一种气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统的制作方法

本实用新型属于气溶胶探测领域，具体涉及一种气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统。

背景技术：

大气气溶胶能够直接散射和吸收太阳辐射，还能够通过参与云物理过程间接地影响地气系统辐射平衡。最新的IPCC报告表明，同包括温室气体在内的其他大气成分相比，气溶胶辐射强迫结果的不确定性依然是最大的。准确评估气溶胶直接辐射效应需要了解大气气溶胶光学特性及其时空分布。气溶胶特性观测通常在干燥条件下进行。环境相对湿度较高时，气溶胶粒子吸收水汽，粒径增长，复折射率改变，其散射吸收特性与干燥状态下差异显著。为了将在干燥条件下得到的观测结果应用于气溶胶辐射强迫评估中，需要了解气溶胶光学特性随相对湿度的变化。卫星数据反演及地面观测数据和遥感数据对比研究中亦需了解气溶胶的光学吸湿特性。

先前的研究中使用气溶胶散射吸湿增长因子(Light scattering enhancement factor,f(RH))定量描述气溶胶散射系数随相对湿度的变化关系，定义为目标相对湿度下吸湿增长后的气溶胶散射系数σ_sp(RH)与干燥状态下气溶胶散射系数σ_sp,dry的比值：

f(RH)＝σ_sp(RH)/σ_sp,dry。 (1)

加湿浊度计系统可用于气溶胶散射吸湿增长因子的测量。全世界第一套加湿浊度计系统由Covert等于1972年设计出，包括加湿单元和浊度计两部分：干燥气溶胶样气先通入混合腔室，与潮湿洁净空气混合得到加湿后的气溶胶，再通入浊度计，测量加湿后的气溶胶散射系数。之后研究中所使用的加湿浊度计系统沿袭Covert等人的设计方案，同时不断改进加湿单元，提升加湿效率和测量精度。

最近二十年，气溶胶散射吸湿特性观测在全球范围内广泛开展，观测对象涉及多种类型的气溶胶。海盐气溶胶的散射吸湿能力最强，世界各地测得海盐气溶胶在80％相对湿度条件下的散射吸湿增长因子f(RH＝80％)在2.2至2.7之间。大陆型气溶胶和城市气溶胶主要由局地排放，散射吸湿特性差异较大，f(RH＝80％)测值介于1.4至2.0之间。生物质燃烧生成的气溶胶和沙尘气溶胶吸湿性很弱，f(RH＝80％)测值不超过1.3。国内的相关观测研究起步很晚。颜 鹏等使用两台EchoTech公司生产的M9003型积分浊度计搭建了一套加湿浊度计系统，其加湿单元设计参考了美国国家海洋大气局的相对湿度控制方案。这是目前国内唯一的可从文献中查到的加湿浊度计系统。该系统已被用于京津地区的环境气溶胶观测，得到了观测期间气溶胶散射吸湿增长特性的平均结果。

华北平原地区是全世界气溶胶污染最严重的地区之一，气溶胶理化特征复杂，且表现出显著的日变化特征。HHTDMA(High Humidity Tandem Differential Mobility Analyzer)观测结果表明，白天时不吸湿粒子仅占总粒子数的8％，而夜间时不吸湿粒子比例增加至20％。气溶胶分粒径活化率观测亦证实华北地区气溶胶吸湿性日变化显。以0.20％过饱和比条件下的结果为例：白天时平均活化率接近0.28，而夜间时仅为约0.25，早七点和晚七点时出现活化率低值。Kuang Y.等基于实测数据，利用辐射传输模式评估华北平原气溶胶直接辐射强迫^[22]。模拟结果表明，相比于以气溶胶光学参数平均结果作为输入参数，输入光学参数日变化数据能够显著提高评估结果的精度。国内现有的加湿浊度计系统分辨率较低，不足以捕捉气溶胶散射吸湿增长特性的日变化特征。因此，开发出一套针对气溶胶散射吸湿增长因子观测的高时间分辨率加湿浊度计系统十分必要。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统，能够提高观测期间的时间分辨率，同时能够提高加湿期间的相对湿度。

本实用新型的气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统包括：干燥管、第一浊度计、第二浊度计、加湿管、第一三通阀、第二三通阀、第一二通阀、第二二通阀、第一水浴、第二水浴以及计算机；其中，干燥管的出气口分别连接至第一浊度计的进气口和加湿管的进气口；加湿管的出气口连接至第二浊度计的进气口；第一三通阀的第一口连接加湿管的出水口，第二口连接第一水浴的入水口，第三口连接第二水浴的入水口；第二三通阀的第一口连接加湿管的入水口，第二口连接第一水浴的出水口，第三口连接第二水浴的出水口；第一二通阀分别连接第一水浴的入水口和出水口；第二二通阀分别连接第二水浴的入水口和出水口；第一水浴和第二水浴分别连接至计算机；气溶胶样气进入干燥管，干燥后的气溶胶样气分为两路，一路进入第一浊度计，测量干燥状态下的气溶胶散射系数；另一路先通过加湿管，再进入第二浊度计，测量加湿后的气溶胶散射系数；第一水浴处于加热模式时，第二水浴处于制冷模式，第一水浴与加湿管连通而第二水浴做内循环，第一水浴中的水从第一水浴的出水口流出，经第二三通阀进入加湿管的入水口，从加湿管的出水口流出，经第一三通阀进入第一水浴的 入水口，返回第一水浴，第二水浴中的水从第二水浴的出口经第二二通阀流入第二水浴的入水口，返回第二水浴；第二水浴处于加热模式时，第一水浴处于制冷模式，第二水浴与加湿管连通而第一水浴内循环，第二水浴中的水从第二水浴的出水口流出，经第二三通阀进入加湿管的入水口，从加湿管的出水口流出，经第一三通阀进入第二水浴的入水口，返回第二水浴，第一水浴中的水从第一水浴的出口经第一二通阀流入第一水浴的入水口，返回第一水浴。

加湿管包括外层的套管和内层的半透膜管，二者同轴；内层的半透膜管的表面均匀布满小孔，孔径大于水分子的尺度，同时小于分子簇的尺度；内层的半透膜管的两端分别设置进气口和出气口，半透膜管内形成气体通道；外层的套管的管壁上分别设置出水口和入水口，外层的套管与内层的半透膜管之间形成水通道；气溶胶样气的流动方向与水的流动方向相反。套管采用不锈钢；半透膜管采用戈尔特斯Gore-Tex材质。气溶胶样气从半透膜管内通过，液态水从半透膜管与不锈钢管间通过，水分子能够通过小孔渗透到半透膜管内加湿样气，而液滴被半透膜管阻挡。水分子的渗透效率与水温相关，水温升高，水分子渗透效率增大，加湿效率提升。加湿管内的水与水浴构成闭合循环，水温由水浴控制。经检定，加湿后的气溶胶样气相对湿度最高可达到95％。

本实用新型采用两台水浴参与加湿效率控制，系统运行时，两台水浴的工作模式错开：当第一水浴处于加热模式时，第二水浴处于制冷模式；而当第一水浴处于制冷模式时，第二水浴处于加热模式。第一水浴处于加热模式时，与加湿管构成回路，控制加湿管内水温逐渐升高，加湿效率提升，加湿后气溶胶样气的相对湿度上升；此时第二水浴处于制冷模式，且做内循环，水浴内水温降低。当气溶胶样气被加湿至阈值相对湿度后，第一水浴切换至制冷模式，而第二水浴切换至加热模式，同时借助于阀门可以改变水循环管路，第二水浴与加湿管连通而第一水浴做内循环；由于第二水浴内水温已降至很低，加湿管加湿效率迅速下降，加湿后气溶胶样气的相对湿度迅速下降，之后随着第二水浴加热再缓慢上升。相比于单水浴加湿浊度计系统，本实用新型采用两台水浴分别处于加热模式和制冷模式，水浴连接至计算机，由计算机控制水浴的模式，可将时间分辨率提高一倍，且在整个循环周期内，系统始终处于相对湿度上升段，保证了有效数据输出。

第一水浴处于加热模式时，第二水浴处于制冷模式，第一二通阀关断，第二二通阀连通，第一三通阀的第一口和第二口连通，第三口关断，第二三通阀的第一口和第二口连通，第三口关断；第二水浴处于加热模式时，第一水浴处于制冷模式，第一二通阀连通，第二二通阀连通，第一三通阀的第一口和第三口连通，第二口关断，第二三通阀的第一口和第三口连通，第二口关断。

气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)关于相对湿度的敏感程度随着相对湿度升高而增大。当相 对湿度接近100％时，相对湿度的微小变化就会导致f(RH)的巨大变化。因此，精确测量浊度计腔体内的相对湿度对于降低f(RH)结果的不确定性至关重要。本实用新型在搭建加湿浊度计系统过程中发现浊度计自带的湿度探头测值不准，需要做校正。加湿后的样气通过系统的不同位置时，由于温度变化，相对湿度会跟随变化，因为在浊度计内的水汽守恒，所以露点温度是恒定的。因此，可考虑在管路中其他位置测出样气的露点温度，间接算出第二浊度计腔体内的相对湿度。部分研究者在浊度计后连接一露点仪，而本实用新型在第二浊度计的进气口和出气口处各设置一枚温湿探头。系统运行时，两枚温湿探头各测得一组温度值和相对湿度值，可计算出进气口处和出气口处的露点温度DP1和DP2。若系统运行正常，DP1和DP2应相等。利用DP1和DP2及第二浊度计腔体内的温度测值可得到校正后的腔体内相对湿度。本实用新型的优点：

本实用新型采用外层的套管和内层的半透膜管构成加湿管，加湿管内的水与水浴构成闭合循环，水温由水浴控制，加湿后的气溶胶样气相对湿度最高可达到95％；采用两台水浴分别处于加热模式和制冷模式，可将时间分辨率提高一倍，且在整个循环周期内，系统始终处于相对湿度上升段，保证了有效数据输出。

附图说明

图1为本实用新型的气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统的示意图；

图2为本实用新型的气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统的加湿管的示意图；

图3为气溶胶散射吸湿增长因子的测量系统运行中加湿后气溶胶样气的相对湿度循环的曲线图，其中，(a)为现有技术的单水浴循环的曲线图；(b)为本实用新型的两台水浴循环的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例干燥管1、第一和第二浊度计21和22、加湿管3、第一和第二三通阀3V1和3V2、第一和第二二通阀2V1和2V2、第一和第二水浴41和42以及计算机；其中，干燥管1的出气口分别连接至第一浊度计21的进气口和加湿管3的进气口；加湿管3的出气口连接至第二浊度计22的进气口；第一三通阀3V1的第一口①连接加湿管3的出水口，第二口②连接第一水浴的入水口，第三口③连接第二水浴42的入水口；第二三通阀的第一 口①连接加湿管的入水口，第二口②连接第一水浴41的出水口，第三口③连接第二水浴42的出水口；第一二通阀2V1分别连接第一水浴41的入水口和出水口；第二二通阀2V2分别连接第二水浴42的入水口和出水口；第一水浴41和第二水浴42分别连接至计算机。在第二浊度计22的进气口和出气口处各设置一枚温湿探头5。

在本实施例中，第一和第二二通阀采用二通电磁阀，并分别连接至计算机；第一和第二三通阀采用三通电磁阀，并分别连接至计算机，通过计算机控制电磁阀。三通电磁阀的第一口至第三口分别为公共口、常开口和常闭口。

如图2所示，加湿管3包括外层的套管31和内层的半透膜管32；内层的半透膜管的两端分别设置进气口33和出气口34，半透膜管内部形成气体通道；外层的套管的管壁上分别设置出水口35和入水口36，外层的套管与内层的半透膜管之间形成水通道；气溶胶样气的流动方向与水的流动方向相反。套管采用不锈钢；半透膜管采用戈尔特斯Gore-Tex材质。

本实施例的气溶胶散射吸湿增长因子的测量方法，包括以下步骤：

1)打开第一和第二水浴以及第一和第二浊度计，气溶胶样气进入干燥管，干燥后的气溶胶样气分为两路，一路进入第一浊度计，测量干燥状态下的气溶胶散射系数；另一路先通过加湿管，再进入第二浊度计，测量加湿后的气溶胶散射系数；

2)第一水浴处于加热模式，第二水浴处于制冷模式，第一水浴与加湿管连通而第二水浴做内循环，第一水浴中的水从第一水浴的出水口流出，经第二三通阀进入加湿管的入水口，水在外层的套管与内层的半透膜管之间形成水通道通过，水分子通过小孔渗透到半透膜管内加湿气溶胶样气，而液滴被半透膜管阻挡从加湿管的出水口流出，经第一三通阀进入第一水浴的入水口，返回第一水浴，第二水浴中的水从第二水浴的出口经第二二通阀流入第二水浴的入水口，返回第二水浴；

3)加湿后气溶胶样气的相对湿度从40％上升至约95％，当气溶胶样气被加湿至阈值相对湿度95％后，第一水浴切换至制冷模式，而第二水浴切换至加热模式，同时改变第一和第二二通阀以及第一和第二三通阀的状态以改变水循环管路，使得第二水浴与加湿管连通而第一水浴做内循环，由于第二水浴内水的温度已降至很低，加湿管加湿效率迅速下降，加湿后气溶胶样气的相对湿度直接由95％掉落至40％，之后随着第二水浴加热再缓慢上升；

4)第二水浴处于加热模式，第一水浴处于制冷模式，第二水浴中的水从第二水浴的出水口流出，经第二三通阀进入加湿管的入水口，水在外层的套管与内层的半透膜管之间形成水通道通过，水分子通过小孔渗透到半透膜管内加湿气溶胶样气，而液滴被半透膜管阻挡从加湿管的出水口流出，经第一三通阀进入第二水浴的入水口，返回第二水浴，第 一水浴中的水从第一水浴的出口经第一二通阀流入第一水浴的入水口，返回第一水浴；

5)当气溶胶样气再次被加湿至95％后，第二水浴切换至制冷模式，而第一水浴切换至加热模式，同时改变第一和第二二通阀以及第一和第二三通阀的状态以改变水循环管路，使得第一水浴与加湿管连通而第二水浴做内循环，由于第一水浴内水的温度已降至很低，加湿管加湿效率迅速下降，加湿后气溶胶样气的相对湿度直接由95％掉落至40％，之后随着第一水浴加热再缓慢上升；

6)重复步骤2)～5)，直至数据采集完毕，先后关掉第一和第二水浴以及第一和第二浊度计；

7)根据第一浊度计测量得到干燥状态下的气溶胶散射系数σ_sp,dry，以及第二浊度计测量加湿后的气溶胶散射系数σ_sp(RH)，得到气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)：

f(RH)＝σ_sp(RH)/σ_sp,dry。

如图3所示，本实用新型的系统可将时间分辨率提高一倍，且在整个循环周期内，系统始终处于相对湿度上升段，保证了有效数据输出。

最后需要注意的是，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的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。