一种大气水汽收集装置及其使用方法与流程

本发明涉及大气水汽采样技术领域，尤其涉及一种大气水汽收集装置及其使用方法。

背景技术：

大气水汽氢氧稳定同位素是揭示大气环流和水文循环过程的重要指标，目前大气水汽同位素实地监测数据的匮乏和不足限制了大气水汽同位素研究的推广和应用，常用的方法是基于降水观测利用瑞利分馏模型对近地表大气水汽同位素进行推理估算，但这往往取决于降水量和决定平衡分馏的温度等存在不确定性，所以目前的推导关系也不精准。这主要局限于实测水汽同位素数据，大多研究依然主要依靠平衡分馏的推算方法，无形中增加了区域水汽再循环及生态水文过程蒸散发分割等量化研究的不确定性。另外，借助于全球及区域尺度动力模型来模拟同位素分馏过程及含量变化，但这类模型在降水事件尺度上无法定量分析。因此，要解决这些问题，亟需对大气水汽同位素有全面系统的直接观测和认识。

大气水汽同位素实地监测的重要性是毋庸置疑的，但目前往往由于监测方法的限制，实际监测数据在相当长时间内的非常匮乏。尽管近年来光谱观测仪器的出现在一定程度上规避了这一问题，但这类仪器费用昂贵且野外操作复杂和难以确保仪器稳定性，进而影响了水汽同位素质量。因此在生态水文和水文气象研究领域中，还需借助于传统方法对大气水汽样品的收集，目前传统水汽收集方法主要包括液氮冷阱冷凝、干冰制冷法、干燥剂脱水法和flask真空采样瓶，这些方法存在的问题主要包括：①传统的液氮冷阱冷凝需要持续供给液氮，保证冷阱充分被冷凝，严控气流流速；②干冰制冷法在冷凝温度不够低易造成同位素分馏，费时费力；③吸湿干燥剂含有o2,会引起同位素交换；④真空采样瓶法收集的水汽量少，不利于同位素分析，尤其在半干旱区。

大气水汽同位素收集是同位素生态水文学研究中重要的环节，直接关系到区域降水过程的准确评估和水量平衡的测算。不科学的采样方式不仅会浪费科技研究者的经费和时间，同时也会造成科研结果的失真。目前基于液氮冷阱方法收集大气水汽亟需解决的关键问题：(1)在收集过程中如何提高液氮利用率；(2)如何确保水汽液化率，进而减少水汽同位素分馏作用对样品的影响。因此，利用液氮冷阱法收集大气水汽时必须将水汽液化收集、密封保存，防治二次蒸发对水汽样品同位素的影响，同时改进了取样装置的便利性和易操作性，装置材料经过特别的设计及选择以提高水汽收集效率，提高同位素的准确性。

技术实现要素：

为克服相关技术中存在的问题，本发明实施例提供一种大气水汽收集装置及其使用方法，降低了以往传统冷阱冷凝方法中人为添加液氮的低温冻伤风险，从而改善了收集装置的安全性能，完善了收集装置中水汽流量监测、液氮量和温度监测。

本发明实施例提供一种大气水汽收集装置，包括水汽进气口杯、液氮储藏箱、冷凝箱、干燥指示箱和微型空气泵，所述水汽进气口杯与冷凝箱连接，所述冷凝箱的内部设置有冷阱设备，所述冷凝箱的内部位于冷阱设备的底部安装有采集阀，冷凝箱与液氮储藏箱之间通过连接管连接，所述液氮储藏箱上设置有增压泵、压力表和浮尺，所述增压泵与压力表连接，浮尺位于液氮储藏箱的内部，冷阱设备的出气口通过出气管与干燥指示箱连接，所述干燥指示箱的内部设置有干燥指示剂，干燥指示箱与微型空气泵连接。

进一步的，所述水汽进气口杯与冷凝箱的连接处设置有气流控制器。

进一步的，所述冷阱设备的数量不少于两个，相邻两个冷阱设备之间通过导管连接。

进一步的，所述冷凝箱的内部位于冷阱设备的侧面设置有温度计。

进一步的，所述冷凝箱为双层结构，外层为pvc材质外保温层，内层为不锈钢材质内冷却层，外保温层与内冷却层之间设置有隔热保温材料。

一种大气水汽收集装置的使用方法，包括以下步骤：

将水汽进气口杯安装于预设的高度h处，通过导管将气流控制器与冷凝箱中的冷阱设备连接；

液氮储藏箱、冷凝箱与干燥指示箱依次连接；

打开气流控制器大气从水汽进气口杯进入冷凝箱，随即启动冷阱设备；

在增压泵作用下液氮储藏箱与冷凝箱间形成明显压力差，液氮自动添加到冷凝箱中；

待冷凝结束后，从冷凝箱取出冷阱置于常温下，冷凝水融化后，将冷阱融化水混合装入采样瓶，低温冷藏，最后经过干燥指示箱中研判大气水汽收集率。

进一步的，所述液氮储藏箱中还设置有压力表和浮尺，浮尺用于判断储藏室中液氮的容量，压力表用于观察液氮储藏箱压力的变化。

进一步的，在此过程中对冷阱进行密封保存。

进一步的，所述干燥指示箱内设置有蓝色的干燥剂，干燥剂用于根据颜色判别水汽的收集效果。

本发明的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：改进了大气水汽收集装置的自动化，冷凝室中液氮自动添加降低了以往传统冷阱冷凝方法中人为添加液氮的低温冻伤风险，较传统低温方法收集水汽节约了液氮，通过冷凝室中冷阱循环系统能高效地提高水汽冷凝效率，有效地避免了由于水汽收集率较低而引起水汽同位素分馏作用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例中大气水汽收集装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中大气水汽收集装置中冷凝箱的结构示意图。

图3是本发明实施例中大气水汽收集装置的使用方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置及相关应用、方法的例子。

图1是本发明实施例中大气水汽收集装置的结构示意图，图2是本发明实施例中大气水汽收集装置中冷凝箱的结构示意图，如图1和图2所示，该大气水汽收集装置，包括水汽进气口杯1、液氮储藏箱8、冷凝箱9、干燥指示箱10和微型空气泵12，水汽进气口杯与冷凝箱连接，水汽进气口杯与冷凝箱的连接处设置有气流控制器2，冷凝箱的内部设置有冷阱设备6，冷阱为耐低温玻璃材质组成，冷阱设备是便于拆卸和携带的，进气口端较长于出气口端，增加冷阱冷凝水汽收集量，冷阱底部最低端设有出水开关，冷凝箱的内部位于冷阱设备的底部安装有采集阀601，冷阱设备的数量不少于两个，相邻两个冷阱设备之间通过导管连接，补充冷凝室中液氮损失量，提高对冷阱中大气水汽凝结效率，冷阱进气口与外界相连的进气口高度可进行调节，收集不同高度的大气水汽，冷凝箱的内部位于冷阱设备的侧面设置有温度计7。

冷凝箱与液氮储藏箱之间通过连接管连接，冷凝箱为双层结构，外层为pvc材质外保温层，内层为不锈钢材质内冷却层，外保温层与内冷却层之间设置有隔热保温材料901，液氮储藏室可以通过浮尺指示液氮储藏室中液氮容量变化，保证冷凝室中冷阱完全被液氮浸没，水汽在多个冷阱间进行循环，这有效避免了水汽冷凝不彻底而影响同位素分馏的问题，保证了大气水汽样品中同位素的测试精度，同时干燥指示室的设置可以便于研判整个装置对大气水汽收集效率，利于检查装置的密封性，液氮储藏箱上设置有增压泵3、压力表4和浮尺5，增压泵与压力表连接，浮尺位于液氮储藏箱的内部，冷阱设备的出气口通过出气管与干燥指示箱连接，干燥指示箱的内部设置有干燥指示剂11，干燥指示箱与微型空气泵连接。

图3是本发明实施例中大气水汽收集装置的使用方法的流程图，如图3所示，该大气水汽收集装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤101、将水汽进气口杯安装于预设的高度h处，通过导管将气流控制器与冷凝箱中的冷阱设备连接。

步骤102、液氮储藏箱、冷凝箱与干燥指示箱依次连接。

步骤103、打开气流控制器大气从水汽进气口杯进入冷凝箱，随即启动冷阱设备。

步骤104、在增压泵作用下液氮储藏箱与冷凝箱间形成明显压力差，液氮自动添加到冷凝箱中。

液氮储藏箱中还设置有压力表和浮尺，浮尺用于判断储藏室中液氮的容量，压力表用于观察液氮储藏箱压力的变化。

步骤105、待冷凝结束后，从冷凝箱取出冷阱置于常温下，在此过程中对冷阱进行密封保存，冷凝水融化后，将冷阱融化水混合装入采样瓶，低温冷藏，最后经过干燥指示箱中研判大气水汽收集率。

干燥指示箱内设置有蓝色的干燥剂，干燥剂用于根据颜色判别水汽的收集效果。

采用了上述发明的实施例，改进了大气水汽收集装置的自动化，冷凝室中液氮自动添加降低了以往传统冷阱冷凝方法中人为添加液氮的低温冻伤风险，较传统低温方法收集水汽节约了液氮，通过冷凝室中冷阱循环系统能高效地提高水汽冷凝效率，有效地避免了由于水汽收集率较低而引起水汽同位素分馏作用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。