一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量装置及方法

本发明涉及气溶胶探测领域和云微物理领域，具体涉及一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量装置及方法。

背景技术：

1、气溶胶与云的相互作用是气候变化评估和极端天气预测中一个重要的不确定因素。云凝结核，即在一定过饱和度下能够活化成云的气溶胶，其能力是影响气溶胶和云相互作用的关键参数。气溶胶颗粒在一定的过饱和比下吸湿活化形成云凝结核的能力取决于其粒径大小和化学组分。其中，气溶胶粒径是影响其活化特性的重要因素。准确量化这种能力的参数是一定过饱和比下不同粒径的气溶胶活化率，即气溶胶分粒径活化率。为了获得气溶胶分粒径活化率，需要对气溶胶粒径进行测量和筛选。因此，主要使用连续流热梯度云凝结核计数器和气溶胶粒径分析仪来测量这个参数。在已有的气溶胶活化特性研究中，通常采用将差分电迁移率分析仪、凝结核计数器与云凝结核计数器联用的方法。然而，利用差分电迁移率分析仪筛分气溶胶微粒的方法受到粒子带多电荷的影响，即携带单个电荷的较小粒径粒子与携带多电荷的较大粒径粒子具有相同的电迁移率，使得粒径不同而电迁移率相同的粒子被同时筛分出来。因此，这种方法筛分得到的不是准单一粒径的气溶胶。此外，常用的离心粒子质量分析仪也具有类似的问题。

2、通常来说，要研究气溶胶的活化特性，需要在多种过饱和比条件下进行实验。然而，在观测过程中，我们主要通过改变温差来调整过饱和度，这需要较长的温度稳定时间，进而导致测量时间精度下降。在实际大气环境中，过饱和比条件变化巨大。例如，雾和低层云中的过饱和比可能低于0.1％，而深对流云中的过饱和比则可能高达1％。在云凝结核计数器中，过饱和比在0.1％至1％之间变化时，达到稳定状态可能需要长达十几分钟。通常，气溶胶分粒径活化率的观测时间精度要求在1小时内，因此云凝结核计数器的稳定时间会对气溶胶分粒径活化率的测量时间精度产生显著的影响。此外，也可以通过改变流量来快速改变云凝结核计数器中的过饱和比。然而，这种方法在低过饱和比条件下的流量较低，导致计数器中的云凝结核数量也很低。考虑到低过饱和比条件下云凝结核数量本身就很低(尤其是在气溶胶污染较轻的清洁地区和背景地区)，这种方法在低过饱和比条件下的测量效率较低，因此不适用于低过饱和比的测量。

3、此外，云凝结核计数器在低过饱和比条件下的测量可能存在较大的识别偏差。其工作原理是通过云室使云凝结核活化并成长为数微米的液滴，而无法活化成为云凝结核的气溶胶(间隙气溶胶，通常小于1微米)在粒径尺寸上与云凝结核存在显著的差异。通过光学粒子计数器测量液滴的数浓度，可以推算出云凝结核的数浓度。然而，在较低的过饱和比条件下(小于0.15％)，云凝结核在云凝结核计数器中成长的液滴可能小于2微米，而一些吸湿性较强的间隙气溶胶则可以通过吸湿增长达到1微米以上。因此，在这种条件下，云凝结核计数器难以有效区分云凝结核和间隙气溶胶，从而导致云凝结核计数器测量的云凝结核数量被高估。为了解决这一问题，现有技术中提出了在较低过饱和比条件下准确区分云凝结核的方法。该方法需要对云凝结核计数器中的液滴谱进行分析。然而，考虑到云凝结核计数器中光学粒子计数器测量的不确定性，目前主要使用的差分电迁移率分析仪的筛选效率很难满足这个订正方法的要求。为了准确测量低过饱和比的气溶胶分粒径活化率，必须配合使用筛选效率更高的气溶胶筛分仪。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量装置，实现在多个过饱和比条件下对气溶胶分粒径活化率准确快速测量，解决已有的气溶胶分粒径活化率测量方法的局限，特别是在极低气溶胶浓度条件下对低过饱和比的气溶胶分粒径活化率的测量准确性存在不足。

2、本发明的另一个目的是：提供一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量方法，实现低气溶胶浓度条件下低过饱和比中对气溶胶分粒径活化率的准确测量。

3、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量装置，包括：差分电迁移率分析仪，用于对干燥后的气溶胶按电迁移率粒径进行筛分以获取10纳米到550纳米粒径范围内的单分散气溶胶；空气动力学筛分仪，用于对干燥后的气溶胶按空气动力学粒径进行筛分以获取90纳米到800纳米粒径范围内的单分散气溶胶；凝结核计数器，用于获取差分电迁移率分析仪筛分的单分散气溶胶颗粒数，以及用于获取空气动力学筛分仪筛分的单分散气溶胶颗粒数；云凝结核计数器，用于获取经过差分电迁移率分析仪以及空气动力学筛分仪筛分后的单分散气溶胶中的云凝结核数量。

5、作为一种优选，测量装置还包括切换系统，切换系统用于切换凝结核计数器获取差分电迁移率分析仪或空气动力学筛分仪筛分的单分散气溶胶颗粒数。

6、作为一种优选，切换系统包括主气路、进气支路、电磁阀和电磁阀切换控制电路板；电磁阀和进气支路的数量均为两个；两个电磁阀分别通过连接管道与差分电迁移率分析仪以及空气动力学筛分仪连接，两个电磁阀分别通过两个进气支路与主气路连接，主气路与凝结核计数器连接，两个电磁阀均与电磁阀切换控制电路板连接。

7、作为一种优选，测量装置还包括工控机，工控机用于控制差分电迁移率分析仪、空气动力学筛分仪和切换系统运行，并实时读取云凝结核计数器和凝结核计数器的测量结果。

8、作为一种优选，测量装置还包括干燥器，干燥器用于对气溶胶进行除湿干燥。

9、作为一种优选，干燥器所干燥的气溶胶通过气溶胶发生器产生或通过采样头采集获取，通过气溶胶发生器产生或通过采样头采集获取的气溶胶部分流经干燥器进行除湿干燥，其余的气溶胶通过过滤器过滤后排出到空气中。

10、作为一种优选，连接管道、主气路和进气支路均采用导电黑胶管制备。

11、一种气溶胶分粒径活化率的准确快速测量方法，方法采用气溶胶分粒径活化率的准确快速测量装置，方法包括以下步骤：

12、s1：采集或生产气溶胶；

13、s2：对气溶胶进行干燥处理；

14、s3：筛分干燥后的气溶胶，获取10-800纳米的单分散气溶胶；

15、s4：利用凝结核计数器获取筛分后的单分散气溶胶颗粒数；

16、s5：利用云凝结核计数器获取0.05％-0.8％过饱和比条件下的单分散气溶胶的云凝结核数量；

17、s6：根据获取得到的单分散云凝结核数量以及气溶胶颗粒数，计算两者数量的比值随粒径大小的分布，即得到气溶胶分粒径活化率。

18、作为一种优选，步骤s3中，获取10-800纳米的单分散气溶胶的方法为：将干燥后的气溶胶分别流向差分电迁移率分析仪以及空气动力学筛分仪，差分电迁移率分析仪筛分干燥后的气溶胶获得10纳米到550纳米粒径范围内的单分散气溶胶，空气动力学筛分仪筛分干燥后的气溶胶获得90纳米到800纳米粒径范围内的单分散气溶胶。

19、作为一种优选，测量装置在测量过程中，经过空气动力学筛分仪筛分后的单分散气溶胶一部分流向凝结核计数器，另一部分流向云凝结核计数器的a柱；经过差分电迁移率分析仪筛分后的单分散气溶胶一部分流向凝结核计数器，另一部分流向云凝结核计数器的b柱；其中，根据云凝结核计数器的a柱的过饱和比达到稳定的时间段内，或云凝结核计数器的b柱的过饱和比达到稳定的时间段内，切换系统切换凝结核计数器配合已经稳定的a柱或b柱进行交替测量气溶胶分粒径活化率。

20、总的说来，本发明具有如下优点：

21、1.本发明主要利用空气动力学筛分仪、差分电迁移率分析仪和云凝结核计数器，实现在不同过饱和比条件下对气溶胶分粒径活化率的准确测量。这种方法特别适用于低气溶胶浓度条件下低过饱和比中的气溶胶分粒径活化率测量，同时解决了空气动力学粒径的订正和云凝结核的识别问题。由于多电荷问题的存在，在筛选大粒径时具有相同质核比的粒子能同时被筛选出，因此存在多电荷误差，且随着粒径的增大，差分电迁移率分析仪的筛选效率降低。在较低的过饱和比条件下(小于0.15％)，云凝结核计数器不能准确的区分云凝结核和间隙气溶胶，从而导致云凝结核计数器测量的云凝结核数量被高估。另一方面，空气动力学筛分仪在小粒径(小于100纳米)下进行筛分的不确定性大，而且对于具有不同的密度和形状的气溶胶，使用空气动力学筛分仪筛分出来的单分散粒子具有不同的体积等效粒径，其对应的电迁移率直径是不相同的，单独使用空气动力学筛分仪来进行气溶胶粒径的筛分具有较大的偏差。为了解决这些问题，通过使用空气动力学筛分仪配合云凝结核计数器，实现低过饱和比条件下云凝结核的准确识别，同时通过对比空气动力学筛分仪与差分电迁移率分析仪的粒径筛选结果确定空气动力学筛分仪筛选的气溶胶的实际粒径大小，从而解决了空气动力学筛分仪筛选空气动力学粒径的问题。这种方法实现了不同过饱和比条件下气溶胶分粒径活化率测量中对于不同粒径范围的单分散气溶胶的筛选，从而方便后续凝结核计数器以及云凝结核计数器获取相应的数据，最终得到不同过饱和比条件下气溶胶分粒径活化率测量结果。

22、2.本发明通过优化技术手段，仅需使用一台凝结核计数器，便能同时保证高精度的测量时间。在常规方法中，需要同时连接两台凝结核计数器，一台与差分电迁移率分析仪连接，另一台与空气动力学筛分仪连接，以分别同时测量差分电迁移率分析仪与空气动力学筛分仪筛选出的气溶胶颗粒数。然而，由于云凝结核计数器在切换过饱和比时需要一定的稳定时间，导致传统方法的测量时间循环中有未能用于有效测量的时间。本发明通过设计切换系统，实现在云凝结核计数器的一个云室的过饱和比达到稳定的时间段内，切换凝结核计数器配合另一个已经稳定的云室进行气溶胶分粒径活化率的测量。如此交替操作，仅需使用一台凝结核计数器，便能达到常规方法中需要两台凝结核计数器才能实现的同样时间分辨率的测量效果。通过这种改进，不仅降低了设备成本，而且提高了测量效率。此外，由于本发明的测量方法仅需使用一台凝结核计数器，因此可以减少不同凝结核计数器之间差异可能导致的误差，也一定程度提高了测量精度。