海洋走航式二氧化碳分析系統(tǒng)技術(shù)原理
我們往往將海洋中二氧化碳的有效氣壓(fCO2)與蓋住海洋表面大氣中二氧化碳的有效氣壓的差值即△fCO2作為海洋與大氣交換二氧化碳的熱力學(xué)推動(dòng)力。通量F表示為：F=k×s×△fCO2，這里k表示氣體傳輸速率是風(fēng)速的函數(shù)；s表示溶解能力是海水溫度和鹽度的函數(shù)；fCO2直接與二氧化碳的分壓即pCO2相關(guān)。然而大自然中，海洋與大氣進(jìn)行二氧化碳交換的平衡狀態(tài)會(huì)受到風(fēng)速、海水溫度和鹽度等因素連續(xù)不斷發(fā)生變化的影響，變得好難準(zhǔn)確測量海洋與大氣交換二氧化碳的通量。然而由GeneralOeanics研發(fā)的8050型走航式二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)擁有一定的時(shí)間和空間分辨率，可以完成這項(xiàng)工作。
8050型走航式二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)介紹
8050型走航式二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)用以自動(dòng)化檢測表面二氧化碳分壓（pCO2）和大氣pCO2。同時(shí)也能外接意大利IDRONAUT公司OCEANSEVEN315CTD船用走航式多參數(shù)水質(zhì)儀，監(jiān)測表面海水的電導(dǎo)率、溶解氧、PH值、溫度、ORP、氣壓（計(jì)算鹽度）、葉綠素、濁度等環(huán)境參數(shù)。
系統(tǒng)可以用在科考船上走航式測量，也能用在不同海上平臺(tái)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，其主要組件包括：
◎ 平衡器：氣室頂部有一個(gè)噴嘴將海洋中溶解態(tài)的二氧化碳以氣體的形式釋放出來
◎ 紅外分析儀/激光分析儀：用在測量平衡器中測量釋放出來的氣態(tài)二氧化碳的濃度
◎ 整套系統(tǒng)的閥門和泵，用在控制和監(jiān)測海洋的流動(dòng)、平衡器、海洋上空大氣以及二氧化碳標(biāo)氣
◎ 衛(wèi)星通信箱，進(jìn)行GPS定位，大氣壓力數(shù)據(jù)測量，以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸
筆記本電腦，電腦接口和軟件，控制閥和泵并記錄數(shù)據(jù)（氣壓，溫度，水流，分析儀響應(yīng)，日期，時(shí)間和位置）
8050型走航式二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)組成
系統(tǒng)分為4個(gè)密閉箱體：干箱（DryBox）、濕箱（WetBox）、衛(wèi)星通信箱（SatelliteDeckBox）和激光分析儀。
◎ 干箱中放置電控閥（控制流過分析儀的氣體）、氣流傳感器、計(jì)算機(jī)和固態(tài)繼電器的接口以及8個(gè)氣體接口。每個(gè)接口具有一個(gè)針形閥，用在調(diào)節(jié)氣體流速。三路電磁閥控制氣體到分析室內(nèi)（平衡上部的氣室）。干箱與其他兩個(gè)箱之間的通訊采用RS485模塊和電纜。
◎ 濕箱中包括主副平衡器、電驅(qū)動(dòng)閥、壓力計(jì)、可調(diào)節(jié)閥門、循環(huán)水過濾器、水流傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、冷凝單元、兩個(gè)Naphion干燥管、三個(gè)空氣泵。后進(jìn)到濕盒中，海水進(jìn)到濕盒后，利用可循環(huán)使用的過濾裝置（可使用淡水自動(dòng)沖洗）。過濾裝置后面會(huì)有一個(gè)可調(diào)的閘閥，可操縱水樣進(jìn)到到平衡器內(nèi)。氣體與平衡器排氣孔周邊的空氣交換，保證了氣體中的二氧化碳濃度與主氣室內(nèi)的濃度一致。氣壓傳感器和溫度傳感器內(nèi)置在主平衡器中。海水靠重力排出濕箱。
濕箱中的另一個(gè)空氣泵將氣體從主平衡器的頂部氣室排出并使氣體利用冷凝器、Naphion干燥管，然后進(jìn)到二氧化碳分析儀。另另一個(gè)泵從外界吸入空氣，并推動(dòng)空氣利用冷凝器。之后氣流被分成兩股，一股流入通風(fēng)室，一股流入干燥管并進(jìn)到二氧化碳分析儀。通風(fēng)室經(jīng)過干燥的空氣在由第三空氣泵的作用下，又反向流過干燥管
◎ 衛(wèi)星通信箱可適應(yīng)多種氣候，含有銥星衛(wèi)星通信的調(diào)制解調(diào)器、高精度氣壓傳感器、電源和數(shù)據(jù)通訊模塊。數(shù)據(jù)通信模塊和另一個(gè)GPS相連，另一個(gè)10芯電纜連接衛(wèi)星通信箱和干箱（標(biāo)配為25m的電纜；電纜最長可達(dá)1000m）。
另一個(gè)艙壁管接頭用于利用Gill壓力孔與氣壓傳感器相連接（標(biāo)配不提供壓力孔，如需要請(qǐng)說明）。
◎ 激光分析儀使用美國Picarro公司G2301型激光分析儀，該款分析儀較紅外分析儀操作更加方便，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，可靠性更高。
系統(tǒng)選擇配置的構(gòu)件
◎ 船只穿壁海水進(jìn)樣閘閥管道是一套被Lloyd認(rèn)證的水下直線型、自容式設(shè)備，該設(shè)備的各種外露構(gòu)件都是由朔料或不銹鋼材料制作的。要是產(chǎn)生突發(fā)性故障時(shí)，另一個(gè)截流設(shè)備（含繼電器）在海水距離殼體幾英寸時(shí)將關(guān)掉外界采集海水的抽水泵。，備份采樣設(shè)備將開始采集海水（參見進(jìn)樣管道設(shè)備的示意圖）。用戶可以在采樣設(shè)備上選擇安裝另一個(gè)溫度傳感器（即Idronaut的多參數(shù)系統(tǒng)的遙測溫度傳感器，測量海洋表層的溫度）和另一個(gè)氯氣釋放器（功能：抑制微生物的生長）。
◎ OCEANSEVEN315船用走航式多參數(shù)水質(zhì)儀用于對(duì)淡水或海水環(huán)境的長期監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集。儀器可配備兩個(gè)溫度計(jì)：主要的另一個(gè)溫度計(jì)位于內(nèi)部，用來測量流過電導(dǎo)池水體的溫度，從而計(jì)算鹽度；另一個(gè)是遙測的溫度計(jì)，遙測距離可達(dá)15m，可選擇安裝，位于靠近船體進(jìn)水口的地方，用來精確測量水溫。整套設(shè)備安裝在一個(gè)緊湊的防水的不銹鋼單元內(nèi)，測量室由透明的丙烯酸制成，非常容易清洗。測量室中的水體只需250mL，保證了極短的響應(yīng)時(shí)間。內(nèi)置一個(gè)壓力傳感器，用來準(zhǔn)確測量流量。所有的傳感器都是由IDRONAUT制造，并遠(yuǎn)銷世界各地。該系統(tǒng)可以以高達(dá)20Hz的頻率實(shí)時(shí)測量、讀取、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)。通訊端口為RS232C串行端口，也可安裝RS485或藍(lán)牙通訊端口。其他兩個(gè)可選的模擬端口可外接熒光和濁度傳感器。內(nèi)置的512 MB內(nèi)存最多可存儲(chǔ)4,000,000組數(shù)據(jù)。
參數(shù) | 測量范圍 | 精度 | 分辨率 | 時(shí)間常數(shù) |
壓力 | 0~10dbar | 0.05%滿量程 | 0.002%滿量程 | 50ms |
溫度 | -3～50℃ | 0.003℃ | 0.002℃ | 50ms |
電導(dǎo) | 0~70ms/cm | 0.003ms/cm | 0.0003ms/cm | 50ms |
溶解氧 | 0~50ppm | 0.1ppm | 0.01ppm | 3s |
0~500%sat | 1%sat | 0.1%sat | 3s | |
pH | 0~14pH | 0.01pH | 0.001pH | 3s |
氧化還原電位 | +/-1000mV | 1mV | 0.1mV | 3s |
遙測溫度 | -3～50℃ | 0.01℃ | 0.002℃ | 3s |
葉綠素 | 5，15，50，150 μg/l自動(dòng)選擇 | 靈敏度：1.0，0.33， 0.1，0.033V/μg/l | ||
濁度 | 25，125，500，750FTU/NTU自動(dòng)選擇 | 0.05，0.25，1，5FTU/NTU | 0.005，0.025，0.1，0.5FTU/NTU |
在海水測量中，運(yùn)用教科文組織（UNESCO）的公式通過計(jì)算測量得到的參數(shù)，亦可得到以下數(shù)據(jù)：鹽度，聲速，水密度，溶解氧（ppm）。
