CN111208043A - 一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统和方法，所述测量系统包括零空气产生单元、气溶胶加湿单元、气溶胶反照率光谱仪和数据采集控制单元；所述零空气产生单元包括空气压缩机，冷冻式干燥机，活性炭吸附管和高效粒子过滤器；所述气溶胶加湿单元包括气体加湿管、气溶胶加湿管、水泵、水浴装置、温湿度计和质量流量计；所述气溶胶反照率光谱仪包括光源模块、光学腔体、散射光接收模块、透过光接收模块和气路组件；所述数据采集控制单元包括流量控制模块和数据采集模块。本发明的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统和方法，能实现气溶胶消光、散射和吸收吸湿增长因子，以及单次散射反照率吸湿增长因子的同步测量。
Description
技术领域
本发明涉及大气气溶胶探测领域，具体涉及一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统和方法。
背景技术
大气气溶胶吸收周围环境的水，改变气溶胶粒子的尺寸、化学组分、相态和复折射率等，进而改变气溶胶的光学特性(消光、散射和吸收系数，以及单次散射反照率)和辐射特性。气溶胶光学吸湿增长因子(即湿状态与干燥状态下光学参数的比值)是评估气溶胶对大气能见度和辐射强迫影响的关键参数，准确测量气溶胶光学吸湿增长因子对于评估气溶胶的环境和气候效应意义重大。
现有气溶胶光学吸湿增长因子测量系统主要有以下几种：(1)消光吸湿增长因子，将高精细度谐振腔吸收光谱技术(包括腔衰荡吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术)与湿度控制系统相结合，通过双光腔或单光腔测量干燥状态和目标湿度下气溶胶的消光系数，获得了气溶胶的消光吸湿增长因子；(2)散射吸湿增长因子，目前常用的装置是加湿浊度计，通常是由一个湿度控制系统与一个或多个浊度计组成，按照连接方式的不同，可分为串联加湿浊度计和并联加湿浊度计，通过测量加湿前后气溶胶的散射系数，获得气溶胶散射吸湿增长因子(中国发明专利CN105928846B)。受限于气溶胶光学测量系统的不足，现有的气溶胶光学吸湿增长因子测量系统，只能测量消光或散射吸湿增长因子中的单个参数，也无法测量吸收吸湿增长因子和单次散射反照率吸湿增长因子。如中国发明专利(CN105928846B)公开的一种气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统及其测量方法，只能测量气溶胶的散射吸湿增长因子。此外，传统的气溶胶加湿测量单元，多采用控制水温来实现对气溶胶湿度的控制，由于水温的调节响应慢，气溶胶的加湿耗时长(如中国发明专利(CN105928846B)公开的一种气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统及其测量方法，一个循环周期耗时约1小时)。由于大气气溶胶的状态时刻发生改变，要想准确获得气溶胶的光学吸湿增长因子曲线，需要时间分辨率更高的测量系统，然而现有的测量系统无法满足短时间对多个目标湿度下气溶胶光学吸湿增长因子准确测量的需求。
由此可见，现有的气溶胶光学吸湿增长因子测量系统存在测量参数单一和时间响应不足的问题，亟需建立一种快速响应的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统。
发明内容
本发明可以解决当前气溶胶光学吸湿增长因子测量系统存在测量参数单一和时间响应不足的问题，可在短时间内同步获得消光、散射和吸收吸湿增长因子，以及单次散射反照率吸湿增长因子。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，包括零空气产生单元，气溶胶加湿单元，气溶胶反照率光谱仪和数据采集控制控制单元；
所述零空气产生单元，包括空压机、冷冻式干燥机、活性炭吸附管和高效粒子过滤器，空压机出气口与冷冻式干燥机进气口相连接，冷冻式干燥机出气口与活性炭吸附管进气口相连接，活性炭吸附管出气口与高效粒子过滤器进气口相连接；
所述气溶胶加湿单元，包括质量流量计、气体加湿管、水浴装置、水泵、温湿度计和气溶胶加湿管，所述零空气产生单元产生的干燥清洁空气分为两路，一路进入第一质量流量计，另一路进入第二质量流量计，经过气体加湿管加湿与一路干气混合后，作为气溶胶加湿管的鞘气；
所述气溶胶反照率光谱仪，包括光源模块，光学腔体、散射光接收模块、透过光接收模块和气路组件，所述光源模块的发射光进入光学腔体，散射光被散射光模块接收探测，透过光被透过光接收模块接收探测；所述光源模块包括LED光源、光纤、第一准直透镜和宽带滤光片，LED光源发射光耦合进入光纤，光纤后端连接准直透镜，准直后光束经过滤光片；
所述光学腔体包括第一截止管、积分球、第二截止管和安装在截止管两端的第一高反射率透镜和第二高反射率透镜，进入光学腔体的光，在第一高反射率透镜和第二高反射率透镜之间多次反射，散射光被积分球收集，透过光经第二高反射率透镜出射；所述散射光接收模块包括圆孔法兰、窄带滤光片和光电倍增管，光散射模块安装在所述积分球侧壁的开孔处，从开孔出射的散射光经过圆孔法兰和窄带滤光片后，后端连接光电倍增管探测散射光强；所述透过光接收模块，包括第二准直透镜、光纤和光谱仪，所述光学腔体出射的光被第二准直透镜接收聚焦后耦合到光纤中，光纤将透过光引入光谱仪中，光谱仪探测透过光强；所述气路组件包括三通电动球阀和微型真空泵，三通电动球阀切换连通干燥的气溶胶样气和加湿的气溶胶样气，由微型真空泵抽动交替进入光学腔体；
所述数据采集控制单元，包括湿度控制模块和光学数据采集模块，所述湿度控制模块是根据第一温湿度计监测的混合气湿度和第二温湿度计监测的气溶胶样气湿度，调节第一质量流量计和第二质量流量计的气体流量和比例，实现对混合气湿度的快速调节与精确控制，进而实现对气溶胶样气湿度的准确调控；通过设定气溶胶样气湿度的阈值范围，所述的湿度调节模块能实现阈值范围内对气溶胶样气的循环加湿；所述光学数据采集模块是采集光电倍增的信号和光谱仪的信号，以及通过电压信号控制三通电动球阀的切换；
进一步地，所述气体加湿管是同心双层管，内管的材质是Nafion薄膜，只有水分子能通过，内管通气，外管通水；气体加湿管的进水口连接水泵出水口，水泵进水口连接水浴装置，水浴装置连接气体加湿管的出水口，水泵驱动实现去离子水的循环流动；所述气溶胶加湿管是同心双层管，内管的材质是Nafion薄膜，只有水分子能通过，内管通气溶胶样气，外管通混合湿气；气溶胶加湿管鞘气的进气口连通混合湿气，鞘气的出气口排空；
进一步地，所述的气溶胶加湿单元，通过对第一质量流量计和第二质量流量计的流量和比例控制，来实现气溶胶样气湿度的精确控制；
进一步地，所述第一截止管在同侧开设吹扫气通孔和样气通孔，所述第二截止管在异侧开设吹扫气通孔和抽气通孔；
进一步地，LED光源采用大功率的LED，LED的基板紧贴半导体制冷片，半导体制冷片固定在铝材质的散热片上，散热片上安装电子温度传感器，通过温度反馈来精确控制LED的温度；
进一步地，所述三通电动球阀一端连接所述气溶胶加湿管的样气出气口，另一端直接连接气溶胶样气进气口，第三端连接第一截止管的样气通孔，样气流经光学腔体后从第二截止管的抽气口流出，抽气口连接微型真空泵控制气溶胶样气流速；
采用上述气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统实现气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)、三通电动球阀切换连通气溶胶样气进气口，气溶胶样气直接进入气溶胶强反照率光谱仪，同步测量得到干燥状态下的气溶胶消光系数bext(Dry)、散射系数bscat(Dry)和吸收系数babs(Dry)，以及单次散射反照率ω(Dry)；
步骤(2)、三通电动球阀切换连通气溶胶加湿管样气出气口，加湿后的气溶胶样气进入气溶胶反照率光谱仪，同步测量得到加湿后的气溶胶消光系数bext(RH)、散射系数bscat(RH)和吸收系数babs(RH)，以及单次散射反照率ω(RH)；
步骤(3)、根据步骤(1)～步骤(2)，同步获得气溶胶消光吸湿增长因子f(RH)ext、散射吸湿增长因子f(RH)scat和吸收吸湿增长因子f(RH)abs，以及单次散射反照率吸湿增长因子f(RH)ω：
f(RH)ext,scat,abs,ω＝bext,scat,abs,ω(RH)/bext,scat,abs,ω(Dry)；
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)本发明通过控制两个质量流量计的流量和比例，能快速获得不同湿度的混合气，混合气作为气溶胶加湿管的鞘气，能实现短时间内气溶胶样气湿度的快速调节和精确控制，气溶胶样气的相对湿度从15％增加至90％，耗时小于10分钟，相对湿度偏差小于1％；
(2)本发明采用气溶胶反照率光谱仪作为气溶胶多光学参数的测量装置，能实现气溶胶消光、散射和吸收系数，以及单次散射反照率的同步测量，并且在高湿度环境下气溶胶光学参数测量的准确性高；
(3)本发明提供的气溶胶多参数光学吸湿增长因子同步测量系统和方法，能实现气溶胶消光吸湿增长因子、散射吸湿增长因子、吸收吸湿增长因子和单次散射反照率吸湿增长因子的同步测量。
附图说明
图1是本发明的气溶胶多光学参数吸湿增长因子测量系统的结构示意图，其中实线表示气体或气溶胶气流气路，虚线表示信号采集线路；图1中标记如下：101～空压机，102～冷冻式干燥机，103～活性炭吸附管，104～高效粒子过滤器，201～第一质量流量计，202～第二质量流量计，203～气体加湿管，204～水浴装置，205～水泵，206～第一温湿度计，207～气溶胶加湿管，208～第二温湿度计，209～电动三通球阀，301～LED光源，302和302’～第一光纤和第二光纤，303和303’～第一准直透镜和第二准直透镜，304～宽带滤光片，305和305’～第一高反射率透镜和第二高反射率透镜，306和306’～第一截止管和第二截止管，307～积分球，308～光谱仪，309～圆孔法兰，310～窄带滤光片，311～光电倍增管，312和312’～第一保护气孔和第二保护气孔，313～样气孔，313’～抽气孔，314～微型真空泵，401～数据采集控制单元；
图2是本发明的气溶胶多光学参数吸湿增长因子测量系统运行中加湿气溶胶样气相对湿度循环示意图；
图3是本发明的气溶胶多光学参数吸湿增长因子测量系统测量苯胺黑气溶胶的消光、散射和吸收吸湿增长因子，以及单次散射反照率吸湿增长因子随相对湿度变化的曲线图；
具体实施方式
下面参考附图并结合实施例对本发明做进一步说明，但实施例并不限制本发明的保护范围。
参见图1.
本发明气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，包括零空气产生单元，气溶胶加湿单元，气溶胶反照率光谱仪和程序控制单元；
所述零空气产生单元，包括空压机101、冷冻式干燥机102、活性炭吸附管103和高效粒子过滤器104，空压机101出气口与后端冷冻式干燥机102进气口相连接，冷冻式干燥机102出气口与后端活性炭吸附管103进气口相连接，活性炭吸附管103出气口与后端高效粒子过滤器104进气口相连接，高效粒子过滤器104进气口产生干燥清洁空气。
所述气溶胶加湿单元，包括第一质量流量计201，第二质量流量计202，气体加湿管203，水浴装置204，水泵205，第一温湿度计206，气溶胶加湿管207和第二温湿度计208；
所述零空气产生单元产生的干燥清洁空气分为两路，一路进入第一质量流量计201，另一路进入第二质量流量计202，经过气体加湿管203加湿与一路干气混合后，作为气溶胶加湿管207的鞘气，气溶胶样气流经气溶胶加湿管207的内管，气溶胶加湿管207外管鞘气中的水分子渗透进入内管，从而加湿气溶胶样气；气体加湿管203的进水口连接水泵205出水口，水泵205进水口连接水浴装置204，水浴装置204连接气体加湿管207的出水口，水泵205驱动实现去离子水的循环流动；第一温湿度计206监测混合气的湿度，第二温湿度计208监测气溶胶样气的湿度。
所述气溶胶反照率光谱仪，包括光源模块，光学腔体、散射光接收模块、透过光接收模块和气路组件，所述光源模块的发射光进入光学腔体，散射光被散射光模块接收探测，透过光被透过光接收模块接收探测；所述光源模块包括LED光源301、光纤302、第一准直透镜303和宽带滤光片304，LED光源301发射光耦合进入光纤302，光纤302后端连接第一准直透镜303，准直后光束经过滤光片304，进入光学腔体；所述光学腔体包括第一截止管306、积分球307、第二截止管306’和安装在截止管两端的第一高反射率透镜305和第二高反射率透镜305’，进入光学腔体的光，在第一高反射率透镜305和第二高反射率透镜305’之间多次反射，散射光被积分球307收集，透过光经第二高反射率透镜305’出射；所述散射光接收模块包括圆孔法兰309、窄带滤光片310和光电倍增管311，光散射模块安装在所述积分球307侧壁的小孔处，从小孔出射的散射光经过圆孔法兰309和窄带滤光片310后，后端连接光电倍增管311探测散射光强；所述透过光接收模块，包括第二准直透镜303’、第二光纤302’和光谱仪308，所述光学腔体出射的光被第二准直透镜303’接收聚焦后耦合到第二光纤302’中，第二光纤302’将透过光引入光谱仪308中，光谱仪308探测透过光强；所述气路组件包括三通电动球阀209和微型真空泵314，三通电动球阀209切换连通气溶胶加湿管207的样气出口和气溶胶样气进气口，由微型真空泵314抽动交替进入光学腔体，实现干燥气溶胶样气和加湿气溶胶样气的交替测量。
所述数据采集控制单元401，包括湿度控制模块和光学数据采集模块，湿度控制模块是根据第一温湿度计206监测的混合气湿度和第二温湿度计208监测的气溶胶样气湿度，调节第一质量流量计201和第二质量流量计202的气体流量和比例，实现对混合气湿度的快速调节与精确控制，进而实现对气溶胶样气湿度的准确调控；所述光学数据采集模块是采集光电倍增管311的信号和光谱仪308的信号，以及通过电压信号控制三通电动球阀209的切换。
如图2所示，通过设定的气溶胶样气湿度的阈值范围(15％-90％)，所述的湿度控制模块能实现气溶胶样气的循环加湿；本发明气溶胶加湿单元能实现短时间内气溶胶样气湿度的快速调节和精确控制，气溶胶样气的相对湿度从15％增加至90％，耗时小于10分钟，相对湿度偏差小于1％。
所述光学数据采集模块采集的光电倍增管311测量的电压信号Iscat和光谱仪308测量的气溶胶样气的光强信号Itrans，通过下式计算得到气溶胶的消光系数(bext)和散射系数(bscat)：
其中，I0为光谱仪308测量的背景光强信号(此时气溶胶样气中没有颗粒)，d为光腔长度，R为高反透镜305和305’的反射率，RL为有效光腔长度因子(光腔长度与光腔内样品覆盖长度的比值)，K为实验推算的校准常数。
由此可获得气溶胶的吸收系数(babs)和单次散射反照率(ω)：
babs＝bext-bscat，ω＝bscat/bext
采用本发明气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统同步测量气溶胶多光学参数吸湿增长因子的方法，包括以下步骤：
步骤(1)三通电动球阀切换连通气溶胶样气进气口，气溶胶样气直接进入气溶胶反照率光谱仪，同步测量得到干燥状态下的气溶胶消光系数bext(Dry)、散射系数bscat(Dry)和吸收系数babs(Dry)，以及单次散射反照率ω(Dry)；
步骤(2)三通电动球阀切换连通气溶胶加湿管样气出气口，加湿后的气溶胶样气进入气溶胶反照率光谱仪，同步测量得到加湿后的气溶胶消光系数bext(RH)、散射系数bscat(RH)和吸收系数babs(RH)，以及单次散射反照率ω(RH)；
步骤(3)根据步骤(1)～步骤(2)，同步获得气溶胶消光吸湿增长因子f(RH)ext、散射吸湿增长因子f(RH)scat和吸收吸湿增长因子f(RH)abs，以及单次散射反照率吸湿增长因子f(RH)ω：
f(RH)ext,scat,abs,ω＝bext,scat,abs,ω(RH)/bext,scat,abs,ω(Dry)
如图3所示，本发明的系统能同步获得气溶胶消光吸湿增长因子f(RH)ext、散射吸湿增长因子f(RH)scat和吸收吸湿增长因子f(RH)abs，以及单次散射反照率吸湿增长因子f(RH)ω。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
零空气产生单元，包括空压机、冷冻式干燥机、活性炭吸附管和高效粒子过滤器，所述空压机出气口与后端冷冻式干燥机进气口相连接，所述冷冻式干燥机出气口与后端活性炭吸附管进气口相连接，所述活性炭吸附管出气口与后端高效粒子过滤器进气口相连接；
气溶胶加湿单元，包括质量流量计、气体加湿管、水浴装置、水泵、温湿度计和气溶胶加湿管，所述零空气产生单元产生的干燥清洁空气分为两路，一路进入第一质量流量计，另一路进入第二质量流量计，经过气体加湿管加湿后与一路干气混合后，作为气溶胶加湿管的鞘气；
气溶胶反照率光谱仪，包括光源模块，光学腔体、散射光接收模块、透过光接收模块和气路组件；所述光源模块包括LED光源、光纤、第一准直透镜和宽带滤光片；所述光学腔体包括第一截止管、积分球、第二截止管和安装在截止管两端的第一高反射率透镜和第二高反射率透镜；所述散射光接收模块包括圆孔法兰、窄带滤光片和光电倍增管，光散射模块安装在所述积分球侧壁的开孔处，依次安装圆孔法兰、窄带滤光片和光电倍增管；所述透过光接收模块，包括第二准直透镜、光纤和光谱仪；所述气路组件包括三通电动球阀和微型真空泵；
数据采集控制单元，包括湿度控制模块和光学数据采集模块，所述湿度控制模块是根据第一温湿度计监测的混合气湿度和第二温湿度计监测的气溶胶样气湿度，调节第一质量流量计和第二质量流量计的气体流量和比例；通过设定气溶胶样气湿度的阈值范围，所述的湿度控制模块在阈值范围内，实现气溶胶样气的循环加湿；所述光学数据采集模块是采集光电倍增管的信号和光谱仪的信号，以及通过电压信号控制三通电动球阀的切换。
2.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述气溶胶加湿单元中的气体加湿管是同心双层管，内管的材质是Nafion膜，只有水分子能通过，内管通气，外管通水；气体加湿管的进水口连接水泵出水口，水泵进水口连接水浴装置，水浴装置连接气体加湿管的出水口，水泵驱动实现去离子水的循环流动；所述气溶胶加湿管是同心双层管，内管的材质是Nafion膜，只有水分子能通过，内管通气溶胶样气，外管通混合湿气；气溶胶加湿管鞘气的进气口连通混合湿气，鞘气的出气口排空。
3.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述气溶胶加湿单元是通过对第一质量流量计和第二质量流量计的流量和比例控制，来实现气溶胶样气湿度的精确控制。
4.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述气溶胶加湿单元中的第一温湿度计安装在干湿气混合的后端，用于监测混合气的温湿度，第二温湿度计安装在气溶胶加湿管的样气出口，用于检测加湿后气溶胶样气的温湿度。
5.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述气溶胶反照率光谱仪中的第一截止管在同侧开设吹扫气通孔和样气通孔，所述第二截止管在异侧开设吹扫气通孔和抽气通孔。
6.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述气溶胶反照率光谱仪中的LED光源采用大功率的LED，LED的基板紧贴半导体制冷片，半导体制冷片固定在铝材质的散热片上，散热片上安装电子温度传感器，通过温度反馈精确控制LED的温度。
7.根据权利要求1所述的气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量系统，其特征在于，所述三通电动球阀一端连接所述气溶胶加湿管的样气出气口，另一端直接连接气溶胶样气进气口，第三端连接第一截止管的样气通孔，样气流经光学腔体后从第二截止管的抽气口流出，抽气口连接微型真空泵控制气溶胶样气流速。
8.一种气溶胶多光学参数吸湿增长因子同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、气溶胶样气直接进入气溶胶反照率光谱仪，同步测量得到干燥状态下的气溶胶消光系数bext(Dry)、散射系数bscat(Dry)和吸收系数babs(Dry)，以及单次散射反照率ω(Dry)；
步骤(2)、加湿后的气溶胶样气进入气溶胶反照率光谱仪，同步测量得到加湿后的气溶胶消光系数bext(RH)、散射系数bscat(RH)和吸收系数babs(RH)，以及单次散射反照率ω(RH)；
步骤(3)、根据步骤(1)～步骤(2)，同步获得气溶胶消光吸湿增长因子f(RH)ext、散射吸湿增长因子f(RH)scat和吸收吸湿增长因子f(RH)abs，以及单次散射反照率吸湿增长因子f(RH)ω：
f(RH)ext,scat,abs,ω＝bext,scat,abs,ω(RH)/bext,scat,abs,ω(Dry)。
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