CN103196978B - 双池臭氧探空传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双池臭氧探空传感器，其包括探测反应池；探测反应池包括阴极反应池及阳极反应池，阴极反应池包括阴极反应池壳体，阳极反应池包括阳极反应池壳体；阴极反应池壳体内装有第一KI溶液，阳极反应池壳体内装有第二KI溶液；阴极反应池壳体与阳极反应池壳体间设有离子桥，阴极反应池壳体的上端部设有第一上端盖，第一上端盖上设有第一出气管及进气管，进气管的一端穿过所述第一上端盖后伸入第一KI溶液内，进气管的另一端与用于抽取探测空气的气泵的出气口连通；阳极反应池壳体的上端部设有第二上端盖，第二上端盖上设有第二出气管。本发明结构简单紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，适应范围广，安全可靠。

Description

双池臭氧探空传感器

技术领域

本发明涉及一种大气臭氧含量测量装置，尤其是一种双池臭氧探空传感器，具体地说是用于测量大气中臭氧含量的垂直分布信息，属于臭氧测量的技术领域。

背景技术

大气臭氧对气候变化、大气环境和生态平衡有重要影响，是当今大气科学领域重要的研究内容之一。臭氧可以吸收太阳短波辐射和红外辐射，是大气能量收支中的一个重要物质成分。要认知臭氧总量减少的物理化学过程和对流层臭氧变化的原因，需要准确掌握大气臭氧的长期变化趋势和短期变化特征。臭氧直接关系到平流层大气的温度结构和动力过程，对温室效应的贡献与其在大气中的垂直分布结构直接相关。此外，臭氧会对天气和气候变化产生不可忽略的辐射强迫作用，甚至会影响全球气候。因此，需要观测获取高精度数据作为基础，用以研究对流层和平流层区域内臭氧的分布和长期变化趋势，并对平流层损耗做出准确判断。

臭氧探空能够提供35km以下高度范围内的臭氧垂直分布信息，是一种非常有效的臭氧探测手段，同时其观测数据也是验证卫星遥感观测资料的独立信息。常见的臭氧探空仪基于电化学原理设计。其基本工作原理是：将含有臭氧的空气抽入中性碘化钾溶液中，发生化学反应生成单质碘，通过测量所产生的自由碘的速率可以确定臭氧浓度。中国臭氧探空仪的研制起步较晚，中国科学院大气物理研究所从1987年开始研制大气臭氧探空仪，并于1989年首次成功研制了含有一个化学反应池的单池型臭氧探空仪。但其测量精度偏低、抗干扰能力偏弱、施放准备过程过于繁琐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种双池臭氧探空传感器，其结构简单紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述双池臭氧探空传感器，包括探测反应池；所述探测反应池包括阴极反应池及阳极反应池，所述阴极反应池包括阴极反应池壳体，阳极反应池包括阳极反应池壳体；阴极反应池壳体内装有第一KI溶液，阳极反应池壳体内装有第二KI溶液；阴极反应池壳体与阳极反应池壳体间设有用于正负离子迁移通道的离子桥，所述离子桥的两端穿过阴极反应池壳体、阳极反应池壳体后分别与第一KI溶液及第二KI溶液接触；阴极反应池壳体的上端部设有第一上端盖，所述第一上端盖上设有用于将阴极反应池内气体排出的第一出气管及用于向阴极反应池内输送气体的进气管，所述进气管的一端穿过所述第一上端盖后伸入第一KI溶液内，进气管的另一端与用于抽取探测空气的气泵的出气口连通；阳极反应池壳体的上端部设有第二上端盖，所述第二上端盖上设有用于将阳极反应池内气体排出的第二出气管。

所述阴极反应池内设有第一反应催化剂，阳极反应池内设有第二反应催化剂；所述第一反应催化剂位于阴极反应池壳体内，并浸没在第一KI溶液内；第二反应催化剂位于阳极反应池壳体内，并浸没在第二KI溶液内。

所述第一KI溶液的溶液浓度与第二KI溶液的溶液浓度不同。所述第一反应催化剂及第二反应催化剂均为铂网。

所述探测反应池上设有安装支撑板，所述气泵位于安装支撑板上，且位于所述探测反应池的上方。所述探测反应池上设有屏蔽盒。

所述气泵包括泵体，所述泵体安装于所述安装支撑板上，泵体上设有进气口与出气口，泵体上设有密封连通体，所述密封连通体通过转动轴与泵体铰接；密封连通体上设有连通孔，安装支撑板上设有连通驱动机构，所述连通驱动机构与密封连通体连接，连通驱动机构能驱动密封连通体在泵体上转动，密封连通体在泵体上转动后，泵体上的进气口与出气口能通过连通孔连通。

所述连通驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机位于安装支撑板上，驱动电机的输出轴上设有偏心轮，所述偏心轮上设有偏心驱动轴，所述偏心驱动轴的一端与偏心轮连接，偏心驱动轴的另一端与柱塞的一端连接，柱塞的另一端伸入密封连通体内的腔体内，柱塞能在腔体内往复运动，以驱动密封连通体在泵体上的转动。

所述离子桥包括桥壳体及位于所述桥壳体内的高分子涤棉超细纤维。所述离子桥壳体采用聚四氟乙烯制成。

本发明的优点：探测反应池包括阴极反应池及阳极反应池，阴极反应池内设置第一KI溶液，阳极反应池设置第二KI溶液，阴极反应池与阳极反应池之间通过离子桥连接，形成化学原电池；气泵将外部空气抽入阴极反应池内，臭氧与KI溶液发生化学反应，从而产生电子的迁移，在外接电路中通过测量电荷迁移产生的电流值，进而得到相应的臭氧分压值；气泵采用泵体与密封连通体的配合结构，使得气泵工作时的气密性较好，以保证在低压环境中的抽气效率；结构简单紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为图2的右视图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为本发明探测反应池的结构示意图。

图5为本发明离子桥的结构示意图。

附图标记说明：1-探测反应池、2-安装支撑板、3-进气口、4-出气口、5-泵体、6-转动轴、7-密封连通体、8-连通孔、9-腔体、10-柱塞、11-偏心驱动轴、12-偏心轮、13-驱动电机、14-屏蔽盒、15-阴极反应池、16-阳极反应池、17-阴极反应池壳体、18-阳极反应池壳体、19-第一KI溶液、20-第一反应催化剂、21-第一下底塞、22-离子桥、23-第二下底塞、24-第二反应催化剂、25-第二KI溶液、26-第一上端盖、27-第一出气管、28-进气管、29-第二出气管、30-第二上端盖、31-桥壳体及32-高分子涤棉超细纤维。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示：为了能够精确测量大气中臭氧含量的垂直分布信息，本发明包括探测反应池1；所述探测反应池1包括阴极反应池15及阳极反应池16，所述阴极反应池15包括阴极反应池壳体17，阳极反应池16包括阳极反应池壳体18；阴极反应池壳体17内装有第一KI溶液19，阳极反应池壳体18内装有第二KI溶液25；阴极反应池壳体17与阳极反应池壳体18间设有用于正负离子迁移通道的离子桥22，所述离子桥22的两端穿过阴极反应池壳体17、阳极反应池壳体18后分别与第一KI溶液19及第二KI溶液25接触；阴极反应池壳体17的上端部设有第一上端盖26，所述第一上端盖26上设有用于将阴极反应池15内气体排出的第一出气管27及用于向阴极反应池15内输送气体的进气管28，所述进气管28的一端穿过所述第一上端盖26后伸入第一KI溶液19内，进气管28的另一端与用于抽取探测空气的气泵的出气口4连通；阳极反应池壳体18的上端部设有第二上端盖30，所述第二上端盖30上设有用于将阳极反应池16内气体排出的第二出气管29。

具体地，所述阴极反应池15内设有第一反应催化剂20，阳极反应池16内设有第二反应催化剂24；所述第一反应催化剂20位于阴极反应池壳体17内，并浸没在第一KI溶液19内；第二反应催化剂24位于阳极反应池壳体18内，并浸没在第二KI溶液25内。本发明实施例中，所述第一反应催化剂20及第二反应催化剂24均为铂网，通过金属铂网的催化作用，能够提高电化学反应的速率，加快臭氧探空仪内部发生化学反应的响应时间。

本发明实施例中，阴极反应池壳体17的底部设有第一下底塞21，阳极反应池壳体18的底部设有第二下底塞23，所述第一下底塞21为阴极反应池15的底部，第二下底塞23为阳极反应池16的底部；第一下底塞21与第一上端盖26配合，形成阴极反应池15的容器结构；第二下底塞23与第二上端盖30配合，形成阳极反应池16的容器结构。

所述第一KI溶液19的溶液浓度与第二KI溶液25的溶液浓度不同。本发明实施例中，第一KI溶液19为不饱和溶液，具体地，第一KI溶液19的浓度为0.6mol/L，第二KI溶液25为常温常压下的过饱和溶液，溶液达到饱和之后，还会继续在溶液里面放置过量的溶质，从而保证在高温的环境中也能达到饱和，从而使得阴极反应池15与阳极反应池16之间形成一个化学原电池。

所述探测反应池1上设有安装支撑板2，所述气泵位于安装支撑板2上，且位于所述探测反应池1的上方。所述探测反应池1上设有屏蔽盒14；通过屏蔽盒14避免对探测反应池15内正负离子迁移的影响，确保对应电流值的测量精度，提高探测的精度。

所述气泵包括泵体5，所述泵体5安装于所述安装支撑板2上，泵体5上设有进气口3与出气口4，泵体5上设有密封连通体7，所述密封连通体7通过转动轴6与泵体5铰接；密封连通体7上设有连通孔8，安装支撑板2上设有连通驱动机构，所述连通驱动机构与密封连通体7连接，连通驱动机构能驱动密封连通体7在泵体5上转动，密封连通体7在泵体5上转动后，泵体5上的进气口3与出气口4能通过连通孔8连通。当进气口3与出气口4通过连通孔8连通后，气泵能将外部的空气通过进气管28输送进入阴极反应池15内，臭氧与阴极反应池15内的第一KI溶液19在第一反应催化剂20作用下进行化学反应，进而能够对臭氧的含量进行测定。本发明实施例中，泵体5上的进气口3与出气口4之间通过连通孔8连接，能够确保气泵的气密性，在探测高度处气压较小时，由于气泵的泄漏、反应池内部其他对气泵的反向压力等原因，会使得气泵的效率减小，本发明的气泵气密性设计则可以避免该现象的发生。

所述连通驱动机构包括驱动电机13，所述驱动电机13位于安装支撑板2上，驱动电机13的输出轴上设有偏心轮12，所述偏心轮12上设有偏心驱动轴11，所述偏心驱动轴11的一端与偏心轮12连接，偏心驱动轴11的另一端与柱塞10的一端连接，柱塞10的另一端伸入密封连通体7内的腔体9内，柱塞10能在腔体9内往复运动，以驱动密封连通体7在泵体5上的转动。

驱动电机13工作后带动偏心轮12顺时针转动，偏心轮12通过偏心驱动轴11带动柱塞10在腔体9内做往复运动，偏心轮12由位置a处转动到b处时，密封连通体7内的连通孔8及腔体9逐渐与进气口3相通，同时拉伸活塞将气体从进气口3抽至腔体9内；偏心轮12由位置b转动到位置a处时，密封连通体7内的连通孔8及腔体9逐渐与出气口4相通，通过进气管28将气体送入阴极反应池15内。随着驱动电机13的不断运行，重复上述运动。在腔体9及连通孔8与进气口3相通时，腔体9及连通孔8与出气口4不相通；同理，在腔体9及连通孔8与出气口4相通时，腔体9及连通孔8与进气口3不相通。本发明实施例中，空气的抽取是通过气泵的泵体5接入外部电源实现工作实现。要获得抽入100ml气体所需的时间，可以在气泵上设置流量测量及计时设备来实现。

如图5所示：所述离子桥22包括桥壳体31及位于所述桥壳体31内的高分子涤棉超细纤维32。所述离子桥壳体31采用聚四氟乙烯制成。离子桥22能够使得阴极反应池15与阳极反应池16的正负电荷平衡，避免导致反应速度的降低。离子桥22的结构能够避免阴极反应池15内的第一KI溶液19与阳极反应池16内第二KI溶液25的混合，同时，也能保证正负电荷的迁移过程。

如图1～图5所示：检测时，通过气泵在阴极反应池15中抽入含有臭氧的空气，臭氧在阴极反应池15底部的金属铂网处发生如下两个化学反应：

2KI+O₃+H₂O→I₂+O₂+2KOH    （1）

I₂+2e—Pt→2I^-           （2）

在阳极反应池16底部的金属铂网处发生化学反应：

2I^--2e—Pt→I₂    （3）

由涉及电子流动的反应式（2）、（3）得到的总的化学反应式为：

3I^-(a₁)+I₂(a₃)→I₃ ^-(a₂)+2I^-(a₄)    （4）

其中，a₁，a₂分别为阳极反应池16的反应物和生成物；a₃，a₄分别为阴极反应池15的反应物和生成物。

在反应式（2）中，一个O₃产生两个电子（e）的转移，假设参与反应的臭氧分子数为N，产生的总电荷为：

Q=N*2e    （5）

由理想气体状态方程：

P*V=N*K*T    （6）

其中，P为臭氧分压，V是气体体积，K是玻尔兹曼常量，T是气体绝对温度，

可得：

P*V=(Q/2e)*K*T，    （7）

由Q=i*t，其中，i为电流大小，t为时间，    （8）

可得：

P=i*K*T/(2e)*(t/V)，    （9）

由1e=1.60217733×10^(-19)库伦，K=1.3806503*10^(-23)

可得：

P=4.307*10^-4*i*T*(t/V)    （10）

其中，P为臭氧分压，单位mPa；i是电流大小，单位μA；T是气体绝对温度（本发明实施例中，也即为气泵的温度），单位K；t/V是气泵抽入反应池100ml气体所需时间，单位为秒；气泵抽入反应池100ml气体所需的时间可以预先测量得到，气泵的温度也可以测量得到，因此可以计算得到臭氧分压P。臭氧分压P的值即为本发明检测得到臭氧含量的测量结果，电流i的大小可以通过测量由于发生化学反应而产生的电荷量得到，对应的电流值可以采用常规的技术手段。

在上述电化学反应（2）和（3）中，反应式（2）使得阴极反应池15中I^-过量，负电荷过剩；反应（3）使得阳极反应池16中K⁺过量，正电荷过剩。正负电荷不平衡会导致反应速度逐渐减慢，最后直至停止。为了保证电化学反应持续进行，必须使两个反应池中的溶液达到正负电荷平衡。

本发明实施例中，在阴极反应池15与阳极反应池16的下部设置离子桥22，作为正负离子的迁移通道。阴极反应池15内的第一KI溶液19和阳极反应池16内第二KI溶液具有不同浓度，使得臭氧探空仪获得电磁驱动力，用以保证两个反应池内的正负离子在离子桥22中顺利迁移，正负电荷得以中和，使得反应持续进行。此外，离子桥22还起到防止两个反应池内具有不同浓度的电解质混合的作用。臭氧探空仪正常工作时需要充分浸泡离子桥22，同时需要防止两个反应池内的电解质混合。本发明实施例中，离子桥22由高分子超细涤锦纤维制成，利用高分子超细涤棉纤维的性质能够满足离子桥22的使用要求，为常规的技术手段。

化学反应式（2）和（3）会产生自由电子转移，电子转移量与参加反应的臭氧含量成正比。在外部电路中测量传导电流大小可以计算出抽入反应池空气中的臭氧含量。

本发明探测反应池1包括阴极反应池15及阳极反应池16，阴极反应池15内设置第一KI溶液19，阳极反应池16设置第二KI溶液25，阴极反应池15与阳极反应池16之间通过离子桥22连接，形成化学原电池；气泵将外部空气抽入阴极反应池15内，臭氧与KI溶液发生化学反应，从而产生电子的迁移，在外接电路中通过测量电荷迁移产生的电流值，进而得到相应的臭氧分压值；气泵采用泵体5与密封连通体7的配合结构，使得气泵工作时的气密性较好，以保证在低压环境中的抽气效率；结构简单紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，适应范围广，安全可靠。

Claims (10)

1. 一种双池臭氧探空传感器，包括探测反应池（1）；其特征是：所述探测反应池（1）包括阴极反应池（15）及阳极反应池（16），所述阴极反应池（15）包括阴极反应池壳体（17），阳极反应池（16）包括阳极反应池壳体（18）；阴极反应池壳体（17）内装有第一KI溶液（19），阳极反应池壳体（18）内装有第二KI溶液（25）；阴极反应池壳体（17）与阳极反应池壳体（18）间设有用于正负离子迁移通道的离子桥（22），所述离子桥（22）的两端穿过阴极反应池壳体（17）、阳极反应池壳体（18）后分别与第一KI溶液（19）及第二KI溶液（25）接触；阴极反应池壳体（17）的上端部设有第一上端盖（26），所述第一上端盖（26）上设有用于将阴极反应池（15）内气体排出的第一出气管（27）及用于向阴极反应池（15）内输送气体的进气管（28），所述进气管（28）的一端穿过所述第一上端盖（26）后伸入第一KI溶液（19）内，进气管（28）的另一端与用于抽取探测空气的气泵的出气口（4）连通；阳极反应池壳体（18）的上端部设有第二上端盖（30），所述第二上端盖（30）上设有用于将阳极反应池（16）内气体排出的第二出气管（29）；

所述第一KI溶液（19）的浓度为0.6mol/L，第二KI溶液（25）为常温常压下的过饱和溶液。

2.根据权利要求1所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述阴极反应池（15）内设有第一反应催化剂（20），阳极反应池（16）内设有第二反应催化剂（24）；所述第一反应催化剂（20）位于阴极反应池壳体（17）内，并浸没在第一KI溶液（19）内；第二反应催化剂（24）位于阳极反应池壳体（18）内，并浸没在第二KI溶液（25）内。

3.根据权利要求1所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述第一KI溶液（19）的溶液浓度与第二KI溶液（25）的溶液浓度不同。

4.根据权利要求2所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述第一反应催化剂（20）及第二反应催化剂（24）均为铂网。

5.根据权利要求1所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述探测反应池（1）上设有安装支撑板（2），所述气泵位于安装支撑板（2）上，且位于所述探测反应池（1）的上方。

6.根据权利要求5所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述探测反应池（1）上设有屏蔽盒（14）。

7.根据权利要求5所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述气泵包括泵体（5），所述泵体（5）安装于所述安装支撑板（2）上，泵体（5）上设有进气口（3）与出气口（4），泵体（5）上设有密封连通体（7），所述密封连通体（7）通过转动轴（6）与泵体（5）铰接；密封连通体（7）上设有连通孔（8），安装支撑板（2）上设有连通驱动机构，所述连通驱动机构与密封连通体（7）连接，连通驱动机构能驱动密封连通体（7）在泵体（5）上转动，密封连通体（7）在泵体（5）上转动后，泵体（5）上的进气口（3）与出气口（4）能通过连通孔（8）连通。

8.根据权利要求7所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述连通驱动机构包括驱动电机（13），所述驱动电机（13）位于安装支撑板（2）上，驱动电机（13）的输出轴上设有偏心轮（12），所述偏心轮（12）上设有偏心驱动轴（11），所述偏心驱动轴（11）的一端与偏心轮（12）连接，偏心驱动轴（11）的另一端与柱塞（10）的一端连接，柱塞（10）的另一端伸入密封连通体（7）内的腔体（9）内，柱塞（10）能在腔体（9）内往复运动，以驱动密封连通体（7）在泵体（5）上的转动。

9.根据权利要求1所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述离子桥（22）包括桥壳体（31）及位于所述桥壳体（31）内的高分子涤棉超细纤维（32）。

10.根据权利要求9所述的双池臭氧探空传感器，其特征是：所述离子桥壳体（31）采用聚四氟乙烯制成。