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渦動觀測系統主要由流速測量模塊、濃度測量模塊和輔助設施構成,其中流速湍動測量通常采用ADV,濃度湍動測量設備則因待測通量而異。目前國內外采用的渦動觀測系統通常由以下設備組成:
a.ADV。ADV基于聲學多普勒原理進行高頻三維流速測量(部分產品可達128 Hz),兼測水溫、水深、傾角和方位角等物理量。ADV通過中央傳感器發射超聲波脈沖,當聲波遇到水中懸浮顆粒被反射回時,被均勻布置在中央傳感器周圍的2~4個探頭接收。ADV測量的是位于中央傳感器下方5~18 cm處一直徑和高度均約1 cm的圓柱狀水體的流速,該儀器不適宜用于懸浮顆粒稀少的低濁度或靜水環境。
b.Clark型微電極。該類型微電極因最早由L.C.Clark研制而得名,具有針端細(約10μm)和響應快(90%響應時間t 90%<0.2 s)等顯著優勢。工作時,氣體從其尖端擴散進入后與陰極發生反應產生電流,電流信號經放大后與校正的標準曲線對比可得到氣體濃度值。因此,Clark型微電極在觀測過程中消耗了待測氣體。目前市面在售微電極的可測指標包括O2、H2 S、NO和pH值等,可用于構建多通量渦動觀測系統,但大多數微電極由玻璃制作,其保證使用壽命較短,難以實現長期原位觀測。
c.高魯棒性傳感器。
為長期連續開展原位渦動相關觀測,可用高魯棒性溶質濃度傳感器代替Clark型微電極。例如,ARO-EC是一款基于熒光壽命法的溫氧傳感器,不消耗待測氣體也不引起信號漂移,且以鈦為材質,可滿足野外長期工作的需要;Hu等設計了FACT傳感器進行熒光性溶解有機物的渦動相關觀測,同時可測量水溫與鹽度等指標。由于無須放大信號,高魯棒性傳感器與ADV的整合往往更為容易,但該類傳感器也具備體積較大、通量測量類型較少等不足。
d.輔助設備。
渦動相關觀測通常還需要測架、電纜、數據采集器及通信模塊等輔助設備。部分傳感器能由ADV控制并通過其提供的虛擬通道進行數據輸出,從而實現流速和溶質濃度的同步觀測;但當外接傳感器較多或需要對觀測信號進行放大時,則需另配數據采集器。
傳感器的選用要求
渦動相關技術需要同步高頻測量水流速度湍動和溶質濃度湍動,因此其觀測儀器一般需滿足測量頻率與響應時間、測量精度與靈敏度、探頭尺寸與采樣范圍三方面的要求。
a.測量頻率與響應時間。
高頻觀測是渦動相關技術的主要特征之一,其傳感器應具有足夠高的測量頻率以捕捉對通量有貢獻的最小尺度(最高頻·83·率)湍動。分別對典型弱湍動水環境(如深海底部流速約為2 cm/s)和強湍動水環境(如陸架海底部流速約為20 cm/s)進行估算,可知湍流存在的最小時間尺度通常為0.2~7.4 s,即5~0.1 Hz,因此渦動傳感器的最高觀測頻率不應低于該值,且越強的湍動環境需要越高的觀測頻率。響應時間表征了傳感器對外界環境改變的反應速度,由于湍流通量主要由大尺度渦旋攜帶,通常認為t 90%<0.2 s的傳感器可滿足渦動相關觀測要求。
b.測量精度與靈敏度。
渦動觀測儀器的測量精度應與其所測物理量的湍動尺度相匹配。流速湍動尺度與湍流發育程度相關,在充分發展的湍流環境中,通常以摩擦流速量化流速湍動;濃度湍動尺度還與其物質濃度梯度有關,可以根據給定的通量數值和流速湍動尺度進行估計。一般來說,提升傳感器靈敏度是提高測量精度的方法之一,但過高的靈敏度將產生噪聲進而降低渦動觀測的數據質量并延長渦動觀測的時段長度。c.探頭尺寸與采樣范圍。
為減小對水流運動及ADV聲波信號的干擾,溶質濃度測量儀器的探頭尺寸應盡可能小,否則將使傳感器安裝間距增大、數據處理難度增加,甚至使得該系統不宜應用于強湍動水環境。此外,為捕捉與湍流通量相關的最小尺度渦動,理想溶質濃度測量儀器的采樣范圍應小于柯氏長度,即湍流存在的最小空間尺度;但實際上ADV的圓柱體采樣范圍通常相對更大,甚至超過柯氏長度,因此溶質濃度測量儀器的采樣范圍通常不是組建渦動觀測系統的限制條件。
系統的空間布置
a.傳感器安裝間距。ADV與溶質濃度測量儀器測量同一渦旋,因此兩者的采樣區域理論上需完全重合。但是,濃度測量探頭的物理結構會干擾水流狀態及ADV聲波信號,因此兩者之間應保持一定的水平距離,即安裝間距Δl(圖1),而這種空間布置錯位導致的測量誤差將在數據處理過程中通過時滯修正進行校正。一般來說,濃度測量探頭與ADV應沿水流方向布置,且探頭位于ADV采樣體的下游,兩者間距不超過10倍柯式長度,否則容易造成通量低估。
不同尺寸的探頭所需的安裝間距不等,可通過分析ADV觀測信號的信噪比進行確定,如ADV與Clark型微電極之間的安裝間距通常小于1 cm,而與ARO-EC傳感器探頭之間的安裝間距應為1~2 cm。b.觀測點布設高度。觀測點布設高度是指ADV采樣體或濃度測量探頭與沉積物水界面之間的距離,即觀測高度h(圖1)。一般來說,沉積物水界面附近物質濃度梯度較大,因此當觀測點布設較低時傳感器更容易觀測到濃度湍動。觀測高度在一定程度上決定了渦動相關觀測的足跡范圍,通常取8~80 cm,實際布置時應視環境水深、水動力條件、下墊面異質性等因素而定。