专利名称：气溶胶亲水特性观测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测空气中气溶胶颗粒的亲水能力的大小和潮解点的方法和装置。
背景技术：
气溶胶亲水增长特性的获取通常有实验室分析和外场观测两种方式，实验室分析主要针对单质气溶胶或是少数几种气溶胶混合体系的亲水特性，这种方法可以较为准确的获得不同化学组成的气溶胶颗粒的亲水能力大小、潮解点等信息，但实验室的观测结果往往与实际大气中所观测的气溶胶的亲水特性还有一定的差别，这与环境大气中气溶胶颗粒的化学组成，混合状态、有机颗含量等有密切关系。相比而言，外场观测则可较为准确的了解实际大气中气溶胶颗粒散射特性与相对湿度之间的相互关系。
目前国外对气溶胶的亲水性的观测的方法主要是1.“稀释/混合”方法“稀释/混合”的方法最早由Covert(1972)提出，其目的是研究无机盐气溶胶的散射能力与相对湿度之间的关系，其基本原理为通过向进气管中按比例混合一定量的水汽以改变进气的相对湿度，再经浊度计测量散射系数对颗粒物亲水增长的响应。此方法能很容易增加进气的相对湿度，但是也存在一定的缺点一、加湿过程需混入一定体积的湿空气，因而会稀释进气的气溶胶浓度；二、水汽的加入可能导致采样气流的相对湿度分布不均匀，需要增加进气的湍流程度，而这势必会影响气溶胶颗粒物的粒径分布。三、增湿过程中，水汽的传输平衡过程可能使局部气流的相对湿度出现先增大后降低的情况，这也难免会影响气溶胶的物化状况。因此，该装置一般多用于在实验室条件下对纯无机盐类气溶胶的研究，对颗粒物组成、混合状态较复杂的实地观测误差较难评估。
2.“水汽交换”方法国际上许多学者都倾向于使用“水汽交换”的方法改变气流相对湿度，此方法的关键部件是一个水汽渗透管(Perma Pure Drying Tube，Nafion材料制成)，该管利用内外气流流速不同造成的负压将管外水汽输送至管内，而不是简单的将两种气流混合，可以避免湍流、水汽分布不平衡、过饱和等问题。
该方法的优点在于一、对进样气流相对湿度的调控能力较强，增湿过程不会有过饱和、湿度分布不均匀、湍流等现象发生；二、自动化程度较高，操作较为方便；其缺点在于结构过于复杂，只适用于细粒子，仪器维护较为复杂。
发明内容
本发明提供一种新的气溶胶亲水性观测的方法及观测系统。
一方面，本发明提供一种气溶胶亲水性观测系统中的加湿装置，采用的是“水汽-水”输送方案，包括进样管和管外腔和加热层，其中进样管管壁为渗透管，管外腔为水浴层，通过设置在管壁外的加热层的加热，调节进样管管内外气流的水汽压差，使水汽通过渗透管进入进样管。
所述的加湿装置中，渗透管为Nafion半透膜材料制成，其它接口为不锈钢和Teflon材料制成，水浴层使用的是去离子水，加热层在水浴层外侧。
另一方面，本发明请求保护一种气溶胶亲水性特性观测系统，包括，进样部分和积分浊度计部分(Nephelometer)，其中进样部分中使用前述的加湿装置，通过该加湿系统能够使进样部分的进气湿度在40％-90％之间人为可控。所述系统还包括一套参比用装置，同样包括进样部分和积分浊度计部分，其中参比系统中进样部分，控制进气的湿度为40％以下。
本发明的另一个目的是提供一种气溶胶亲水特性观测的方法，所述方法使用前述的观测系统，以观测空气中气溶胶颗粒的亲水能力大小和潮解点。
本发明提及的气溶胶亲水特性的观测主要包括相对湿度对气溶胶散射系数的影响以及对粒子谱的影响两个方面，散射系数的变化一般通过积分浊度计直接观测获取。
图1为本发明所使用的加湿装置，其中A为加湿装置的全图，B为加湿装置的剖面图。
图2为气溶胶亲水增长特性观测系统。
图3北京城区测点散射系数数据校准前。
图4北京城区测点散射系数数据校准后。
图5天津宝坻测点散射系数数据校准前。
图6天津宝坻测点散射系数数据校准后。
其中1、样气进气管，2、半透膜管壁，3、加热层，4、水浴，5、有机玻璃管壁，6、聚四氟乙烯加热带，7、积分浊度计，7’、积分浊度仪，8、样气进气单元，8’、样气进气单元。
具体实施例方式
加湿装置如图1所示，本发明所使用的加湿装置由样气进气管1(其管壁为半透膜渗透管壁2)、加热层3和水浴4构成。水浴外壁为有机玻璃管壁5，加热层3位于有机玻璃管壁5的外部。所有连接口均使用Teflon和不锈钢材料制成。加热层3为聚四氟乙烯加热带，加热通过电加热的方式进行，加热大小通过控制调压器输出电压调节。所述加湿装置采用的是“水汽—水”输送方案，即水汽渗透管外腔为水浴层而不是湿空气，根据水汽渗透管内外气流的水汽压差将水汽输送至渗透管内，该方法不会改变原进样气流中气溶胶颗粒物的质量浓度。试验对水浴温度的控制是通过人工调节“加热层”的功率实现的。试验表明，该装置对湿度的调节范围在40％～95％之间，其装置如图1所示。该加湿装置的优点是进样气流的水汽供应是由水浴层中去离子水的蒸发提供的，实验证明，该传输方式有较高的输送效率。
进气气流相对湿度的调控是通过控制水浴的温度实现的，而水浴的温度由变压器的输出功率控制。
湿度增长过程可人为控制，它的优点是可以改变每个亲水增长过程(从40％逐步变化至90％)加湿的速度，对于典型的天气过程可以通过减缓加湿速度以进行细致的观测。
由于腔体使用透明有机玻璃管，渗透管是由只允许水汽通过的半透膜材料制成，其它接口均使用Teflon材料，整个加湿系统密封较好，加热过程中不存在有机物挥发的影响。
气溶胶亲水增长特性观测系统气溶胶亲水增长特性对散射系数的影响通常使用两积分浊度计测得的散射系数的比值进行表示，其中一台积分浊度计的相对湿度从40％以下逐渐升高至90％，而另一台浊度计进气相对湿度则始终控制在40％以下，公式形式为 式中f(RH)为气溶胶亲水增长系数，σscat(积分浊度计7)为人为控制进气湿度时浊度计所测得的散射系数，而σscat(积分浊度计7’)为干气溶胶(相对湿度低于40％)的散射系数。我们认为在一般情况下，加湿过程(～2h)中进气中气溶胶颗粒物的物理化学性质变化不大，那么，f(RH)随相对湿度的变化即可反映出气溶胶亲水特性对光散射能力的影响。
图2为气溶胶亲水增长特性观测系统，包括两台积分浊度计7、7’和两个进样系统8、8’，其中进样系统8、8’均包括湿度控制装置9和仪器自带加热管10。整个观测过程中，对进气的相对湿度的控制分别由两个不同的装置实现，对于浊度计7来说，进气相对湿度从40％升至90％是通过湿度控制装置9完成的，关闭湿度控制装置后，进气相对湿度从90％左右降至环境湿度。而浊度计7’的进气湿度控制(保持在40％以下)是通过仪器自带的加热管10自动实现的，即当进气口出的温湿传感器检测到进气相对湿度高于40％时，加热管10自动加热，以降低进气相对湿度，同时仪器本身实时检测环境和测量室的温度，后者可以用来检验因加热增温引起的相对湿度变化。
在使用积分浊度计观测气溶胶亲水增长对散射系数的影响的过程中，通过与Vaisala温湿度传感器(Vaisala HMP41/45，Finland)在室内稳定温度、湿度环境下进行了同步对比测量可知，两台浊度计对相对湿度测量的误差不超过3％，可以认为测量过程中相对湿度的测量是可信的。进样气流相对湿度的调控装置的设计参考了美国海洋大气局气候诊断实验室NOAA/CMDL(现为NOAA/GMD)在大气本底站点测量气溶胶湿度影响时对湿度的控制调节方案，该方法通过调节进气管(它具有透气不透水的特性)周围水浴中的水温来控制进样气流中的水汽含量，具有较高的水汽输送效率。使用归一化方法对于气溶胶亲水增长系数f(RH)进行了数据预处理，干散射系数的相关性均有不同程度的提高。
f(RH)观测数据质量控制气溶胶亲水增长系数f(RH)是通过两台积分浊度计7、7’的平行观测获取的，观测试验期间，f(RH)会受到多种因素的干扰，如积分浊度计的系统误差(光电倍增管对光信号响应的偏差)，校准误差(校准曲线的偏差以及零点测定偏差)、进气误差(分别进入两台积分浊度计的气流中气溶胶浓度、组分的差异)，为减小以上误差，本发明使用归一化方法对数据进行处理。
归一化主要原理为对经过校准的浊度计测量系统，在每次亲水试验观测过程前，两台浊度计的进气相对湿度均低于40％，因此两台积分浊度计测得散射系数应基本一致.但由于两台仪器之间可能存在一定的系统偏差，为订正这种偏差，通常将一台浊度计测得的散射系数乘上一个系数项，使得两台浊度计在都为“干”的条件下观测的散射系数的比值近似等于1。
本发明的试验观测地点分别为中国气象科技大楼楼顶和天津宝坻区新安镇炮站，CAMS测点的观测用以表征城市地区(Urban)的气溶胶亲水特性，观测时间为2006年3月18日至2006年4月19日。TJBD测点代表京津塘农村地区(Rural)气溶胶的状况，观测时间为2006年4月7日至2006年5月15日。北京测点、天津宝坻测点数据校准前和校准后两台积分浊度计散射系数相关性分别见图3、图4、图5、图6。
CAMS测点(39o56′N，116o91′E，a.s.l.海拔46.3m)地处北京市海淀区的南部，二环和三环路之间，测点西临中关村南大街，交通流量比较大，东部和北部均以办公和居民生活为主，南边600米处为北京动物园。观测点位于中国气象局院内的中国气象科技大楼楼顶，距离地面约为50米，进气口高出楼顶平台约1米，为防止雨水、杂物等进入进气管，进气管口安装有防虫网和遮雨罩。春季该地区多为偏北风和偏南风，北风常常伴随着沙尘天气过程，而该地区为偏南风或静风时常常出现城市污染天气过程和阴雨天气。
TJBD测点(39o44′N，117o17′E，a.s.l.海拔6.0m)位于京津塘地区中心，天津西北部宝坻区新安镇炮站内，西北距北京市约85公里，南距天津市约73公里，东距唐山市约105公里。测点北部2公里处为新安镇，周围50km内无大型重轻工企业，测点南部约700m处为京沈高速公路，流量约为20辆/分钟。除此之外，测点四周均为农田。4月至5月为该地区的焚荒时期，测点周围多有秸秆的燃烧；5月份后，此处农田则以灌溉和种植水稻为主。该测点春季冷暖干湿差异明显，春季干旱，夏季高温多雨，观测期间气温不高，以晴天为主。
从数据校准的结果来看，两测点归一化数据均有不同程度的改善，北京城区测点两台浊度计的比对结果较好，有效数据共411个，校准后R2从0.983升至0.998。天津宝坻测点有效数据1460个，散射系数的R2从0.991增至0.994，线性回归的截距也从原来的5Mm-1降低至3Mm-1。
权利要求
1.一种气溶胶亲水性观测系统中的加湿装置，其特征是采用“水汽—水”输送方案，包括进样管、管外腔和加热层，其中进样管管壁为水汽渗透管，管外腔为水浴层，通过设置在管外腔壁外的加热层的加热，调节进样管管内外气流的水汽压差，使水汽通过渗透管进入进样管。
2.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征是所述渗透管为Nafion半透膜材料制成，其它接口为Teflon和不锈钢材料制成，水浴层使用的是去离子水或蒸馏水，加热层在水浴层外侧。
3.一种气溶胶亲水性特性观测系统，其特征是包括；进样部分和积分浊度计部分(Nephelometer)，其中进样部分中含有权利要求1或2所述的加湿装置，通过该加湿系统能够使进样部分的进气湿度在40％-90％之间人为可控。
4.根据权利要求3所述观测系统，其特征是所述系统还包括一套参比用装置，同样包括进样部分和积分浊度计部分，其中参比系统中进样部分，控制进气的湿度为40％以下。
5.一种气溶胶亲水特性观测的方法，其特征是所述方法使用权利要求3或4所述的观测系统，以观测空气中气溶胶颗粒的亲水能力大小和潮解点。
全文摘要
本发明请求保护一种用气溶胶亲水特性测量的系统，和基于该系统的一种检测方法。其中所述系统使用的加湿装置采用的是“水汽－水”输送方案，即水汽渗透管外腔为水浴层而不是湿空气，根据水汽渗透管内外气流的水汽压差将水汽输送至渗透管内，该方法不会改变原进样气流中气溶胶颗粒物的质量浓度。试验对水浴温度的控制是通过人工调节“加热层”的功率实现的。该装置对湿度的调节范围在40％～95％之间。
文档编号G01N15/00GK101067596SQ20071012282
公开日2007年11月7日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者颜鹏, 张仁健, 汤洁 申请人:颜鹏, 张仁健