CN111289410A - 大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法,装置包括超声风速仪、第一颗粒物切割器、第二颗粒物切割器、第一采样管、第二采样管、抽气泵、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、颗粒物在线分析仪器和电控装置。优点:(1)保证大气样品连续采样,并且被采集样品进行实时分析。(2)实现颗粒物干沉降通量的快速在线分析,避免离线分析过程中带来的样品量少、分析周期长、化学成分可变等系统误差。(3)双管测量方法,避免颗粒物样品在采集过程中可能存在彼此污染的情况,且动态测量的方法最大程度上减少颗粒物在采样管中的停留时间,减少样品量的损失,提高测量准确性。
Description
技术领域
本发明属于大气颗粒物污染成因研究及治理技术领域,具体涉及一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法。
背景技术
大气颗粒物是大气中各种固态和液态污染物所形成颗粒物的总称,其分散并悬浮在气体介质中所形成的气溶胶分散体系通过多种方式,直接或间接地影响着气候变化、空气质量以及人体健康等。由于相对缓慢的沉降速度,相比活性气体,气溶胶颗粒物在大气中往往有着更长的生命周期,对环境和人类有着深远的影响。而干沉降作为颗粒物从大气中去除的重要手段之一,精确的测量及分析干沉降通量和速率,不仅有助于研究颗粒物在大气中的寿命,为颗粒物防治提供重要信息,了解大气颗粒物污染成因,同时可优化模式计算,提高污染预报准确性,并辅助计算地区环境容量及环境承载力,为国家经济发展和国民生产生活提供有效的环境建议。
大气颗粒物干沉降通量的观测方法主要分为表面分析法和微气象学方法。表面分析法通常使用采尘桶或代用面收集空气中自然沉降的颗粒物;根据分析物种的不同,取回样品后选择性地进行分离、烘干、称重及上机分析,最终计算得到目标物种的干沉降通量。该方法操作简单且成本低廉,因此在很长一段时间被作为测量干沉降通量的主要方法。然而,由于该方法在采集过程中出现的颗粒物损失、化学反应变化以及较长的分析周期,使得最终的计算结果存在较大的误差。
微气象学方法包括空气动力学方法、热平衡法和涡度协方差法等。其中,由于涡度协方差法(Eddy Covariance,EC)在观测和求算通量的过程中几乎没有假设,其结果更加准确直接。该方法通过测量并计算高频(5-20Hz)目标物理量和垂直风速的协方差,得到大气与下垫面间的物质交换通量。然而,目前能够满足高频测量颗粒物的仪器相对少,造价成本高,运营维护难,以及在后期数据处理过程中存在的数据质量控制、数据差补和计算结果订正等难题。因此,利用涡度协方差法测量大气颗粒物干沉降通量的方法难以得到广泛的应用。
弛豫涡度累积法(Relaxed Eddy Accumulation,REA)是涡度协方差法的变体。该法避免了高频传感器的使用,而是根据以10Hz运行的超声风速仪所测得风速和风向,有条件的将样品采集到不同的采样膜或采样管中。当风向为上且风速超过停滞带宽(deadband)时,样品被采集到采样膜或采样管一中,当风向为下且风速超过停滞带宽(deadband)时,样品被采集到采样膜或采样管二中。一定时间后,对一组采样膜或采样管中的样品进行分析,计算风速向上和向下时样品间的浓度差异,并结合垂直风速的标准偏差及实验系数,最终得到干沉降通量,计算方法如公式(1)所示:
式中:
F为干沉降通量;
δw为垂直风速w的标准偏差;
b为实验系数,计算方法如公式(2)所示:
式中:
目前,弛豫涡度累积法多与离线分析法结合,仍存在样品量少、分析周期长、化学成分可变等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法,可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置,包括超声风速仪(1)、第一颗粒物切割器(2.1)、第二颗粒物切割器(2.2)、第一采样管(4.1)、第二采样管(4.2)、抽气泵(8)、第一开关(3.1)、第二开关(3.2)、第三开关(5.1)、第四开关(5.2)、第五开关(5.3)、第六开关(6.1)、第七开关(6.2)、第八开关(6.3)、颗粒物在线分析仪器和电控装置;
所述超声风速仪(1)固定安装;所述第一颗粒物切割器(2.1)和所述第二颗粒物切割器(2.2)等高度设置,并且,所述第一颗粒物切割器(2.1)和所述第二颗粒物切割器(2.2)的进气口均与所述超声风速仪(1)探头间风程中心的水平位置齐平;
所述第一颗粒物切割器(2.1)的出口端与所述第一开关(3.1)连接;所述第一开关(3.1)安装于所述第一采样管(4.1)的入口端;所述第一采样管(4.1)的出口端安装所述第三开关(5.1);所述第三开关(5.1)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第二颗粒物切割器(2.2)的出口端与所述第二开关(3.2)连接;所述第二开关(3.2)安装于所述第二采样管(4.2)的入口端;所述第二采样管(4.2)的出口端安装所述第五开关(5.3);所述第五开关(5.3)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第四开关(5.2)与所述第三开关(5.1)和所述第五开关(5.3)等高度设置,所述第四开关(5.2)的入口端直接和大气连通;所述第四开关(5.2)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第六开关(6.1)的一端通过第一采样支路,连接到所述第一采样管(4.1)的中段偏下位置;所述第八开关(6.3)的一端通过第二采样支路,连接到所述第二采样管(4.2)的中段偏下位置;所述第七开关(6.2)与所述第六开关(6.1)和所述第八开关(6.3)并列放置,所述第七开关(6.2)的一端直接和大气连通;所述第六开关(6.1)、所述第七开关(6.2)和所述第八开关(6.3)的另一端汇聚成一路,共同连接到所述颗粒物在线分析仪器;
所述电控装置分别与所述超声风速仪(1)、所述抽气泵(8)、所述第一开关(3.1)、所述第二开关(3.2)、所述第三开关(5.1)、所述第四开关(5.2)、所述第五开关(5.3)、所述第六开关(6.1)、所述第七开关(6.2)和所述第八开关(6.3)电性连接。
优选的,所述颗粒物在线分析仪器为颗粒物化学组分监测仪(7.1)和颗粒物粒径分析仪(7.2)。
本发明还提供一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置的测量方法,包括以下步骤:
步骤1,电控装置并行执行步骤2的大气样品采样过程和步骤3的大气样品双管动态在线测量过程;
步骤2:大气样品采样过程,包括:
步骤2.1,电控装置启动抽气泵(8),抽气泵(8)持续工作;电控装置通过超声风速仪(1)实时检测垂直风风速信息和垂直风风向信息;
步骤2.2,如果风向为垂直向上风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第一采样管(4.1)为流通状态,使第二采样管(4.2)为封闭状态,即:电控装置同时打开第一开关(3.1)和第三开关(5.1),使第二开关(3.2)、第四开关(5.2)和第五开关(5.3)处于关闭状态;此时,由于第一采样管(4.1)为流通状态,因此,在抽气泵(8)的作用下,第一颗粒物切割器(2.1)过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第一采样管(4.1),即:进入第一采样管(4.1)的颗粒物为流通状态;
如果风向为垂直向下风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第二采样管(4.2)为流通状态,使第一采样管(4.1)为封闭状态,即:电控装置同时打开第二开关(3.2)和第五开关(5.3),使第一开关(3.1)、第三开关(5.1)和第四开关(5.2)处于关闭状态;此时,由于第二采样管(4.2)为流通状态,因此,在抽气泵(8)的作用下,第二颗粒物切割器(2.2)过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第二采样管(4.2),即:进入第二采样管(4.2)的颗粒物为流通状态;
如果垂直风风速未超过停滞带宽,此时电控装置使第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均为封闭状态,即:电控装置同时使第一开关(3.1)、第二开关(3.2)、第三开关(5.1)和第五开关(5.3)为封闭状态;同时,电控装置打开第四开关(5.2),以稳定抽气泵(8)的前后气压,保证抽气泵(8)正常工作;
步骤3,大气样品双管动态在线测量过程,包括:
步骤3.1,在进行大气样品采样的过程中,第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均根据风向和风速的不同,具有两种采样状态:流通状态和关闭状态;预设置临界气压值;当采样管处于流通状态时,采样管内的气压高于临界气压值;
大气样品双管动态在线测量过程,包括三种状态,分别为:双管正常状态、单管异常状态和双管异常状态:其中,第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)根据管内压力的不同,具有两种测量状态:正常状态和异常状态;正常状态是指:采样管内的压力高于临界气压值;异常状态是指:采样管内的压力低于临界气压值;
步骤3.2,双管正常状态:当第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)内的气压均高于临界气压值时,即:第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均为正常状态时,为双管正常状态;在双管正常状态时,电控装置使第七开关(6.2)为关闭状态;电控装置按预设测量频率,交替对第六开关(6.1)和第八开关(6.3)进行控制,即:在当前时刻T1,电控装置打开第六开关(6.1),关闭第八开关(6.3),因此,第一采样管(4.1)内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;在下一时刻T2,电控装置打开第八开关(6.3),关闭第六开关(6.1),因此,第二采样管(4.2)内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;如此不断循环,实现对第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)交替测量的功能;
步骤3.3,单管异常状态:在任意测量时刻,如果某个采样管A持续为关闭状态,则随着该采样管A内的大气样品不断被抽送到颗粒物在线分析仪器,会导致该采样管A内的气压逐渐降低,当该采样管A内的气压低于临界气压值时,该采样管A转变为采样管异常状态;而对于另一个采样管B,如果在其采样管B内的气压低于临界气压值之前,采样管B转变为流通状态,则采样管B内的气压恢复到高于临界气压值的气压,因此,采样管B保持正常状态;
假设采样管A为第一采样管(4.1),采样管B为第二采样管(4.2);因此,一旦出现第一采样管(4.1)异常状态、第二采样管(4.2)正常状态时,此时即为单管异常状态;此时,电控装置使第七开关(6.2)为关闭状态;关闭第六开关(6.1),不再对第一采样管(4.1)进行测量,直到其恢复正常状态为止;电控装置保持第八开关(6.3)为打开状态,按预设定测量频率,对第二采样管(4.2)进行采样测量;
步骤3.4,双管异常状态:在任意测量时刻,一旦第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)内的气压均低于临界气压值时,为双管异常状态;此时,电控装置使第六开关(6.1)和第八开关(6.3)为关闭状态,打开第七开关(6.2),用以维持颗粒物在线分析仪器的气压平衡以及稳定运行;直到第一采样管(4.1)和/或第二采样管(4.2)恢复正常状态时,再执行相应操作。
本发明提供的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法具有以下优点:
(1)是一种双管动态测量装置和方法,可以保证大气样品连续采样,并且被采集的样品可进行实时分析。
(2)本大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量方法,结合弛豫涡度累积法和颗粒物在线分析方法,实现颗粒物干沉降通量的快速在线分析,避免了以往离线分析过程中带来的样品量少、分析周期长、化学成分可变等系统误差。
(3)双管测量方法,避免颗粒物样品在采集过程中可能存在彼此污染的情况,且动态测量的方法也最大程度上减少了颗粒物在采样管中的停留时间,减少样品量的损失,提高了测量的准确性。
(4)本发明尽可能简化了配件的使用,压缩了系统的运行成本。
附图说明
图1为本发明提供的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法,为弛豫涡度累积法与颗粒物双管动态在线测量方法的结合,实现样品采集和分析的不间断同步进行。本大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量方法,可同时结合多种颗粒物在线分析方法,如已述的颗粒物组分分析质谱仪、颗粒物粒径分析仪等多种低频传感器,在控制运行成本的同时,可获得多维化的颗粒物干沉降通量信息。
大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置主要分为机械部件和电控装置两部分。机械部件结构示意图如图1所示,包括超声风速仪1、第一颗粒物切割器2.1、第二颗粒物切割器2.2、第一采样管4.1、第二采样管4.2、抽气泵8、第一开关3.1、第二开关3.2、第三开关5.1、第四开关5.2、第五开关5.3、第六开关6.1、第七开关6.2、第八开关6.3、颗粒物在线分析仪器和电控装置;
超声风速仪1固定安装;第一颗粒物切割器2.1和第二颗粒物切割器2.2等高度设置,并且,第一颗粒物切割器2.1和第二颗粒物切割器2.2的进气口均与超声风速仪1探头间风程中心的水平位置齐平;颗粒物切割器管口距超声风速仪的水平距离应保证二者测得同一个湍涡的同时,防止颗粒物切割器管口的空气扰动干扰超声风速仪的测量,具体距离由颗粒物切割器管口的流速和下垫面等因素共同决定。
第一颗粒物切割器2.1的出口端与第一开关3.1连接;第一开关3.1安装于第一采样管4.1的入口端;第一采样管4.1的出口端安装第三开关5.1;第三开关5.1的出口端与抽气泵8的进口端连接;
第二颗粒物切割器2.2的出口端与第二开关3.2连接;第二开关3.2安装于第二采样管4.2的入口端;第二采样管4.2的出口端安装第五开关5.3;第五开关5.3的出口端与抽气泵8的进口端连接;
第四开关5.2与第三开关5.1和第五开关5.3等高度设置,第四开关5.2的入口端直接和大气连通;第四开关5.2的出口端与抽气泵8的进口端连接;
第六开关6.1的一端通过第一采样支路,连接到第一采样管4.1的中段偏下位置;第八开关6.3的一端通过第二采样支路,连接到第二采样管4.2的中段偏下位置;第七开关6.2与第六开关6.1和第八开关6.3并列放置,第七开关6.2的一端直接和大气连通;第六开关6.1、第七开关6.2和第八开关6.3的另一端汇聚成一路,共同连接到颗粒物在线分析仪器;实际应用中,颗粒物在线分析仪器为颗粒物化学组分监测仪7.1和颗粒物粒径分析仪7.2等,用于监测颗粒物不同维度的信息。
电控装置分别与超声风速仪1、抽气泵8、第一开关3.1、第二开关3.2、第三开关5.1、第四开关5.2、第五开关5.3、第六开关6.1、第七开关6.2和第八开关6.3电性连接。
本发明中,第一采样管4.1、第二采样管4.2均垂直于地面设置,管路采用金属材质,以降低对颗粒物的吸附。抽气泵,用于为气体在管路中的流动提供动力。
第一开关3.1、第二开关3.2,分别用于封闭第一采样管4.1和第二采样管4.2的上端。
第一采样管4.1和第二采样管4.2,用于分流并动态采集不同风向的大气颗粒物样品。
第三开关5.1和第五开关5.3,分别用于封闭第一采样管4.1和第二采样管4.2的下端。
第四开关5.2位于第三开关5.1和第五开关5.3中,当风速处于停滞带宽内时,开启第四开关5.2以稳定泵前后气压。
第六开关6.1和第八开关6.3,用于控制第一采样管4.1和第二采样管4.2中的颗粒物样品交替进入后端的颗粒物在线分析仪器中。
电控装置主要功能为:向机械部件供电、超声风速仪测量数据的实时读取、产生及输出各开关切换所需的电信号。
本发明还提供一种基于大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置的测量方法,包括以下步骤:
步骤1,电控装置并行执行步骤2的大气样品采样过程和步骤3的大气样品双管动态在线测量过程;
步骤2:大气样品采样过程,包括:
步骤2.1,电控装置启动抽气泵8,抽气泵8持续工作;电控装置通过超声风速仪1实时检测垂直风风速信息和垂直风风向信息;
具体的,超声风速仪1用于在10Hz的频率下测量和记录温度和风的三维信息,并将垂直风风速信息和垂直风风向信息传递给电控装置中的数据读取模块,以控制大气样品进入不同的采样管。
超声风速仪1应水平放置,其高度位置根据不同的下垫面有所不同,但都应置于常通量层内。
步骤2.2,如果风向为垂直向上风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第一采样管4.1为流通状态,使第二采样管4.2为封闭状态,即:电控装置同时打开第一开关3.1和第三开关5.1,使第二开关3.2、第四开关5.2和第五开关5.3处于关闭状态;此时,由于第一采样管4.1为流通状态,因此,在抽气泵8的作用下,第一颗粒物切割器2.1过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第一采样管4.1,即:进入第一采样管4.1的颗粒物为流通状态;
如果风向为垂直向下风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第二采样管4.2为流通状态,使第一采样管4.1为封闭状态,即:电控装置同时打开第二开关3.2和第五开关5.3,使第一开关3.1、第三开关5.1和第四开关5.2处于关闭状态;此时,由于第二采样管4.2为流通状态,因此,在抽气泵8的作用下,第二颗粒物切割器2.2过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第二采样管4.2,即:进入第二采样管4.2的颗粒物为流通状态;
如果垂直风风速未超过停滞带宽,此时不需要对大气样品进行采样,因此,电控装置使第一采样管4.1和第二采样管4.2均为封闭状态,即:电控装置同时使第一开关3.1、第二开关3.2、第三开关5.1和第五开关5.3为封闭状态;同时,电控装置打开第四开关5.2,以稳定抽气泵8的前后气压,保证抽气泵8正常工作;
步骤3,大气样品双管动态在线测量过程,包括:
步骤3.1,在进行大气样品采样的过程中,第一采样管4.1和第二采样管4.2均根据风向和风速的不同,具有两种采样状态:流通状态和关闭状态;预设置临界气压值;当采样管处于流通状态时,采样管内的气压高于临界气压值;
大气样品双管动态在线测量过程,包括三种状态,分别为:双管正常状态、单管异常状态和双管异常状态:其中,第一采样管4.1和第二采样管4.2根据管内压力的不同,具有两种测量状态:正常状态和异常状态;正常状态是指:采样管内的压力高于临界气压值;异常状态是指:采样管内的压力低于临界气压值;
步骤3.2,双管正常状态:当第一采样管4.1和第二采样管4.2内的气压均高于临界气压值时,即:第一采样管4.1和第二采样管4.2均为正常状态时,为双管正常状态;在双管正常状态时,电控装置使第七开关6.2为关闭状态;电控装置按预设测量频率,交替对第六开关6.1和第八开关6.3进行控制,即:在当前时刻T1,电控装置打开第六开关6.1,关闭第八开关6.3,因此,第一采样管4.1内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;在下一时刻T2,电控装置打开第八开关6.3,关闭第六开关6.1,因此,第二采样管4.2内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;如此不断循环,实现对第一采样管4.1和第二采样管4.2交替测量的功能;
步骤3.3,单管异常状态:在任意测量时刻,如果某个采样管A持续为关闭状态,则随着该采样管A内的大气样品不断被抽送到颗粒物在线分析仪器,会导致该采样管A内的气压逐渐降低,当该采样管A内的气压低于临界气压值时,该采样管A转变为采样管异常状态;而对于另一个采样管B,如果在其采样管B内的气压低于临界气压值之前,采样管B转变为流通状态,则采样管B内的气压恢复到高于临界气压值的气压,因此,采样管B保持正常状态;
假设采样管A为第一采样管4.1,采样管B为第二采样管4.2;因此,一旦出现第一采样管4.1异常状态、第二采样管4.2正常状态时,此时即为单管异常状态;此时,电控装置使第七开关6.2为关闭状态;关闭第六开关6.1,不再对第一采样管4.1进行测量,直到其恢复正常状态为止;电控装置保持第八开关6.3为打开状态,按预设定测量频率,对第二采样管4.2进行采样测量;
步骤3.4,双管异常状态:在任意测量时刻,一旦第一采样管4.1和第二采样管4.2内的气压均低于临界气压值时,为双管异常状态;此时,电控装置使第六开关6.1和第八开关6.3为关闭状态,打开第七开关6.2,用以维持颗粒物在线分析仪器的气压平衡以及稳定运行;直到第一采样管4.1和/或第二采样管4.2恢复正常状态时,再执行相应操作。
本发明提供的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法,主要特点为:样品采集和样品测量分析过程不间断同步进行,并且,样品采集过程并非是静态的样品采集过程,而是动态的样品采集过程,即:当垂直风风速和风向满足要求时,外部大气样品通过颗粒物切割器过滤后,持续动态通过对应的采样管,例如,假设风向为垂直向上风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽,则第一开关3.1和第三开关5.1持续为打开状态,大气样品流通通过第一采样管4.1;此时如果正好需要对第一采样管4.1进行样品测量分析,则流通通过第一采样管4.1的部分大气样品被抽送到颗粒物在线分析仪器。因此,颗粒物在线分析仪器实现对动态的大气样品的测量分析,分析结果更准确。而传统的方案中,需要首先使采样管的出口端封闭,然后使大气样品进入到采样管的内部,再将采样管的入口端封闭,从而使采样管采集到静态的大气样品,再采用颗粒物在线分析仪器对采样管内部的大气样品进行分析,此种分析方法为静态分析方法,分析结果存在一定的误差。
本发明提供的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法,具有以下优点:
(1)是一种双管动态测量装置和方法,可以保证大气样品连续采样,并且被采集的样品可进行实时分析。
(2)本大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量方法,结合弛豫涡度累积法和颗粒物在线分析方法,实现颗粒物干沉降通量的快速在线分析,避免了以往离线分析过程中带来的样品量少、分析周期长、化学成分可变等系统误差。
(3)双管测量方法,避免颗粒物样品在采集过程中可能存在彼此污染的情况,且动态测量的方法也最大程度上减少了颗粒物在采样管中的停留时间,减少样品量的损失,提高了测量的准确性。
(4)本发明尽可能简化了配件的使用,压缩了系统的运行成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置,其特征在于,包括超声风速仪(1)、第一颗粒物切割器(2.1)、第二颗粒物切割器(2.2)、第一采样管(4.1)、第二采样管(4.2)、抽气泵(8)、第一开关(3.1)、第二开关(3.2)、第三开关(5.1)、第四开关(5.2)、第五开关(5.3)、第六开关(6.1)、第七开关(6.2)、第八开关(6.3)、颗粒物在线分析仪器和电控装置;
所述超声风速仪(1)固定安装;所述第一颗粒物切割器(2.1)和所述第二颗粒物切割器(2.2)等高度设置,并且,所述第一颗粒物切割器(2.1)和所述第二颗粒物切割器(2.2)的进气口均与所述超声风速仪(1)探头间风程中心的水平位置齐平;
所述第一颗粒物切割器(2.1)的出口端与所述第一开关(3.1)连接;所述第一开关(3.1)安装于所述第一采样管(4.1)的入口端;所述第一采样管(4.1)的出口端安装所述第三开关(5.1);所述第三开关(5.1)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第二颗粒物切割器(2.2)的出口端与所述第二开关(3.2)连接;所述第二开关(3.2)安装于所述第二采样管(4.2)的入口端;所述第二采样管(4.2)的出口端安装所述第五开关(5.3);所述第五开关(5.3)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第四开关(5.2)与所述第三开关(5.1)和所述第五开关(5.3)等高度设置,所述第四开关(5.2)的入口端直接和大气连通;所述第四开关(5.2)的出口端与所述抽气泵(8)的进口端连接;
所述第六开关(6.1)的一端通过第一采样支路,连接到所述第一采样管(4.1)的中段偏下位置;所述第八开关(6.3)的一端通过第二采样支路,连接到所述第二采样管(4.2)的中段偏下位置;所述第七开关(6.2)与所述第六开关(6.1)和所述第八开关(6.3)并列放置,所述第七开关(6.2)的一端直接和大气连通;所述第六开关(6.1)、所述第七开关(6.2)和所述第八开关(6.3)的另一端汇聚成一路,共同连接到所述颗粒物在线分析仪器;
所述电控装置分别与所述超声风速仪(1)、所述抽气泵(8)、所述第一开关(3.1)、所述第二开关(3.2)、所述第三开关(5.1)、所述第四开关(5.2)、所述第五开关(5.3)、所述第六开关(6.1)、所述第七开关(6.2)和所述第八开关(6.3)电性连接。
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置,其特征在于,所述颗粒物在线分析仪器为颗粒物化学组分监测仪(7.1)和颗粒物粒径分析仪(7.2)。
3.一种权利要求1-2任一项所述的大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,电控装置并行执行步骤2的大气样品采样过程和步骤3的大气样品双管动态在线测量过程;
步骤2:大气样品采样过程,包括:
步骤2.1,电控装置启动抽气泵(8),抽气泵(8)持续工作;电控装置通过超声风速仪(1)实时检测垂直风风速信息和垂直风风向信息;
步骤2.2,如果风向为垂直向上风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第一采样管(4.1)为流通状态,使第二采样管(4.2)为封闭状态,即:电控装置同时打开第一开关(3.1)和第三开关(5.1),使第二开关(3.2)、第四开关(5.2)和第五开关(5.3)处于关闭状态;此时,由于第一采样管(4.1)为流通状态,因此,在抽气泵(8)的作用下,第一颗粒物切割器(2.1)过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第一采样管(4.1),即:进入第一采样管(4.1)的颗粒物为流通状态;
如果风向为垂直向下风向,并且,垂直风风速超过停滞带宽时,此时电控装置使第二采样管(4.2)为流通状态,使第一采样管(4.1)为封闭状态,即:电控装置同时打开第二开关(3.2)和第五开关(5.3),使第一开关(3.1)、第三开关(5.1)和第四开关(5.2)处于关闭状态;此时,由于第二采样管(4.2)为流通状态,因此,在抽气泵(8)的作用下,第二颗粒物切割器(2.2)过滤并去除大气样品中大于2.5μm粒径的颗粒物,使小于2.5μm粒径的颗粒物进入并通过第二采样管(4.2),即:进入第二采样管(4.2)的颗粒物为流通状态;
如果垂直风风速未超过停滞带宽,此时电控装置使第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均为封闭状态,即:电控装置同时使第一开关(3.1)、第二开关(3.2)、第三开关(5.1)和第五开关(5.3)为封闭状态;同时,电控装置打开第四开关(5.2),以稳定抽气泵(8)的前后气压,保证抽气泵(8)正常工作;
步骤3,大气样品双管动态在线测量过程,包括:
步骤3.1,在进行大气样品采样的过程中,第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均根据风向和风速的不同,具有两种采样状态:流通状态和关闭状态;预设置临界气压值;当采样管处于流通状态时,采样管内的气压高于临界气压值;
大气样品双管动态在线测量过程,包括三种状态,分别为:双管正常状态、单管异常状态和双管异常状态:其中,第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)根据管内压力的不同,具有两种测量状态:正常状态和异常状态;正常状态是指:采样管内的压力高于临界气压值;异常状态是指:采样管内的压力低于临界气压值;
步骤3.2,双管正常状态:当第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)内的气压均高于临界气压值时,即:第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)均为正常状态时,为双管正常状态;在双管正常状态时,电控装置使第七开关(6.2)为关闭状态;电控装置按预设测量频率,交替对第六开关(6.1)和第八开关(6.3)进行控制,即:在当前时刻T1,电控装置打开第六开关(6.1),关闭第八开关(6.3),因此,第一采样管(4.1)内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;在下一时刻T2,电控装置打开第八开关(6.3),关闭第六开关(6.1),因此,第二采样管(4.2)内的大气样品进入到颗粒物在线分析仪器,由颗粒物在线分析仪器进行在线分析;如此不断循环,实现对第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)交替测量的功能;
步骤3.3,单管异常状态:在任意测量时刻,如果某个采样管A持续为关闭状态,则随着该采样管A内的大气样品不断被抽送到颗粒物在线分析仪器,会导致该采样管A内的气压逐渐降低,当该采样管A内的气压低于临界气压值时,该采样管A转变为采样管异常状态;而对于另一个采样管B,如果在其采样管B内的气压低于临界气压值之前,采样管B转变为流通状态,则采样管B内的气压恢复到高于临界气压值的气压,因此,采样管B保持正常状态;
假设采样管A为第一采样管(4.1),采样管B为第二采样管(4.2);因此,一旦出现第一采样管(4.1)异常状态、第二采样管(4.2)正常状态时,此时即为单管异常状态;此时,电控装置使第七开关(6.2)为关闭状态;关闭第六开关(6.1),不再对第一采样管(4.1)进行测量,直到其恢复正常状态为止;电控装置保持第八开关(6.3)为打开状态,按预设定测量频率,对第二采样管(4.2)进行采样测量;
步骤3.4,双管异常状态:在任意测量时刻,一旦第一采样管(4.1)和第二采样管(4.2)内的气压均低于临界气压值时,为双管异常状态;此时,电控装置使第六开关(6.1)和第八开关(6.3)为关闭状态,打开第七开关(6.2),用以维持颗粒物在线分析仪器的气压平衡以及稳定运行;直到第一采样管(4.1)和/或第二采样管(4.2)恢复正常状态时,再执行相应操作。
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CN116973517A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-10-31 | 中国科学院大气物理研究所 | 一种大气痕量气体排放与沉降通量测量装置 |
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CN116973517B (zh) * | 2023-08-08 | 2024-03-26 | 中国科学院大气物理研究所 | 一种大气痕量气体排放与沉降通量测量装置 |
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