CN108267388B - 一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,包括干燥***、空气湿度控制***、数据采集处理***和气溶胶散射系数测量***,空气湿度控制***使用的加湿装置采用的是“气‑气”输送方案,即水汽渗透管外腔为一定湿度的湿空气,根据渗透管内外空气的水汽压差将水汽输送至渗透管内的进样气流。另外,本发明还提供一种大气气溶胶挥发特性测量方法,所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,测量大气气溶胶粒子的散射吸湿增长能力大小。与现有技术相比,本发明提供的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法,其具有能在不同的相对湿度下测量大气散射系数的功能,自动化程度高、稳定性好。

Description

一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及大气检测设备,具体涉及一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法。
背景技术
气溶胶的吸湿特性描述的是在一定水汽条件下气溶胶粒子与水汽的相互作用,与气溶胶的物理特性、化学特性相关,影响着气溶胶的光学特性和云物理特性,属于气溶胶研究中的基础问题之一。
目前,气溶胶的吸湿增长测量方法主要包括粒径吸湿增长与散射系数吸湿增长两种。虽然国外科研机构较早开展气溶胶吸湿性的测量仪器的研发,但主要集中在对指定粒径气溶胶的吸湿增长因子测量,或针对单一性质的实验室发生气溶胶进行测量。对于散射系数吸湿增长测量,其加湿方法多采用“稀释/混合”、“水-气交换”等两种方式,前者的缺点在于混入的湿空气会改变样气的气溶胶浓度、相对湿度分布不均匀,难于应用于环境大气状况下混合气溶胶的测量;后者的优点在于加湿效率较高,缺点是由于湿度取决于水浴温度和所选取渗透管的渗透效率,当渗透效率高时,低湿要求较低水温(远低于常温),因而较难实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷,提供一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法,其具有能在不同的相对湿度下测量大气散射系数的功能,自动化程度高、稳定性好。
本发明提供一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,包括干燥***、空气湿度控制***、数据采集处理***和气溶胶散射系数测量***,其中:
所述干燥***包括干燥器(1)、第一泵(2)、限流孔(3)、第一粒子过滤器(4)、第一温湿度传感器(5)和三通阀(6),所述第一粒子过滤器(4)的出口连接限流孔(3)的进口,限流孔(3)的出口连接干燥器(1)的外壁输入端,所述干燥器(1)的外壁输出端与所述第一泵(2)连接,所述干燥器(1)的渗透膜出口连接所述三通阀(6),在所述干燥器(1)的渗透膜出口与所述三通阀(6)连接的管道上设所述第一温湿度传感器(5);
所述空气湿度控制***包括三通阀(6)、膜渗透式气-气增湿器(8)、第二泵(9)、第二粒子过滤器(10)、水箱(11)、水体加热器(12)、水体温度传感器(13)、水箱温控器(14)、第二温湿度传感器(15),三通阀(6)的出口与膜渗透式气-气增湿器(8)的样气进口连接,膜渗透式气-气增湿器(8)的样气出口连接第二气溶胶散射系数测量***(16)的进气口,第二泵(9)的进气口连接膜渗透式气-气增湿器(8)的鞘气出气口、膜渗透式气-气增湿器(8)的鞘气进气口连接水箱(11)的湿气出气口,空气经过第二粒子过滤器(10)连接水箱(11)进气口,水箱(11)中的水体加热器(12)和水体温度传感器(13)置于液面下,并与水箱温控器(14)连接;
数据采集处理***包括电性连接的数据采集卡和数据监控软件;第一温湿度传感器(5)、第二温湿度传感器(15)、水体温度传感器(13)、水箱温控器(14)均与数据采集卡电性连接;
干燥***的样气出口的三通阀(6)连接到第一气溶胶散射系数测量***(7)的进气口,用于测量干燥后气溶胶的散射系数;空气湿度控制***的样气出口连接第二温湿度传感器(15),受湿度控制后的样气进入第二气溶胶散射系数测量***(16)的进气口,用于测量加湿后气溶胶的散射系数。
优选地,所述干燥器(1)为膜渗透式干燥器。
另外,本发明还提供一种气溶胶散射系数吸湿增长测量方法,用前面所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,测量大气气溶胶粒子的散射吸湿增长能力大小。
与现有技术相比,本发明提供的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法,干燥***是利用硅胶吸湿或加湿管对样气进行干燥,使样气的湿度低于30%。
空气湿度控制***原理如下:由Nafion膜将加湿管分为内外两部分,利用Nafion膜两端水汽压高向水汽压低渗透的原理,样气在管内运行,管外为一定湿度(高湿)气流,则管外部水汽向管内部渗透,达到加湿样气的效果基于此原理。本发明通过控制管外部气流的流速来调制样气的湿度变化,由30%以下的干状态上升到90%,再由90%下降到30%。
样气湿度调制如下:
第一点、管外部一定湿度(高湿)气流的产生:环境空气经过第二粒子过滤器(10)过滤后成为洁净空气,进入水箱(11),在水箱(11)的水体下部冒泡成为一定湿度(高湿)气流,进入加湿管外部;
第二点、水箱(11)的水位、温度需保持在一定范围;
第三点、样气低湿度起点:加湿管外部的一定湿度(高湿)气流的流速为0时,其中水汽没有得到补充,则随着向管内部渗透水汽,管外部气流湿度减低,直至与管内样气湿度相当,此时样气的湿度达到作为起点的最低值;
第四点、样气湿度上升过程:管外部一定湿度(高湿)气流的流速逐渐上升(最高上升到10LPM),其中的水汽得到补充,持续向管内部渗透加湿,直至管内部样气的湿度达到90%;
第五点、样气湿度下降过程:,管内部样气湿度达到90%后,开始湿度降低过程,管外部一定湿度(高湿)气流的流速逐渐降低,直至到0,对样气湿度调制效果如第三点所述;
第六点、样气湿度变化循环过程:当如第五点所述管内部的样气湿度下降到30%以下时,再开始如第四点所述的样气湿度上升过程,如此循环。
本发明的空气湿度控制***,使用的加湿装置采用的是“气-气”输送方案,即水汽渗透管外腔为一定湿度的湿空气,根据渗透管内外空气的水汽压差将水汽输送至渗透管内的进样气流。相对于“稀释/混合”方式,本发明的空气湿度控制***不会改变样气的气溶胶浓度,且相对湿度分布均匀;相对于“水-气”交换方式,湿度控制更为稳定,装置与控制方法简单。
与现有技术相比,本发明的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪及测量方法,其具有能在不同的相对湿度下测量大气散射系数的功能,自动化程度高、稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪的结构示意图;
图2为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪检测某区域的气溶胶散射系数干湿两路(干湿两路均RH<30%)测量值的对比图;
图3为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)随湿度的变化曲线;
图4为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪***的软件界面;
图5为在不同的湿度下,f(RH)的统计概率,从图中可以看到,RH越低f(RH)的值越集中,RH越高f(RH)的值越分散。
具体实施方式
请参阅图1至图5,图1为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪的结构示意图;图2为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪检测某区域的气溶胶散射系数干湿两路(干湿两路均RH<30%)测量值的对比图;图3为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)随湿度的变化曲线;图4为本发明所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪***的软件界面;图5为在不同的湿度下,f(RH)的统计概率,从图中可以看到,RH越低f(RH)的值越集中,RH越高f(RH)的值越分散。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪包括:气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,包括干燥***、空气湿度控制***、数据采集处理***和气溶胶散射系数测量***,其中:
所述干燥***包括膜渗透式干燥器1、第一泵2、限流孔3、第一粒子过滤器4、第一温湿度传感器5和三通阀6,所述第一粒子过滤器4的出口连接限流孔3的进口,限流孔3的出口连接膜渗透式干燥器1的外壁输入端,所述膜渗透式干燥器1的外壁输出端与所述第一泵2连接,所述膜渗透式干燥器1的渗透膜出口连接所述三通阀6,在所述膜渗透式干燥器1的渗透膜出口与所述三通阀6连接的管道上设所述第一温湿度传感器5;
所述空气湿度控制***包括三通阀6、膜渗透式气-气增湿器8、第二泵9、第二粒子过滤器10、水箱11、水体加热器12、水体温度传感器13、水箱温控器14、第二温湿度传感器15,三通阀6的出口与膜渗透式气-气增湿器8的样气进口连接,膜渗透式气-气增湿器8的样气出口连接第二气溶胶散射系数测量***16的进气口,第二泵9的进气口连接膜渗透式气-气增湿器8的鞘气出气口、膜渗透式气-气增湿器8的鞘气进气口连接水箱11的湿气出气口,空气经过第二粒子过滤器10连接水箱11进气口,水箱11中的水体加热器12和水体温度传感器13置于液面下,并与水箱温控器14连接;
数据采集处理***包括电性连接的数据采集卡和数据监控软件;第一温湿度传感器5、第二温湿度传感器15、水体温度传感器13、水箱温控器14均与数据采集卡电性连接;
干燥***的样气出口的三通阀6连接到第一气溶胶散射系数测量***7的进气口,用于测量干燥后气溶胶的散射系数;空气湿度控制***的样气出口连接第二温湿度传感器15,受湿度控制后的样气进入第二气溶胶散射系数测量***16的进气口,用于测量加湿后气溶胶的散射系数。
另外,本发明还提供一种气溶胶散射系数吸湿增长测量方法,用前面所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,测量大气气溶胶粒子的散射吸湿增长能力大小。
本发明的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪得到以下三种测量要素:1、干气溶胶散射系数,其表征相对湿度在30%以下时的气溶胶散射系数。2、湿气溶胶散射系数,其表征相对湿度在30%-90%时的气溶胶散射系数。3、气溶胶散射系数吸湿增长因子f(RH),其为湿气溶胶与干气溶胶散射系数之比。
应用实施例1
气溶胶散射系数吸湿增长测量
气溶胶散射系数吸湿增长的值用两台气溶胶散射系数测量仪所测得散射系数比值表示,第二气溶胶散射系数测量***16测量的是气溶胶湿度由30%上升至90%,再从90%下降到30%以下的气溶胶散射系数(两个流程循环运行),第一气溶胶散射系数测量***7所测量的是气溶胶湿度在30%以下的散射系数。两者的比值为:
f(RH)=σRefWet
其中f(RH)为气溶胶散射系数吸湿增长因子,σRef为干气路气溶胶所测得的散射系数,σWet为不同湿度下气溶胶所测得的散射系数。在一个循环过程中(<1.5小时)所测大气气溶胶物理化学性质变化不大的情况下,f(RH)可认为是气溶胶散射系数吸湿增长因子。
应用实施例2
数据质量控制
气溶胶散射系数吸湿增长因子f(RH)是通过第一气溶胶散射系数测量***7、第二气溶胶散射系数测量***16并行测量的数据得到。那么,两台散射系数测量仪的测量误差、校准误差、分流误差(从采样口进入两台散射系数测量仪的气流分布、浓度、组分等差异)会对测量结果有干扰,因此应对数据进行处理已排除上述因素的影响。
因此采用以下方法进行订正,空气加湿***未进行加湿的情况下,第二气溶胶散射系数测量***16所测量的气溶胶是处于干状态(湿度低于30%),此时第一气溶胶散射系数测量***7,所测量的气溶胶也处于干状态(湿度低于30%),此时两台气溶胶散射系数测量仪所测得数据的比值若近似为1,则认为两台测量仪的***偏差基本为0。
应用实施例3
取广州市某住宅小区的大气样品,进行测量,结果见图3,图4,图5。
在本发明的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪中,第一浊度计测量的散射系数值为纵坐标轴,第二浊度计测量的散射系数值为横坐标轴,在空气湿度控制调制湿度低于30%时的曲线,可对比两台浊度计的测量误差。空气湿度控制***在对测量大气进行湿度调制,湿度由30%调制到90%的过程中,第二浊度计散射系数测量值除以第一浊度计散射系数测量值得到的散射吸湿增长因子f(RH)随湿度的变化曲线如图4。湿度由30%调制到90%的过程中,f(RH)随湿度的变化曲线如图5。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,其特征在于,包括干燥***、空气湿度控制***、数据采集处理***和气溶胶散射系数测量***,其中:
所述干燥***包括干燥器(1)、第一泵(2)、限流孔(3)、第一粒子过滤器(4)、第一温湿度传感器(5)和三通阀(6),所述第一粒子过滤器(4)的出口连接限流孔(3)的进口,限流孔(3)的出口连接干燥器(1)的外壁输入端,所述干燥器(1)的外壁输出端与所述第一泵(2)连接,所述干燥器(1)的渗透膜出口连接所述三通阀(6),在所述干燥器(1)的渗透膜出口与所述三通阀(6)连接的管道上设所述第一温湿度传感器(5);
所述空气湿度控制***包括三通阀(6)、膜渗透式气-气增湿器(8)、第二泵(9)、第二粒子过滤器(10)、水箱(11)、水体加热器(12)、水体温度传感器(13)、水箱温控器(14)、第二温湿度传感器(15),三通阀(6)的出口与膜渗透式气-气增湿器(8)的样气进口连接,膜渗透式气-气增湿器(8)的样气出口连接第二气溶胶散射系数测量***(16)的进气口,第二泵(9)的进气口连接膜渗透式气-气增湿器(8)的鞘气出气口、膜渗透式气-气增湿器(8)的鞘气进气口连接水箱(11)的湿气出气口,空气经过第二粒子过滤器(10)连接水箱(11)进气口,水箱(11)中的水体加热器(12)和水体温度传感器(13)置于液面下,并与水箱温控器(14)连接;
数据采集处理***包括电性连接的数据采集卡和数据监控软件;第一温湿度传感器(5)、第二温湿度传感器(15)、水体温度传感器(13)、水箱温控器(14)均与数据采集卡电性连接;
干燥***的样气出口的三通阀(6)连接到第一气溶胶散射系数测量***(7)的进气口,用于测量干燥后气溶胶的散射系数;空气湿度控制***的样气出口连接第二温湿度传感器(15),受湿度控制后的样气进入第二气溶胶散射系数测量***(16)的进气口,用于测量加湿后气溶胶的散射系数。
2.根据权利要求1所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,其特征在于,所述干燥器(1)为膜渗透式干燥器。
3.一种气溶胶散射系数吸湿增长测量方法,其特征在于,用权利要求1所述的气溶胶散射系数吸湿增长测量仪,测量大气气溶胶粒子的散射吸湿增长能力大小。
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