CN110389150A - 一种大气冰核活化率的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大气冰核活化率的测量系统，包括依次连接的空压机、压缩罐、第一干燥装置、过滤装置、文丘里管、第二干燥装置、DMA分离装置、扩散云室、光学计数器和抽气泵，所述文丘里管的最小口径位置连接一个化学溶液瓶，用于将化学溶液吸入文丘里管与洁净空气混合，干燥，形成颗料物；DMA分离装置用于分离出一定粒径的颗料物，分离出的颗料物进入扩散云室，被活化成冰核，并经光电计数器计数。该系统能测定不同成分、不同粒径大小的大气颗粒物活化成大气冰核的成核率，为后续研究大气冰核的成核机理提供了一个实用的测量系统和方法。

Description

一种大气冰核活化率的测量系统

技术领域：

本发明涉及大气科学与环境科学领域，特别涉及一种不同成分不同粒径大气冰核活化率的测量系统。

背景技术：

大气冰核是指大气中可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结而形成冰晶的固体粒子。冰核能使大气中的过冷水滴在其上冻结,或能使大气中的水汽在其上凝华而成冰晶。大气冰核通过影响云微物理结构而影响大气的辐射过程，大气冰核浓度的变化在全球气候变化中可能发挥着重要作用,对大气冰核进行更多更全面的观测,有助于我们研究大气气溶胶对辐射平衡和云降水的影响,并为人工降雨等提供可靠的理论依据。

国内外曾研制出多种不同原理的试验装置用于测量大气冰核的特性,希望能获得确切地核化机制,进而对自然冰核或云催化剂的成冰性能等进行更深入的研究。但由于冰核尺度非常小, 化学成分和核化过程极为复杂,当前，只有在几种试验装置（如，静力扩散云室）能单独模拟凝华、凝结冻结核化机制;另外,各种方法中采样测量的冰核浓度很少考虑到气溶胶的大小、形状等因素的影响,这样不利于深入了解大气冰核的特性。

发明内容：

本发明提供一种大气冰核活化率的测量系统。

本发明的具体技术方案如下：

一种大气冰核活化率的测量系统，包括依次连接的空压机、压缩罐、第一干燥装置、过滤装置、文丘里管、第二干燥装置、DMA分离装置、扩散云室、光学计数器和抽气泵，所述文丘里管的最小口径位置连接一个化学溶液瓶，用于将化学溶液吸入文丘里管与空气混合，在经干燥管除去水分，形成颗料物；DMA分离装置用于筛选出一定粒径的颗料物，分离出的颗料物进入扩散云室，被活化成冰核，再经由光电计数器计数。

优选地，所述光学计数器和抽气泵之间还设有质量流量计和调节阀。

优选地，压缩罐和第一干燥装置之间设有调节阀。

优选地，DMA分离装置入口处和光学计算器入口处均设有温湿度测量仪。

优选地，所述扩散云室设有温控装置。

优选地，云室有温度变化范围，一般是-15至-40℃；采用德国贺利氏（Heraeus）温度传感器，测温范围：–50℃-300℃精度±0.15℃。所述扩散云室采用平行板扩散云室，所述平行板扩散云室为一密封腔室，包括：上冷冻板和下冷冻板，上、下冷冻板内分别设置冷动液管路和测温装置，所述密封腔室内上、下冷冻板相对面分别形成有冰面，所述密封腔室的两端分别设有气体进口和气体出口。

平行板扩散云室的上、下冷冻板两端设有侧板，两端侧板可以采用法兰结构，进、出口法兰上分别设置气体进口和气体出口。气体进口处设有进气管，进气管与DMA分离管连接，出气口与OPC光学计数器连接。

设有进口法兰上还设有鞘流进口，该鞘流进口可以与过滤管出口端连接，也可以与独立供气环境大气连接。在采用独立与环境大气连接时，前端加过滤器和干燥器。

优选地，所述平行板扩散云室的上、下冷冻板均采为可折卸式结构。

优选地，所述空压机优选肯尼森气泵空压机工业级7.5kw。

优选地，所述过滤管优选高效HAPE过滤管。

优选地，其中第二干燥装置采用Nafion干燥管。

本发明相比现有技术具有如下特点：

本发明提供一种大气冰核活化率的测量系统，该系统能够方便、快速和准确的测量不同成分、不同粒径的大气气溶胶活化成为冰核的成核率。

本发明为后续研究大气冰核的成核机理提供一个实用的装置系统，有助于研究大气气溶胶对辐射平衡和云降水的影响，并为人工降雨等提供可靠的理论依据。

本发明设计了平行板扩散云室，平行板扩散云室能够连续使得颗粒物活化，增长成冰晶，用于测量其颗粒物的核化率。从而实现了大气颗粒物的连续测量。

该系统可广泛应用于气象和环境行业对大气冰核的成分和粒径等特征的测量和研究领域和场合。

该系统能测定不同成分、不同粒径大小的大气颗粒物活化成大气冰核的成核率，为后续研究大气冰核的成核机理提供了一个实用的测量系统和方法，同时，为后续研究提供基础数据。

该系统具有测量方便、快速和准确等优势。

附图说明:

图1 为本发明实例中大气冰核活化率的测量系原理示意图（也作摘要附图）；

图2为本发明实例中平行板扩散云室的结构示意图；

图3为本发明实例中平行板扩散云室中上冷冻板或下冷冻板的剖面图；

图4为温度与冰面（水面）过饱和比相关性曲线。

标号说明：101-空压机、102-压缩罐、103-调节阀、104-干燥管、105-过滤管、106-文丘里管、107-溶液瓶、108-调节阀、109-Nafion干燥管、110-温湿度测量仪、111-DMA分离管、112-温控仪、113-平行板扩散云室、114-温湿仪、115-光学计数器、116-质量流量计、117-调节阀；118-气泵、201-气流进口、202-上冷冻板，203-下冷冻板、204-冷冻液流动的管路、205-温度探头、206-上冷冻板冰面，207-下冷冻板冰面，208-鞘流进口，209-出口法兰，210-快接接口。

具体实施方式：

实施例一：

请参阅图1，本实例提供一种大气冰核活化率的测量系统。

在本实施例中，大气冰核活化率的测量系统包括：空压机101、压缩罐102、调节阀103、干燥管（第一干燥装置）104、过滤管105、文丘里管106、溶液瓶107、调节阀108、Nafion干燥管（第二干燥装置）109、温湿度测量仪110、DMA分离管111、温控仪112、扩散云室、温湿仪114、OPC光学计数器115、质量流量计116、调节阀117和气泵118。

其中，空压机、压缩罐、第一干燥装置、过滤装置、文丘里管、第二干燥装置、DMA分离装置、扩散云室、光学计数器和抽气泵依次连接。文丘里管的最小口径位置连接一个化学溶液瓶，用于将化学溶液吸入文丘里管与洁净空气混合，干燥除去水分，形成颗料物；DMA分离装置用于筛选出一定粒径的颗料物，筛选出出的颗料物进入扩散云室，被活化成冰核，再经由光电计数器计数。

实施例二：

如图2和图3所示，本实例可选设计在于，扩散云室采用平行板扩散云室113，平行板扩散云室为一密封腔室，内腔呈长方体状。包括上冷冻板和下冷冻板和两端侧板，两端侧板可以采用法兰结构，进、出口法兰上分别设有气体进口和气体出口。气体进口处设有进气管，进气管与DMA分离管111连接，出口法兰209经快接接口210与OPC光学计数器连接。

设有进口法兰上还设有鞘流进口，该鞘流进口可以与过滤管105出口端连接，也可以独立与环境大气连接。在采用独立与环境大气连接时，前端加过滤器和干燥器。鞘流进气用于使样气从中间走。

上冷冻板202、下冷冻板203内分别设置冷动液管路和测温装置，密封腔室内上、下冷冻板相对面分别形成有冰面，密封腔室的两端分别设有气体进口201和气体出口。

平行板扩散云室的上、下冷冻板均采为可折卸式结构，并采用密封条等部件与两端侧板和进、出气管密封连接。

其中冷动液管路与供液装置连接，扩散云室设有温控装置，云室有温度变化范围，一般是-15至-40℃；采用德国贺利氏（Heraeus）温度传感器，测温范围：–50℃-300℃精度±0.15℃。

上冷冻板冰面206、下冷冻板冰面207形成时，冷冻液管路204、温度探头205可以先将上、下板降温冷冻，然后注入约30毫升纯净水（或蒸馏水），在腔体内壁形成冰层。

进气管201为筛选粒径的干燥溶质颗粒物的气流进口，冷冻液管路204用于循环冷冻液使冷冻板降温，测温装置采用温度探头205测量冷冻板的温度。

上冷冻板冰面206和下冷冻板冰面207有一定的温度差（比如上板温度-27℃，下板温度-25℃，温差2℃），可产生气态水汽的扩散，这样经过冰面间的气流，存在于冰面过饱和的情况，颗粒物核化成冰核，并增长成冰晶。

实施例三：

本实例可选地，在大气冰核活化率的测量系统中，光学计数器和抽气泵之间还可以设有质量流量计116和调节阀117；压缩罐和第一干燥装置之间还可以设有调节阀103；DMA分离装置110入口处和光学计算器115入口处分别设有温湿度测量仪110和温湿度测量仪114。

实施例四：

本实例的大气冰核活化率的测量系统，具体设计如下，并通过该测量系统计算并获取颗粒物在云室中的冰面过饱和情况。

如图1所示，本实例中，101空压机，能够压缩大气空气至压缩罐，空压机功率可选3-10KW，优选7.5KW，气压5-20公斤，优选16公斤，优选，肯尼森气泵空压机工业级7.5kw；

其中102压缩罐，选择0.5-2立方米的，承压2-20个大气压的压缩罐，优选1立方米，8个大气压的不锈钢，内衬托聚四氟的压缩罐；

其中103调节阀，选择精密减压阀，优选ZPCAC-IR2020精密减压阀；

其中104干燥管，选择扩散干燥管，干燥剂采用氧化钙，或者可变硅胶，优选氧化钙干燥剂的扩散干燥管；

其中105过滤管，优选高效HAPE过滤管，能去除压缩空气中的99.97%的颗粒物；

其中106文丘里管，为自制的两端孔径较大，中间孔径较小，同时，在中间开一个小孔，连接107化学溶液瓶和108调节阀。根据伯努利方程（见下面公式），中间开孔处（喉颈处，示意图中106也显示了一个管路变小的地方）产生负压，可以将溶液吸入。

其中107溶液瓶，为放置测量大气颗粒物对应成分的化学溶液，内壁材质为玻璃或四氟乙烯或316L不锈钢，优选石英玻璃；其中108调节阀，为调节溶液流量的，优选304不锈钢调节阀（G-1/4）；为研究不同成分的大气颗粒物活化成冰核，可选择对应的成分的化学溶液，进行筛选相应颗粒物粒径，进而研究其各个粒径的的活化率；

其中109Nafion干燥管，为全氟磺酸管，优选博纯PD-06060T-24MSS干燥管；

其中110温湿测量仪，为获取颗粒物气流温度和湿度，优选型号KM37B10，温度测量范围-30℃到80℃，湿度测量范围0到95%；

其中111DMA分离管，优选TSI公司的3081A差分电迁移率分析仪；可进行不同粒径大小的大气颗粒物的分离，实现不同粒径大气颗粒物活化成大气冰核，用于检测；不同成分，不同粒径的颗粒物，活化成冰核是不一样的（即，其活化率也不同），在大气中气溶胶形成低层冷云过程，必定是气溶胶-冰核-云，这过程，当前，大气科学研究模拟这个过程，往往是采用理想值进行模拟，造成模式模拟误差较大，影响了天气预测预报和气候研究的准确性，如果有这些实测值用于相关模拟，将会提高模拟的准确性，改善预测预报的精度。

其中112温控仪，优选型号KM37B10，温度测量范围-30℃到80℃，

其中113平行板扩散云室，优选紫铜加工，上、下冷冻板间距为10mm，长度450mm，内部附着一层冰面，两壁间存在温度差，形成一个冰面过饱和扩散，进入的颗粒物，能活化成冰核；冰面厚度约1mm，进气管和出气管插入平行板间距的5倍长度，同时，使得颗粒物在扩散云室内流动时间不少于6秒，一般在10秒左右。

其中114温湿仪，优选型号KM37B10，温度测量范围-30℃到80℃，湿度测量范围0到95%；

其中115OPC光学计数器，测量大气冰核数浓度，优选Climet公司的CI-3100型号；

其中116质量流量计，为控制大气冰核流体的流量，优选horiba STEC D519MG，MFC流量计；

其中117调节阀，为调节气流的大小，优选气泵调压阀IR2000-02；

其中118气泵，为日本Kamoer，型号KVP04-1.1-12，无刷真空泵。

本发明的工作过程和工作原理如下：

首先，空压机101压缩空气进入压缩罐102，使得压缩罐102储存高压空气，103调节阀，调节压缩罐102输出的压缩空气，使得保持恒定流量，干燥管104除去压缩空气中的水分，过滤管105除去干燥后空气中的颗粒物成分，干燥洁净的恒流速的空气进入文丘里管106，由于文丘里管有一个喉颈（孔径缩小），这样空气的流速、压力等参数改变，在该处，开有一个小孔，根据伯努利方程，此小孔处产生负压，可以将溶液瓶107中的溶液吸入，调节阀108，调节溶液吸入量，此时空气与溶液混合，形成含有溶液物质的空气流，进入干燥管109，除去空气混合物的水分，形成干燥成颗粒物，使得空气流为洁净的空气和溶质成分的颗粒物组成的混合流体。

使用温湿度测量仪110测得含有溶质颗粒物的空气流的温度和湿度；DMA分离管111采用静电分离的方法，分离溶质颗粒物的粒径大小，筛选出设定的粒径，进入后续管路中；测定云室112为平行板结构，筛选出的一定粒径的溶质颗粒物进入平行板扩散云室，核化成冰核，增长为冰晶，温湿度测量仪114混合有冰晶的气流，进入OPC115测量未活化的颗粒物和核化增长成冰晶数浓度，分析获取活化率，质量流量计116和调节阀117，测量和调节流量大小，气泵118为流体提供流动的动力。

本发明中DMA（Differential Mobility Analyser）差分粒子电迁移器采用静电方法对颗粒物粒径大小进行分类，为减少大颗粒的干扰，通过切割头将粗的颗粒去除。为了使得筛选颗粒物的流体设定路径的中心流动，样流的外部有同流速洁净干燥鞘流，同步流动。样流和鞘流均在层流状态流动（即雷洛数小于2000），一起流动。DMA的外套筒接地，中心极杆接正压高压发生器。环境颗粒中带负电荷的颗粒将在外套筒与中心极杆之间的电场中发生迁移。在某一电压下(对应一定的电场强度)，具有一定粒径大小的负电颗粒将迁移至DMA下端狭缝而逸出，其余粒径尺寸的颗粒物将随过剩气流被过滤排出。经由狭缝逸出的颗粒为一定粒径尺寸的单分散气溶胶颗粒。

本发明中溶液瓶中的溶液是根据研究需要，放置不同溶液，比如研究海盐气溶胶活化的时候，可以放置氯化钠溶液；研究可溶性污染物活化的时候，可以放置硫酸铵溶液，空气就是干燥的、洁净的空气。

本发明的平行板扩散云室，上、下冷冻板内侧分别有一层冰面，上、下冷冻板存在温度差，由于温度不同，其冰面过饱和度不一样（见图4），这样在上、下冷冻板形成冰面水汽的扩散。颗粒物进入云室后，与扩散水汽接触，能够活化成冰核的粒子，核化增长，形成大粒径的冰晶。然后进入光学计数器OPC，测量形成的冰晶数浓度，及其未核化的颗粒物数浓度，从而计算获得冰核的核化率。

Claims (10)

1.一种大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：包括依次连接的空压机、压缩罐、第一干燥装置、过滤装置、文丘里管、第二干燥装置、DMA分离装置、扩散云室、光学计数器和抽气泵，所述文丘里管的最小口径位置连接一个化学溶液瓶，用于将化学溶液吸入文丘里管与空气混合，然后进入干燥管除去水分，形成颗料物；DMA分离装置用于分离出一定粒径的颗料物，分离出的颗料物进入扩散云室，被活化成冰核，再经由光电计数器计数。

2.根据权利要求1所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述光学计数器和抽气泵之间还设有质量流量计和调节阀。

3.根据权利要求2所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：压缩罐和第一干燥装置之间设有调节阀。

4.根据权利要求1所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：DMA分离装置入口处和光学计算器入口处均设有温湿度测量仪。

5.根据权利要求1所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述云室设有温控装置。

6.根据权利要求1-5任一所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述扩散云室采用平行板扩散云室，所述平行板扩散云室为一密封腔室，包括：上冷冻板和下冷冻板，上、下冷冻板内分别设置冷动液管路和测温装置，所述密封腔室内上、下冷冻板相对面分别形成有冰面，所述密封腔室的两端分别设有气体进口和气体出口。

7.根据权利要求6所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述平行板扩散云室的上、下冷冻板均采为可折卸式结构。

8.根据权利要求6所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述空压机优选肯尼森气泵空压机工业级7.5kw。

9.根据权利要求6所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：所述过滤管优选高效HAPE过滤管。

10.根据权利要求6所述的大气冰核活化率的测量系统，其特征在于：其中第二干燥装置采用Nafion干燥管。