CN103472035B - 一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪 - Google Patents

Abstract

一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，属于大气监测和气象监测设备技术领域，用于环境中的气体气溶胶进行监测。其技术方案是：它由采样器、水汽发生器、供气装置和检测仪组成，气流经过采样器分别进入加湿管和直接检测管，进入加湿管的气体加湿后，通入检测仪测量气溶胶的光散射系数；检测仪通过步进电机带动挡光片按照设定的程序转动，挡住一定角度的光源发出的光，实现体角散射系数的检测；水汽发生器和供气装置可以提供不同的检测湿度。本发明能够模拟不同的湿度条件，实现了气溶胶体角散射系数等光学特性的连续自动测量，适用于环境空气质量监测、气象条件观测、气候变化研究和气溶胶光学特性研究，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪

技术领域

本发明涉及一种实时自动监测大气气溶胶吸湿前后体角散射系数的仪器，属于环境监测和气象监测设备领域。

背景技术

全球变暖对我们赖于生存的地球环境造成了重大影响，其广泛性和复杂性已经引起了世界各国的关注。引起全球变化或气候变化的因素有很多，这些不同类型和不同变化方向的因素会对地球辐射平衡产生影响。地球变暖主要靠进入大气层的太阳辐射，一部分太阳辐射进入大气层后又被散射到太空中。监测这种后向散射的太阳辐射量，对于研究地球辐射平衡变化具有重要意义。

在国内，雾霾事件频发，造成能见度的急剧下降。雾霾主要是由各种颗粒物、挥发性有机物等组成的气溶胶，对气溶胶的光学特性进行研究是监测雾霾的一个重要方面。目前，国内的气溶胶散射系数监测仪器，测量的都是气溶胶的一部分散射系数，如后向散射系数、总散射系数或前向散射系数等，还没有一种仪器能够把气溶胶各个角度的散射系数即体角散射系数同时测量出来。另外气溶胶吸湿特性很强，吸湿前后对大气能见度的影响完全不同，目前的监测仪器都是通过加热降低相对湿度的方法来克服湿度对气溶胶散射系数的影响，但是还没有用于模拟不同湿度条件下的气溶胶散射系数测量仪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，这种测量仪能够模拟不同的湿度条件，测量气溶胶体角散射系数，适用于环境空气质量监测、气象条件观测、气候变化研究和气溶胶光学特性研究。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，它由采样器、水汽发生器、供气装置和检测仪组成，采样器包括采样头、采样管、渗透干燥管、加湿管、直接检测管，采样头依次与采样管、渗透干燥管相连接，渗透干燥管下端分别与加湿管和直接检测管相连接，加湿管和直接检测管分别与检测仪相连接，供气装置的供气口分别与采样器的渗透干燥管和水汽发生器相连接，水汽发生器的输气口与采样器的加湿管相连接。

上述大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，所述采样器的采样头为防雨帽或TSP切割头或PM₁₀切割头或PM_2.5切割头或PM₁切割头，在渗透干燥管的下端安装有等速气流适配器，等速气流适配器通过管路分别与加湿管和直接检测管相连接，在渗透干燥管和加湿管的前后端分别安装有温湿度传感器。

上述大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，所述水汽发生器由水箱、加热电阻丝和温湿度传感器组成，加热电阻丝安装在水箱内，水箱的进气口与供气装置的供气口相连接，水箱的出气口与采样器的加湿管相连接，温湿度传感器安装在水箱的出口，监测产生水汽的湿度。

上述大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，所述供气装置由空压机、过滤器、干燥器、两个流量调节阀和两个流量计组成，空压机通过管路依次与过滤器、干燥器相连接，干燥器的输出管路分别与两个流量调节阀相连接，两个流量调节阀通过流量计分别与采样器的干燥管和水汽发生器的水箱相连接。

上述大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，所述检测仪由光源模块、、测量腔室、检测器和信号采集与控制电路组成，光源模块上安装有挡光板，挡光板与步进电机相连接，光源的发光束照射到测量腔室上，检测器与测量腔室相对，信号采集与控制电路与检测器相连接。

本发明的有益效果是：

本发明的大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，可以模拟不同的湿度环境，对吸湿后的气溶胶的体角散射系数进行测量。结合其他类型的气溶胶监测仪器，还可以计算气溶胶不对称参数、Angstom指数和单散射反照率等，实现了气溶胶体角散射系数等光学特性的连续自动测量。本仪器的这些测量功能填补了国内外的空白，具有显著的经济效益和社会效益。

     在本发明中，渗透干燥管采用Nafion管，通过渗透管除水，避免了加热除湿带来的挥发性组分损失问题；通过设置除湿和加湿装置，能够精确控制气溶胶湿度，可用于气溶胶吸湿特性的研究；摈弃了以往设备只测总散射系数、前向或后向散射系数的做法，通过在光源模块上安装可精确控制位置的挡光板，使仪器具备测量体角散射系数的功能；光源模块为高亮度LED和乳浊玻璃分散器，体积小、发热量小、稳定性高使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是检测仪的结构示意图。

图中标记如下：采样头1、采样管2、温湿度传感器3、渗透干燥管4、等速分流适配器5、温湿度传感器6、直接检测管7、加湿管8、温湿度传感器9、温湿度传感器10、接头12、接头13、检测仪13、检测仪14、空压机15、过滤器16、干燥器17、流量调节阀18、流量计19、流量调节阀20、流量计21、加热电阻丝22、水箱23、温湿度传感器24、光源模块25，光源26、步进电机27、挡光板28、测量腔室29，气溶胶粒子30、检测器31、信号采集与控制电路32。

具体实施方式

本发明由采样器、水汽发生器、供气装置和检测仪组成。采样器将含有气溶胶的环境空气连续抽取到检测仪进行检测，并对样气的湿度进行自动调节；水汽发生器为气溶胶增湿提供水汽，供气装置为气溶胶除水提供干洁空气；检测仪对样气进行检测。

图中显示，采样器包括采样头1、采样管2、渗透干燥管4、等速分流适配器5、直接检测管7、加湿管8以及多个温湿度传感器。采样头1依次与采样管2、渗透干燥管4相连接，渗透干燥管4下端安装有等速气流适配器5，等速气流适配器5通过管路分别与加湿管8和直接检测管7相连接，加湿管8和直接检测管7分别与检测仪13和检测仪14相连接。

采样头1可以为防雨帽、TSP切割头、PM₁₀切割头PM_2.5切割头或PM₁切割头。渗透干燥管4可采用Nafion管，管路中为样气，管路外为干洁空气。等速分流适配器5将进气流分成均匀的两路气，一路用于直接测量，另一路加湿后再测量。加湿管8也采用Nafion管，与渗透干燥管4不同的是，加湿管8管路外为高湿度洁净空气。在渗透干燥管4和加湿管8的前后端分别安装有温湿度传感器3、温湿度传感器6、温湿度传感器9、温湿度传感器10，用于监测渗透干燥管4和加湿管8管内的湿度。

图中显示，水汽发生器由水箱23、加热电阻丝22和温湿度传感器24组成，加热电阻丝22安装在水箱23内。水箱23的进气口与供气装置的供气口相连接，水箱23的输气口与采样器的加湿管8相连接，温湿度传感器24安装在水箱23的出口，监测产生水汽的湿度，以对加热电阻丝22或流量调节阀20进行反馈调节，以将湿度控制在设定的目标值附近。

图中显示，供气装置由空压机15、过滤器16、干燥器17、两个流量调节阀和两个流量计组成。空压机15产生的空气依次经过过滤器16、干燥器17、流量调节阀18和流量计19后通入渗透干燥管4内；同时，空压机15经过过滤的干净空气，依次经过流量调节阀20和流量计21后进入水汽发生器的水箱23。

图中显示，检测仪13和检测仪14分别由光源模块25，测量腔室29，检测器31和信号采集与控制电路32组成。光源26安装在光源摸块上，光源26发出的光，照射到测量腔室29内的气溶胶粒子30上，被粒子散射，散射光被检测器31检测，然后传输给信号采集与控制电路32，经过计算后输出光散射系数。

图中显示，光源模块25中的光源26为由高亮度LED和乳浊玻璃分散器组成，乳浊玻璃分散器使发出的光符合朗伯分布；步进电机27可以带动挡光片28转动，按照设定的位置和角度遮挡光源26发出的光，可以直接检测10-90度之间的任意角度到170范围内的散射系数，将两个相邻角度的散射系数相见就可以得到角散射系数，例如将10-170的散射系数和20-170的散射系数相减，就可以得到10-20度的角散射系数。利用角散射系数，可计算气溶胶的相函数、不对称参数等。

本发明的检测过程是：

含有气溶胶的气流从采样头1进入采样管2内，渗透干燥管4将气流中的H2O除去后，分为等速的两路支路，在通往加湿管8的支路内，含有较高浓度水汽的气流流过加湿管8的外壁，将H2O加入到气流中，将湿度增加到设定值；在通往直接检测管7的支路内没有做任何处理，两路气分别通过接头11和接头12连接到检测仪13和检测仪14上，测量气溶胶的光散射系数。测量时，步进电机27带动挡光板28按照设定的程序转动，挡住一定角度的光源26发出的光，探测器31收到散射光信号，经过信号采集与控制电路32，输出体角散射系数值。

Claims (5)

1.一种大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，其特征在于：它由采样器、水汽发生器、供气装置和检测仪组成，采样器包括采样头（1）、采样管（2）、渗透干燥管（4）、加湿管（8）、直接检测管（7），采样头（1）依次与采样管（2）、渗透干燥管（4）相连接，渗透干燥管（4）下端分别与加湿管（8）和直接检测管（7）相连接，加湿管（8）和直接检测管（7）分别与检测仪相连接，供气装置的供气口分别与采样器的渗透干燥管（4）和水汽发生器相连接，水汽发生器的输气口与采样器的加湿管（8）相连接。

2.根据权利要求书1所述的大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，其特征在于：所述采样器的采样头（1）为防雨帽或TSP切割头或PM₁₀切割头或PM_2.5切割头或PM₁切割头，在渗透干燥管（4）的下端安装有等速气流适配器（5），等速气流适配器（5）通过管路分别与加湿管（8）和直接检测管（7）相连接，在渗透干燥管（4）和加湿管（8）的前后端分别安装有温湿度传感器。

3.根据权利要求书2所述的大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，其特征在于：所述水汽发生器由水箱（23）、加热电阻丝（22）和温湿度传感器（24）组成，加热电阻丝（22）安装在水箱（23）内，水箱（23）的进气口与供气装置的供气口相连接，水箱（23）的输气口与采样器的加湿管（8）相连接，温湿度传感器（24）安装在水箱（23）的出口。

4.根据权利要求书3所述的大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，其特征在于：所述供气装置由空压机（15）、过滤器（16）、干燥器（17）、两个流量调节阀和两个流量计组成，空压机（15）通过管路依次与过滤器（16）、干燥器（17）相连接，干燥器（17）的输出管路分别与两个流量调节阀相连接，两个流量调节阀通过流量计分别与采样器的渗透干燥管（4）和水汽发生器的水箱（23）相连接。

5.根据权利要求书4所述的大气气溶胶吸湿特性与体角散射系数测量仪，其特征在于：所述检测仪由光源模块（25）、测量腔室（29）、检测器（31）和信号采集与控制电路（32）组成，光源模块（25）上安装有挡光板（28），挡光板（28）与步进电机（27）相连接，光源（26）的发光束照射到测量腔室（29）上，检测器（31）与测量腔室（29）相对，信号采集与控制电路（32）与检测器（31）相连接。