，自动控制器控制活性氮分析仪监测环境大气的活性氮浓度，该过程始终保持动态通量箱处于开放状态；在第二时间段内，将动态通量箱关闭，活性氮分析仪检测环境大气通过动态通量箱后的活性氮浓度，上述的两个浓度的差值即是活性氮地表释放通量，并根据活性氮分析仪的采样流量，利用质量流量控制器向动态通量箱中输入同样流量的环境大气，从而保证了动态通量箱内部气体动态平衡，进而真实地反映大气地表排放活性氮情况。另外，第一浓度值可为多个，比如A1、A2……An，第二浓度值可为多个，比如B1、B2……Bn，且第一浓度值个数与第二浓度值个数相同；即本发明能够一次同时测量多种气体，在同时测量多种气体时，活性气体分析仪抽取的气体量随单次测量气体种类的增多而增大。

本实施例中，目标位置距离地面的高度为2米，目标位置的选取根据实际情况进行合理而明智的选择，本发明不再赘述；待测量活性气体为活性氮，为避免反应损耗，传输过程使用的各组件均采用聚四氟乙烯材质，具体地，动态通量箱、输气泵、三通电磁阀等内部采用惰性材料(聚四氟乙烯)涂膜，防止气体发生反应，另外，动态通量箱采用透明材料，不遮光，从而不影响地表排放的光化学过程。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种活性气体地表通量的测量方法，其特征在于：所述测量方法由如下步骤构成；步骤1，在令动态通量箱处于开放状态的条件下，利用活性气体分析仪抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；步骤2，将所述动态通量箱关闭，利用活性气体分析仪抽取所述动态通量箱内的环境大气，同时向所述动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气，通入至所述动态通量箱内的气体量与所述活性气体分析仪抽取的气体量相同，利用所述活性气体分析仪测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值，该步骤中通入至动态通量箱内的气体量小于第一预设值；步骤3，利用所述第一浓度值和所述第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量；

其中，在步骤2中，在得到第二浓度值后，判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体：如果是，则选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体、返回步骤1；如果否，执行步骤3；步骤3中，利用已经得到的至少一组对应的第一浓度值和第二浓度值计算待测量的至少一种活性气体地表通量；

其中，所述动态通量箱采用透明材料，不影响地表排放的光化学过程；其中，动态通量箱、活性气体分析仪、以及输气管内部具有惰性材料涂膜；

所述待测量活性气体为活性氮；

其中，所述步骤1-3通过活性气体地表通量的测量系统实现，所述测量系统由动态通量箱、活性气体分析仪、自动控制器、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管构成；三通电磁阀的第一入口与目标位置通过输气管连通，三通电磁阀的出口与活性气体分析仪通过输气管连通，动态通量箱的入口与目标位置之间连通的输气管上设置有输气泵和质量流量控制器，动态通量箱的出口与三通电磁阀的第二入口连通；所述动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵及三通电磁阀均与所述自动控制器连接；

活性气体分析仪在动态通量箱处于开放状态的条件下抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；在动态通量箱处于关闭状态时抽取所述动态通量箱内的环境大气、测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值；利用所述第一浓度值和所述第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量；

自动控制器控制动态通量箱开放或关闭，且控制输气泵、三通电磁阀以及活性气体分析仪工作，并获取活性气体分析仪从动态通量箱抽取的气体量信息及将该气体量信息发送至质量流量控制器；

根据气体量信息，质量流量控制器控制向动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气的气体量，且用于令通入至所述动态通量箱内的气体量与所述活性气体分析仪抽取的气体量相同；

所述输气泵在活性气体分析仪抽取动态通量箱内的环境大气时向所述动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气，向动态通量箱内输入环境大气与动态通量箱开放时活性气体分析仪抽取的环境大气均来源于同一位置。

2.根据权利要求1所述的活性气体地表通量的测量方法，其特征在于：步骤3中，计算第一浓度值和第二浓度值的差值，将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量。

3.根据权利要求1所述的活性气体地表通量的测量方法，其特征在于：所述目标位置距离地面的高度为2米。

4.一种活性气体地表通量的测量系统，其特征在于：所述测量系统由动态通量箱、活性气体分析仪、自动控制器、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管构成；三通电磁阀的第一入口与目标位置通过输气管连通，三通电磁阀的出口与活性气体分析仪通过输气管连通，动态通量箱的入口与目标位置之间连通的输气管上设置有输气泵和质量流量控制器，动态通量箱的出口与三通电磁阀的第二入口连通；所述动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵及三通电磁阀均与所述自动控制器连接；所述活性气体分析仪：用于在动态通量箱处于开放状态的条件下抽取目标位置的环境大气、测量目标位置的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第一浓度值；且用于在动态通量箱处于关闭状态时抽取所述动态通量箱内的环境大气、测量动态通量箱内的环境大气中待测量活性气体的浓度，得到的测量结果为第二浓度值，该步骤中通入至动态通量箱内的气体量小于第一预设值；还用于利用所述第一浓度值和所述第二浓度值计算待测量的活性气体地表通量；所述自动控制器：用于控制动态通量箱开放或关闭，且用于控制输气泵、三通电磁阀以及活性气体分析仪工作，还用于获取活性气体分析仪从动态通量箱抽取的气体量信息及将该气体量信息发送至质量流量控制器；所述质量流量控制器：用于根据得到的气体量信息控制向动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气的气体量，且用于令通入至所述动态通量箱内的气体量与所述活性气体分析仪抽取的气体量相同；所述输气泵：用于在活性气体分析仪抽取动态通量箱内的环境大气时向所述动态通量箱内通入来自所述目标位置的环境大气；所述三通电磁阀：用于连通所述活性气体分析仪与所述目标位置或者用于连通所述活性气体分析仪与所述动态通量箱；其中，向动态通量箱内输入环境大气与动态通量箱开放时活性气体分析仪抽取的环境大气均来源于同一位置；

其中，所述动态通量箱采用透明材料，不影响地表排放的光化学过程；动态通量箱、活性气体分析仪、质量流量控制器、输气泵、三通电磁阀及输气管内部均具有惰性材料涂膜；

所述待测量活性气体为活性氮。

5.根据权利要求4所述的活性气体地表通量的测量系统，其特征在于：所述活性气体分析仪，还用于在得到当前的活性气体的第二浓度值后判断待测量活性气体明细表中是否还存在尚未测量浓度的活性气体，并在存在的情况下选取一种未测量浓度的活性气体作为待测量活性气体。

6.根据权利要求4或5所述的活性气体地表通量的测量系统，其特征在于：所述活性气体分析仪，还用于计算第一浓度值和第二浓度值的差值，以及用于将计算得到的差值作为待测量的活性气体地表通量。

7.根据权利要求6所述的活性气体地表通量的测量系统，其特征在于：所述目标位置距离地面的高度为2米。