氣溶膠親水特性觀測系統技術方案

本發明專利技術請求保護一種用氣溶膠親水特性測量的系統，和基于該系統的一種檢測方法。其中所述系統使用的加濕裝置采用的是“水汽－水”輸送方案，即水汽滲透管外腔為水浴層而不是濕空氣，根據水汽滲透管內外氣流的水汽壓差將水汽輸送至滲透管內，該方法不會改變原進樣氣流中氣溶膠顆粒物的質量濃度。試驗對水浴溫度的控制是通過人工調節“加熱層”的功率實現的。該裝置對濕度的調節范圍在４０％～９５％之間。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于檢測空氣中氣溶膠顆粒的親水能力的大小和潮解點的方法和裝置。
技術介紹
氣溶膠親水增長特性的獲取通常有實驗室分析和外場觀測兩種方式，實驗室分析主要針對單質氣溶膠或是少數幾種氣溶膠混合體系的親水特性，這種方法可以較為準確的獲得不同化學組成的氣溶膠顆粒的親水能力大小、潮解點等信息，但實驗室的觀測結果往往與實際大氣中所觀測的氣溶膠的親水特性還有一定的差別，這與環境大氣中氣溶膠顆粒的化學組成，混合狀態、有機顆含量等有密切關系。相比而言，外場觀測則可較為準確的了解實際大氣中氣溶膠顆粒散射特性與相對濕度之間的相互關系。目前國外對氣溶膠的親水性的觀測的方法主要是1.“稀釋/混合”方法“稀釋/混合”的方法最早由Covert(1972)提出，其目的是研究無機鹽氣溶膠的散射能力與相對濕度之間的關系，其基本原理為通過向進氣管中按比例混合一定量的水汽以改變進氣的相對濕度，再經濁度計測量散射系數對顆粒物親水增長的響應。此方法能很容易增加進氣的相對濕度，但是也存在一定的缺點一、加濕過程需混入一定體積的濕空氣，因而會稀釋進氣的氣溶膠濃度；二、水汽的加入可能導致采樣氣流的相對濕度分布不均勻，需要增加進氣的湍流程度，而這勢必會影響氣溶膠顆粒物的粒徑分布。三、增濕過程中，水汽的傳輸平衡過程可能使局部氣流的相對濕度出現先增大后降低的情況，這也難免會影響氣溶膠的物化狀況。因此，該裝置一般多用于在實驗室條件下對純無機鹽類氣溶膠的研究，對顆粒物組成、混合狀態較復雜的實地觀測誤差較難評估。2.“水汽交換”方法國際上許多學者都傾向于使用“水汽交換”的方法改變氣流相對濕度，此方法的關鍵部件是一個水汽滲透管(Perma Pure Drying Tube，Nafion材料制成)，該管利用內外氣流流速不同造成的負壓將管外水汽輸送至管內，而不是簡單的將兩種氣流混合，可以避免湍流、水汽分布不平衡、過飽和等問題。該方法的優點在于一、對進樣氣流相對濕度的調控能力較強，增濕過程不會有過飽和、濕度分布不均勻、湍流等現象發生；二、自動化程度較高，操作較為方便；其缺點在于結構過于復雜，只適用于細粒子，儀器維護較為復雜。
技術實現思路
本專利技術提供一種新的氣溶膠親水性觀測的方法及觀測系統。一方面，本專利技術提供一種氣溶膠親水性觀測系統中的加濕裝置，采用的是“水汽-水”輸送方案，包括進樣管和管外腔和加熱層，其中進樣管管壁為滲透管，管外腔為水浴層，通過設置在管壁外的加熱層的加熱，調節進樣管管內外氣流的水汽壓差，使水汽通過滲透管進入進樣管。所述的加濕裝置中，滲透管為Nafion半透膜材料制成，其它接口為不銹鋼和Teflon材料制成，水浴層使用的是去離子水，加熱層在水浴層外側。另一方面，本專利技術請求保護一種氣溶膠親水性特性觀測系統，包括，進樣部分和積分濁度計部分(Nephelometer)，其中進樣部分中使用前述的加濕裝置，通過該加濕系統能夠使進樣部分的進氣濕度在40％-90％之間人為可控。所述系統還包括一套參比用裝置，同樣包括進樣部分和積分濁度計部分，其中參比系統中進樣部分，控制進氣的濕度為40％以下。本專利技術的另一個目的是提供一種氣溶膠親水特性觀測的方法，所述方法使用前述的觀測系統，以觀測空氣中氣溶膠顆粒的親水能力大小和潮解點。本專利技術提及的氣溶膠親水特性的觀測主要包括相對濕度對氣溶膠散射系數的影響以及對粒子譜的影響兩個方面，散射系數的變化一般通過積分濁度計直接觀測獲取。附圖說明圖1為本專利技術所使用的加濕裝置，其中A為加濕裝置的全圖，B為加濕裝置的剖面圖。圖2為氣溶膠親水增長特性觀測系統。圖3北京城區測點散射系數數據校準前。圖4北京城區測點散射系數數據校準后。圖5天津寶坻測點散射系數數據校準前。圖6天津寶坻測點散射系數數據校準后。其中1、樣氣進氣管，2、半透膜管壁，3、加熱層，4、水浴，5、有機玻璃管壁，6、聚四氟乙烯加熱帶，7、積分濁度計，7’、積分濁度儀，8、樣氣進氣單元，8’、樣氣進氣單元。具體實施例方式加濕裝置如圖1所示，本專利技術所使用的加濕裝置由樣氣進氣管1(其管壁為半透膜滲透管壁2)、加熱層3和水浴4構成。水浴外壁為有機玻璃管壁5，加熱層3位于有機玻璃管壁5的外部。所有連接口均使用Teflon和不銹鋼材料制成。加熱層3為聚四氟乙烯加熱帶，加熱通過電加熱的方式進行，加熱大小通過控制調壓器輸出電壓調節。所述加濕裝置采用的是“水汽—水”輸送方案，即水汽滲透管外腔為水浴層而不是濕空氣，根據水汽滲透管內外氣流的水汽壓差將水汽輸送至滲透管內，該方法不會改變原進樣氣流中氣溶膠顆粒物的質量濃度。試驗對水浴溫度的控制是通過人工調節“加熱層”的功率實現的。試驗表明，該裝置對濕度的調節范圍在40％～95％之間，其裝置如圖1所示。該加濕裝置的優點是進樣氣流的水汽供應是由水浴層中去離子水的蒸發提供的，實驗證明，該傳輸方式有較高的輸送效率。進氣氣流相對濕度的調控是通過控制水浴的溫度實現的，而水浴的溫度由變壓器的輸出功率控制。濕度增長過程可人為控制，它的優點是可以改變每個親水增長過程(從40％逐步變化至90％)加濕的速度，對于典型的天氣過程可以通過減緩加濕速度以進行細致的觀測。由于腔體使用透明有機玻璃管，滲透管是由只允許水汽通過的半透膜材料制成，其它接口均使用Teflon材料，整個加濕系統密封較好，加熱過程中不存在有機物揮發的影響。氣溶膠親水增長特性觀測系統氣溶膠親水增長特性對散射系數的影響通常使用兩積分濁度計測得的散射系數的比值進行表示，其中一臺積分濁度計的相對濕度從40％以下逐漸升高至90％，而另一臺濁度計進氣相對濕度則始終控制在40％以下，公式形式為 式中f(RH)為氣溶膠親水增長系數，σscat(積分濁度計7)為人為控制進氣濕度時濁度計所測得的散射系數，而σscat(積分濁度計7’)為干氣溶膠(相對濕度低于40％)的散射系數。我們認為在一般情況下，加濕過程(～2h)中進氣中氣溶膠顆粒物的物理化學性質變化不大，那么，f(RH)隨相對濕度的變化即可反映出氣溶膠親水特性對光散射能力的影響。圖2為氣溶膠親水增長特性觀測系統，包括兩臺積分濁度計7、7’和兩個進樣系統8、8’，其中進樣系統8、8’均包括濕度控制裝置9和儀器自帶加熱管10。整個觀測過程中，對進氣的相對濕度的控制分別由兩個不同的裝置實現，對于濁度計7來說，進氣相對濕度從40％升至90％是通過濕度控制裝置9完成的，關閉濕度控制裝置后，進氣相對濕度從90％左右降至環境濕度。而濁度計7’的進氣濕度控制(保持在40％以下)是通過儀器自帶的加熱管10自動實現的，即當進氣口出的溫濕傳感器檢測到進氣相對濕度高于40％時，加熱管10自動加熱，以降低進氣相對濕度，同時儀器本身實時檢測環境和測量室的溫度，后者可以用來檢驗因加熱增溫引起的相對濕度變化。在使用積分濁度計觀測氣溶膠親水增長對散射系數的影響的過程中，通過與Vaisala溫濕度傳感器(Vaisala HMP41/45，Finland)在室內穩定溫度、濕度環境下進行了同步對比測量可知，兩臺濁度計對相對濕度測量的誤差不超過3％，可以認為測量過程中相對濕度的測量是可信的。進樣氣流相對濕度的調控裝置的設計參考了美國海洋大氣局氣候診斷實驗室NOAA/CMDL(現為NOAA/GMD)在大氣本底站點本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣溶膠親水性觀測系統中的加濕裝置，其特征是采用“水汽－水”輸送方案，包括進樣管、管外腔和加熱層，其中進樣管管壁為水汽滲透管，管外腔為水浴層，通過設置在管外腔壁外的加熱層的加熱，調節進樣管管內外氣流的水汽壓差，使水汽通過滲透管進入進樣管。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：顏鵬，張仁健，湯潔，
申請(專利權)人：顏鵬，張仁健，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]