Hệ thống đo lưu thông cacbon được thiết kế để đo luồng khí trao đổi CO2 và CH4 giữa tầng sinh quyển (biosphere) và khí quyển. Campbell Scientific là công ty duy nhất sản xuất cả máy phân tích khí và thiết bị đo gió âm (sonic anemometer) cần thiết cho kỹ thuật eddy-covariance, giúp đảm bảo dữ liệu chất lượng cao nhất. Kết hợp với bộ chương trình và phần mềm EasyFlux®, hệ thống cung cấp giải pháp toàn diện với trải nghiệm người dùng được đơn giản hóa.
Sản phẩm
IRGASON – Thiết bị đo khí quang học đa thông số tích hợp CO2, H2O và đo gió 3D
Thiết bị đo IRGASON® của Campbell Scientific tích hợp hoàn toàn máy phân tích khí quang học đa thông số (open-path analyzer) và lưu tốc kế âm thanh 3D (sonic anemometer) vào cùng một cảm biến. Được thiết kế dành riêng cho việc đo thông lượng trao đổi carbon và nước theo phương pháp eddy-covariance, thiết kế được cấp bằng sáng chế này dễ dàng lắp đặt và sử dụng hơn so với các cảm biến riêng biệt, đồng thời cung cấp độ chính xác đo lường cao hơn. IRGASON đo đồng thời nồng độ tuyệt đối của CO2 và hơi nước, nhiệt độ không khí, áp suất khí quyển, tốc độ gió ba chiều và nhiệt độ âm thanh. (Bằng sáng chế Hoa Kỳ số D680455)
CPEC310 – Hệ thống đo lường luồng khí theo phương pháp eddy-covariance đường dẫn khép kín mở rộng với cảm biến EC155 và module bơm tự động hiệu chỉnh
Hệ thống CPEC310 với EasyFlux® là một hệ thống đo lường luồng khí (flux) đường dẫn khép kín hoàn chỉnh theo phương pháp Eddy-Covariance (EC), được thiết kế để theo dõi lâu dài sự trao đổi giữa khí quyển và sinh quyển của carbon dioxide, hơi nước, nhiệt và động lượng.
Một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm bộ phân tích khí đường dẫn khép kín (EC155), anemometer siêu âm (CSAT3A), bộ ghi dữ liệu (CR6), bơm mẫu, mô-đun ba van tự động cho phép hiệu chuẩn điểm không và tự động điều chỉnh khoảng đo CO2 (hiệu chuẩn thủ công với H2O), và tích hợp mô-đun mở rộng đầu vào analog CDM-A116 cho phép sử dụng thêm các cảm biến khác.
Thiết kế đầu vortex được cấp bằng sáng chế và thể tích buồng mẫu nhỏ (5,9 mL) của máy phân tích khí giúp giảm đáng kể lưu lượng khí so với các hệ thống đường kín khác, đồng thời vẫn duy trì đáp ứng tần số lý tưởng (tần số cắt 4,3 Hz). Ngoài ra, thiết kế này giúp hệ thống hầu như không cần bảo trì trong khi vẫn duy trì đáp ứng tần số lý tưởng so với các bộ lọc nội tuyến truyền thống. Lưu lượng khí thấp giúp CPEC310 trở thành một trong những hệ thống đo thông lượng eddy-covariance đường dẫn kín có tổng công suất yêu cầu thấp nhất (12 W).
Campbell Scientific sản xuất tất cả các thành phần của CPEC310, bao gồm cả bộ ghi dữ liệu và phần mềm EasyFlux® DL để tính toán và hiệu chỉnh các thông lượng, mang lại cho hệ thống chức năng đáng tin cậy nhất.
Hệ thống đo Profile khí quyển CO2/H2O AP200
Hệ thống đo Profile Khí quyển CO2/H2O AP200 là một hệ thống đo CO2 và H2O hoàn chỉnh, tích hợp. Nó đo nồng độ carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) từ tối đa tám đầu vào, thông thường được đặt cách nhau theo chiều cao của tháp để tạo ra một cấu hình theo phương thẳng đứng. Hệ thống AP200 thường được sử dụng kết hợp với hệ thống eddy-covariance để đo thành phần lưu trữ và cung cấp cho bạn phép đo trao đổi khí bề mặt hoàn thiện hơn.
Thiết bị phân tích khí CO2/H2O đường dẫn mở EC150
Thiết bị phân tích EC150 của Campbell Scientific là thiết bị phân tích dạng mở được thiết kế đặc biệt để đo lưu lượng cacbon và nước theo phương pháp eddy-covariance. Là thiết bị phân tích độc lập, nó có thể đo đồng thời mật độ cacbon dioxide và hơi nước tuyệt đối, nhiệt độ không khí và áp suất khí quyển. Với đầu đo gió âm thanh CSAT3A (tùy chọn), máy có thể đo tốc độ gió ba chiều và nhiệt độ âm thanh của không khí.
CPEC306 – Hệ thống đo lường luồng khí theo phương pháp eddy-covariance đường dẫn khép kín mở rộng với cảm biến EC155 và module bơm tự động hiệu chỉnh
Hệ thống CPEC306 với EasyFlux® là một hệ thống đo lường luồng khí (flux) đường dẫn khép kín theo phương pháp Eddy-Covariance (EC) hoàn chỉnh, được thiết kế để theo dõi lâu dài sự luồng khí carbon dioxide, hơi nước, nhiệt và động lượng. Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm một bộ phân tích khí đường dẫn khép kín (bộ phân tích khí EC155 đường dẫn khép kín), anemometer siêu âm (anemometer siêu âm CSAT3A), bộ ghi dữ liệu (bộ ghi dữ liệu CR6), bơm mẫu và các thiết bị hỗ trợ cho CDM-A116 để cho phép kết nối thêm các cảm biến khác.
Thiết kế đầu vào của bộ phân tích khí và thể tích buồng mẫu nhỏ (5,9 mL) cung cấp khả năng phản hồi tần số hiệu quả (tần số cắt 4,3 Hz) với công suất tiêu thụ toàn hệ thống thấp (12 W). Ngoài ra, đầu vào vortex giảm thiểu đáng kể nhu cầu bảo trì và duy trì khả năng phản hồi tần số so với các bộ lọc truyền thống đặt trong dòng khí.
Các bộ ghi dữ liệu CR6 và CR3000 của Campbell Scientific có thể đo trực tiếp cảm biến bức xạ này. CR1000 cũng có thể sử dụng được, nhưng cần thêm module 4WPB100 để đo RTD bên trong.
Cảm biến gió siêu âm CSAT3A
-
- Lệnh SDM của bộ ghi dữ liệu
- Đồng hồ bên trong EC100
Phần mềm EasyFlux WebS
Phiên bản hiện tại: 2.01
EasyFlux® Web Self-Hosted là một công cụ phần mềm dựa trên web để giám sát bất kỳ hệ thống nào sử dụng data logger của Campbell Scientific, bao gồm cả data logger chạy EasyFlux® DL. EasyFlux® Web Self-Hosted là phiên bản do người dùng tự cài đặt của EasyFlux® Web, cho phép người dùng cài đặt trên máy chủ riêng và tự kiểm soát các bản cập nhật phần mềm. Việc giám sát một mạng lưới các hệ thống sử dụng data logger của Campbell Scientific trở nên dễ dàng với khả năng giám sát dữ liệu theo thời gian thực, cảnh báo tùy chỉnh và khả năng tải xuống dữ liệu. EasyFlux® Web tương thích với tất cả các trạm sử dụng data logger của Campbell Scientific.
Cập nhật trong phiên bản 2.01
EasyFlux® Web 2.01 cập nhật bao gồm các lợi ích và tính năng mới để nâng cao trải nghiệm người dùng. EasyFlux® Web 2.01 hiện cung cấp khả năng giám sát camera video trực tiếp.
Phần mềm EasyFlux WebH
EasyFlux® Web CSI-Hosted là một công cụ phần mềm trực tuyến cho phép giám sát bất kỳ hệ thống nào dựa trên bộ ghi dữ liệu của Campbell Scientific. EasyFlux Web CSI-Hosted được lưu trữ trên máy chủ Microsoft Azure của chính Campbell Scientific, cho phép cập nhật và bảo trì phần mềm tự động. Sau khi tạo tài khoản, người dùng sẽ được cấp một địa chỉ IP riêng để dễ dàng kết nối với dữ liệu của họ từ thiết bị có kết nối internet.
Giám sát một mạng lưới các bộ ghi dữ liệu trở nên dễ dàng với các tính năng:
-
- Giám sát dữ liệu theo thời gian thực
- Cảnh báo tùy chỉnh
- Khả năng tải xuống dữ liệu
EasyFlux Web tương thích với tất cả các hệ thống dựa trên bộ ghi dữ liệu của Campbell Scientific, bao gồm các trạm đo thông lượng, thời tiết và đất.
Cập nhật trong phiên bản 2.01
EasyFlux Web 2.01 được cập nhật bao gồm các tính năng và lợi ích mới nhằm nâng cao trải nghiệm người dùng. EasyFlux Web 2.01 hiện cung cấp khả năng giám sát camera video trực tiếp.
Phần mềm EasyFlux PC
EasyFlux® PC là một phần mềm máy tính miễn phí dùng để xử lý dữ liệu chuỗi thời gian tần số cao được thu thập từ hệ thống đo tương quan xoáy (eddy-covariance) của Campbell Scientific. EasyFlux® PC tính toán các thông lượng theo các phương pháp được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng khoa học.
Kết quả đầu ra là các thông lượng được hiệu chỉnh hoàn toàn của CO2, nhiệt ẩn (H2O), nhiệt cảm và động lượng, được lưu ở các định dạng ASCII phổ biến, AmeriFlux và GHG-Europe.
Phần mềm EasyFlux DL
EasyFlux® DL là một chương trình CRBasic miễn phí cho phép data logger của Campbell Scientific báo cáo các thông lượng được hiệu chỉnh hoàn toàn của CO2, nhiệt ẩn (H2O), nhiệt cảm và động lượng từ hệ thống đo tương quan xoáy (eddy-covariance - EC) hở hoặc kín. Các thông lượng cuối cùng được xử lý từ dữ liệu thô theo chuỗi thời gian tần số cao bằng cách áp dụng các phép hiệu chỉnh thông dụng được tìm thấy trong tài liệu khoa học.
Các thông lượng được hiệu chỉnh hoàn toàn được xử lý bởi data logger và báo cáo vào cuối mỗi khoảng thời gian trung bình EC.
Kiểm tra và Ứng dụng
EasyFlux® DL đã được kiểm tra tại một số trạm ở các môi trường khác nhau, bao gồm đồng cỏ linh lăng tưới tiêu, đồng cỏ, ngô, mặt nước mở, rừng và sa mạc. Kết quả cho thấy sự phù hợp tốt với các thông lượng được xử lý bằng các ứng dụng phần mềm trên máy tính truyền thống.
Tổng quan
Hệ thống đo lưu thông cacbon là gì?
Hệ thống đo lưu thông cacbon là một hệ thống tích hợp các thiết bị được sử dụng để đo, ghi lại và xử lý quá trình trao đổi khí cacbon dioxide (CO2) hoặc metan (CH4) giữa tầng sinh quyển (biosphere) và khí quyển trong tầng thấp của khí quyển. Các hệ thống này được sử dụng trên nhiều loại địa hình khác nhau trên toàn cầu (chẳng hạn như rừng, đồng cỏ, cây trồng và cây bụi) để cung cấp thông tin cần thiết cho các mục đích quản lý và nghiên cứu. Hệ thống đo lưu thông cacbon có thiết kế chắc chắn, nhu cầu năng lượng thấp, ít bảo trì và phần mềm giám sát mạng có thể hoạt động từ xa trong thời gian dài mà không cần đến các chuyến thăm địa điểm tốn kém.
Hệ thống đo lưu thông cacbon hoạt động như thế nào?
Các hệ thống đo lưu thông cacbon do Campbell Scientific cung cấp đo lường quá trình trao đổi cacbon giữa tầng sinh quyển và khí quyển bằng kỹ thuật eddy-covariance. Kỹ thuật này dựa trên thiết bị đo gió âm 3 chiều (3-D sonic anemometer) có độ phân giải cao và phản hồi nhanh, cùng với máy phân tích khí phản hồi nhanh, bộ ghi dữ liệu và chương trình xử lý lưu thông.
Trong một số hệ sinh thái, người ta đo các thông số độ cao của khí cacbon dioxide, hơi nước và nhiệt độ, và xác định một thuật ngữ lưu thông cacbon dự trữ.
Các thành phần khác nhau của hệ thống đo lưu thông cacbon là gì?
Một hệ thống đo lưu thông cacbon tiêu chuẩn, sử dụng kỹ thuật eddy-covariance, bao gồm nhiều thành phần khác nhau, bao gồm:
-
- Thiết bị đo gió âm 3 chiều (3-D sonic anemometer) có độ phân giải cao và phản hồi nhanh
- Máy phân tích khí phản hồi nhanh
- Hệ thống lưu thông lưu trữ
- Bộ ghi dữ liệu
- Chương trình xử lý lưu thông
- Cảm biến cân bằng năng lượng bề mặt
- Các cảm biến sinh vật khí quyển phụ trợ
- Giàn lắp đặt
- Thiết bị liên lạc từ xa
Thiết bị đo gió âm 3 chiều
Một thiết bị đo gió âm 3 chiều (ví dụ như CSAT3B, CSAT3A hoặc IRGASON® của Campbell Scientific) đo ba thành phần gió trực giao (theo các hướng x, y, z) và tốc độ âm thanh bằng cách xác định thời gian di chuyển của âm thanh giữa ba cặp đầu thu phát. Trong một hệ thống đo lưu thông cacbon, các dao động bất thường của gió theo chiều thẳng đứng được đo bởi thiết bị đo gió âm 3 chiều được sử dụng kết hợp với máy phân tích khí hồng ngoại để ước tính độ lớn và hướng trao đổi CO2. Máy phân tích khí này phải có đáp ứng tần số đủ để ghi nhận các xoáy nhỏ trong khí quyển. Tất cả các thiết bị đo gió âm của Campbell Scientific đều có đáp ứng tần số phù hợp để sử dụng trong các hệ thống đo lưu thông cacbon.
Thiết bị phân tích khí
Trong hệ thống thông lượng cacbon, máy phân tích khí đo thành phần vô hướng của thông lượng. Máy phân tích khí của Campbell Scientific để đo trao đổi CO2 (IRGASON®, EC150 và EC155) là máy phân tích hấp thụ hồng ngoại trung bình phi tán (NDIR). Một nguồn bức xạ hồng ngoại được truyền qua đường dẫn quang đến bộ detector. Các bộ lọc nhiễu được sử dụng để lọc các bước sóng ánh sáng tương ứng với sự hấp thụ CO2 và sự truyền qua CO2. Do đó, bản chất hai bước sóng của máy phân tích cung cấp cả giá trị tham chiếu và mẫu đọc mà không cần đến cell tham chiếu và bộ detector riêng biệt.
Thay vì sử dụng NDIR, laser diode có thể điều chỉnh (TDL) được sử dụng để đo trao đổi CH4. Laser được sử dụng trong máy phân tích TGA200A của Campbell Scientific là laser thác tầng liên dải (ICL) và có thể được chọn cho các bước sóng mục tiêu trong khoảng từ 3 đến 6 µm. Dải hồng ngoại trung bình này nắm bắt nơi nhiều khí vết quan trọng có mức hấp thụ đỉnh (CO2, N2O và CH4).
Máy phân tích khí được sử dụng để đo thông lượng cacbon với phương pháp eddy-covariance phải có tính khí động học và lấy mẫu đủ nhanh để phân giải các xoáy nhỏ.
-
- Tại Campbell Scientific, chúng tôi đã thiết kế các máy phân tích khí đường hở để có tính khí động học và giảm thiểu biến dạng lưu lượng so với các thiết kế khác đặt một máy phân tích khí có thân hình lớn, thô kệch cạnh thể tích lấy mẫu của máy đo âm thanh gió.
- Thiết kế đường kín cũng giảm thiểu biến dạng lưu lượng bằng cách giảm thiểu kích thước của đầu vào và cửa lấy mẫu.
Máy phân tích khí cũng phải có khả năng phản ứng nhanh với các xoáy nhỏ trong khí quyển. IRGASON®, EC150, EC155 và TGA200A đều có đáp ứng tần số thích hợp để sử dụng trong các hệ thống thông lượng cacbon.
Hệ thống lưu trữ thông lượng
Trong những giai đoạn nhiễu loạn yếu hoặc không có nhiễu loạn, đặc biệt là vào ban đêm, có thể có một lượng thông lượng đáng kể không được máy phân tích khí và máy đo gió soníc được liệt kê ở trên ghi nhận được. Sự thiếu nhiễu loạn khiến CO2 tích tụ theo gradien, không được các dòng xoáy vận chuyển đến thể tích cảm biến của các thiết bị. Mức độ dốc này duy trì cho đến khi mặt trời mọc và nhiễu loạn được phục hồi. Kết quả của chu kỳ trên dẫn đến các khoảng thời gian dường như không có hoặc có rất ít thông lượng, tiếp theo là một đóng góp lớn vào thông lượng.
Với hệ thống đo profile, chẳng hạn như AP200 của Campbell Scientific, có thể đo được gradien thông lượng CO2 bằng máy phân tích khí phản ứng chậm hơn, chẳng hạn như LI-840A (LI-COR Biosciences, Lincoln NE) và nhiều đầu vào khác nhau. Sau đó, gradien này có thể được tích hợp theo thời gian, với việc tính toán một giá trị thông lượng lưu trữ và được cộng vào tổng thông lượng hàng ngày. Kết quả là thông lượng CO2 chính xác hơn và ước tính tốt hơn về trao đổi hệ sinh thái ròng (NEE).
Thiết bị ghi dữ liệu (Data Logger)
Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thống thông lượng cacbon của Campbell Scientific hoạt động kết hợp với một thiết bị ghi dữ liệu (chẳng hạn như CR3000, CR6, CR1000 hoặc CR1000X).
Đối với hệ thống thông lượng cacbon lộ trình mở và hệ thống thông lượng CH4 lộ trình kín, thiết bị ghi dữ liệu được sử dụng để thực hiện các chức năng sau:
-
- Lưu trữ dữ liệu thô.
- Xử lý dữ liệu thô và lưu trữ thông lượng.
- Cho phép truyền thông từ xa đến trạm.
- Cung cấp thông tin chẩn đoán về hệ thống.
Đối với hệ thống thông lượng CO2 lộ trình kín, ngoài các chức năng được liệt kê ở trên, thiết bị ghi dữ liệu còn cung cấp khả năng điều khiển lưu lượng bơm và chuyển mạch van (để hiệu chuẩn zero/span).
Đối với hệ thống lưu trữ thông lượng, thiết bị ghi dữ liệu cung cấp tất cả các chức năng được liệt kê ở trên cho hệ thống lộ trình mở và bổ sung thêm khả năng điều khiển chuyển mạch van và thời gian cho các phép đo gradien profile.
Chương trình xử lý thông lượng (Flux processing program)
Các thiết bị ghi dữ liệu được sử dụng với hệ thống thông lượng cacbon của Campbell Scientific yêu cầu một chương trình để lưu trữ dữ liệu và vận hành hệ thống. Đối với hệ thống thông lượng cacbon lộ trình mở và kín, chương trình này được cung cấp như một phần của gói EasyFlux® DL của chúng tôi. EasyFlux® DL là một chương trình CRBasic cho phép thiết bị ghi dữ liệu báo cáo các thông lượng cacbon được hiệu chỉnh hoàn toàn, xử lý từ dữ liệu chuỗi thời gian tần số cao thô bằng cách áp dụng các phép hiệu chỉnh thông dụng được tìm thấy trong tài liệu khoa học. Ngoài ra, chương trình này còn lưu trữ thông tin chẩn đoán và hiệu chuẩn.
Đối với hệ thống lưu trữ thông lượng, chương trình được cung cấp có các chức năng điều khiển hệ thống, lưu trữ thông tin chẩn đoán và hiệu chuẩn, và tính toán trung bình nồng độ tại các điểm đo profile, có thể được sử dụng để tính toán giá trị lưu trữ hàng ngày.
Các cảm biến cân bằng năng lượng bề mặt (Surface energy balance sensors)
Hệ thống thông lượng cacbon thường được trang bị thêm các cảm biến để đo cán bằng năng lượng bề mặt. Cân bằng năng lượng bề mặt bao gồm bức xạ ròng (Rn), dòng nhiệt đất (G), dòng nhiệt tiềm ẩn (LE) và dòng nhiệt cảm thể (H). Thiết bị CNR4-L, NR01-L hoặc NR-LITE2-L (từ Campbell Scientific) được sử dụng để đo bức xạ ròng. Trong hệ thống thông lượng cacbon của Campbell Scientific, tấm đo dòng nhiệt HFP01-L hoặc HFP01SC-L được sử dụng kết hợp với máy đo độ phản xạ hàm lượng nước CS616 hoặc CS65(x) và cặp nhiệt điện trung bình TCAV-L để tính toán dòng nhiệt đất. Máy phân tích khí và máy đo gió soníc cung cấp phép đo thông lượng cacbon cho dòng nhiệt tiềm ẩn và dòng nhiệt cảm thể. Khi tiến hành kiểm tra cân bằng năng lượng mặt đất, hệ thống sẽ kiểm tra bảo toàn năng lượng và có thể cung cấp ước tính về độ tin cậy của thông lượng hoặc sai số trong các phép đo.
Các cảm biến sinh vật khí tượng (Biometeorology sensors)
Cùng với các cảm biến cân bằng năng lượng bề mặt được đề cập ở phần trước, các cảm biến sinh vật khí tượng bổ sung thường được sử dụng với hệ thống thông lượng cacbon. Trong hệ thống thông lượng cacbon của Campbell Scientific, các cảm biến này bao gồm đầu dò nhiệt độ và độ ẩm tương đối (chẳng hạn như HMP155A-L hoặc EE181-L), máy đo lượng mưa (chẳng hạn như TE525-L) và máy đo bức xạ lá hồng ngoại (chẳng hạn như SI-111). Dữ liệu từ các cảm biến này rất quan trọng để lấp đầy khoảng trống dữ liệu thông lượng cacbon và để hiểu các điều kiện môi trường.
Cấu trúc lắp đặt (Mounting structures)
Campbell Scientific cung cấp chân đỡ ba chân và tháp để lắp đặt hệ thống thông lượng cacbon với chiều cao từ 2 đến 9 m. Các sản phẩm này bao gồm CM106B, CM110, CM120, UT10, UT20 và UT30.
Truyền thông từ xa (Remote communications)
Hệ thống thông lượng cacbon có thể sử dụng telemetry di động, radio hoặc vệ tinh để truyền thông từ xa. Điều này cho phép theo dõi dữ liệu cũng như truyền dữ liệu thông lượng được xử lý hoàn toàn. Hơn nữa, với việc bổ sung EasyFlux® Web, việc giám sát các mạng lưới hệ thống thông lượng cacbon từ xa của tổ chức từ bất kỳ nơi nào trên thế giới trở nên dễ dàng hơn.