一种大气气溶胶痕量液态水含量的测量装置

本实用新型属于大气科学技术领域，涉及大气气溶胶含水量的测量技术，尤其涉及一种大气气溶胶痕量液态水含量的测量装置。

背景技术：

气溶胶液态水(aerosolliquidwater，alw)是大气气溶胶的重要组成部分，可以改变气溶胶的粒径、质量、光学性质、物理形态、老化过程以及大气寿命等，在空气质量、大气能见度、人体健康以及气候变化等环境效应中扮演重要角色。气溶胶吸湿增长后粒径、体积增大，导致其消光和散射能力迅速增强，加速大气能见度的降低。气溶胶液态水可作为塑化剂，改变气溶胶的粘度，增强其对大气中反应性气态前体物和活性自由基的摄取能力，提供了多相反应的载体，促进大气二次转化过程。且有研究表明，气溶胶液态水可通过改变气态前体物的气-粒分配而影响大气二次有机气溶胶的生成，在我国大气重污染过程中扮演重要角色。因此，准确测定气溶胶液态水含量将有助于理解及量化其环境效应影响，为我国大气重污染发生发展机制提供有力支持。

然而，目前对于气溶胶液态水的在线测量(如采用干湿气溶胶粒径分析仪、吸湿性串联电迁移率粒径分析仪+气溶胶数谱计数仪和加湿浊度计等)并不能直接获得气溶胶的含水量，需要通过计算或估算间接得到；而采用现有的离线测量技术(如电动力学平衡、电子显微镜和重量法等)虽然能够直接获得相对精确的含水量，但对设备的操作复杂且受采样代表性的影响，难以进行大批量的测量。因此，现有技术极大地阻碍了对于气溶胶液态水的深入理解，难以进一步解析和量化气溶胶液态水的环境效应。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种离线大气气溶胶痕量液态水含量测量装置，用于解决大气气溶胶痕量液态水的测量问题。

本实用新型提供的技术方案是：

一种大气气溶胶痕量液态水含量的测量装置，包括气体入口、气体出口、流动池、石英晶体微天平部件、pid反馈调节湿度控制系统和系统控制模块；其中，所述流动池为原位加湿气溶胶样品的样品室，是具有固定容积(如150μl)的独立部件，可以连接在石英晶体振荡器上方，形成密闭的样品室，达成进行气溶胶样品的原位加湿；所述石英晶体微天平部件包括用于读取振荡频率和电阻值的控制盒、石英晶体振荡器和用于载负样品的石英晶片，石英晶片置于石英晶体振荡器中，石英晶体振荡器可置于流动池下方；大气气溶胶样品置于石英晶片上；所述pid反馈调节湿度控制系统包括干路氮气、湿路氮气、温湿度传感器，加湿瓶，以及可进行实时反馈调节干、湿路气体流量的质量流量计；流动池与pid反馈调节湿度控制系统的温湿度传感器相连接；pid反馈调节湿度控制系统用于调节干路氮气与湿路氮气的混合比，并固定通入流动池中气体的流量和湿度；所述系统控制模块包括数字与模拟信号的读取装置和可视化控制模块，分别与石英晶体微天平的控制盒相连接，pid反馈调节湿度控制系统中的质量流量计，以及流动池所接温湿度传感器相连接，可以实现数字与模拟信号的读取和控制pid反馈调节湿度控制系统，可用于石英晶体微天平部件测量信号的采集、流动池温湿度采集和pid反馈调节湿度控制系统中干、湿气混合比的调节与反馈，使得加湿与降湿进程的梯度和时间可控。

系统控制模块中，数字与模拟信号读取装置读取内容包括pid反馈调节湿度控制系统中干路、湿路流量，以及读取温湿度传感器测量的温度和湿度信息；可视化控制模块用于控制各硬件的运行，获取石英晶体微天平测量的数据信息。

本实用新型具体实施时，系统控制模块采用labview系统控制模块，即内置的可编程labview可视化控制模块。

干的高纯氮气从气体入口进入pid反馈调节湿度控制系统，分成干路和湿路两路，湿路：高纯氮气经过湿路质量流量计和加湿瓶；干路：高纯氮气经过干路质量流量计；干路、湿路两路气体混合后流过温湿度传感器；数字与模拟信号读取装置采集检测到温湿度传感器的模拟信号，并反馈回干路质量流量计和湿路质量流量计；达到设定湿度值的加湿气再通入密闭的流动池；大气气溶胶样品置于流动池下方石英晶体振荡器中的石英晶片上；石英晶体微天平部件检测并记录石英晶片产生的振动频率；加湿气离开流动池后从气体出口排出。采用本装置进行大气气溶胶痕量液态水含量的测量工作时，首先将已经采集有气溶胶样品的石英晶片放置于石英晶体振荡器中，然后将流动池固定连接于石英晶体振荡器上，以形成密闭的样品室，阻隔外界环境变化对样品的影响，同时为气溶胶样品的原位加湿降湿提供环境条件。其次，对于pid反馈调节湿度控制系统，根据比例、积分、微分(pid)控制原理调节干、湿两路氮气的混合比，并固定了通入流动池中气体的流量和湿度，以此精准实现了气溶胶样品的原位加湿和降湿。

所述石英晶片是具有钛/铂镀层的特殊设计，利用该晶片的压电效应，可将石英晶体电极表面的质量变化转化为电信号的频率变化而被采集下来，因此当在气溶胶样品对湿润氮气中的水进行摄取后，质量增加，石英晶片的振动频率降低，石英晶体微天平部件会检测并记录石英晶片的频率变化。其中，石英晶体微天平部件是商品化仪器。

针对上述测量装置，进一步地，通过系统控制模块可实现石英晶体微天平部件的频率信号的读取，再根据sauerbrey方程即可计算获得该气溶胶样品吸收液态水的质量，实现气溶胶样品液态水的直接测量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的大气气溶胶痕量液态水含量的测量装置包括：流动池、石英晶体微天平部件和湿度控制系统，以及系统控制模块。本实用新型湿度控制系统可以精准控制流动池中的湿度与流量，同时利用商品化石英晶体微天平部件实时获得大气气溶胶样品中液态水的质量变化，可控性强，操作简便，避免了间接测量中定量工作的复杂性以及由此带来的误差，实现了大气气溶胶痕量液态水测量的精度和准确度，同时该测量装置对于大气气溶胶液态水的测量不受限于单颗粒，可以实现大气体系中气溶胶痕量液态水的测量要求，提高了测量结果的代表性。总的来说，该实用新型能够实现对大气气溶胶痕量液态水的直接测量，在离线测量中具有操作简便，精确度高和代表性强的优势，填补了该领域的空白。

附图说明

图1为本实用新型装置的主要结构框图；

其中，虚线框表示测定装置的各部件，虚线箭头表示数字信号模拟控制方向，实线箭头表示加湿气路的流通方向，实线表示流动池与石英晶体微天平的连接；1—湿度控制系统；2—控制湿路的质量流量计；3—加湿瓶；4—控制干路的质量流量计；5—温湿度传感器；6—流动池；7—商品化石英晶体微天平；8—系统控制模块；9—数字与模拟信号读取装置；10—labview可视化控制模块；a—干的高纯氮气进口；b—加湿气体出口，气体出口与室外大气相连，加湿后的气体作为废气排出。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

本实用新型提供的大气气溶胶痕量液态水测量装置，利用了原位加湿控制与具有纳克级测量精度的石英晶体微天平，可以检测大气气溶胶加湿和吸湿前后质量的变化，可控性强且操作简便，提升了大气气溶胶痕量液态水的测量精度和准确度，同时实现了大气气溶胶种类复杂的群体性要求，提高了测量结果的代表性。

图1为本实用新型实施例中采用的测定大气气溶胶痕量液态水含量的装置结构，其中，虚线框表示测定装置的各部件，虚线箭头表示数字信号模拟控制方向，实线箭头表示加湿气路的流通方向，实线表示流动池与石英晶体微天平的连接；包括湿度控制系统、流动池、石英晶体微天平以及数字与模拟信号读取装置和labview系统控制模块。

序号1为湿度控制系统，干的高纯氮气从a口进入，分两路分别进入序号4和2的干、湿气混合部分，一路高纯氮气经过质量流量计2控制了经过加湿瓶3湿路的流量，另一路高纯氮气经过质量流量计4控制了干路的流量，干、湿两路混合后流过温湿度传感器5并被检测到，模拟信号通过数字与模拟信号读取装置9采集并反馈回质量流量计2和4，以实现干、湿流量的实时调节，此时达到设定湿度值的加湿气通入密闭的流动池6中，大气气溶胶样品置于流动池下方石英晶体振荡器中的石英晶片上，与此同时商品化石英晶体微天平7会记录石英晶片产生的振动频率，加湿气在流动池中的停留时间可以通过调节流量而发生改变，停留时间最长可达0.42s，离开流动池后从b排出系统。通过石英晶体微天平的测量，大气气溶胶吸湿摄取的液态水质量改变被采集下来，进而可直接获得了该种大气气溶胶样品在某湿度下具有的液态水质量。所述数字与模拟信号读取装置为序号9，序号10为labview可视化控制编程模块，共同组成序号为8的系统控制模块。系统控制模块包括数字与模拟信号的读取装置和可视化控制模块，其中，数字与模拟信号读取内容包括pid反馈调节湿度控制系统中干、湿路流量，以及读取温湿度传感器测量的温度和湿度信息；可视化控制模块用于控制各硬件的运行，获取石英晶体微天平测量的数据信息，可将采集的温湿度信息与获取的石英晶体微天平测量的质量信息储存，并即时呈现为动态图；同时可通过可视化窗口对石英晶体微天平和质量流量计的参数进行修改，用于上述部件的控制。

以下实施例针对环境大气气溶胶，利用上述大气气溶胶痕量液态水含量测定装置进行测量；测量的工作流程如下：

1)将目标大气气溶胶样品采集到石英晶片上，保证负载于晶片上的薄膜质量大于1纳克；

2)将负载有样品的石英晶片置于石英晶体微天平的振荡器中，连接流动池，连通前端干路氮气进入流动池，进行初始平衡30分钟；

3)可通过系统控制模块监测此时流动池内温度、湿度以及晶片的振动频率等参数，待平衡稳定后，记录此时石英晶体微天平读取到晶片的基础振荡频率值f0；

4)随后在系统控制模块设定目标湿度值和持续时间，或设置梯度加湿循环，开始加湿过程，石英晶体微天平实时记录晶片的振荡频率值，达到目标湿度并稳定后，记录此时稳定的震荡频率f1；

5)通过sauerbrey方程，将晶片振荡频率的变化转化为大气气溶胶样品吸收液态水的质量增加量m；。具体公式如下：

cf为石英晶片的敏感度因子，为56.6hzμg^-1cm²。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。