CN111122392A - 一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器，包括气溶胶前处理系统、第一粒子筛选系统、加湿系统、第二粒子筛选系统、稀释加湿系统、冷凝颗粒物计数系统、压缩空气系统、温湿度监测及校准系统、参数测量系统、信号采集以及控制系统。通过本发明的技术方案，加湿流量大、加湿快，测量精度高，可自校正。

Description

一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器
技术领域
本发明属于环境探测技术领域，尤其涉及一种气溶胶吸湿、吸湿增长因子以及吸湿前后光学、密度、形貌等特征综合测量的仪器。
背景技术
大气气溶胶可以直接吸收和散射太阳辐射，对大气辐射强迫产生直接影响；对于吸湿特性比较强的气溶胶来说，当大气中的相对湿度升高时，气溶胶会吸湿增长成为云凝结核，促进云的形成以及改变云的停留时间和单侧散射反照率，对大气辐射强迫产生间接影响。大气气溶胶由于其成分的复杂性和时空分布的多样性，使得气溶胶辐射强迫效应的不确定性很大。气溶胶的吸湿增长指的是在大气中相对湿度含量高的情况下，气溶胶会吸收水分，粒径变大，此时气溶胶的吸收和散射特性与不吸湿时差异很大，因此研究气溶胶的吸湿特性以及在此相对湿度下的吸收和散射特性，可以相对准确的评估气溶胶的辐射强迫。
用于气溶胶吸湿特性研究的主要是湿度-串联差分电迁移率测量仪(HumidifiedTandem Differential Mobility Analyzer，H-TDMA)。MSP公司和BMI公司已经推出了商业化的H-TDMA，各个实验室也已经搭建了相应的H-TDMA用于科学观测。目前的H-TDMA主要集中于吸湿增长因子的测量，以及吸湿增长后的粒径谱分布，且加湿速度比较慢。目前H-TDMA只是作为一个测量仪器使用，功能主要局限于吸湿增长因子的测量。
H-TDMA的流量比较小，H-TDMA后续的测量仪器只有冷凝颗粒物计数器(Condensation Particle Counter，CPC)一台，CPC的流量最大为1.5lpm，因此H-TDMA设计的最大流量只有1.5lpm，若要观测光学、密度等吸湿前后的特性时，难以满足，观测的吸湿特性不系统；加湿速度慢，目前的H-TDMA主要采用两级加湿，气溶胶要从相对湿度很低加湿到特定的相对湿度，加湿时间长，速度慢；测量精度较低，没有自校正，目前用的温湿度传感器测量精度比较低，并且一旦传感器测量相对湿度出现误差，不能第一时间发现问题所在，可能导致测量的数据出现较大偏差。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提供一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器，在线测量吸湿增长因子、吸湿增长后的粒径谱分布，还采用多种波长的消光散射吸收光学在线测量仪器、离心颗粒质量分析仪(Centrifugal Particle Mass Analyzer，CPMA)等在线测量吸湿前后的光学特性变化、颗粒物密度变化，利用静电采集器采集颗粒物观察颗粒物形貌变化，可以系统研究吸湿对气溶胶特性的影响。本发明的仪器能够快速准确的将较大流量的气溶胶加湿到特定的相对湿度，准确的测量吸湿增长因子，吸湿增长前后形貌的变化、光学、密度等特性。本发明的具体技术方案如下：
一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器，其特征在于，包括气溶胶前处理系统、第一粒子筛选系统、加湿系统、第二粒子筛选系统、稀释加湿系统、冷凝颗粒物计数系统、压缩空气系统、温湿度监测及校准系统、参数测量系统、信号采集以及控制系统，其中，
所述气溶胶前处理系统包括依次连接的第一扩散干燥管、撞击器、第一压差计、第一湿度传感器和中和器；
所述第一粒子筛选系统包括依次连接的第一差分电迁移率分析仪、第一过滤器、第一风机和第二压差计，所述第一差分电迁移率分析仪的气溶胶入口与所述中和器的出口连接，所述第二压差计的两端分别与所述第一风机和所述第一差分电迁移率分析仪的鞘气路入口连接；
所述加湿系统包括第一电磁快速切换阀、加热鼓泡器、第一Nafion加湿管、第一抽气泵和第一温湿度传感器，所述第一电磁快速切换阀连接于所述加热鼓泡器和所述第一Nafion加湿管的鞘气路入口之间，所述第一Nafion加湿管的气溶胶出口与所述第一温湿度传感器连接，所述第一抽气泵与所述第一Nafion加湿管的鞘气路出口连接；
所述第一电磁三通阀的入口与所述第一差分电迁移率分析仪的气溶胶出口连接，所述第一电磁三通阀的第一出口连接到第二冷镜式露点仪的入口、所述参数测量系统的入口以及第二电磁三通阀入口，所述第一电磁三通阀的第二出口连接到第一Nafion加湿管的气溶胶入口；所述第二电磁三通阀的第一出口连接到三通的第二入口，所述第二电磁三通阀的第二出口连接到所述第二差分电迁移率分析仪的气溶胶入口；
所述第二粒子筛选系统包括依次连接的第二差分电迁移率分析仪、第二扩散干燥管、第二湿度传感器、第二过滤器、第二风机、第三压差计、第二Nafion加湿管、第二电磁快速切换阀、第二温湿度传感器、第一冷镜式露点仪和第一转子流量计，还包括储水罐和水泵；所述第三压差计一端连接至所述第二风机，另一端同时连接至所述第二电磁快速切换阀和所述第二Nafion加湿管的气溶胶入口；所述第二Nafion加湿管、所述储水罐和所述水泵的第一水路连接构成一路闭路水循环；所述第二温湿度传感器一端连接所述第二电磁快速切换阀，另一端分为两路，一路直接连接至所述第二差分电迁移率分析仪的鞘气路入口，另一路经过所述第一冷镜式露点仪、所述第一转子流量计连接至所述第二差分电迁移率分析仪的鞘气路入口；
所述稀释加湿系统包括第一质量流量控制计、第三Nafion加湿管、第三电磁快速切换阀、第三温湿度传感器，所述第二粒子筛选加湿系统中的所述水泵的第二水路与所述第三Nafion加湿管、所述储水罐连接构成另一路闭路水循环；所述第一质量流量控制计的出口分为两路，一路连接至所述第三电磁快速切换阀，另一路经所述第三Nafion加湿管的气溶胶入口后进入所述第三电磁快速切换阀；
所述冷凝颗粒物计数系统包括依次连接的第二质量流量控制计、三通、冷凝颗粒物计数器、第二抽气泵，所述三通的第一入口与所述第二质量流量控制计连接，所述三通的第二入口与所述第二差分电迁移率分析仪气溶胶出口和所述第二电磁三通阀第二出口连接，所述三通的出口与所述冷凝颗粒物计数器连接；
所述压缩空气系统包括空气压缩机，由所述空气压缩机出来的干气分为三路，第一路供给所述加湿系统，第二路供给所述稀释加湿系统，第三路供给所述冷凝颗粒物计数系统；
所述温湿度监测及校准系统包括第二冷镜式露点仪、调节所述第二冷镜式露点仪流量的第二转子流量计；
所述参数测量系统包括消光散射测量仪器、密度测量仪器、静电采集器，所述参数测量系统与所述第一电磁三通阀的第一出口连接；
所述信号采集以及控制系统采用美国国家仪器有限公司的虚拟仪器软件Labview2011编程实现信号的采集和控制。
基于本发明的一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器的测量方法，其特征在于，通过上位机软件选择工作模式，其中，
扫描电迁移率粒径谱仪工作模式，所述第一电磁三通阀和所述第二电磁三通阀均转到左侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀的第一出口和所述第二电磁三通阀的第一出口流出；经过所述气溶胶前处理系统后进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪为扫描电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的干气混合后，从所述第一电磁三通阀的第一出口流出后分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统，第二路进入所述参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入所述第二电磁三通阀，从所述第二电磁三通阀的第一出口流出后进入所述三通的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵排出；
串联差分电迁移率分析仪工作模式，所述第一电磁三通阀和所述第二电磁三通阀均转到右侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀的第二出口和所述第二电磁三通阀的第二出口流出；气溶胶经所述气溶胶前处理系统后进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪为固定电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的干气混合后从所述第一电磁三通阀的第二出口流出，进入所述第一加湿系统但不经过任何稀释和加湿，从所述第一加湿系统流出的气溶胶分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统，第二路进入所述参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入所述第二电磁三通阀，从所述第二电磁三通阀的第二出口流出后进入所述第二粒子筛选系统，所述第二差分电迁移率分析仪为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统不运行；筛选出的气溶胶随后进入所述三通的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵排出；
湿度-串联差分电迁移率分析仪工作模式，所述第一电磁三通阀和所述第二电磁三通阀均转到右侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀的第二出口和所述第二电磁三通阀的第二出口流出；气溶胶经所述气溶胶前处理系统以后，进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪为固定电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的湿气混合后实现气溶胶的预加湿，随后从所述第一电磁三通阀的第二出口流出，进入所述加湿系统被加湿到设定的相对湿度，从所述加湿系统出来的加湿气溶胶分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统进行相对湿度的读取与监测，第二路直接进入所述参数测量系统测量得到加湿气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路经所述第二电磁三通阀第二出口流出后进入所述第二粒子筛选系统，所述第二差分电迁移率分析仪为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统运行，所述第二差分电迁移率分析仪的鞘气路相对湿度为设定相对湿度；筛选出的气溶胶随后进入所述三通的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵排出。
本发明的有益效果在于：
1.气溶胶流量大。稀释加湿系统对气溶胶进行稀释，一方面保证大流量，另一方面稀释气溶胶，保护后面的测量仪器，稀释的流量可根据需要实时调整，满足H-TDMA测量的同时，也可满足测量气溶胶的光学特性、密度、形貌等特征仪器的需要。
2.加湿快。第三路稀释加湿系统出来的混合气体作为气溶胶的稀释气与加湿气，稀释气与气溶胶混合实现对气溶胶的预加湿；第二DMA的鞘气路同步加湿；使用电磁快速切换阀，响应速度快，切换时间短(2ms)，切换时间的误差很小，干湿气混合更快、混合程度更加均匀。温湿度传感器的信号反馈给电磁快速切换阀以后，能快速响应并迅速调整干气通道和湿气通道阀的开度，实现快速加湿和相对湿度的稳定；通过上述措施，使得加湿迅速，仅需3min即可加湿到设定湿度。
3.测量精度高，可自校正。冷镜式露点仪通过控制镜面的温度，使得被测气体的水蒸气在镜面上冷凝成水，当达到相平衡时，测量得到镜面的温度为露点，通过露点和干球温度的测量，结合压力和分子量常数，计算出相对湿度等参数。露点测量准确度为±0.2℃露点温度，干球温度通过四线制100Ω白金温度传感器进行测量，干球温度的传感器与测量环境隔绝的设计结构使得温度测量无漂移，镜面自动清洁功能尽可能消除污染对于测量的影响，保证了冷镜式露点仪的测量精度高，校准后可连续使用的时间长。相较于常规的电容式温湿度传感器，在相对湿度0-80％的范围内，相对湿度测量误差小于1％(电容式温湿度传感器在相对湿度0-90％的范围内测量相对误差为±1.5％)，在相对湿度80％-100％的范围内，相对湿度测量误差小于1.2％(电容式温湿度传感器在相对湿度0-90％的范围内测量相对误差为±2.5％)。一个冷镜式露点仪安放在第一路加湿后气溶胶主流路上，可以监测加湿后气溶胶的相对湿度和温度；另一个冷镜式露点仪安放在第二差分电迁移率分析仪的鞘气路，监测鞘气路加湿的准确性。测量结束后冷镜式露点仪的数据用于对温湿度传感器测量数据的对比和校准，保证了实验数据的准确性和高精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的一种气溶胶吸湿特性测量仪器的示意图；
图2(a)是100nmPSL小球的SMPS扫描图；
图2(b)是100nmPSL小球的TDMA扫描图；
图3是理论吸湿增长因子与实际吸湿增长因子对比图。
附图标号说明：
1-1第一扩散干燥管；1-2撞击器；1-3第一压差计；1-4第一湿度传感器；1-5中和器；
2-1第一差分电迁移率分析仪；2-2第一过滤器；2-3第一风机；2-4第二压差计；
3-1第一电磁快速切换阀；3-2加热鼓泡器；3-3第一Nafion加湿管；3-4第一抽气泵；3-5第一温湿度传感器；
4-1第二差分电迁移率分析仪；4-2第二扩散干燥管；4-3第二湿度传感器；4-4第二过滤器；4-5第二风机；4-6第三压差计；4-7储水罐；4-8水泵；4-9第二Nafion加湿管；4-10第二电磁快速切换阀；4-11第二温湿度传感器；4-12第一冷镜式露点仪；4-13第一转子流量计；
5-1第一质量流量控制计；5-2第三Nafion加湿管；5-3第三电磁快速切换阀；5-4第三温湿度传感器；
6-1第二质量流量控制计；6-2三通；6-3冷凝颗粒物计数器；6-4第二抽气泵；
7-1第二冷镜式露点仪；7-2第二转子流量计；8-1第一电磁三通阀；8-2第二电磁三通阀；
9-1消光散射测量仪器；9-2密度测量仪器；9-3静电采集器。
气溶胶的气流通道用图案填充表示，鞘气路的气流通道用粗实线表示，空气压缩机提供干气的气流通道用点划线表示，水循环通道和湿气的气流通道用细实线表示，除第二差分电迁移率分析仪4-1的鞘气路之外的混合气体通道用短划线表示。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明的一种气溶胶吸湿特性测量仪器，包括气溶胶前处理系统、第一粒子筛选系统、加湿系统、第二粒子筛选系统、稀释加湿系统、冷凝颗粒物计数系统、压缩空气系统、温湿度监测及校准系统、参数测量系统、信号采集以及控制系统，其中，
气溶胶前处理系统包括第一扩散干燥管1-1、撞击器1-2、第一压差计1-3、第一湿度传感器1-4、中和器1-5，气溶胶进入第一扩散干燥管1-1干燥后进入撞击器1-2，去除大粒径粒子后从撞击器1-2的出口流出，撞击器1-2的出口安装第一压差计1-3，由第一压差计1-3测量压差进而换算为气溶胶流量，经第一湿度传感器1-4检测气溶胶的相对湿度后进入中和器1-5进行电中和；
第一粒子筛选系统包括第一差分电迁移率分析仪2-1、第一过滤器2-2、第一风机2-3、第二压差计2-4，在中和器1-5中经过电中和后的气溶胶进入第一差分电迁移率分析仪2-1中，根据测量模式固定电压或扫描电压筛选颗粒物，筛选通过的气溶胶与稀释加湿系统出来的稀释气混合后进入第一电磁三通阀8-1，第一电磁三通阀8-1第一出口连接到第二冷镜式露点仪7-1的入口、参数测量系统的入口以及电磁三通阀8-2入口，第一电磁三通阀8-1的第二出口连接到第一Nafion加湿管3-3的气溶胶入口，筛选未通过的气体经过第一过滤器2-2去除杂质后进入第一风机2-3，气体从第一风机2-3排出后经过第二压差计2-4测量压差进而换算为气体流量，并将结果反馈给第一风机2-3的控制器，调节气体流量，使其稳定在设定值；经调节流量后的气体进入第一差分电迁移率分析仪2-1的鞘气路入口，与气溶胶在第一差分电迁移率分析仪2-1内部混合；
加湿系统包括第一电磁快速切换阀3-1、加热鼓泡器3-2、第一Nafion加湿管3-3、第一抽气泵3-4、第一温湿度传感器3-5，来自空气压缩机的第一路干气一部分进入第一电磁快速切换阀3-1的干气通道；来自空气压缩机的第一路干气的另一部分被抽入到加热鼓泡器3-2，由鼓泡器3-2底部的鼓泡装置将干气分散并向上鼓泡，实现干气加湿，湿气进入第一电磁快速切换阀3-1的湿气通道；鼓泡装置中的超纯水温度应高于环境温度，确保进入第一电磁快速切换阀3-1中的湿气为饱和状态，加热过程由加热鼓泡器3-2中的加热带完成；干气和湿气经第一电磁快速切换阀3-1混合后形成加湿气进入第一Nafion加湿管3-3的鞘气路，由第一抽气泵3-4排空，气溶胶从第一Nafion加湿管3-3的气溶胶入口进入，加湿气与气溶胶逆向流动，对气溶胶加湿，加湿后的气溶胶从第一Nafion加湿管3-3的气溶胶出口流出，经过第一温湿度传感器3-5测量温度和相对湿度并将测量结果反馈给第一电磁快速切换阀3-1，快速调节湿气通道和干气通道阀的开度以满足加湿要求，加湿后的气溶胶一部分进入温湿度监测及校准系统进行温度和相对湿度的测量与监测，另一部分进入第二电磁三通阀8-2，第二电磁三通阀8-2的第一出口连接到三通6-2的第二入口，第二电磁三通阀8-2的第二出口连接到第二差分电迁移率分析仪4-1的气溶胶入口；
第二粒子筛选系统包括第二差分电迁移率分析仪4-1、第二扩散干燥管4-2、第二湿度传感器4-3、第二过滤器4-4、第二风机4-5、第三压差计4-6、储水罐4-7、水泵4-8、第二Nafion加湿管4-9、第二电磁快速切换阀4-10第二温湿度传感器4-11、第一冷镜式露点仪4-12、第一转子流量计4-13，从第二电磁三通阀(8-2)出来的气溶胶进入第二差分电迁移率分析仪4-1，第二差分电迁移率分析仪4-1的高压模块升压，开启扫描电压模式筛选对应电压下的颗粒物，筛选通过的气溶胶进入冷凝颗粒物计数系统，筛选未通过的气体进入第二扩散干燥管4-2，通过第二湿度传感器4-3检测干燥后的鞘气湿度，随后经第二过滤器4-4将杂质颗粒物去除，第二过滤器4-4出来的气体进入第二风机4-5后经第三压差计4-6测量压差后得到管路中的气体流量，并将结果反馈给第二风机4-5的控制器，控制第二风机4-5的开度来调节流量；第三压差计4-6出来的气体分为两路，一路作为干气进入第二电磁快速切换阀4-10的干气通道，另一路进入第二Nafion加湿管4-9的气溶胶入口，第二Nafion加湿管4-9、储水罐4-7和水泵4-8的第一水路构成一路闭路水循环，超纯水一直在闭路水循环中闭路循环流动，将从第二Nafion加湿管4-9的气溶胶入口进入的干气加湿后进入第二电磁快速切换阀4-10的湿气通道，干气和湿气混合后经第二温湿度传感器4-11测量得到混合后气体的温度和相对湿度并将测量结果反馈给第二电磁快速切换阀4-10，调节干气通道和湿气通道阀的开度，使混合气体满足相对湿度要求；混合气体随后分为两路，一路经第一冷镜式露点仪4-12测量温度和相对湿度，用于对第二温湿度传感器4-11相对湿度的监测，随后通过第一转子流量计4-13调节流量，与另一路混合气体汇合后进入第二差分电迁移率分析仪4-1的鞘气路入口，与加湿后的气溶胶在第二差分电迁移率分析仪4-1内部混合，从第二差分电迁移率分析仪4-1鞘气路出口排出的气体继续重复上述循环；
稀释加湿系统包括第一质量流量控制计5-1、第三Nafion加湿管5-2、第三电磁快速切换阀5-3、第三温湿度传感器5-4，空气压缩机出来的第二路干气经第一质量流量控制计5-1控制气路的总流量，之后分为两路，一路进入第三电磁快速切换阀5-3的干气通道，另一路经第三Nafion加湿管5-2的气溶胶入口，加湿后进入第三电磁快速切换阀5-3的湿气通道，第二粒子筛选加湿系统中的水泵4-8的第二水路与第三Nafion加湿管5-2、储水罐4-7构成另一路闭路水循环；第三电磁快速切换阀5-3将干气和湿气混合，混合气体经第三温湿度传感器5-4检测相对湿度和温度并将测量结果反馈给第三电磁快速切换阀5-3，快速调节湿气通道和干气通道阀的开度以满足加湿要求，混合气体作为气溶胶的稀释气；
冷凝颗粒物计数系统包括第二质量流量控制计6-1、三通6-2、冷凝颗粒物计数器6-3、第二抽气泵6-4，空气压缩机出来的第三路干气经过第二质量流量控制计6-1调节流量后进入三通6-2的第一入口，来自所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)气溶胶出口的气溶胶和所述第二电磁三通阀(8-2)第二出口的气溶胶进入所述三通(6-2)的第二入口，混合后流出，经冷凝颗粒物计数器6-3进行颗粒物计数，最后经外置的第二抽气泵6-4排空；
压缩空气系统包括空气压缩机，由空气压缩机出来的干气分为三路，第一路供给加湿系统，第二路供给稀释加湿系统，第三路供给冷凝颗粒物计数系统；
温湿度监测及校准系统包括第二冷镜式露点仪7-1、调节第二冷镜式露点仪7-1流量的第二转子流量计7-2，加湿系统加湿后的气溶胶分为两路，第一路经第二冷镜式露点仪7-1测量总气溶胶的相对湿度和温度，监测加湿系统的稳定性和准确性，之后经第二转子流量计7-2排空，监测过程中，相对湿度与设定相对湿度有较大的偏差，以第二冷镜式露点仪7-1测量的相对湿度为准校正第一温湿度传感器3-10的值；
参数测量系统的入口与第一电磁三通阀8-1的第一出口连接包括消光散射测量仪器9-1、密度测量仪器9-2、静电采集器9-3，消光散射测量仪器9-1和密度测量仪器9-2为在线仪器，能够实时在线读取气溶胶的消光系数、散射系数和密度变化，静电采集器9-3采集用于扫描电子显微镜和透射电子显微镜的膜片；
信号采集以及控制系统采用美国国家仪器有限公司的虚拟仪器软件Labview2011编程实现，采集及控制的信号包括第一温湿度传感器3-5、第二温湿度传感器4-11和第三温湿度传感器5-4的温度和相对湿度，第一压差计1-3、第二压差计2-4和第三压差计4-6的压差和流量计算，第一湿度传感器1-4第二湿度传感器4-3湿度，第一风机2-3和第二风机4-5的开度，第一差分电迁移率分析仪2-1和第二差分电迁移率分析仪4-1的电压，冷凝颗粒物计数器6-3的颗粒物个数，第一冷镜式露点仪4-12和第二冷镜式露点仪7-1的温度和相对湿度，第一电磁三通阀8-1和第二电磁三通阀8-2的转向，第一电磁快速切换阀3-1、第二电磁快速切换阀4-10和第三电磁快速切换阀5-3阀的开度，第一质量流量控制计5-1和第二质量流量控制计6-1的流量，消光散射测量仪器9-1与数据采集卡电连接。
本发明的一种气溶胶吸湿特性测量仪器在使用时，包括干模式和湿模式，其中，干模式下包括扫描电迁移率粒径谱仪功能和串联差分电迁移率分析仪功能，湿模式包括湿度-串联差分电迁移率分析仪功能，用户能够根据实际测量需求通过上位机软件选择所需要的功能，具体的，
当选择扫描电迁移率粒径谱仪功能时，第一电磁三通阀8-1和第二电磁三通阀8-2均转到左侧，此时气溶胶均从第一电磁三通阀8-1的第一出口和第二电磁三通阀8-2的第一出口流出；经过气溶胶前处理系统后进入第一粒子筛选系统，第一差分电迁移率分析仪2-1为扫描电压模式，筛选出的气溶胶与稀释加湿系统流出的干气混合后，从第一电磁三通阀8-1的第一出口流出后分为三路，一路进入温湿度监测及校准系统，第二路进入参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入第二电磁三通阀8-2，从第二电磁三通阀8-2的第一出口流出后进入三通6-2的第二入口，与经过第二质量流量控制计6-1的干气混合后进入冷凝颗粒物计数器6-3进行颗粒物计数，随后经第二抽气泵6-4排出；
当选择串联差分电迁移率分析仪功能时，第一电磁三通阀8-1和第二电磁三通阀8-2均转到右侧，此时气溶胶均从第一电磁三通阀8-1的第二出口和第二电磁三通阀8-2的第二出口流出；气溶胶经气溶胶前处理系统后进入第一粒子筛选系统，第一差分电迁移率分析仪2-1为固定电压模式，筛选出的气溶胶与稀释加湿系统流出的干气混合后从第一电磁三通阀8-1的第二出口流出，进入第一加湿系统但不经过任何稀释和加湿，从第一加湿系统流出的气溶胶分为三路，一路进入温湿度监测及校准系统，第二路进入参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入第二电磁三通阀8-2，从第二电磁三通阀8-2的第二出口流出后进入第二粒子筛选系统，第二差分电迁移率分析仪4-1为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统不运行；筛选出的气溶胶随后进入三通6-2的第二入口，与经过第二质量流量控制计6-1的干气混合后进入冷凝颗粒物计数器6-3进行颗粒物计数，随后经第二抽气泵6-4排出；
当选择湿度-串联差分电迁移率分析仪功能时，第一电磁三通阀8-1和第二电磁三通阀8-2均转到右侧，此时气溶胶均从第一电磁三通阀8-1的第二出口和第二电磁三通阀8-2的第二出口流出；气溶胶经气溶胶前处理系统以后，进入第一粒子筛选系统，第一差分电迁移率分析仪2-1为固定电压模式，筛选出的气溶胶与稀释加湿系统流出的湿气混合后实现气溶胶的预加湿，随后从第一电磁三通阀8-1的第二出口流出，进入加湿系统被加湿到设定的相对湿度，从加湿系统出来的加湿气溶胶分为三路，一路进入温湿度监测及校准系统进行相对湿度的读取与监测，第二路直接进入参数测量系统测量得到加湿气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路经第二电磁三通阀8-2第二出口流出后进入第二粒子筛选系统，第二差分电迁移率分析仪4-1为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统运行，第二差分电迁移率分析仪4-1的鞘气路相对湿度为设定相对湿度；筛选出的气溶胶随后进入三通6-2的第二入口，与经过第二质量流量控制计6-1的干气混合后进入冷凝颗粒物计数器6-3进行颗粒物计数，随后经第二抽气泵6-4排出。
综上所述，针对加湿流量比较小的情况，本发明采取补充稀释气的方法来加大流量，以满足其它光学仪器的需要。H-TDMA在实验测量的时候只关心吸湿增长因子的变化，对于其它的光学特性，例如消光系数、散射系数等都需要采用其它的仪器进行光学特性的测量；另外进行外场观测的时候，H-TDMA需要与其它测量光学特性的仪器联用才能够满足外场观测的需要。
针对加湿速度慢的问题，本发明首先采取了预加湿的措施，在气溶胶正式加湿之前，对气溶胶进行预加湿，大大提升了加湿速度，其次对第二差分电迁移率分析仪4-1的鞘气路进行同步加湿，最后使用电磁快速切换阀，由于响应速度快，切换时间短(2ms)，切换时间的误差小，电磁快速切换阀能迅速响应温湿度传感器反馈回的信号并进行调整，相较于其它H-TDMA，加湿速度有了很大的提升。目前常用的干气和湿气混合装置主要有质量流量控制器和电磁比例调节阀，这些装置响应速度比较慢。
针对测量精度和自校正的问题，本发明采用温湿度传感器进行相对湿度的调控，采用冷镜式露点仪进行相对湿度的校正以及监测。冷镜式露点仪通过控制镜面的温度，使得被测气体的水蒸气在镜面上冷凝成水，当达到相平衡时，测量得到镜面的温度为露点，通过露点和干球温度的测量，结合压力和分子量常数，计算出相对湿度等参数。露点测量准确度为±0.2℃露点温度，干球温度通过四线制100Ω白金温度传感器进行测量，干球温度的传感器与测量环境隔绝的设计结构使得温度测量无漂移，镜面自动清洁功能尽可能消除污染对于测量的影响，这些措施保证了冷镜式露点仪的测量精度高，校准后可连续使用的时间长。一个冷镜式露点仪安放在第一路加湿系统后气溶胶主流路上，可以监测加湿后气溶胶的相对湿度和温度；另一个冷镜式露点仪安放在第二差分电迁移率分析仪4-1的鞘气路，监测鞘气路加湿的准确性。测量结束后冷镜式露点仪的数据用于对温湿度传感器测量数据的对比和校准，保证了实验数据的准确性和高精度。目前校正过的温湿度传感器相对湿度和温度准确性在半年左右，到了时间一般用H-TDMA测量标准粒子的粒径，比如硫酸铵来确认仪器是否正常，正常继续使用，不正常则将温湿度传感器送至计量院或者用其它仪器校准，均没有在仪器上加入自校正和测量精度更高的仪器来实现相对湿度的监测和校正。
本发明技术方案中，还存在多种替代方案，例如使用更高精度的温湿度传感器、冷镜式露点仪，响应速度更快、切换速度更快的电磁快速切换阀，加湿性能更好的Nafion加湿管，在第三路稀释加湿系统配置单独的水泵、储水罐等加湿装置，或者将第三路稀释加湿系统中的水对汽加湿改为汽对汽加湿的方式，以及更换光学、密度、形貌等测量仪器，这样均能进一步改善仪器的性能。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的仪器进行性能测试。
实施例一
利用差分电迁移率分析仪测量标准粒子的粒径分布
聚苯乙烯乳胶球(polystyrene standard latex,PSL)常用于产生标准粒径的单分散相颗粒物。在本发明的仪器中，第一差分电迁移率分析仪2-l用来测量筛选粒径或者测量粒径谱分布，第二差分电迁移率分析仪4-1用来测量吸湿后颗粒物的粒径谱分布。为了验证其测量的正确性，利用雾化发生器和100nm PSL小球溶液产生了100nm的标准粒子，经过第一差分电迁移率分析仪2-l的SMPS扫描图以及由第一差分电迁移率分析仪2-l筛选，第二差分电迁移率分析仪4-1和冷凝颗粒物计数器6-3测量得到的粒径谱图如图2所示。从图2可知，实验测得的粒径分布分散度较小，粒径峰值出现在101.7nm，相对误差小于2％，精确度较高。
实施例二
测量硫酸铵的吸湿增长曲线
硫酸铵，分子式为(NH4)2S04，是大气中气溶胶的重要组成成分，其吸湿特性已经被研究的很系统，吸湿增长曲线也经常被用来校准仪器。为了验证本发明的仪器的准确性，使用超纯水和硫酸铵(分析纯)配置了0.1g/L的(NH4)2S04，使用雾化发生器发生(NH4)2S04气溶胶，然后用第一差分电迁移率分析仪2-l筛选50nm的颗粒物进行吸湿增长因子的测量。测量结果见图3，从测量结果中可以看到，本发明的仪器测量得到的硫酸铵吸湿增长曲线与理论的吸湿增长因子拟合的较好，在相对湿度为80％的地方发生潮解。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器，其特征在于，包括气溶胶前处理系统、第一粒子筛选系统、加湿系统、第二粒子筛选系统、稀释加湿系统、冷凝颗粒物计数系统、压缩空气系统、温湿度监测及校准系统、参数测量系统、信号采集以及控制系统，其中，
所述气溶胶前处理系统包括依次连接的第一扩散干燥管(1-1)、撞击器(1-2)、第一压差计(1-3)、第一湿度传感器(1-4)和中和器(1-5)；
所述第一粒子筛选系统包括依次连接的第一差分电迁移率分析仪(2-1)、第一过滤器(2-2)、第一风机(2-3)和第二压差计(2-4)，所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)的气溶胶入口与所述中和器(1-5)的出口连接，所述第二压差计(2-4)的两端分别与所述第一风机(2-3)和所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)的鞘气路入口连接；
所述加湿系统包括第一电磁快速切换阀(3-1)、加热鼓泡器(3-2)、第一Nafion加湿管(3-3)、第一抽气泵(3-4)和第一温湿度传感器(3-5)，所述第一电磁快速切换阀(3-1)连接于所述加热鼓泡器(3-2)和所述第一Nafion加湿管(3-3)的鞘气路入口之间，所述第一Nafion加湿管(3-3)的气溶胶出口与所述第一温湿度传感器(3-5)连接，所述第一抽气泵(3-4)与所述第一Nafion加湿管(3-3)的鞘气路出口连接；
所述第一电磁三通阀(8-1)的入口与所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)的气溶胶出口连接，所述第一电磁三通阀(8-1)的第一出口连接到第二冷镜式露点仪(7-1)的入口、所述参数测量系统的入口以及第二电磁三通阀(8-2)入口，所述第一电磁三通阀(8-1)的第二出口连接到第一Nafion加湿管(3-3)的气溶胶入口；所述第二电磁三通阀(8-2)的第一出口连接到三通(6-2)的第二入口，所述第二电磁三通阀(8-2)的第二出口连接到所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)的气溶胶入口；
所述第二粒子筛选系统包括依次连接的第二差分电迁移率分析仪(4-1)、第二扩散干燥管(4-2)、第二湿度传感器(4-3)、第二过滤器(4-4)、第二风机(4-5)、第三压差计(4-6)、第二Nafion加湿管(4-9)、第二电磁快速切换阀(4-10)、第二温湿度传感器(4-11)、第一冷镜式露点仪(4-12)和第一转子流量计(4-13)，还包括储水罐(4-7)和水泵(4-8)；所述第三压差计(4-6)一端连接至所述第二风机(4-5)，另一端同时连接至所述第二电磁快速切换阀(4-10)和所述第二Nafion加湿管(4-9)的气溶胶入口；所述第二Nafion加湿管(4-9)、所述储水罐(4-7)和所述水泵(4-8)的第一水路连接构成一路闭路水循环；所述第二温湿度传感器(4-11)一端连接所述第二电磁快速切换阀(4-10)，另一端分为两路，一路直接连接至所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)的鞘气路入口，另一路经过所述第一冷镜式露点仪(4-12)、所述第一转子流量计(4-13)连接至所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)的鞘气路入口；
所述稀释加湿系统包括第一质量流量控制计(5-1)、第三Nafion加湿管(5-2)、第三电磁快速切换阀(5-3)、第三温湿度传感器(5-4)，所述第二粒子筛选加湿系统中的所述水泵(4-8)的第二水路与所述第三Nafion加湿管(5-2)、所述储水罐(4-7)连接构成另一路闭路水循环；所述第一质量流量控制计(5-1)的出口分为两路，一路连接至所述第三电磁快速切换阀(5-3)，另一路经所述第三Nafion加湿管(5-2)的气溶胶入口后进入所述第三电磁快速切换阀(5-3)；
所述冷凝颗粒物计数系统包括依次连接的第二质量流量控制计(6-1)、三通(6-2)、冷凝颗粒物计数器(6-3)、第二抽气泵(6-4)，所述三通(6-2)的第一入口与所述第二质量流量控制计(6-1)连接，所述三通(6-2)的第二入口与所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)气溶胶出口和所述第二电磁三通阀(8-2)第二出口连接，所述三通(6-2)的出口与所述冷凝颗粒物计数器(6-3)连接；
所述压缩空气系统包括空气压缩机，由所述空气压缩机出来的干气分为三路，第一路供给所述加湿系统，第二路供给所述稀释加湿系统，第三路供给所述冷凝颗粒物计数系统；
所述温湿度监测及校准系统包括第二冷镜式露点仪(7-1)、调节所述第二冷镜式露点仪(7-1)流量的第二转子流量计(7-2)；
所述参数测量系统包括消光散射测量仪器(9-1)、密度测量仪器(9-2)、静电采集器(9-3)，所述参数测量系统与所述第一电磁三通阀(8-1)的第一出口连接；
所述信号采集以及控制系统采用美国国家仪器有限公司的虚拟仪器软件Labview2011编程实现信号的采集和控制。
2.基于权利要求1所述的一种气溶胶吸湿特性综合测量仪器的测量方法，其特征在于，通过上位机软件选择工作模式，其中，
扫描电迁移率粒径谱仪工作模式，所述第一电磁三通阀(8-1)和所述第二电磁三通阀(8-2)均转到左侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀(8-1)的第一出口和所述第二电磁三通阀(8-2)的第一出口流出；经过所述气溶胶前处理系统后进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)为扫描电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的干气混合后，从所述第一电磁三通阀(8-1)的第一出口流出后分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统，第二路进入所述参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入所述第二电磁三通阀(8-2)，从所述第二电磁三通阀(8-2)的第一出口流出后进入所述三通(6-2)的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计(6-1)的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器(6-3)进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵(6-4)排出；
串联差分电迁移率分析仪工作模式，所述第一电磁三通阀(8-1)和所述第二电磁三通阀(8-2)均转到右侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀(8-1)的第二出口和所述第二电磁三通阀(8-2)的第二出口流出；气溶胶经所述气溶胶前处理系统后进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)为固定电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的干气混合后从所述第一电磁三通阀(8-1)的第二出口流出，进入所述第一加湿系统但不经过任何稀释和加湿，从所述第一加湿系统流出的气溶胶分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统，第二路进入所述参数测量系统得到气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路进入所述第二电磁三通阀(8-2)，从所述第二电磁三通阀(8-2)的第二出口流出后进入所述第二粒子筛选系统，所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统不运行；筛选出的气溶胶随后进入所述三通(6-2)的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计(6-1)的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器(6-3)进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵(6-4)排出；
湿度-串联差分电迁移率分析仪工作模式，所述第一电磁三通阀(8-1)和所述第二电磁三通阀(8-2)均转到右侧，气溶胶均从所述第一电磁三通阀(8-1)的第二出口和所述第二电磁三通阀(8-2)的第二出口流出；气溶胶经所述气溶胶前处理系统以后，进入所述第一粒子筛选系统，所述第一差分电迁移率分析仪(2-1)为固定电压模式，筛选出的气溶胶与所述稀释加湿系统流出的湿气混合后实现气溶胶的预加湿，随后从所述第一电磁三通阀(8-1)的第二出口流出，进入所述加湿系统被加湿到设定的相对湿度，从所述加湿系统出来的加湿气溶胶分为三路，一路进入所述温湿度监测及校准系统进行相对湿度的读取与监测，第二路直接进入所述参数测量系统测量得到加湿气溶胶的密度、光学参数及形貌特征，第三路经所述第二电磁三通阀(8-2)第二出口流出后进入所述第二粒子筛选系统，所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)为扫描电压模式，鞘气路的加湿系统运行，所述第二差分电迁移率分析仪(4-1)的鞘气路相对湿度为设定相对湿度；筛选出的气溶胶随后进入所述三通(6-2)的第二入口，与经过所述第二质量流量控制计(6-1)的干气混合后进入所述冷凝颗粒物计数器(6-3)进行颗粒物计数，随后经所述第二抽气泵(6-4)排出。
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