一种防止光腔衰荡闭路通量分析仪进水的方法及其装置与流程

本发明涉及光腔衰荡闭路通量分析技术领域，具体为一种防止光腔衰荡闭路通量分析仪进水的方法及其装置。

背景技术：

海洋co2、ch4等温室气体通量的涡动相关测量技术是海-气交换模型的发展和验证以及海洋碳循环研究的有效手段。十多年的已发表论文的结果说明了水汽和运动的主要干扰，揭示了提高测量精度和准确度的实验方法。水蒸气交叉灵敏度是使用红外气体分析仪(irgas)测量二氧化碳通量的最大误差来源，通常会导致测量到的二氧化碳通量有十倍的偏差。正如之前所设想的那样，大部分的误差与光学污染无关。虽然各种校正方案已被论证，但使用空气干燥器和闭路气体分析仪是消除这种干扰最有效的方法。这种方法也避免了webb等人(webbetal.1980)所描述的密度修正。对于光腔衰荡分析仪(crds)和经过60m进气管的空气干燥器，通量修正显示衰减<5％。取样湿空气时,crds分析仪加空气干燥器系统估算的通量检测极限比红外气体分析仪优十倍。对于irgas闭路通量系统的干燥已经有发表的方案。但是crds分析仪特殊的气压控制设计，其干燥方案必然区别于irgas系统的进气设计，未见有发表。

现有的光腔衰荡闭路通量分析仪，信号滞后和频率响应是所有闭路通量系统的一个共性问题，特别是当气路结构较为复杂时，如何精确测算信号滞后时间和频率衰减时间，非常复杂，且闭路式气体分析仪是抽气进入分析仪进行测量的，海洋上应用时，很可能会受到海浪、暴雨的影响导致气路进水，严重时如果水进入光腔会导致气体分析仪损毁。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种防止光腔衰荡闭路通量分析仪进水的方法及其装置，以解决上述背景技术中提出精确测算信号滞后时间和频率衰减时间和分析仪抽气进水会导致气体分析仪损毁的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种防止光腔衰荡闭路通量分析仪进水的装置，包括柜体，零气高压气罐、空压机和支撑架，所述支撑架的一侧分别安装有第一支架和第二支架，所述第二支架上安装有电磁阀一,且所述电磁阀一通过出气管与零气高压气罐相连接，所述出气管上分别安装有高低压表和流量计一，所述第一支架上安装有进气管，所述进气管一端通过三通阀与不锈钢管一端连接，另一端连接至电磁阀二和大流量过滤器之间的三通阀，所述不锈钢管另一端与进气口连接，且连接处套接有o型圈，所述柜体的一侧通过连接管安装有空压机，所述柜体的内部下方分别安装有高真空气泵和辅助泵，所述高真空气泵和辅助泵的顶部设置有排插，所述排插的顶部安装有气体浓度分析仪，所述柜体的内部分别安装有显示器、交转直充电控制器、控制单元、大流量过滤器和水探测器，所述显示器的底部安装有空气干燥器，所述显示器的一侧安装有电磁阀组。

优选的，所述进气口包含3d打印结构、过滤网、过滤网支架、紧固螺丝和o型圈，所述3d打印结构的内部设置有过滤网支架，所述过滤网支架底部设置有过滤网，所述不锈钢管的底部通过紧固螺丝与3d打印结构固定。

优选的，所述电磁阀组由4个电磁阀组成，分别为电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五，所述电磁阀二与空压机相连接。

优选的，所述不锈钢管的内径为9mm。

优选的，所述进气管、出气管的内径为9mm。

优选的，所述控制单元分别与显示器、交转直充电控制器、电磁阀一、电磁阀组、大流量过滤器、水探测器、高真空气泵和辅助泵和气体浓度分析仪电性连接。

优选的，所述电磁阀一与三通阀之间的管路长度等于进气口到三通阀的管路长度。

优选的所述气体浓度分析仪与高真空气泵之间设置有手控阀，该手控阀为常闭状态，其作用是为了平衡气压。当系统断电后，气体浓度分析仪到高真空气泵之间是真空状态，如果不做气压平衡，空气干燥器内部的水汽会不停地渗透到真空管路中，导致高真空气泵内部积水。

优选的，

步骤1、通过控制单元控制电磁阀组和电磁阀一开关动作，电磁阀一为直通电磁阀，处于常闭状态，服务于脉冲延时测定，其一端通过出气管与打开的零气高压气罐相连通，零气高压气罐的气压为10mpa，通过高低压表将气压调节至0.05mpa，流量调节至3.5slpm，电磁阀一的另一端连接至三通阀，从电磁阀一到三通阀的距离等于进气口到三通阀的距离，如此，高压零气抵达气体浓度分析仪的时间与待测气体由进气口进入气体浓度分析仪的时间一致，整个装置在使用过程中会存在气路老化、过滤膜堵塞等影响气路延时的因素，因此有必要定时测定延时时间，控制单元会在每天的凌晨，以10s为间隔，连续释放9个零气脉冲，在海洋上，背景co2浓度约400ppm，零气脉冲进入气体浓度分析仪时，气体浓度分析仪会观测得到明显的浓度波动，通过分析脉冲的排放时间与探测到的各个脉冲波动间的关系，即可计算得到气路延时，控制单元支持通过人工档人为控制零气脉冲，人工观察气路延时时间，方便初期设备性能检测；

步骤2、电磁阀二、电磁阀三为直通电磁阀，电磁阀二处于常闭状态，电磁阀三处于常开状态，电磁阀四，电磁阀五为三通电磁阀，均处于直通常开状态，此4个电磁阀组成的电磁阀组均服务于防止气路进水，当水探测器探测到气路进水后，反馈给控制单元，控制单元以100ms的速度做出响应，同时切换4个电磁阀的工作状态，电磁阀二打开，电磁阀三关闭，电磁阀四和电磁阀五的工作气路从进气口切换到从柜体内部进气，防止憋坏内部气路设备，电磁阀三前端的大流量过滤器对进入的气体进行过滤，又可以防止水进入到电磁阀三内，电磁阀二打开后，空压机的0.7mpa高压气流会瞬间将气路内的水反吹出进气口，同时为避免高频的反复开关电磁阀进行进水反吹，控制单元会让每次吹扫过程持续5分钟，若后续检测气路内无水，则气路会自动切换回初始状态，若气路内仍存在水，则继续吹扫，保证系统的稳定性和可持续性；

步骤3、当闭路通量的进气管路较长，而气体浓度分析仪的控压技术又对高真空气泵的气路速度有很大限制时，会引起较大的管路延时，甚至可能改变湍流的物理结构，为保证大气以湍流的形式进入气体浓度分析仪，要保证管道内气流的雷诺数>2000，因此需要增加一个辅助泵，用于快速的将气流从进气口抽入，后打气给气体浓度分析仪，辅助泵抽气速度20slpm，对于9mm内径的管路对应雷诺数，在环境气温为26℃时为2800，即气路内部保留了大气的湍流属性，气体浓度分析仪仅需要5slpm左右的气流，多余的15slpm的气流通过一个手控阀排出，并通过流量计二控制其排出的流量；

步骤4、气流进入气体浓度分析仪之前先经过一个空气干燥器将待测气体进行干燥，经过气体浓度分析仪后，采用回流法将气流引入空气干燥器的外管，进气体浓度分析仪前与出气体浓度分析仪后的气压比约为5：1，后经高真空气泵排出到大气，经过上述步骤后即可防止测量管路进水从而损坏设备，同时又能准确测出相关数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中闭路通量的进气管路较长，而气体浓度分析仪的控压技术又对高真空气泵的气路速度有很大限制时，会引起较大的管路延时，甚至可能改变湍流的物理结构，为保证大气以湍流的形式进入气体浓度分析仪，要保证管道内气流的雷诺数>2000，因此需要增加一个辅助泵，用于快速的将气流从进气口抽入，后打气给气体浓度分析仪，辅助泵抽气速度20slpm，对于9mm内径的管路对应雷诺数，在环境气温为26℃时为2800，即气路内部保留了大气的湍流属性，气体浓度分析仪仅需要5slpm左右的气流，多余的15slpm的气流通过一个手控阀排出，并通过流量计二控制其排出的流量，针对光腔衰荡闭路气体分析仪的双泵进气结构，高速进样，减少长气路采样带来的高频衰减；

2、本发明通过设置水探测器、空气压缩机，当水探测器探测到气路进水后，反馈给控制单元，控制单元以100ms的速度做出响应，同时切换4个电磁阀的工作状态，电磁阀二打开，电磁阀三关闭，电磁阀四和电磁阀五的工作气路从进气口切换到从柜体内部进气，防止憋坏内部气路设备，电磁阀三前端的大流量过滤器对进入的气体进行过滤，又可以防止水进入到电磁阀三内，电磁阀二打开后，空压机的0.7mpa高压气流会瞬间将气路内的水反吹出进气口，同时为避免高频的反复开关电磁阀进行进水反吹，控制单元会让每次吹扫过程持续5分钟，若后续检测气路内无水，则气路会自动切换回初始状态，若气路内仍存在水，则继续吹扫，保证系统的稳定性和可持续性；特制的防雨、防蚊虫进气口，可以防止检测干扰，设置的水探测器毫秒级响应，可自动控制气路吹扫，在海洋应用中可起到防止海浪拍击引起的气路进水；

3、本发明通过在气体浓度分析仪前段设置空气干燥器，当气流进入气体浓度分析仪之前先经过空气干燥器将待测气体进行干燥，经过气体浓度分析仪后，采用回流法将气流引入空气干燥器的外管，进气体浓度分析仪前与出气体浓度分析仪后的气压比约为5：1，后经高真空气泵排出到大气，这种方式下用于干燥的外管气流是内管湿润气流速度的5倍，实测达到的除湿效果可以同使用-40℃露点的干空气用2～3倍速度反吹的效果媲美，样气干燥效率>90％，高频水汽脉动抑制>95％，有效降低水汽对其它痕量气体吸收光谱的串扰；当环境露点为约20℃时，干燥后露点小于-15℃，在此干燥水平下，水汽对co2等痕量气体的光谱串扰效应及浓度效应可以忽略不计；

4、通过定时多次高压零气脉冲的释放可测定气路延时，从而更精确的补偿测试数据，且支持人工释放。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明剖面结构示意图；

图4为本发明进气口结构示意图；

图5为本发明进气口剖面结构示意图。

图中：1、柜体；2、零气高压气罐；3、空压机；4、高低压表；5、支撑架；6、电磁阀一；7、第一支架；8、第二支架；9、连接管；10、显示器；11、高真空气泵；12、排插；13、气体浓度分析仪；14、辅助泵；15、流量计一；16、三通阀；17、交转直充电控制器；18、控制单元；19、空气干燥器；20、电磁阀组；21、大流量过滤器；22、水探测器；23、进气口；24、紧固螺丝；25、o型圈；26、不锈钢管；27、过滤网；28、过滤网支架；29、3d打印结构；30、进气管；31、出气管。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“套接”、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，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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种防止光腔衰荡闭路通量分析仪进水的装置，包括柜体1，零气高压气罐2、空压机3和支撑架5，所述支撑架5的一侧分别安装有第一支架7和第二支架8，所述第二支架8上安装有电磁阀一6,且所述电磁阀一6通过出气管31与零气高压气罐2相连接，所述出气管31上分别安装有高低压表4和流量计一15，所述第一支架7上安装有进气管30，所述进气管30一端通过三通阀16与不锈钢管26一端连接，另一端连接至电磁阀二和大流量过滤器之间的三通阀，所述不锈钢管26另一端与进气口23连接，且连接处套接有o型圈25，所述柜体1的一侧通过连接管9安装有空压机3，所述柜体1的内部下方分别安装有高真空气泵11和辅助泵14，所述高真空气泵11和辅助泵14的顶部设置有排插12，所述排插12的顶部安装有气体浓度分析仪13，所述柜体1的内部分别安装有显示器10、交转直充电控制器17、控制单元18、大流量过滤器21和水探测器22，所述显示器10的底部安装有空气干燥器19，所述显示器10的一侧安装有电磁阀组20。

进一步的，请参阅图1-5，所述进气口23包含3d打印结构29、过滤网27、过滤网支架28、紧固螺丝24和o型圈25，所述3d打印结构29的内部设置有过滤网支架28，所述过滤网支架28底部设置有过滤网27，所述不锈钢管26的底部通过紧固螺丝24与3d打印结构29固定，特制的防雨、防蚊虫进气口，可以防止过多的杂质进入。

进一步的，请参阅图1和3，所述电磁阀组20由4个电磁阀组成，分别为电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五，通过多个电磁阀，对控制气路反吹及到分析仪的气路切换。

进一步的，请参阅图1-5，所述电磁阀二与空压机3相连接，所述不锈钢管26的内径为9mm，所述进气管30、出气管31的内径为9mm。

进一步的，请参阅图1-5，所述控制单元18分别与显示器10、交转直充电控制器17、电磁阀一6、电磁阀组20、大流量过滤器21、水探测器22、高真空气泵11和辅助泵14和气体浓度分析仪13电性连接，进一步的，所述电磁阀一6与三通阀16之间的管路长度等于进气口23到三通阀16的管路长度，高压零气抵达分析仪的时间与大气抵达分析仪的时间一致。

进一步的，请参阅图1，所述气体浓度分析仪13与高真空气泵11之间设置有手控阀，该手控阀为常闭状态，其作用是为了平衡气压。当系统断电后，气体浓度分析仪13到高真空气泵11之间是真空状态，如果不做气压平衡，空气干燥器19内部的水汽会不停地渗透到真空管路中，导致高真空气泵11内部积水。

工作原理：

步骤1、通过控制单元18控制电磁阀组20和电磁阀一6开关动作，电磁阀一6为直通电磁阀，处于常闭状态，服务于脉冲延时测定，其一端通过出气管31与打开的零气高压气罐2相连通，零气高压气罐2的气压为10mpa，通过高低压表4将气压调节至0.05mpa，流量调节至3.5slpm，电磁阀一6的另一端连接至三通阀16，从电磁阀一6到三通阀16的距离等于进气口23到三通阀16的距离，如此，高压零气抵达气体浓度分析仪13的时间与待测气体由进气口23进入气体浓度分析仪13的时间一致，整个装置在使用过程中会存在气路老化、过滤膜堵塞等影响气路延时的因素，因此有必要定时测定延时时间，控制单元18会在每天的凌晨，以10s为间隔，连续释放9个零气脉冲，在海洋上，背景co2浓度约400ppm，零气脉冲进入气体浓度分析仪13时，气体浓度分析仪13会观测得到明显的浓度波动，通过分析脉冲的排放时间与探测到的各个脉冲波动间的关系，即可计算得到气路延时，控制单元18支持通过人工档人为控制零气脉冲，人工观察气路延时时间，方便初期设备性能检测；

步骤2、电磁阀二、电磁阀三为直通电磁阀，电磁阀二处于常闭状态，电磁阀三处于常开状态，电磁阀四，电磁阀五为三通电磁阀，均处于直通常开状态，此4个电磁阀组成的电磁阀组20均服务于防止气路进水，当水探测器22探测到气路进水后，反馈给控制单元18，控制单元18以100ms的速度做出响应，同时切换4个电磁阀的工作状态，电磁阀二打开，电磁阀三关闭，电磁阀四和电磁阀五的工作气路从进气口23切换到从柜体1内部进气，防止憋坏内部气路设备，电磁阀三前端的大流量过滤器21对进入的气体进行过滤，又可以防止水进入到电磁阀三内，电磁阀二打开后，空压机的0.7mpa高压气流会瞬间将气路内的水反吹出进气口23，同时为避免高频的反复开关电磁阀进行进水反吹，控制单元18会让每次吹扫过程持续5分钟，若后续检测气路内无水，则气路会自动切换回初始状态，若气路内仍存在水，则继续吹扫，保证系统的稳定性和可持续性；

步骤3、当闭路通量的进气管路较长，而气体浓度分析仪的控压技术又对高真空气泵的气路速度有很大限制时，会引起较大的管路延时，甚至可能改变湍流的物理结构，为保证大气以湍流的形式进入气体浓度分析仪13，要保证管道内气流的雷诺数>2000，因此需要增加一个辅助泵14，用于快速的将气流从进气口抽入，后打气给气体浓度分析仪13，辅助泵14抽气速度20slpm，对于9mm内径的管路对应雷诺数，在环境气温为26℃时为2800，即气路内部保留了大气的湍流属性，气体浓度分析仪13仅需要5slpm左右的气流，多余的15slpm的气流通过一个手控阀排出，并通过流量计二控制其排出的流量；

步骤4、气流进入气体浓度分析仪13之前先经过一个空气干燥器将待测气体进行干燥，经过气体浓度分析仪13后，采用回流法将气流引入空气干燥器的外管，经高真空气泵排出到大气，经高真空气泵排出到大气，进气体浓度分析仪前与出气体浓度分析仪后的气压比约为5：1，经过上述步骤后即可防止测量管路进水从而损坏设备，同时又能准确测出相关数据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。