CN114295524A - 多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，包括气溶胶进气接头、支路管道、第一干燥管、气溶胶分级器、中和器、一级加湿单元和测量单元；气溶胶进气接头通过三通管分别与第一干燥管和支路管道连接，从而第一干燥管和支路管道并联，第一干燥管和支路管道均通过管道与气溶胶分级器连接，气溶胶分级器通过管道与中和器连接；一级加湿单元和测量单元的数量均为两个，两个一级加湿单元均与中和器连接，两个一级加湿单元分别与两个测量单元连接，每个测量单元连接有二级加湿单元。本发明还涉及多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法。本发明可以提供不同粒径的颗粒物的吸湿性测量，属于大气环境监测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测技术领域，具体涉及多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置及方法。
背景技术
气溶胶颗粒物是大气的重要成分之一，它通过吸收和散射太阳辐射或者形成云凝结核改变地球地-气系统的辐射收支平衡，在区域和全球尺度上影响气候和环境；其次它会危害人体健康并降低大气能见度，影响人们的日常生活。
气溶胶的吸湿性决定了气溶胶颗粒物在不同环境湿度条件下所含的水量，因此有几个重要的意义。首先它直接决定了颗粒物的大小和散射截面，从而影响其光学性质，进而影响大气能见度以及对直接辐射强迫的评估。其次吸湿性又与气溶胶颗粒物的云凝结核(CCN)活化特性密切相关，影响云的形成及其微观物理属性，进而影响气溶胶颗粒物的间接辐射强迫。由于气溶胶的吸湿性，在其表面吸附或吸收的液态水，也为二次气溶胶的各种物理化学过程，例如非均相过程提供了反应界面，而非均相过程是气溶胶中二次组分的最重要来源。此外，气溶胶的吸湿性还会显著影响气溶胶颗粒物的干、湿沉降率，继而对其寿命、时空分布以及对大气环境和人体健康产生影响。
传统的气溶胶吸湿增长测量技术主要有电动天平(Electrodynamic Balance,EDB)、气溶胶光镊(Aerosol Optical Tweezers，AOT)、吸湿串联差分迁移分析仪(Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer，HTDMA)等。EDB可以获得颗粒物由于相对湿度改变而引起的质量的变化，在已知颗粒物的密度下，计算得到颗粒物的吸湿增长因子，但是EDB只能测定粒径在几微米至几十微米量级的颗粒物，并且每次只能悬浮起单个颗粒，而且需要维持数分钟甚至更长时间进行观测，不适用于环境大气中气溶胶吸湿性的直接测量。AOT是利用激光技术捕获、悬浮单颗粒，通过图像和拉曼信号收集设备获取液滴表面形貌、稳定状态以及液滴尺寸随湿度变化规律和特点的信息。但是此技术的局限在于颗粒物的直径变化是通过其光学属性间接测量得到，这就要求所研究的颗粒物是球形的。此外，AOT技术也只能测定粒径在几微米至十微米范围的颗粒物；且在每个实验中只能检测单个颗粒，所以与EDB类似，AOT也不适用于环境气溶胶颗粒物吸湿性的测量。
HTDMA是另一种广泛利用的对气溶胶吸湿性进行测量的技术。它通过采集并分析加湿前后气溶胶颗粒物的粒径谱分布情况来判断气溶胶粒径的变化，从而进一步计算其相应的吸湿增长因子。HTDMA是根据颗粒物的电迁移率来筛选粒径，并且观察的是颗粒物整体粒径加湿前后的变化，不需要针对每个单颗粒进行测量，其采集数据的时间分辨率非常小，这就决定了HTDMA技术可以快速的对颗粒物的吸湿性进行观测。因此，除了应用于实验室实验外，HTDMA技术还可直接应用于真实环境大气中的吸湿性测量。
不论是实验室生成还是外场采集的气溶胶颗粒物，其含水量会随着生成过程、环境条件以及筛选的粒径的变化发生改变，这就要求我们对加湿前的颗粒物的粒径有一个统一的参考，因此传统的HTDMA技术需要对采集的气溶胶颗粒物进行干燥，往往是将气溶胶样流通过干燥管(Nafion或者硅胶干燥管)干燥至相对湿度(RH)10％-20％以下。但是，对气溶胶颗粒物进行干燥这一过程会引起一系列的问题。一方面它会造成观察的伪影，比如干燥颗粒中残留的水分会被误认为是对溶质体积的贡献，从而导致干溶质质量被高估，又或者干燥会造成一些气溶胶成分的蒸发损失，从而导致干溶质质量被低估，例如前人的研究表明纯硝酸铵颗粒物的直径在干燥过程中由于化学分解和蒸发而减小，可以高达10％。另一方面，颗粒物在干燥过后可能会形成一些非球形的结构，这些非球形的颗粒物在高相对湿度下，可能会发生结构的坍塌和压实。这就造成在高湿条件下颗粒物粒径的变化并不完全是由于颗粒物吸收水分造成的，也可能是来自于其结构的重组过程。因此，在这些情况下颗粒物的体积变化不能用来推断颗粒物的吸湿性。
另一方面，由于环境湿度随时间变化很大，这就需要我们实时测量不同RH条件下气溶胶颗粒物的吸湿增长因子。然而在HTDMA系统里，RH平衡稳定需要的时间非常长，比如通常在单个RH下对五种不同粒径的测量周期至少需要30分钟，然而一次测量两个不同RH下的五种不同粒径的吸湿增长因子至少需要两个小时。这就导致传统的HTDMA往往限于单个RH水平下颗粒物的吸湿性测量，不适用于多RH下外场颗粒物的测量。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可以提供不同粒径的颗粒物的吸湿性测量的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置。
本发明的另一个目的是：提供一种可以测量不同粒径的颗粒物的吸湿性的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，包括气溶胶进气接头、支路管道、第一干燥管、气溶胶分级器、中和器、一级加湿单元和测量单元；气溶胶进气接头通过三通管分别与第一干燥管和支路管道连接，从而第一干燥管和支路管道并联，第一干燥管和支路管道均通过管道与气溶胶分级器连接，气溶胶分级器通过管道与中和器连接；一级加湿单元和测量单元的数量均为两个，一级加湿单元包括第一加湿管、第一加湿水瓶和比例阀；比例阀通过管道与第一加湿管并联连接，测量单元包括差分电迁移率分析仪和凝结核计数器；两个第一加湿管的一端均通过三通管与中和器连接，两个第一加湿水瓶分别与两个第一加湿管连接，两个第一加湿管的另一端通过管道分别与两个差分电迁移率分析仪连接，两个差分电迁移率分析仪分别与两个凝结核计数器连接；每个差分电迁移率分析仪的鞘流系统连接有二级加湿单元；中和器与第一加湿管之间设有温湿度传感器，第一加湿管和差分电迁移率分析仪之间设有温湿度传感器，两个测量单元的差分电迁移率分析仪和凝结核计数器之间均设有温湿度传感器。
作为一种优选，二级加湿单元包括第二加湿管、第一过滤器、第一质量流量计、直流无刷风机、真空泵、冷凝管、冷凝液收集瓶、调节阀、第二加湿水瓶、第二过滤器、第三过滤器和第二干燥管；第二加湿管的一端与差分电迁移率分析仪的鞘流进气口连接，第二加湿管的另一端、第一过滤器、第一质量流量计和直流无刷风机依次连接，直流无刷风机与差分电迁移率分析仪的鞘流出气口连接；真空泵的负压端与第二加湿管连接，冷凝管的一端与第二加湿管连接，冷凝管的另一端与冷凝液收集瓶连接，调节阀与冷凝管的另一端连接，第二加湿水瓶和第二干燥管的一端均与调节阀连接，第二干燥管的另一端设有空气入口；第二过滤器设在第二干燥管与调节阀之间，第三过滤器与第二加湿水瓶连接。
作为一种优选，差分电迁移率分析仪包括鞘流系统和粒径筛选主机，鞘流系统和粒径筛选主机相连；在粒径筛选主机的外壳设有鞘流入口、多分散气溶胶入口、鞘流出口和单分散气溶胶出口，鞘流入口与第二加湿管的一端连接，单分散气溶胶出口与凝结核计数器连接，鞘流入口和多分散气溶胶入口均与粒径筛选主机的一端连接，鞘流出口和单分散气溶胶出口均与粒径筛选主机的另一端连接；多分散气溶胶入口与第一加湿管连接；鞘流出口与直流无刷风机连接。
作为一种优选，第一加湿管为双层管嵌套结构，外管为金属管，内管为聚四氟乙烯管，外管管壁设有进水口和出水口，进水口通过管道与第一加湿水瓶连接，聚四氟乙烯管的两端接口嵌套在外管的两端接口，外管的两端接口分别与中和器、差分电迁移率分析仪连接。
作为一种优选，第一干燥管和第二干燥管均由亚克力的外管和网状金属内管组成，在内管和外管之间填充有无水硅胶颗粒。
作为一种优选，第一加湿水瓶和第二加湿水瓶内的溶液均采用去离子水。
作为一种优选，多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置还包括控制系统，二级加湿单元、所有的温湿度传感器、一级加湿单元、差分电迁移率分析仪、凝结核计数器和气溶胶分级器均与控制系统电性连接。
多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法，采用多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，包括如下步骤，
S1：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气输送到气溶胶分级器，从而得到单一粒径的气溶胶粒子；
S2：将单一粒径的气溶胶粒子分别输送到两组的加湿单元进行加湿，经过加湿后的单一粒径的气溶胶粒子分别通过两个测量单元测得颗粒物的数谱分布，得到两组不同相对湿度下的吸湿性数据；
S3：利用寇拉理论结合这两组吸湿性数据反算，得到原始大气颗粒物的真实吸湿增长因子和吸湿参数，并进一步计算出采集的真实大气颗粒物的核粒径。
作为一种优选，步骤S1替换为：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气通过干燥管干燥后输送到气溶胶分级器，从而得到干燥的单一粒径的气溶胶粒子；再通过步骤S2和S3对多个相对湿度下的单一粒径的气溶胶粒子吸湿性进行测量。
作为一种优选，步骤S2中，每个测量单元通过连接二级加湿单元缩短稳定湿度的时间，从而实现多个湿度下的吸湿性的快速测量。
Kappa-寇拉方程描述的是在次饱和(小于100％RH)条件下，颗粒物在某一特定相对湿度(RH)条件下测量的吸湿增长因子(gf)和和其吸湿性参数(kappa)之间的关系式。也就是说，当已知颗粒物的干粒径(Dd)，测量的相对湿度RH和测量的吸湿增长因子gf，可以计算出此颗粒物的吸湿增长因子参数(kappa，κ)。其中吸湿增长因子gf＝D/Dd，D为吸湿后的颗粒物的粒径。
其中，
由于某一干粒径下颗粒物的kappa值是一定的，当我们不知道颗粒物的干粒径，只知道颗粒物吸湿后的粒径(D)，那么，通过测量两个不同RH下颗粒物吸湿后的(D)，可以反算出颗粒物的干粒径(Dd)。具体操作如下，通过对以上公式进行转换：
gf＝(1+κ·RH/exp(A/(Dd·gf))-RH)1/3
将gf＝D/Dd代入以上公式，颗粒物的gf还可以写成，故上式也可写成：
D/Dd＝(1+κ·RH/exp(A/(Dd·gf))-RH)1/3 (1-1)
根据本发明设计的两个加湿单元平行组成的加湿装置，得到的两组不同相对湿度(RH1和RH2)下加湿后的颗粒物粒径(D1和D2)，带入(1-1)式，
D1/Dd＝(1+κ·RH1/exp(A/(Dd·gf))-RH1)1/3 (1-2)
D2/Dd＝(1+κ·RH2/exp(A/(Dd·gf))-RH2)1/3 (1-3)
联立(1-2)式和(1-3)式，如下所示：
(D1 3-Dd 3)·(exp(A/(Dd·gf))-RH1)/Dd 3·RH1＝(D2 3-Dd 3)·(exp(A/(Dd·gf))-RH2)/Dd 3·RH2
求得颗粒物的干粒径Dd，再将Dd代入(1-2)式或(1-3)式，求得吸湿性参数κ。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.从真实大气环境中采集的多分散气溶胶经由气溶胶分级器来筛选粒径，形成单分散气溶胶。气溶胶分级器是通过离心力筛选颗粒物粒径，不需要对颗粒物进行带电处理，可以避免多电荷颗粒物的影响；而且此装置能不需要其他的附件，分辨率高，传输效率高，可以筛选更低浓度颗粒物(低至每立方数十个颗粒物的气溶胶)。
2.本发明可以提供不同粒径的颗粒物的吸湿性测量；通过使用两套平行并联的吸湿和测量装置，结合解二元一次方程(寇拉方程)的形式，解决由于颗粒物在干燥过程的溶质的高估或低估或干燥并再度吸湿后结构的坍塌或重组造成的吸湿性偏差的问题，可以获取真实环境气溶胶吸湿性增长因子。
3.本发明所使用的一级加湿单元是在管状的金属外壳中嵌套聚四氟乙烯管，替代了传统的Nafion加湿管。与利用水蒸气对样气进行加湿的Nafion加湿管不同，聚四氟乙烯加湿管是利用液态水直接加湿样气，在金属外管和聚四氟乙烯管之间填充去离子液态水，并利用电热丝加热金属管外壳，不需要额外连接水浴装置就能进一步加热填充的液态水。从而加湿速度快，颗粒物损失小，大大提高多个RH下吸湿性测量的时间分辨率。
4.本发明在进气端处设有由三通阀相连的气溶胶干燥器与钢管并联的进气端，我们利用三通阀将它与钢管并联，对进气气溶胶的干燥和不干燥过程进行选择操作，在非干燥条件下获取的双相对湿度下的吸湿性数据经过理论反算，计算颗粒物的真实吸湿性，和干粒径核，避免了干燥过程对颗粒物结构的影响和观察的伪影；在干燥条件下快速获取多相对湿度的吸湿性数据。该发明由于采用了聚四氟乙烯管，可快速稳定在不同相对湿度环境下，和传统的吸湿性测量仪器相比，数据分辨率更高。
附图说明
图1为多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置的示意图。
图2为二级加湿单元的示意图。
图3为第一干燥管与管道连接的示意图。
图4为第一加湿管和第一加湿水瓶的连接示意图。
其中，1为气溶胶进气接头，2为第一干燥管，3为气溶胶分级器，4为中和器，5为第一加湿管，6为第一加湿水瓶，7为差分电迁移率分析仪，8为第二加湿管，9为真空泵，10为第一过滤器，11为第一质量流量计，12为调节阀，13为第二过滤器，14为第二干燥管，15为第三过滤器，16为第二加湿水瓶，17为冷凝液收集瓶，18为凝结核计数器，19为直流无刷电机，20为温湿度传感器，21为冷凝管，22为粒径筛选主机的外壳，23为鞘流入口，24为差分电迁移率分析仪内柱，25为多分散气溶胶入口，26为单分散气溶胶出口，27为鞘流出口，28为差分电迁移率分析仪底座，29为三通电磁阀，30为硅胶，31为出水口，32为进水口，33为空气入口，34为支路管道，35为比例阀。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，包括气溶胶进气接头、支路管道、第一干燥管、气溶胶分级器、中和器、一级加湿单元、控制系统和测量单元；气溶胶进气接头通过三通管分别与第一干燥管和支路管道连接，从而第一干燥管和支路管道并联，第一干燥管和支路管道均通过管道与气溶胶分级器连接，气溶胶分级器通过管道与中和器连接；一级加湿单元和测量单元的数量均为两个，一级加湿单元包括第一加湿管、第一加湿水瓶和比例阀；比例阀通过管道与第一加湿管并联连接，测量单元包括差分电迁移率分析仪和凝结核计数器；两个第一加湿管的一端均通过三通管与中和器连接，两个第一加湿水瓶分别与两个第一加湿管连接，两个第一加湿管的另一端通过管道分别与两个差分电迁移率分析仪连接，两个差分电迁移率分析仪分别与两个凝结核计数器连接；每个差分电迁移率分析仪的鞘流系统连接有二级加湿单元；中和器与第一加湿管之间设有温湿度传感器，第一加湿管和差分电迁移率分析仪之间设有温湿度传感器，两个测量单元的差分电迁移率分析仪和凝结核计数器之间均设有温湿度传感器。一级加湿单元、所有的温湿度传感器、二级加湿单元、差分电迁移率分析仪、凝结核计数器和气溶胶分级器均与控制系统电性连接。
二级加湿单元包括第二加湿管、第一过滤器、第一质量流量计、直流无刷风机、真空泵、冷凝管、冷凝液收集瓶、调节阀、第二加湿水瓶、第二过滤器、第三过滤器和第二干燥管；第二加湿管的一端与差分电迁移率分析仪的鞘流进气口连接，第二加湿管的另一端、第一过滤器、第一质量流量计和直流无刷风机依次连接，直流无刷风机与差分电迁移率分析仪的鞘流出气口连接；真空泵的负压端与第二加湿管连接，冷凝管的一端与第二加湿管连接，冷凝管的另一端与冷凝液收集瓶连接，调节阀与冷凝管的另一端连接，第二加湿水瓶和第二干燥管的一端均与调节阀连接，第二干燥管的另一端设有空气入口；第二过滤器设在第二干燥管与调节阀之间，第三过滤器与第二加湿水瓶连接。
本实施例中，冷凝管的一端接三通分流器(三通管)，其中三通管一路支流与第二加湿管连接，三通管的另一路支流与冷凝液收集瓶连接。
差分电迁移率分析仪包括鞘流系统和粒径筛选主机，鞘流系统和粒径筛选主机相连；在粒径筛选主机的外壳设有鞘流入口、多分散气溶胶入口、鞘流出口和单分散气溶胶出口，鞘流入口与第二加湿管的一端连接，单分散气溶胶出口与凝结核计数器连接，鞘流入口和多分散气溶胶入口均与粒径筛选主机的一端连接，鞘流出口和单分散气溶胶出口均与粒径筛选主机的另一端连接；多分散气溶胶入口与第一加湿管连接；鞘流出口与直流无刷风机连接。
粒径筛选主机包括差分电迁移率分析仪内柱、外管(粒径筛选主机的外壳)和底座，差分电迁移率分析仪内外管(粒径筛选主机的外壳由内管和外管组成)固定在底座上，差分电迁移率分析仪的粒径筛选主机的外壳设有鞘流入口、多分散气溶胶入口、鞘流出口和单分散气溶胶出口。第一加湿管为双层管嵌套结构，外管为金属管，内管为聚四氟乙烯管，外管管壁设有进水口和出水口，进水口通过管道与第一加湿水瓶连接，聚四氟乙烯管的两端接口嵌套在外管的两端接口，外管的两端接口分别与中和器、差分电迁移率分析仪连接。
第一干燥管和第二干燥管均由亚克力的外管和网状金属内管组成，在内管和外管之间填充有无水硅胶颗粒。
第一加湿水瓶和第二加湿水瓶内的溶液均采用去离子水。
本实施例中，第一干燥管为气溶胶干燥器，在气溶胶进气接头的进气端处设有由三通阀相连的气溶胶干燥器与钢管并联的进气端，如图3所示，气溶胶干燥器是由含硅胶颗粒(二氧化硅)组成的扩散式干燥装置，可以使气溶胶样气的相对湿度降到20～30％以下。利用三通阀将它与钢管并联，对进气气溶胶的干燥和不干燥过程进行选择操作。
三通阀为三通电磁阀，三通电磁阀与控制系统电性连接。三通电磁阀由控制系统控制，对进气气溶胶的干燥和不干燥过程进行选择操作，可以进行非干燥体系气溶胶颗粒吸湿增长因子的测量，也可进行干燥过程后多湿度体系下气溶胶吸湿增长因子的同步测量。
气溶胶分级器是通过离心力筛选颗粒物粒径，传统的筛选颗粒物粒径的仪器根据颗粒物的电迁移率进行筛选，需要对颗粒物带电，这样相同电迁移率不同粒径的颗粒物都可以被当做同一粒径进入筛选通道。气溶胶分级器不需要对筛选的颗粒物进行中和带电处理，能避免相同电迁移率但是不同粒径颗粒物的干扰；并且，气溶胶分级器对于大多数气溶胶应用具有良好的分类特性，包括相对较宽的分类范围和较高的分辨率；此外，气溶胶分级器具有高传输效率，可以筛选低浓度颗粒物。样气经过中和器，气溶胶表面的电荷分布呈玻尔兹曼分布，中和气溶胶颗粒可以减少管道内或其他表面颗粒的静电损失。
本实施例采用直流无刷风机，没有金属外壳包裹，湿度平衡的体积小，速度快，大大加快了湿度稳定的时间。
如图4所示，加湿管是在管状的金属外壳中嵌套聚四氟乙烯管，在两者之间填充去离子液态水，并利用电热丝加热金属外壳，从而进一步加热填充的液态水，循环水层的温度由水浴控制，促进水蒸气向聚四氟乙烯管内部扩散，加湿途经的气溶胶颗粒物，而液态水则被聚四氟乙烯管材料阻止进入内层。在第一加湿单元外并联了一根支路钢管，在钢管上设有比例阀，根据在第一加湿单元和差分电迁移率分析仪之间的温湿度传感器，由电脑控制比例阀的比例，从而使气溶胶样气达到设定的相应湿度。由第一加湿单元加湿后的气溶胶进入差分电迁移率分析仪中，在差分电迁移率分析仪的鞘气中加入一个Nafion加湿管，Nafion加湿管利用调节阀对包覆有硅胶(橙色)的干燥管干燥后的干气和加湿水瓶产生的湿气比例进行调节，生成一定相对湿度的混合气体，此混合气体对Nafion管的样气进行加湿，被加湿后的样气与差分电迁移率分析仪的整体鞘流串联，实现二级加湿。此二级加湿系统使整个系统稳定相对湿度的时间大大缩短，以实现多个相对湿度下吸湿性的快速测量。
如图2所示，差分电迁移率分析仪的鞘流系统，加入了二级加湿单元，二级加湿单元是通过鞘气加湿，其中鞘气是由干气和湿气混合而成，通过调节阀来进行调节。此二级加湿单元，不需要通过样气加湿鞘气，通过对鞘气的直接加湿达到缩短整个系统稳定相对湿度的时间。
本发明的工作流程：气溶胶进气口安装在环境/实验室气溶胶入口端处，由三通电磁阀相连，三通电磁阀连接有一根钢管和气溶胶干燥器(第一干燥管)，钢管和气溶胶干燥器并联设置，可以测量干燥和非干燥体系的气溶胶。气溶胶分级器连接在并联气路之后，通过离心力筛选出单一粒径的气溶胶粒子。中和器连接在气溶胶分级器之后，样气经过电中和器，气溶胶表面的电荷分布呈玻尔兹曼分布，中和气溶胶颗粒可以减少管道内或其他表面颗粒的静电损失。筛选出来的粒子分成数浓度相同的两部分，使用两个并行连接的聚四氟乙烯管对气溶胶进行加湿。两个差分电迁移率分析仪是对聚四氟乙烯管加湿后的气溶胶的第二次筛选。凝结核计数器接在差分电迁移率分析仪后，组成测量单元，用来检测采集到的加湿后的气溶胶粒径谱分布。在非干燥体系下，气溶胶分级器筛选出的某一粒径颗粒，平行经过两组不同湿度环境的加湿管(第一加湿管)，得到两组不同相对湿度下的吸湿性数据。最后利用寇拉理论结合这两组吸湿性数据反算，得到原始大气颗粒物的真实吸湿增长因子和吸湿参数kappa，并进一步计算出采集的真实大气颗粒物的核粒径。在干燥体系下，气溶胶分级器筛选出经过干燥后的粒径颗粒，平行经过两组不同湿度环境的加湿管(第一加湿管)，得到两组不同相对湿度下的吸湿性数据，最后利用吸湿增长因子计算公式HGF＝D/Dd(D为吸湿后的颗粒物的粒径,Dd为颗粒物的干粒径)。，得到本设计采用的吸湿增长因子(HGF)来作为某一粒径段特定多湿度下生长因子代表值。无论是干燥体系还是非干燥体系，都需要利用测量分布函数通过数据反演来得到真实的吸湿增长因子的概率密度分布。
本实施例中，三通电磁阀通过电脑控制(控制系统)开启，一级加湿单元的电热丝需要电脑控制加温，根据一级加湿单元和差分电迁移率分析仪之间的温湿传感器，由电脑控制一级加湿单元的比例阀，气溶胶分级器需要电脑控制筛选粒径，差分电迁移率需要电脑控制扫描电压，差分电迁移率的鞘流系统中，电脑控制直刷无流风机改变流量，根据差分电迁移率和凝结核计数器之间的温湿传感器，由电脑控制二级加湿单元的干湿气调节阀。
本发明的优点：
1.传统的HTDMA技术需要采集的气溶胶经过干燥管干燥至相对湿度(RH)10％-20％以下时，但是对气溶胶干燥不仅会造成观察的伪影，还有可能会形成一些非球形的结构，导致结构的坍塌和压实。本发明通过平行加湿测量，结合理论反演的方式，避免了气溶胶颗粒由于干燥造成的结构坍塌带来的误差，对气溶胶颗粒物的真实吸湿增长因子进行准确测量。
2.传统的DMA需要根据颗粒物的电迁移率筛选粒径，导致具有单电荷的较小颗粒物可能与具有双电荷的较大颗粒物同时通过筛选通道。本发明提供的粒径筛选装置气溶胶分级器(AAC)是通过离心力筛选颗粒物，不需要对颗粒物进行带电处理，可以避免双电荷或多电荷颗粒物的影响；而且此装置不需要其他的附件，对于大多数气溶胶应用，AAC具有良好的分类特性，包括相对较宽的分类范围，高分辨率。此外，AAC具有高传输效率，可以筛选更低浓度颗粒物(低至每立方数十个颗粒物的气溶胶)。
3.本发明提供的新型加湿装置是聚四氟乙烯为材料的加湿管，利用液态水对气溶胶颗粒物直接进行加湿，加湿速度快，颗粒物损失小。
4.本发明在差分电迁移率分析仪的鞘流系统也加入了加湿装置(二级加湿单元)，实现二级加湿，使整个系统稳定相对湿度的时间大大缩短，实现了多个相对湿度下吸湿性的快速测量。
实施例二
本实施例的测量方法测量的是：从真实大气环境中采集的多分散气溶胶
多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法，采用多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，包括如下步骤，
S1：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气输送到气溶胶分级器，从而得到单一粒径的气溶胶粒子；
S2：将单一粒径的气溶胶粒子分别输送到两组的加湿单元进行加湿，经过加湿后的单一粒径的气溶胶粒子分别通过两个测量单元测得颗粒物的数谱分布，得到两组不同相对湿度下的吸湿性数据；
S3：利用寇拉理论结合这两组吸湿性数据反算，得到原始大气颗粒物的真实吸湿增长因子和吸湿参数，并进一步计算出采集的真实大气颗粒物的核粒径。
步骤S2中，每个测量单元通过连接二级加湿单元缩短稳定湿度的时间，从而实现多个湿度下的吸湿性的快速测量。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
本实施例的测量方法测量的是：从真实大气环境中采集的多分散气溶胶经过干燥管处理之后再进入气溶胶分级器。
步骤S1替换为：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气通过干燥管干燥后输送到气溶胶分级器，从而得到干燥的单一粒径的气溶胶粒子；再通过步骤S2和S3对多个相对湿度下的单一粒径的气溶胶粒子吸湿性进行测量。
本实施例未提及部分同实施例二。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：包括气溶胶进气接头、支路管道、第一干燥管、气溶胶分级器、中和器、一级加湿单元和测量单元；气溶胶进气接头通过三通管分别与第一干燥管和支路管道连接，从而第一干燥管和支路管道并联，第一干燥管和支路管道均通过管道与气溶胶分级器连接，气溶胶分级器通过管道与中和器连接；一级加湿单元和测量单元的数量均为两个，一级加湿单元包括第一加湿管、第一加湿水瓶和比例阀；比例阀通过管道与第一加湿管并联连接，测量单元包括差分电迁移率分析仪和凝结核计数器；两个第一加湿管的一端均通过三通管与中和器连接，两个第一加湿水瓶分别与两个第一加湿管连接，两个第一加湿管的另一端通过管道分别与两个差分电迁移率分析仪连接，两个差分电迁移率分析仪分别与两个凝结核计数器连接；每个差分电迁移率分析仪的鞘流系统连接有二级加湿单元；中和器与第一加湿管之间设有温湿度传感器，第一加湿管和差分电迁移率分析仪之间设有温湿度传感器，两个测量单元的差分电迁移率分析仪和凝结核计数器之间均设有温湿度传感器。
2.按照权利要求1所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：二级加湿单元包括第二加湿管、第一过滤器、第一质量流量计、直流无刷风机、真空泵、冷凝管、冷凝液收集瓶、调节阀、第二加湿水瓶、第二过滤器、第三过滤器和第二干燥管；第二加湿管的一端与差分电迁移率分析仪的鞘流进气口连接，第二加湿管的另一端、第一过滤器、第一质量流量计和直流无刷风机依次连接，直流无刷风机与差分电迁移率分析仪的鞘流出气口连接；真空泵的负压端与第二加湿管连接，冷凝管的一端与第二加湿管连接，冷凝管的另一端与冷凝液收集瓶连接，调节阀与冷凝管的另一端连接，第二加湿水瓶和第二干燥管的一端均与调节阀连接，第二干燥管的另一端设有空气入口；第二过滤器设在第二干燥管与调节阀之间，第三过滤器与第二加湿水瓶连接。
3.按照权利要求2所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：差分电迁移率分析仪包括鞘流系统和粒径筛选主机，鞘流系统和粒径筛选主机相连；在粒径筛选主机的外壳设有鞘流入口、多分散气溶胶入口、鞘流出口和单分散气溶胶出口，鞘流入口与第二加湿管的一端连接，单分散气溶胶出口与凝结核计数器连接，鞘流入口和多分散气溶胶入口均与粒径筛选主机的一端连接，鞘流出口和单分散气溶胶出口均与粒径筛选主机的另一端连接；多分散气溶胶入口与第一加湿管连接；鞘流出口与直流无刷风机连接。
4.按照权利要求1所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：第一加湿管为双层管嵌套结构，外管为金属管，内管为聚四氟乙烯管，外管管壁设有进水口和出水口，进水口通过管道与第一加湿水瓶连接，聚四氟乙烯管的两端接口嵌套在外管的两端接口，外管的两端接口分别与中和器、差分电迁移率分析仪连接。
5.按照权利要求2所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：第一干燥管和第二干燥管均由亚克力的外管和网状金属内管组成，在内管和外管之间填充有无水硅胶颗粒。
6.按照权利要求2所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：第一加湿水瓶和第二加湿水瓶内的溶液均采用去离子水。
7.按照权利要求1所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：还包括控制系统，二级加湿单元、所有的温湿度传感器、一级加湿单元、差分电迁移率分析仪、凝结核计数器和气溶胶分级器均与控制系统电性连接。
8.多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法，采用权利1-7中任一项所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量装置，其特征在于：包括如下步骤，
S1：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气输送到气溶胶分级器，从而得到单一粒径的气溶胶粒子；
S2：将单一粒径的气溶胶粒子分别输送到两组的加湿单元进行加湿，经过加湿后的单一粒径的气溶胶粒子分别通过两个测量单元测得颗粒物的数谱分布，得到两组不同相对湿度下的吸湿性数据；
S3：利用寇拉理论结合这两组吸湿性数据反算，得到原始大气颗粒物的真实吸湿增长因子和吸湿参数，并进一步计算出采集的真实大气颗粒物的核粒径。
9.按照权利要求8所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法，其特征在于：步骤S1替换为：通过气溶胶进气接头通入待测气溶胶样气，将待测样气通过干燥管干燥后输送到气溶胶分级器，从而得到干燥的单一粒径的气溶胶粒子；再通过步骤S2和S3对多个相对湿度下的单一粒径的气溶胶粒子吸湿性进行测量。
10.按照权利要求9所述的多相对湿度和非干燥体系气溶胶吸湿性的测量方法，其特征在于：步骤S2中，每个测量单元通过连接二级加湿单元缩短稳定湿度的时间，从而实现多个湿度下的吸湿性的快速测量。
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