波文比觀測系統(tǒng)

能量平衡-波文比法（EBBR）是指通過測量凈輻射、土壤熱通量以及溫度差和水汽壓差，求出潛熱和顯熱通量的一種方法。測量系統(tǒng)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集器、高精度傳感器、自動換位系統(tǒng)和自動切換系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集器是通過采集和存儲凈輻射和土壤熱通量等；通過自動換位測定系統(tǒng)采集和存儲的溫度和濕度差，以及對自動換位裝置的觸發(fā)換位控制；

英國物理學(xué)家Bowen（1926）在研究自由水面的能量平衡時提出能量平衡-波文比法（Energy Balance-Bowen Ratio,EBBR），利用水面與空氣間的亂流交換熱量（顯熱通量H）與自由水面蒸發(fā)水汽的耗熱（潛熱通量LE）之比，并結(jié)合能量平衡公式，求得顯熱通量和潛熱通量的方法。

Bowen比推導(dǎo)公式如下：

其中，β為波文比，Kh和Kq分別為水、熱湍流交換系數(shù)（假設(shè)Kh Kq）；為濕球常數(shù)，0.665（kPa/℃）；L為蒸發(fā)潛熱系數(shù)，2.45（MJ/kg）；Cp為比氣體常數(shù)；為溫度差（可用實(shí)測溫度差代替）； 為兩個不同觀測層間的水汽壓差。

通過換位技術(shù)，消除由測量儀器本身產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，從而使波文比的測量計(jì)算精度有較明顯的提高。對兩個溫濕度傳感器在一個換位周期的兩組測量值之差取平均值，以消除系統(tǒng)誤差，提高波文比的測量精度。

系統(tǒng)組成

1)CR3000數(shù)據(jù)采集器

掃描速率：100Hz

模擬輸入通道：28個單端或14對差分

脈沖計(jì)數(shù)器：4個

開關(guān)激光通道：4個電壓激發(fā)，3個電流激發(fā)

數(shù)字控制端口：3個SDM, 8個I/O或4個RS-232

通訊/數(shù)據(jù)存儲端口：1個CS I/O,1個RS-232,1個并行外圍設(shè)備

輸入電壓范圍：±5Vdc

模擬電壓測量精度：±（0.04%讀數(shù)+偏移量），0～40℃

模擬分辨率：0.33μV

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換位數(shù)：16位

操作溫度：-25～50℃（標(biāo)準(zhǔn)）；-40～85℃（低溫擴(kuò)展）

內(nèi)存：2MB用于運(yùn)行系統(tǒng)，4MB用于CPU、程序及數(shù)據(jù)存儲

供電要求：10～16VDC

功耗：2mA(休眠狀態(tài))，3mA(1Hz采樣頻率)，10mA(100Hz采樣頻率)

可支持的通信協(xié)議：PakBus,Modbus, DNP3,SDI-12,SDM

可支持的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議：FTP, HTTP, XML POP3, SMTP, Telnet, NTCIP, NTP

2）HC2A-S3 空氣溫濕度傳感器

HC2A-S3是由瑞士Rotronic公司生產(chǎn)的溫度和濕度一體式探頭，是一種準(zhǔn)確度高、堅(jiān)實(shí)、耐用的可適用于野外長期觀測的溫濕度傳感器。該傳感器配有一個聚乙烯過濾器，用來防止灰塵和微粒進(jìn)入，保證了傳感器測量的性和可靠性。在配備聚四氟乙烯（特氟龍）的過濾器后，HC2A-S3雖在響應(yīng)時間方面略有下降（≤30s），但可大幅提高環(huán)境適應(yīng)性，能夠在海洋等高鹽分、高濕度環(huán)境下正常使用。
主要技術(shù)參數(shù)

溫度量程：-40～60℃（出廠標(biāo)定量程）；-50℃～100℃（溫度極限范圍）

溫度精度：±0.1℃（@10～30℃）

相對濕度量程：0～99%RH
相對濕度精度：±0.8%RH（@10～30℃）
長期穩(wěn)定性：＜1%RH/年
供 電：3.3～5Vdc

3）四分量凈輻射傳感器

測量參數(shù)：向上的長波輻射，向下的長波輻射，太陽總輻射，反射太陽輻射、凈輻射

可選測量：反照率或太陽反射比，天空溫度，日照時數(shù)和表面溫度

光譜范圍：短波300~2800nm，長波4.5~42μm

靈敏度：5~20μV/W/m2（短波）；5~15μV/W/m2（長波）

響應(yīng)時間：<>（63%）；<>（95%）

非線性誤差：<>

非穩(wěn)定性（年變化）：<>

溫度依賴靈敏度：<>

溫度響應(yīng)：<>（-10℃~40℃）

定向響應(yīng)：<20w>（<>°，1000W/m2）

水平泡精度：<>

工作環(huán)境：-40℃~80℃，0~99%RH

視角：短波輻射傳感器180o，長波輻射傳感器向下150o，長波輻射傳感器向上180o

輻射表內(nèi)置的溫度傳感器：10K的熱敏電阻和PT-100 鉑電阻

安裝支架：螺絲旋緊，螺絲直徑為16mm，長350mm

標(biāo)準(zhǔn)電纜長度：10m

可選電纜長度：20m，50m

防護(hù)等級：IP67

4）土壤熱通量板

HFP01是世界上流行的土壤熱通量測量傳感器，也可以通過墻壁和建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。傳感器采用陶瓷/塑料復(fù)合材料本體，使總熱阻保持較小。傳感器非常堅(jiān)固,性能穩(wěn)定。它適用于在一個位置長期測量，以及多個位置進(jìn)行系統(tǒng)集成測量。

技術(shù)性能參數(shù)

測量參數(shù)：熱通量

感應(yīng)區(qū)域：8×10-4m2

量 程 : -2000～﹢2000W/m2

靈敏度: 60×10-6V/(W/m2)

傳感器熱阻：71×10-4K/(W/m2)

傳感器電阻范圍: 1～4Ω

校準(zhǔn)不確定性：±3%（k=2）

工作溫度范圍： -30～70℃

IP防護(hù)等級：IP67

5）03002風(fēng)速風(fēng)向傳感器

操作溫度：-50～50℃

風(fēng)速測量

測量范圍：0～50m/s，陣風(fēng)60m/s
精度：±0.5m/s

啟動風(fēng)速：1.1m/s

輸出信號：交流正弦波，每轉(zhuǎn)1個脈沖

風(fēng)向測量

量程： 0～360°（機(jī)械），0～352°（電子，8°開口）
精度：±5°

啟動風(fēng)速：1.3m/s

輸出信號：模擬電壓信號

供 電：電位計(jì)激發(fā)電壓15VDC（03002）

6）TCAV平均土壤溫度傳感器

TCAV土壤平均溫度探頭采用E型（鎳鉻-康銅）熱電偶探頭，用于測量土壤表層以下6～8cm的土壤平均溫度，可測得小面積土壤的垂直、水平兩個方向的平均溫度。每組探頭擁有2×2共4個平行探針，每一個探針用于測量不同深度的溫度。TCAV可與土壤熱通量板和土壤溫濕度傳感器配合使用，從而計(jì)算出總土壤熱通量。

技術(shù)性能參數(shù)

傳感器類型：鎳鎘-康銅熱電偶
典型輸出：60μV/℃

重量：0.45kg（含15.24m電纜）