CN113970509A - 多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，包括采样头、一级切换机构、二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块和采集箱；一级切换机构与采样头连接，一级切换机构与连接管连接；连接管与浊度计连接；浊度计与二级切换机构连接，二级切换机构与采样泵连接；一级切换机构与采样头之间设有第一温湿探头，浊度计设有第二温湿探头；一级切换机构、二级切换机构、浊度计、第一温湿探头和第二温湿探头均与数据采集及控制模块电性连接；二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块均安装在采集箱的箱体内，一级切换机构和采样头位于采集箱外侧。本发明测量结果准确，属于环境监测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***。
背景技术
随着气溶胶颗粒物污染日趋加重，关于环境气溶胶颗粒物的物理化学特性、形成和演变机制是国内外研究的热点。环境气溶胶颗粒物的相态是影响其物理化学特性及气溶胶颗粒物气粒平衡、多相化学反应的重要因素。气溶胶颗粒物的相态指的是气溶胶颗粒物是固态、部分液态或者液态，会直接影响气溶胶颗粒物中的液态水含量。此外，环境气溶胶颗粒物的相态会影响其吸湿增长过程，而气溶胶的吸湿增长过程与其微物理和光学特性息息相关，吸湿长大后的气溶胶颗粒物对太阳光的散射能力增强，从而降低大气能见度和改变地气***的辐射能量平衡。
目前，主要通过加湿双电迁移性颗粒物粒径分析仪(HTDMA)和加湿浊度计***来观测气溶胶颗粒物的吸湿增长行为。HTDMA主要是通过观测某一粒径气溶胶颗粒物加湿前和加湿后的粒径变化来计算气溶胶颗粒物的粒径吸湿增长因子。而加湿浊度计***是对加湿前和加湿后气溶胶颗粒物的整体散射系数进行测量，能够间接反映气溶胶的吸湿增长行为。
而目前无论是HTDMA还是加湿浊度计***，都是先将气溶胶颗粒物先干燥到较低相对湿度，再加湿到一定相对湿度，测得吸湿增长因子，反演得到吸湿性参数，并假设气溶胶颗粒物为液态来对其环境效应进行评估。但是由于气溶胶颗粒物的相态与环境相对湿度直接相关，其随着相对湿度变化的过程非常复杂，先干燥后加湿这种观测方法，可能对气溶胶颗粒物的环境状态造成了扰动，比如在干燥的过程中，环境气溶胶颗粒物可能发生了结晶，相态为固态，随后在加湿过程中其可能保持固态直到RH达到其潮解相对湿度时发生潮解，相态变为液态，也可能在某一相对湿度下部分潮解(部分液态)在潮解相对湿度时完全潮解；而在实际环境中，若气溶胶颗粒物之前并没有结晶，那么其在环境相对湿度低于其潮解相对湿度时也为液态。另一方面，即使环境气溶胶颗粒物在干燥过程中没有结晶，相态保持液态，但是在干燥再加湿的过程中，其相对湿度在短时间内发生了很大的变化，那么在同一相对湿度下其吸湿增长因子可能与实际环境存在偏差。这就表明目前的观测方法并不能真实地反映环境相态下气溶胶颗粒物的吸湿增长行为。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种测量结果准确的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，包括采样头、一级切换机构、二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块和采集箱；
一级切换机构包括第一电磁阀和第二电磁阀，第一电磁阀和第二电磁阀均通过管道与采样头连接，第一电磁阀通过管道与浊度计连接；第二电磁阀通过管道与连接管连接；连接管与浊度计的入口端连接；浊度计的出口端与二级切换机构连接，二级切换机构与采样泵连接；一级切换机构与采样头之间设有第一温湿探头，浊度计的入口端、浊度计的出口端和浊度计的腔体内均设有第二温湿探头；二级切换机构、第一电磁阀、第二电磁阀、浊度计、第一温湿探头和第二温湿探头均与数据采集及控制模块电性连接；二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块均安装在采集箱的箱体内，第一电磁阀、第二电磁阀和采样头位于采集箱外侧。
作为一种优选，二级切换机构包括第三电磁阀、第一限流管与第二限流管，第三电磁阀的一端通过管道与浊度计出口端连接，第三电磁阀的另一端与第一限流管连接，第一限流管与采样泵连接；第二限流管的一端与浊度计出口端连接，第二限流管的另一端与采样泵连接；第三电磁阀与数据采集及控制模块电性连接。
作为一种优选，第一电磁阀和第二电磁阀分别通过第一三通管与采样头连接，第一温湿探头设置在采样头和第一三通管之间；第一电磁阀和连接管分别通过第二三通管与浊度计入口端连接。
作为一种优选，当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室外工作时，连接管为干燥管，第二电磁阀通过管道与干燥管的一端连接，干燥管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
作为一种优选，当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室内工作时，连接管为加湿管，第二电磁阀通过管道与加湿管的一端连接，加湿管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
作为一种优选，多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***还包括防雨箱，第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨箱内。
作为一种优选，采集箱包括框架层、防雨通风层和底层；防雨通风层和底层依次连接，框架层位于防雨通风层内；采样头位于防雨通风层的顶部；第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨通风层，连接管位于防雨通风层；浊度计安装在防雨通风层内的框架层；数据采集及控制模块、第三电磁阀和采样泵安装在底层。
作为一种优选，防雨通风层为立方体框架，防雨通风层通过铝型材连接形成，防雨通风层的顶端与底端分别安装有连接板，顶端的连接板和底端的连接板均设有供管道穿过的通孔；防雨通风层的四周安装有第一百叶板。
作为一种优选，框架层为立方体框架，框架层通过铝型材连接形成，通过连接件固定在防雨通风层底端的连接板上。
作为一种优选，底层为立方体框架，底层内部及底端分别安装有安装板，数据采集及控制模块、二级切换机构和采样泵放置在安装板，底层的四周安装有第二百叶板。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明测量结果准确；可放置在室外，有良好的防雨和通风效果，并且采用大流量，使得样气温度与相对湿度与环境基本保持一致；通过一级切换机构进行实时的气路切换，可以实现干燥状态下与环境状态下气溶胶颗粒物的散射系数的测量，从而计算环境相态下的吸湿增长因子(f(RH))，避免了先干燥后加湿对气溶胶颗粒物环境状态造成的扰动，能够更准确地评估气溶胶吸湿增长行为；对样气温湿度进行实时全方位监测，并记录数据，便于后期对数据质量的校准；能够结合实时数据处理***，对环境气溶胶颗粒物含水量等环境效应进行评估；接入室内干燥气路，可实现单浊度计加湿浊度计***的功能；通过二级切换机构进行实时的采样流量的切换，可以实现PM2.5与PM10散射吸湿增长因子的同时测量。
附图说明
图1为多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***中的连接管为干燥管时的立体图。
图2为多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***中的连接管为加湿管时的立体图。
图3为图2中的A处放大图。
其中，1为采样头，2为第一温湿探头，3为第一电磁阀，4为第二电磁阀，5为干燥管，6为第二温湿探头，7为浊度计，8为第三温湿探头，9为第四温湿探头，10为数据采集及控制模块，11为第三电磁阀，12为第一限流管，13为第二限流管，14为采样泵，15为加湿管，16为加湿单元。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，包括采样头、一级切换机构、二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块和采集箱；
一级切换机构包括第一电磁阀和第二电磁阀，第一电磁阀和第二电磁阀均通过管道与采样头连接，第一电磁阀通过管道与浊度计连接；第二电磁阀通过管道与连接管连接；连接管与浊度计的入口端连接；浊度计的出口端与二级切换机构连接，二级切换机构与采样泵连接；一级切换机构与采样头之间设有第一温湿探头，浊度计的入口端、浊度计的出口端和浊度计的腔体内均设有第二温湿探头；二级切换机构、第一电磁阀、第二电磁阀、浊度计、第一温湿探头和第二温湿探头均与数据采集及控制模块电性连接；二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块均安装在采集箱的箱体内，第一电磁阀、第二电磁阀和采样头位于采集箱外侧。
本实施例的第二温湿探头的数量为三个，三个第二温湿探头在本实施例中为了方便区分，三个第二温湿探头分别为第二温湿探头、第三温湿探头和第四温湿探头；第二温湿探头设置在浊度计的入口端，第三温湿探头设置在浊度计的腔体内，第四温湿探头设置在浊度计的出口端。采样头采用PM2.5切割头。通过一级切换机构可以控制进入浊度计的样气为环境空气或干燥气体。数据采集及控制模块采用集成电路，可以同时读取十个温湿探头的数据，并能通过继电器控制电磁阀的开关。
二级切换机构包括第三电磁阀、第一限流管与第二限流管，第三电磁阀的一端通过管道与浊度计出口端连接，第三电磁阀的另一端与第一限流管连接，第一限流管与采样泵连接；第二限流管的一端与浊度计出口端连接，第二限流管的另一端与采样泵连接；第三电磁阀与数据采集及控制模块电性连接。通过二级切换机构可以实现PM2.5和PM10的同时观测。
第一电磁阀和第二电磁阀分别通过第一三通管与采样头连接，第一温湿探头设置在采样头和第一三通管之间；第一电磁阀和连接管分别通过第二三通管与浊度计入口端连接。
本实施例的连接管为干燥管，当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室外工作时，连接管为干燥管，第二电磁阀通过管道与干燥管的一端连接，干燥管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***还包括防雨箱，第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨箱内。
采集箱包括框架层、防雨通风层和底层；防雨通风层和底层依次连接，框架层位于防雨通风层内；采样头位于防雨通风层的顶部；第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨通风层，连接管位于防雨通风层；浊度计安装在防雨通风层内的框架层；数据采集及控制模块、第三电磁阀和采样泵安装在底层。防雨通风层为立方体框架，防雨通风层通过铝型材连接形成，防雨通风层的顶端与底端分别安装有连接板，顶端的连接板和底端的连接板均设有供管道穿过的通孔；防雨通风层的四周安装有第一百叶板。
框架层为立方体框架，框架层通过铝型材连接形成，通过连接件固定在防雨通风层底端的连接板上。
底层为立方体框架，底层内部及底端分别安装有安装板，数据采集及控制模块、二级切换机构和采样泵放置在安装板，底层的四周安装有第二百叶板。
本实施例中，第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀均为电动球阀，电动球阀外表面设有防雨外壳(防雨箱)；浊度计为Ecotech Aurora 3000型三波段总散射和后向散射浊度计，可提供更多信息，用于气溶胶颗粒物含水量等环境效应评估；干燥管为长度为60厘米的Nafion干燥管。第一温湿探头、第二温湿探头、第三温湿探头和第四温湿探头均为维萨拉HMP110，分别放置在PM2.5切割头之后，浊度计的入口端、浊度计的腔体和浊度计的出口端均设置温湿探头，用于对样气温湿度的全方位监测。控制模块控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀启闭，数据采集及控制模块与浊度计连接，第一温湿探头、第二温湿探头、第三温湿探头和第四温湿探头均与数据采集及控制模块连接，实时监测环境、浊度计入口端、浊度计出口端和浊度计腔体相对湿度。
本实施例中，采样头和一级切换机构之间的管道为进气管道、一级切换机构和浊度计之间的管道为进气管道；浊度计与二级切换机构之间的管道为出气管道、二级切换机构与采样泵之间的管道为出气管道；进气管道均采用不锈钢管，出气管道采用特氟龙管与硅胶软管；
为了更准确地得到浊度计腔体内的实际采样相对湿度，本实施例在浊度计的入口端、浊度计的出口端及浊度计腔体内均放置了第三温湿探头，利用测量得到的入口端和出口端温湿度分别计算得到入口端和出口端的露点，它们的平均值则被认为是腔体内的采样露点，再结合放置在腔体内部的温湿探头测量得到的温度，则可以计算出实际的采样相对湿度；将该采样相对湿度与切割头之后的第一温湿探头测得的环境相对湿度进行对比，便可以得到由于浊度计腔体加热所造成的相对湿度的变化，以便于后期对数据进行订正。
本实施例一级切换机构可以控制环境气路与干燥气路的切换，从而实现直接对环境相态气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)的测量。通过与先干燥后加湿这种观测方法进行比较，便能够对当前观测方法的误差进行评估。特别地，若将本监测***与加湿浊度计***联用，便能更准确地判断气溶胶颗粒物的环境相态。除此之外，本实施例能基于散射吸湿增长因子的观测评估环境气溶胶颗粒物的吸湿性、含水量及大气能见度，对环境气溶胶颗粒物的环境效应进行更准确的评估。
现有观测手段，是先将气溶胶样气进行干燥测得干燥状态下的散射系数，再将气溶胶样气加湿到不同相对湿度条件下测得一定相对湿度条件下的散射系数，从而计算得到散射吸湿增长因子f(RH)。但是由于气溶胶颗粒物的相态与环境相对湿度直接相关，其随着相对湿度变化的过程非常复杂，先干燥后加湿这种观测方法，可能对气溶胶颗粒物的环境状态造成了扰动，比如在干燥的过程中，环境气溶胶颗粒物可能发生了结晶，相态为固态，随后在加湿过程中其可能保持固态直到RH达到其潮解相对湿度时发生潮解，相态变为液态，也可能在某一相对湿度下部分潮解(部分液态)在潮解相对湿度时完全潮解；而在实际环境中，若气溶胶颗粒物之前并没有结晶，那么其在环境相对湿度低于其潮解相对湿度时也为液态。另一方面，即使环境气溶胶颗粒物在干燥过程中没有结晶，相态保持液态，但是在干燥再加湿的过程中，其相对湿度在短时间内发生了很大的变化，那么在同一相对湿度下其吸湿增长因子可能与实际环境存在偏差。这就表明目前的观测方法并不能真实地反映环境相态下气溶胶颗粒物的吸湿增长行为。
本发明可放置在室外，有良好的防雨和通风效果，并且采用大流量，使得样气温度与相对湿度与环境基本保持一致。通过实时的气路切换，对干燥状态下与实际环境状态下气溶胶样气的散射系数进行测量，从而计算环境相态下的散射吸湿增长因子f(RH)，避免了先干燥后加湿对气溶胶颗粒物环境状态造成的扰动，能够更准确地评估气溶胶吸湿增长行为。
本实施例二级切换机构可以控制采样流量的大小，根据PM2.5切割头不同流量下切割粒径不同的原理，通过控制不同采样流量之间的切换，可以实现PM2.5和PM10散射系数的同时交替测量，从而能够得到PM2.5-PM10之间气溶胶颗粒物对散射的贡献。以本实施例所用PM2.5切割头为例，当采样流量为2.5L/min时，切割粒径为PM10，当采样流量为8L/min时，切割粒径为PM2.5。此时第一限流管控制流量为2.5L/min，第二限流管控制流量为8L/min，通过第三电磁阀的开闭来实现两种采样流量的切换，从而实现PM2.5和PM10的同时测量。再结合一级切换机构控制的环境气路与干燥气路便可以实现PM2.5和PM10的散射增长因子测量以及对其环境效应进行分析。
本实施例将多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室外，环境空气经过PM2.5切割头，在温湿探头处测得环境相对湿度，之后通过第一三通管进入一级切换机构。一级切换机构的第一电磁阀控制的为干燥气路，环境气溶胶颗粒物经过干燥管，相对湿度降低到40％或30％以下，进入浊度计测得干燥状态下的散射系数(σsp,dry)；第二电磁阀控制的为环境气路，环境气溶胶颗粒物不经过任何处理直接进入浊度计中测得环境相对湿度下的散射系数(σsp,ambient)。通过控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭来实现σsp,dry和σsp,ambient的交替测量，将一次σsp,dry测量和一次σsp,ambient测量作为一个循环(每次测量时间一致，如5分钟)，利用公式f(RH)＝σsp,ambient/σsp,dry计算得到该循环的散射吸湿增长因子(时间分辨率为10分钟)。除此之外，通过二级切换机构中的第三电磁阀的开闭可以控制采样流量的大小，从而实现PM2.5与PM10的f(RH)测量，切换时间间隔为f(RH)测量周期(10分钟)。另外，本实施例也可以通过增加一台浊度计来提高整个***的时间分辨率。
实施例二
本实施例的连接管为加湿管，当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室内工作时，连接管为加湿管，第二电磁阀通过管道与加湿管的一端连接，加湿管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
一般的加湿浊度计***需要两台浊度计来实现气溶胶散射吸湿增长因子的测量，而本发明还可以稍作改造，接入室内干燥气路，用作单浊度计加湿浊度计观测***，实现气溶胶散射吸湿增长因子的测量，可以降低成本。
本实施例中，多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***还能放置在室内，去掉采样头，接入室内干燥气路，将干燥管换成加湿管，并增加加湿单元，则此时该实施例具有单个浊度计加湿浊度计***的功能。具体而言，此时第一电磁阀所控制的气路为干燥气路，经过浊度计可以测得干燥状态下的散射系数σsp,dry；第二电磁阀所控制的气路为加湿气路，经过干燥后的环境空气，在加湿管中，通过加湿单元使其加湿到一定相对湿度，之后在浊度计中测得其散射系数即σsp,RH。同样地，通过控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭来实现σsp,dry和σsp,RH的交替测量，从而达到气溶胶散射增长因子的测量，也即用一台浊度计实现加湿浊度计***的功能。
本实施例未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：包括采样头、一级切换机构、二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块和采集箱；
一级切换机构包括第一电磁阀和第二电磁阀，第一电磁阀和第二电磁阀均通过管道与采样头连接，第一电磁阀通过管道与浊度计连接；第二电磁阀通过管道与连接管连接；连接管与浊度计的入口端连接；
浊度计的出口端与二级切换机构连接，二级切换机构与采样泵连接；
一级切换机构与采样头之间设有第一温湿探头，浊度计的入口端、浊度计的出口端和浊度计的腔体内均设有第二温湿探头；
二级切换机构、第一电磁阀、第二电磁阀、浊度计、第一温湿探头和第二温湿探头均与数据采集及控制模块电性连接；
二级切换机构、连接管、浊度计、采样泵、数据采集及控制模块均安装在采集箱的箱体内；第一电磁阀、第二电磁阀和采样头位于采集箱外侧。
2.按照权利要求1所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：二级切换机构包括第三电磁阀、第一限流管与第二限流管，第三电磁阀的一端通过管道与浊度计出口端连接，第三电磁阀的另一端与第一限流管连接，第一限流管与采样泵连接；第二限流管的一端与浊度计出口端连接，第二限流管的另一端与采样泵连接；第三电磁阀与数据采集及控制模块电性连接。
3.按照权利要求2所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：第一电磁阀和第二电磁阀分别通过第一三通管与采样头连接，第一温湿探头设置在采样头和第一三通管之间；第一电磁阀和连接管分别通过第二三通管与浊度计入口端连接。
4.按照权利要求1所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室外工作时，连接管为干燥管，第二电磁阀通过管道与干燥管的一端连接，干燥管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
5.按照权利要求1所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：当多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***放置在室内工作时，连接管为加湿管，第二电磁阀通过管道与加湿管的一端连接，加湿管的另一端通过管道与浊度计的入口端连接。
6.按照权利要求3所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：还包括防雨箱，第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨箱内。
7.按照权利要求6所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：采集箱包括框架层、防雨通风层和底层；防雨通风层和底层依次连接，框架层位于防雨通风层内；采样头位于防雨通风层的顶部；第一电磁阀和第二电磁阀均安装在防雨通风层，连接管位于防雨通风层；浊度计安装在防雨通风层内的框架层；数据采集及控制模块、第三电磁阀和采样泵安装在底层。
8.按照权利要求7所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：防雨通风层为立方体框架，防雨通风层通过铝型材焊接形成，防雨通风层的顶端与底端分别安装有连接板，顶端的连接板和底端的连接板均设有供管道穿过的通孔；防雨通风层的四周安装有第一百叶板。
9.按照权利要求8所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：框架层为立方体框架，框架层通过铝型材连接形成，通过连接件固定在防雨通风层底端的连接板上。
10.按照权利要求9所述的多功能环境相态气溶胶散射吸湿增长因子监测***，其特征在于：底层为立方体框架，底层内部及底端分别安装有安装板，数据采集及控制模块、二级切换机构和采样泵放置在安装板，底层的四周安装有第二百叶板。
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