CN102706781B

CN102706781B - 一种大气气溶胶吸湿特性测量仪

Info

Publication number: CN102706781B
Application number: CN201210209357.1A
Authority: CN
Inventors: 谭浩波; 许汉冰; 李菲; 万齐林; 银燕; 邓雪娇
Original assignee: CHINA METEOROLOGICAL ADMINISTRATION GUANGZHOU INSTITUTE OF TROPICAL OCEANIC METEOROLOGY INSTITUTE; National Sun Yat Sen University
Current assignee: CHINA METEOROLOGICAL ADMINISTRATION GUANGZHOU INSTITUTE OF TROPICAL OCEANIC METEOROLOGY INSTITUTE; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102706781A

Abstract

本发明公开了一种大气气溶胶吸湿特性测量仪，其包括干燥系统、第一加湿系统、第一粒径分选系统、第二加湿系统、第二粒径分选系统、空气湿气流系统、粒子计数系统、压缩空气系统、数据采集处理系统。与现有技术相比，本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的吸湿增长因子和混合状态测量功能、干（湿）粒径谱测量功能，自动化程度高、稳定性好，有助于全面了解各粒径段的吸湿性及其对气溶胶光学特性的影响，同时对大气灰霾形成机理等方面的研究有重要意义。

Description

一种大气气溶胶吸湿特性测量仪

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶吸湿特性测量仪。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中粒径在0.001到100微米的固液多相共存的微粒体系。大气气溶胶通过散射和吸收辐射直接影响地球大气辐射平衡。吸湿的二次气溶胶也可以作为云凝结核，改变了云凝结核浓度，影响云的光学特性和云的寿命，从而间接影响地球辐射平衡，是当前地球科学领域研究的热点问题。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，我国气象界对气溶胶的吸湿特性的常规观测尚未展开，学术界对气溶胶吸湿特性的科学观测尚不完善。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，缺乏考虑粒子吸湿后的粒径分布谱。而且，这些仪器自动化程度较低，难以满足长期稳定观测需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种大气气溶胶吸湿特性测量仪，其能在不同的相对湿度下兼具各粒径气溶胶的吸湿增长因子和混合状态测量功能、干（湿）粒径谱测量功能，自动化程度高、稳定性好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大气气溶胶吸湿特性测量仪，其包括：

干燥系统：包括膜渗透式干燥器（11）、泵Ⅰ（12）、限流孔（13）、温湿度传感器Ⅰ（15）、粒子过滤器Ⅰ（14）、三通阀Ⅰ（16），所述粒子过滤器Ⅰ（14）的出口连接限流孔（13）的进口，限流孔（13）的出口连接膜渗透式干燥器（11）的外壁输入端，膜渗透式干燥器（11）的外壁输出端与泵Ⅰ（12）连接，膜渗透式干燥器（11）的渗透膜出口连接三通阀Ⅰ（16），在膜渗透式干燥器（11）的渗透膜出口与三通阀Ⅰ（16）连接的管道上设温湿度传感器Ⅰ（15）；

第一加湿系统：包括三通阀Ⅱ（21）、三向阀Ⅰ（25）、膜渗透式增湿器Ⅰ（23）、温湿度传感器Ⅱ（24）、泵Ⅱ（22），三通阀Ⅱ（21）的进口与三通阀Ⅰ（16）的第一出口连接，三通阀Ⅱ（21）的第一出口与膜渗透式增湿器Ⅰ（23）的渗透膜进口连接，膜渗透式增湿器Ⅰ（23）的渗透膜出口连接三向阀Ⅰ（25）的第一进口，泵Ⅱ（22）与膜渗透式增湿器Ⅰ（23）的外壁输出端连接，三通阀Ⅱ（21）的第二出口与三向阀Ⅰ（25）的第二进口连接；

第一粒径分选系统：包括中和器（31）、粒径分选装置Ⅰ（32）、质量流量计Ⅰ（35）、粒子过滤器Ⅱ（37）、高压器Ⅰ（33）、温湿度传感器Ⅲ（34）、鼓风机Ⅰ（36）、三通阀Ⅲ（38），所述中和器（31）的进口与三向阀Ⅰ（25）的出口连接，中和器（31）的出口与粒径分选装置Ⅰ（32）的进口连接，粒径分选装置Ⅰ（32）的出口与三通阀Ⅲ（38）的进口连接，粒径分选装置Ⅰ（32）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅰ（35）、鼓风机Ⅰ（36）、粒子过滤器Ⅱ（37）再与粒径分选装置Ⅰ（32）的鞘流进口连接，高压器（33）连接至粒径分选装置Ⅰ（32）内部，连接粒径分选装置Ⅰ（32）和三通阀Ⅲ（38）的管道上设温湿度传感器Ⅲ（34）；

第二加湿系统：包括膜渗透式增湿器Ⅱ（41）、泵Ⅲ（42）、温湿度传感器Ⅳ（43），所述膜渗透式增湿器Ⅱ（41）的渗透膜进口与三通阀Ⅲ（38）的第一出口连接，泵Ⅲ（42）与膜渗透式增湿器Ⅱ（41）的外壁输出端连接，在膜渗透式增湿器Ⅱ（41）的渗透膜出口的管道上设温湿度传感器Ⅳ（43）；

第二粒径分选系统：包括粒径分选装置Ⅱ（51）、质量流量计Ⅱ（55）、粒子过滤器Ⅲ（53）、高压器Ⅱ（52）、温湿度传感器Ⅴ（56）、鼓风机Ⅱ（54）、三向阀Ⅱ（57），所述粒径分选装置Ⅱ（51）的进口与膜渗透式增湿器Ⅱ（41）的渗透膜出口连接，粒径分选装置Ⅱ（51）的出口与三向阀Ⅱ（57）的第一进口连接，在粒径分选装置Ⅱ（51）的出口与三向阀Ⅱ（57）连接的管道上设温湿度传感器Ⅴ（56），高压器Ⅱ（52）连接至粒径分选装置Ⅱ（51）内部，粒径分选装置Ⅱ（51）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅱ（55）、鼓风机Ⅱ（54）、粒子过滤器Ⅲ（53）再与粒径分选装置Ⅱ（51）的鞘流进口连接，三向阀Ⅱ（57）的第二进口与三通阀Ⅲ（38）的第二出口连接；

空气湿气流系统：包括水箱（61）、粒子过滤器Ⅳ（62）、粒子过滤器Ⅴ（66）、干空气自动比例阀（67）、三通阀Ⅳ（68），水箱（61）内置加热器，粒子过滤器Ⅳ（62）与水箱（61）的进气口连接，水箱（61）的出气口与三通阀Ⅳ（68）的进口连接，三通阀Ⅳ（68）的第一出口与膜渗透式增湿器Ⅰ（23）的外壁输入端连接，三通阀Ⅳ（68）的第二出口与膜渗透式增湿器Ⅱ（41）的外壁输入端连接，粒子过滤器Ⅴ（66）的输出口与干空气自动比例阀（67）的进口连接，干空气自动比例阀（67）的出口连接至水箱（61）的出气口连接的管道上；

粒子计数系统：包括三向阀Ⅲ（74）、和三向阀Ⅳ（75）、，凝结粒子计数器（71）、泵Ⅳ（72）、质量流量计Ⅲ（73），凝结粒子计数器（71）的出口与泵Ⅳ（72）连接，凝结粒子计数器（71）的进口连接至三向阀Ⅲ（74）的出口，三向阀Ⅲ（74）的第一进口与质量流量计Ⅲ（73）的出口连接，质量流量计Ⅲ（73）的进口与三向阀Ⅳ（75）的出口连接，三向阀Ⅳ（75）的第一进口与三通阀Ⅰ（16）的第二出口连接，三向阀Ⅳ（75）的第二进口与三向阀Ⅱ（57）的出口连接；

压缩空气系统：包括顺次连接的空气压缩罐（81）、压力调节阀（82）、粒子过滤器Ⅵ（83）、自动比例阀（84），自动比例阀（84）的出口连接至三向阀Ⅲ（74）的第二进口；

数据采集处理系统：包括电性连接的数据采集卡和数据监控软件；质量流量计Ⅰ（35）、质量流量计Ⅱ（55）、质量流量计Ⅲ（73），温湿度传感器Ⅰ（15）、温湿度传感器Ⅱ（24）、温湿度传感器Ⅲ（34）、温湿度传感器Ⅳ（43）、温湿度传感器Ⅴ（56），三通阀Ⅱ（21）、三通阀Ⅳ（68），高压器Ⅰ（33）、高压器Ⅱ（52），鼓风机Ⅰ（36）、鼓风机Ⅱ（54）均与数据采集卡电性连接。

作为进一步改进，所述空气湿气流系统还包括水箱温控器（63）及水体温度传感器（64），水箱温控器（63）通过水体温度传感器（64）测量水箱（61）中水体的温度并控制加热器加热。

作为进一步改进，所述空气湿气流系统还包括连接在水箱（61）出口端管体上的冷凝管（65）。

作为进一步改进，该大气气溶胶吸湿特性测量仪还包括有机玻璃箱体（9），所述第一加湿系统、第一粒径分选系统、第二加湿系统、第二粒径分选系统均置于所述有机玻璃箱体（9）中，所述有机玻璃箱体内置箱体温控器、箱体温度传感器、箱体加热器和对流风箱，箱体温控器通过箱体温度传感器测量有机玻璃箱体（9）的温度并控制箱体加热器加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的吸湿增长因子和混合状态测量功能、干（湿）粒径谱测量功能，自动化程度高、稳定性好，有助于全面了解各粒径段的吸湿性及其对气溶胶光学特性的影响，同时对大气灰霾形成机理等方面的研究有重要意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2 为本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪检测某区域的气溶胶粒子粒径分布图；

图3为本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪检测某区域的40/80/110/150/200nm气溶胶粒子的吸湿增长因子分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明一种大气气溶胶吸湿特性测量仪作进一步详细说明，以便清楚理解本发明所要保护的技术方案。

实施例1

如图1所示，本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪包括干燥系统、第一加湿系统、第一粒径分选系统、第二加湿系统、第二粒径分选系统、空气湿气流系统、粒子计数系统、压缩空气系统、数据采集处理系统。

干燥系统：包括膜渗透式干燥器11、泵Ⅰ12、限流孔13、温湿度传感器Ⅰ15、粒子过滤器Ⅰ14、三通阀Ⅰ16，所述粒子过滤器Ⅰ14的出口连接限流孔13的进口，限流孔13的出口连接膜渗透式干燥器11的外壁输入端，膜渗透式干燥器11的外壁输出端与泵Ⅰ12连接，膜渗透式干燥器11的渗透膜出口连接三通阀Ⅰ16，在膜渗透式干燥器11的渗透膜出口与三通阀Ⅰ16连接的管道上设温湿度传感器Ⅰ15。干燥系统的工作原理是：气溶胶样品气流从膜渗透式干燥器的渗透膜进口进入渗透膜内侧，室内空气先经过粒子过滤器形成洁净空气，再经过限流孔进入膜渗透式干燥器的外壁输入端，进入渗透膜的外侧，在泵的吸力作用下，洁净空气的气体气压远小于1个大气压，水汽分压较低，从而形成干燥气体在渗透膜的外侧，样品水汽分子从渗透膜内侧向外侧渗透，达到干燥样品的目的。

第一加湿系统：包括三通阀Ⅱ21、三向阀Ⅰ25、膜渗透式增湿器Ⅰ23、温湿度传感器Ⅱ24、泵Ⅱ22，三通阀Ⅱ21的进口与三通阀Ⅰ16的第一出口连接，三通阀Ⅱ21的第一出口与膜渗透式增湿器Ⅰ23的渗透膜进口连接，膜渗透式增湿器Ⅰ23的渗透膜出口连接三向阀Ⅰ25的第一进口，泵Ⅱ22与膜渗透式增湿器Ⅰ23的外壁输出端连接，三通阀Ⅱ21的第二出口与三向阀Ⅰ25的第二进口连接。第一加湿系统的工作原理与干燥系统相似，不同之处在于，在第一膜渗透式增湿器的渗透膜外侧流动的不是干燥气体，而是其水汽压较之样品水汽压高的湿气流。

第一粒径分选系统：包括中和器31、粒径分选装置Ⅰ32、质量流量计35、粒子过滤器Ⅱ37、高压器Ⅰ33、温湿度传感器Ⅲ34、鼓风机Ⅰ36、三通阀Ⅲ38，所述中和器31的进口与三向阀Ⅰ25的出口连接，中和器31的出口与粒径分选装置Ⅰ32的进口连接，粒径分选装置Ⅰ32的出口与三通阀Ⅲ38的进口连接，粒径分选装置Ⅰ32的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅰ35、鼓风机Ⅰ36、粒子过滤器Ⅱ37再与粒径分选装置Ⅰ32的鞘流进口连接，高压器33连接至粒径分选装置Ⅰ32内部，连接粒径分选装置Ⅰ32和三通阀Ⅲ38的管道上设温湿度传感器Ⅲ34第一粒径分选系统的工作原理是：高压器产生高电压至粒径分选装置，使得粒径分选装置内轴呈正电，带负电的粒子被内部电场牵引，在样品气流、鞘气气流、电场强度的共同作用下，一定粒径的粒子才能在粒径分选装置的出口通过，达到分选粒径的目的。其中，鼓风机的作用就是产生一定流量的鞘气，多余的粒子进入鞘流通过粒子过滤器过滤。

第二加湿系统：包括膜渗透式增湿器Ⅱ41、泵Ⅲ42、温湿度传感器Ⅳ43，所述膜渗透式增湿器Ⅱ41的渗透膜进口与三通阀Ⅲ38的第一出口连接，泵Ⅲ42与膜渗透式增湿器Ⅱ41的外壁输出端连接，在膜渗透式增湿器Ⅱ41的渗透膜出口的管道上设温湿度传感器Ⅳ43。第二加湿系统的工作原理与第一加湿系统的工作原理相同。

第二粒径分选系统：包括粒径分选装置Ⅱ51、质量流量计Ⅱ55、粒子过滤器Ⅲ53、高压器Ⅱ52、温湿度传感器Ⅴ56、鼓风机Ⅱ54、三向阀Ⅱ57，所述粒径分选装置Ⅱ51的进口与膜渗透式增湿器Ⅱ41的渗透膜出口连接，粒径分选装置Ⅱ51的出口与三向阀Ⅱ57的第一进口连接，在粒径分选装置Ⅱ51的出口与三向阀Ⅱ57连接的管道上设温湿度传感器Ⅴ56，高压器Ⅱ52连接至粒径分选装置Ⅱ51内部，粒径分选装置Ⅱ51的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅱ55、鼓风机Ⅱ54、粒子过滤器Ⅲ53再与粒径分选装置Ⅱ51的鞘流进口连接，三向阀Ⅱ57的第二进口与三通阀Ⅲ38的第二出口连接。第二粒径分选系统的工作原理与第一粒径分选系统的工作原理相同。

空气湿气流系统：包括水箱61、粒子过滤器Ⅳ62、粒子过滤器Ⅴ66、干空气自动比例阀67、三通阀Ⅳ68，水箱61内置加热器，粒子过滤器Ⅳ62与水箱61的进气口连接，水箱61的出气口与三通阀Ⅳ68的进口连接，三通阀Ⅳ68的第一出口与膜渗透式增湿器Ⅰ23的外壁输入端连接，三通阀Ⅳ68的第二出口与膜渗透式增湿器Ⅱ41的外壁输入端连接，粒子过滤器Ⅴ66的输出口与干空气自动比例阀67的进口连接，干空气自动比例阀67的出口连接至水箱61的出气口连接的管道上其工作原理是：空气先经过粒子过滤器62过滤干净后，进入水箱61中形成饱和的气流，另外的干空气经过粒子过滤器66过滤干净后，经过干空气自动比例阀67调节，与水箱61中出来的饱和气流按一定的比例混合，形成相对湿度可控制的湿气流，湿气流通过三通阀Ⅳ68输送给膜渗透式增湿器23Ⅰ、膜渗透式增湿器Ⅱ41。

粒子计数系统：包括三向阀Ⅲ74、和三向阀Ⅳ75，凝结粒子计数器71、泵Ⅳ72、质量流量计Ⅲ73，凝结粒子计数器71的出口与泵Ⅳ72连接，凝结粒子计数器71的进口连接至三向阀Ⅲ74的出口，三向阀Ⅲ74的第一进口与质量流量计Ⅲ73的出口连接，质量流量计Ⅲ73的进口与三向阀Ⅳ75的出口连接，三向阀Ⅳ75的第一进口与三通阀Ⅰ16的第二出口连接，三向阀Ⅳ75的第二进口与三向阀Ⅱ57的出口连接。

压缩空气系统包括顺次连接的空气压缩罐81、压力调节阀82、粒子过滤器83、自动比例阀84。自动比例阀84的出口连接至三向阀74的第二进口。

数据采集处理系统包括电性连接的数据采集卡（图未示）和数据监控软件（图未示）。质量流量计Ⅰ35、质量流量计Ⅱ55、质量流量计Ⅲ73，温湿度传感器Ⅰ15、温湿度传感器Ⅱ24、温湿度传感器Ⅲ34、温湿度传感器Ⅳ43、温湿度传感器Ⅴ56，三通阀Ⅱ21、三通阀Ⅳ68，高压器Ⅰ33、高压器Ⅱ52，鼓风机Ⅰ36、鼓风机Ⅱ54均与数据采集卡电性连接。所述数据监控软件采用美国国家仪器有限公司（National Instruments，简称NI）的虚拟仪器软件LabVIEW 8.5。

本发明的大气气胶吸湿特性测量仪在工作上主要有以下四种测量模式：（1）分粒径吸湿增长因子和混合状态：大气气溶胶样品气流先通过干燥系统干燥至相对湿度在10%以下；再进入第一粒径分选系统，经过中和器呈已知的电荷分布，然后进入第一粒径分选装置选出设定粒径的颗粒物；接着通过第二加湿系统加湿至设定的相对湿度；然后进入第二粒径分选系统分选湿状态下不同粒径颗粒物，最后进入粒子计数器计数。

（2）干气溶胶粒径谱：大气气溶胶样品依次通过干燥系统、第一粒径分选系统和粒子计数系统，得到干气溶胶的粒径分布。

（3）湿气溶胶粒径谱：大气气溶胶样品依次通过干燥系统、第一加湿系统、第一粒径分选系统和粒子计数系统，得到湿气溶胶的粒径分布。此部分观测数据对于估算气溶胶整体吸湿增长效应和气溶胶消光效应、设计气溶胶光学特性闭合试验十分有帮助。

（4）气溶胶风化行为：气溶胶依次通过干燥系统、第一加湿润系统（使颗粒物处于潮解状态下，通常相对湿度大于85%）、第一粒径分选系统、第二加湿系统（设定一个比第一加湿系统低的相对湿度）、第二粒径分选系统和粒子计数系统，得到气溶胶的风化曲线。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：

为实现水箱中水体温度的自动控制，所述空气湿气流系统还包括水箱温控器63及水体温度传感器64，水箱温控器63通过水体温度传感器64测量水箱61中水体的温度并控制加热器加热。具体原理是：水箱温控器通过水体温度传感器测量到水箱中的水体的温度，当测得的水体的温度低于设定值时，就启动水箱内的加热器加热水体。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：为保证空气湿气流系统的形成的湿气流不在膜渗透式增湿器23、41内冷凝而使设备损坏，所述空气湿气流系统还包括连接在水箱61出口端管体上的冷凝管65。从水箱出来的湿气流先通过冷凝管，让湿气流中的水汽含量稍微降低。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：本发明还包括有机玻璃箱体9，所述第一加湿系统、第一粒径分选系统、第二加湿系统、第二粒径分选系统均置于所述有机玻璃箱体9中，所述有机玻璃箱体内置箱体温控器（图未示）、箱体温度传感器（图未示）、箱体加热器（图未示）和对流风箱（图未示），箱体温控器通过箱体温度传感器测量有机玻璃箱体的温度并控制箱体加热器加热。

实施例5

取广州市某住宅小区的大气气溶胶样品，先进行粒子谱扫描，结果见图2。

在本发明的大气气溶胶吸湿特性测量仪中，第一粒径分选系统筛选出D₀粒径（40nm、80 nm、110 nm、150 nm、200 nm），吸湿后的粒径为Dp，在第二粒径分选系统中做粒径扫描并计算浓度。以GF=Dp/D₀为X轴，归一化浓度为y轴画图，结果见图3。若该图只有一个峰，说明粒子处于内部混合状态，若有两个或两个以上的峰，说明粒子处于外部混合状态。一般情况下，出现双峰的概率较大，在GF＜1.15的峰称为弱吸湿（或不吸湿）模态，GF＞1.15的峰称为强吸湿模态。

上述实施例仅为本发明的优选实施案例不能以此来限定本发明的保护范围，本领域的技术人员在发明的基础上所做的任何非实质性的变化换及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种大气气溶胶吸湿特性测量仪，其特征在于包括：

粒子计数系统：包括三向阀Ⅲ（74）、和三向阀Ⅳ（75）、凝结粒子计数器（71）、泵Ⅳ（72）、质量流量计Ⅲ（73），凝结粒子计数器（71）的出口与泵Ⅳ（72）连接，凝结粒子计数器（71）的进口连接至三向阀Ⅲ（74）的出口，三向阀Ⅲ（74）的第一进口与质量流量计Ⅲ（73）的出口连接，质量流量计Ⅲ（73）的进口与三向阀Ⅳ（75）的出口连接，三向阀Ⅳ（75）的第一进口与三通阀Ⅰ（16）的第二出口连接，三向阀Ⅳ（75）的第二进口与三向阀Ⅱ（57）的出口连接；

2.如权利要求1所述的大气气溶胶吸湿特性测量仪，其特征在于：所述空气湿气流系统还包括水箱温控器（63）及水体温度传感器（64），水箱温控器（63）通过水体温度传感器（64）测量水箱（61）中水体的温度并控制加热器加热。

3.如权利要求1所述的大气气溶胶吸湿特性测量仪，其特征在于：所述空气湿气流系统还包括连接在水箱（61）出口端管体上的冷凝管（65）。

4.如权利要求1所述的大气气溶胶吸湿特性测量仪，其特征在于：还包括有机玻璃箱体（9），所述第一加湿系统、第一粒径分选系统、第二加湿系统、第二粒径分选系统均置于所述有机玻璃箱体（9）中，所述有机玻璃箱体内置箱体温控器、箱体温度传感器、箱体加热器和对流风箱，箱体温控器通过箱体温度传感器测量有机玻璃箱体（9）的温度并控制箱体加热器加热。