CN105675466B - 一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，包括激光器、PMT检测器、温度计及计算机；激光器，用于发射窄带脉冲激光，且所发射的激光光波的波长包含水蒸气特征吸收的波长；PMT检测器，接收激光器发出的、并经过设定距离的大气后进入PMT检测器的激光光束，生成光谱数据，并从所述光谱数据中读取水蒸气特征吸收的波长对应的能量S1和将其他无水蒸气特征吸收波长对应的能量S2；温度计，用于检测大气的温度T；计算机，用于计算颗粒物的消光率Q和大气相对湿度RH；Q＝(S0‑S2)/S0，RH＝Sw·R·T/kP0，Sw＝S2‑S1，其中，S0为激光初始能量信号，P0为大气饱和气压，R/k为常数。该装置可以实时测量出大气中大气的湿度和颗粒物的浓度变化趋势。
Description
技术领域
本发明属于大气环境监测技术领域，涉及一种用于大气环境监测的探测装置，具体涉及一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置。
背景技术
空气污染已经成为一个全球性的“公共安全问题”。大气中的细颗粒物(PM2.5)成为主要的污染源。我国气象局监测结果表明，PM2.5的浓度与大气相对湿度成正相关性。特别是在高湿度条件下，PM2.5发生爆发式增长，研究发现其中含有的有机成分大幅增加。由于目前存在的相对湿度监测仪的时间分辨比较低，而且无法实现相对湿度和颗粒物信息的同步监测，因此如何从微观角度理解湿度条件与颗粒物形成、增长以及组成的相关性，是目前颗粒物研究的瓶颈问题。利用扫描波长红外激光辐射大气，由于大气中的水蒸气发生特征吸收，同时细颗粒物发生散射，这两种消光现象可以通过检测被辐射大气的红外光谱观察到。由于红外激光能量强，波长扫描速率快，因此可以在很高的时间分辨下准确、实时地监测大气相对湿度和对应的颗粒物吸光率变化，结合其他的颗粒物信息和数据模型，可以深入理解相对湿度和颗粒物形成、增长以及组成的相互联系。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，该装置可以实时测量出大气中大气的湿度和颗粒物的浓度变化趋势。
实现本发明的技术方案如下：
一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，包括激光器、PMT检测器、温度计及计算机；
激光器，用于发射窄带脉冲激光，且所发射的激光光波的波长包含水蒸气特征吸收的波长；
PMT检测器，接收激光器发出的、并经过设定距离的大气后进入PMT检测器的激光光束，生成光谱数据，并从所述光谱数据中读取水蒸气特征吸收的波长对应的能量S1和将其他无水蒸气特征吸收波长对应的能量S2；
温度计，用于检测大气的温度T；
计算机，用于计算颗粒物的消光率Q和大气相对湿度RH；
Q＝(S0-S2)/S0
RH＝Sw·R·T/kP0
Sw＝S2-S1
其中，S0为激光初始能量信号，P0为大气饱和气压，R/k为常数。
进一步地，本发明还包括光学狭缝，所述光学狭缝与PMT检测器相连，激光光束通过光学狭缝进入PMT检测器中。
进一步地，本发明常数R/k为确定的过程如下：
采用露点仪测量大气湿度RH，利用所述监测装置测定Sw和T，然后根据RH＝Sw·R·T/kP0计算出常数R/k。
有益效果
本发明与现有用于大气湿度测量的露点仪相比，由于露点仪的工作较为缓慢，其在较长时间内才能测得一组数据，本发明在线监测装置可以实现对大气湿度和消光率的实时测量。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
如图1所示，实施例1：一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，包括激光器、PMT检测器、温度计及计算机；
激光器，用于发射窄带脉冲激光，且所发射的激光光波的波长包含水蒸气特征吸收的波长；
PMT检测器，接收激光器发出的、并经过设定距离的大气后进入PMT检测器的激光光束，生成光谱数据，并从所述光谱数据中读取水蒸气特征吸收的波长对应的能量S1和将其他无水蒸气特征吸收波长对应的能量S2；
温度计，用于检测大气的温度T；
计算机，用于计算颗粒物的消光率Q和大气相对湿度RH；
将激光的初始能量信号设定为S0，将水蒸气特征吸收的波长对应的检测器能量设定为S1，将其他无水蒸气特征吸收波长对应的检测器能量设定为S2。
与激光初始能量信号S0相比，无水蒸气吸收的波长上检测到的能量损失S0-S2源于激光在大气中传播时颗粒物消光Sp，
Sp＝S0-S2 (1)
于是得到，颗粒物的消光率为
Q＝(S0-S2)/S0 (2)
能量S1与颗粒物消光后的能量S2的差值为水汽吸收信号Sw，
Sw＝S2-S1 (3)
根据朗伯比尔定律
A＝εbc (4)
其中，A是吸收的总能量，ε是单位长度单位浓度下物质的吸光度，b是辐射大气距离，c是物质浓度可知，在ε和b为常数的情况下，A与c成正比。在装置中即表现为水汽信号Sw与水蒸气浓度c成正比，即：
Sw＝kc (5)
其中，k为比例系数；
在实际地表大气环境中，一个大气压下，温度不低于零度时，水蒸气可以被看作是理想气体。满足理想气体状态方程：
Vm＝RT/P (6)
其中，Vm表示单位mol水蒸气的体积，R表示理想气体常数，T表示开尔文温度，P表示水蒸气的压力。
水蒸气浓度可以表达为：
c＝1/Vm＝P/RT (7)
将式(7)代入式(5)中得到：
Sw＝kc＝k·P/RT
P＝Sw·R·T/k (8)
由于相对湿度可以表示为：
RH＝P/P0×100％ (9)
其中，P0为T温度对应的水蒸气的饱和蒸汽压；
将(8)式代入(9)后，相对湿度表达为：
RH＝Sw·R·T/kP0×100％ (10)
其中，RH是测定大气相对湿度，Sw和T是本***测定的测量量，R/k是常数，大气饱和气压P0与大气温度T相对应，因此温度计获得T，就可以查知大气饱和气压P0。
在本***使用之前，利用露点仪测得RH，同时利用本***测得Sw，T，查出对应的P0，代入式(10)中，得到常数R/k的值。
在***使用中，只需要测量Sw和T，查出对应的P0，代入常数R/k的值，便可利用式(10)计算出相对湿度。
本发明还包括光学狭缝，所述光学狭缝与PMT检测器相连，激光光束通过光学狭缝进入PMT检测器中，通过调节光学狭缝宽度，可以避免杂散光进入检测器中。
本实施例中激光器可较佳选择扫描速率为100Hz(最快可以达到20kHz，为了数据的稳定性，拟采用100Hz)，可以改变光谱的时间分辨为0.01秒(最高可达0.00005秒，拟采用0.01秒)。
实施例2：
一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，它包括：红外激光器、PMT检测器、温度计、计算机及光学狭缝。
激光器拟采用水气探测DFB激光器模块，光谱线宽为2MHz，对应于约0.000012nm的线宽，输出光功率为10mW，功率稳定性0.05dB，外形尺寸100×80×24mm，方便携带。波长扫描设定从1392nm至1393nm，全波长扫描，其中1392.5nm为水蒸气特征吸收波长(从HITRAN数据库中得到)。波长扫描频率可以根据所需要的光谱分辨率调节，最高可以达到20kHz，也就是每秒20000个光谱。
激光器发出的激光光路穿过一段大气环境，进入与检测器相连的光学狭缝。进入光学狭缝之前的光路长度可以根据检测器信号的强弱进行调节。激光进入检测器之前，需要穿过一段狭缝，目的在于避免杂散光进入检测器，干扰检测结果。
对大气环境的温度，采用数字式温度计进行测量，将采集到的温度数据按照时间序列传输到计算机。
激光穿过狭缝之后，进入高速放大光电探测器(拟采用LSM-DET-SHS-X系列探测器)。记录下每一个波长对应的检测器能量值。波长每扫描一遍，获得一组数据，对应于一个时间点。其中，光谱分辨率由数据采集频率决定，为了获得优质水蒸气吸收峰谱线，拟采用光谱分辨率0.001nm，也就是1nm范围内采集1000个数据点。数据组时间分辨率由激光器波长扫描频率决定，为了减轻数据存储和处理压力，拟采用100Hz扫描速率，也就是每秒钟100组数据点。
在每一组数据中，将激光的初始能量信号设定为S0，将水蒸气特征吸收的波长(1392.5nm)对应的检测器能量设定为S1，将其他无水蒸气特征吸收波长对应的检测器能量设定为S2。
通过比较S0和S2得到颗粒物的消光率为：Q＝(S0-S2)/S0。
通过比较S1和S2得到水蒸气的消光能量：Sw＝S2-S1。
根据发明内容部分的推导过程，相对湿度表达式为：RH＝Sw·R·T/kP0×100％。
其中，RH是监测的大气相对湿度，Sw和T是已知测量量，R/k是常数，P0可以通过T得到，也属于已知量。
在本***使用之前，利用露点仪和本***同时测得RH、Sw、T，并查出对应的P0，代入相对湿度表达式中，得到常数R/k的值。
在***使用中，只需要测量Sw和T，查出对应的P0，代入常数R/k的值，便可利用相对湿度表达式计算出相对湿度。
根据每一组数据计算出消光率和相对湿度，对应于一个时间点。
以时间点为横坐标，消光率和相对湿度为纵坐标作图，得到相对湿度随时间变化曲线以及消光率随时间变化曲线，分析两条曲线之间的依赖关系可以获得消光率对于相对湿度的依赖关系，为认识大颗粒物消光特性与相对湿度之间的关系提供重要参数。
实施例3，较优的，在实例1基础上，将所有检测到的数据按照时间序列输入到计算机，将各个数据之间的表达式，换算公式编写成程序，输入量为测量量：S0,S1,S2,和T，经过程序运算之后，直接在电脑屏幕上绘制出实时的相对湿度-时间曲线和消光率-时间曲线。采用较高重复频率的激光器，获得高时间分辨的数据，便于实时监测相对湿度脉动以及引起的颗粒物消光率变化。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，其特征在于，包括激光器、PMT检测器、温度计及计算机；
激光器，用于发射窄带脉冲激光，且所发射的激光光波的波长包含水蒸气特征吸收的波长，所述激光器为红外激光器，其扫描速率为100Hz，改变光谱的时间分辨为0.01秒；
PMT检测器，接收激光器发出的、并经过设定距离的大气后进入PMT检测器的激光光束，生成光谱数据，并从所述光谱数据中读取水蒸气特征吸收的波长对应的能量S1和将其他无水蒸气特征吸收波长对应的能量S2；
温度计，用于检测大气的温度T；
计算机，用于计算颗粒物的消光率Q和大气相对湿度RH；
Q＝(S0-S2)/S0
RH＝Sw·R·T/kP0
Sw＝S2-S1其中，S0为激光初始能量信号，P0为大气饱和气压，R/k为常数。
2.根据权利要求1所述大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，其特征在于，还包括光学狭缝，所述光学狭缝与PMT检测器相连，激光光束通过光学狭缝进入PMT检测器中。
3.根据权利要求1所述大气相对湿度协同颗粒物消光的在线监测装置，其特征在于，所述常数R/k为确定的过程如下：采用露点仪测量大气湿度RH，利用所述监测装置测定Sw和T，然后根据RH＝Sw·R·T/kP0计算出常数R/k。
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