开路涡度协方差测量系统说明书.docx
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开路涡度协方差测量系统说明书
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
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、LI7500CO2/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℃
LI7500CO2/H2O分析仪-25～+50℃
SanDiscPC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
LI7500CO2/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.CR5CR5000、CSAT3
2．OPEC_default.CR5CR5000、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^2s}]
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/{ms^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^2s}]
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^2s}]
co2_wpl_H二氧化碳通量WPL变换的显热修正项[mg/{m^2s}]
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^2s}]
cov_Uz_h2o
（1）垂直风速和水蒸气密度的协方差[g/{m^2s}]
cov_Uz_Ts
（1）垂直风速和超声虚温的协方差[mC/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^2s}]
cov_Ux_h2o
（1）水平风速Ux和水蒸气密度的协方差[g/{m^2s}]
cov_Ux_Ts
（1）水平风速Ux和超声虚温的协方差[mC/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^2s}]
cov_Uy_h2o
（1）水平风速Uy和水蒸气密度的协方差[g/{m^2s}]
cov_Uy_Ts
（1）水平风速Uy和超声温度的协方差[mC/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（“SystemMenu”）。
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（RealTimeTables）、实时自定义（RealTimeCustom）、最终存贮数据（FinalStorageData）、重设数据表格等（ResetDataTable）、绘图设置（GraphSetup）等子菜单。
用户可以进入“RealTimeTables”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（RemoveCard）、格式化卡（FormatCard）、活动表格状态（ActiveTableStatus）和卡状态（CardStatus）。
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“RemoveCard”，数据采集器停止向PC写数据，同时会显示“RemoveCard”，用户取出卡后，字幕才会消失。
“ActiveTableStatus”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，“CardStatus”下会显示：
PCCardStatus:
BatteryOK
5VoltCard
WPDisabled
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（StationName）、当前程序名（ProgramName）、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（AddRoot…），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“CommPortConnection”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“MaxBaudRate”（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。
CR50001.4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“CollectNow”（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“DataFiles”标签，单击下面的“GetTableDefinitions”，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（“FileOutputOption”）和输出格式（“OutputFormat”），建议选择输出选项为添加到文件尾（“AppendtoEndofFile”），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（“CollectNow”）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（“CustomCollection”）方式。
定制下载（“CustomCollection”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：
NewCard.StartStoring?
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：
TablesonCardMustbeReset.Proceed?
卡中表格必须重置。
是否继续？
No否
Yes是
SameCard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。
“SameCard”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|PCCard|CardStatus，检查PC卡状态；
3）Menu|PCCard|ActiveTableStatus，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|RealTimeTables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-99999CSAT3没有响应
61440丢失触发
61503没有可用数据
61441SDM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_fCSAT3的三个非正交轴之间的声速差大于2.360m/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
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