高時間分辨率加濕濁度計系統(tǒng)設(shè)計研究

劉宏劍 趙春生

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高時間分辨率加濕濁度計系統(tǒng)設(shè)計研究

劉宏劍 趙春生?

北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系, 北京 100871; ? 通信作者, E-mail: zcs@pku.edu.cn

為了研究華北地區(qū)氣溶膠吸濕性的日變化特征, 獨立設(shè)計并搭建一套高時間分辨率的加濕濁度計系統(tǒng)。該系統(tǒng)首次采用兩臺水浴來交替控制樣氣加濕過程, 將循環(huán)周期由先前的2~3小時縮減至約1小時。系統(tǒng)中TSI3563型濁度計的光源功率由 75 W 調(diào)整至 25 W, 并在光源前方安置一片熱鏡, 腔體內(nèi)升溫由 4.3oC降至 2.3oC, 提升了系統(tǒng)加濕效率。由于濁度計自帶的濕度探頭測值不準(zhǔn), 故在濁度計進(jìn)氣口處和出氣口處分別安置兩枚溫濕探頭, 用于校正濁度計腔體內(nèi)的相對濕度測值。該加濕濁度計系統(tǒng)將用于華北地區(qū)大氣氣溶膠的散射吸濕增長特性研究中。

加濕濁度計; 散射吸濕增長因子; 吸濕性

大氣氣溶膠能夠直接散射和吸收太陽輻射, 還能夠通過參與云物理過程, 間接地影響地氣系統(tǒng)輻射平衡。最新的 IPCC 報告[1]表明, 與包括溫室氣體在內(nèi)的其他大氣成分相比, 氣溶膠輻射強(qiáng)迫結(jié)果的不確定性依然是最大的。為了準(zhǔn)確地評估氣溶膠直接輻射效應(yīng), 需要了解大氣氣溶膠的光學(xué)特性及其時空分布。氣溶膠特性觀測通常在干燥條件下進(jìn)行[2]。環(huán)境相對濕度較高時, 氣溶膠粒子吸收水汽, 粒徑增長, 復(fù)折射率改變, 其散射吸收特性與干燥狀態(tài)下差異顯著。為了將在干燥條件下得到的觀測結(jié)果應(yīng)用于氣溶膠輻射強(qiáng)迫評估中, 需要了解氣溶膠光學(xué)特性隨相對濕度的變化規(guī)律[3]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演[4]及地面觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)對比研究[5-6]中亦需了解氣溶膠的光學(xué)吸濕特性。

先前的研究中使用氣溶膠散射吸濕增長因子(light scattering enhancement factor)(RH)定量描述氣溶膠散射系數(shù)與相對濕度的關(guān)系, 定義為目標(biāo)相對濕度下吸濕增長后的氣溶膠散射系數(shù)sp(RH)與干燥狀態(tài)下氣溶膠散射系數(shù)sp,dry的比值[7]:

(RH) =sp(RH) /sp,dry。

加濕濁度計系統(tǒng)可用于氣溶膠散射吸濕增長因子的測量。全世界第一套加濕濁度計系統(tǒng)由 Covert等[7]于 1972 年設(shè)計, 包括加濕單元和濁度計兩部分: 干燥氣溶膠樣氣先通入混合腔室, 與潮濕潔凈空氣混合得到加濕后的氣溶膠, 再通入濁度計, 測量加濕后的氣溶膠散射系數(shù)。其后研究中使用的加濕濁度計系統(tǒng)沿襲Covert等的設(shè)計方案, 同時不斷改進(jìn)加濕單元, 提升加濕效率和測量精度。

最近 20 年, 氣溶膠散射吸濕特性觀測在全球范圍內(nèi)廣泛開展, 觀測對象涉及多種類型的氣溶膠。海鹽氣溶膠的散射吸濕能力最強(qiáng), 在世界各地測得海鹽氣溶膠在相對濕度80%條件下的散射吸濕增長因子(RH=80%)在 2.2~2.7 之間[8-10]。大陸型氣溶膠和城市氣溶膠主要由局地排放形成, 散射吸濕特性差異較大,(RH=80%)測值介于 1.4~2.0 之間[11-14]。生物質(zhì)燃燒生成的氣溶膠和沙塵氣溶膠吸濕性很弱,(RH=80%)測值不超過1.3[10,15-16]。國內(nèi)的相關(guān)觀測研究起步很晚。顏鵬等[17]使用兩臺EchoTech公司生產(chǎn)的M9003型積分濁度計搭建一套加濕濁度計系統(tǒng), 其加濕單元設(shè)計參考美國國家海洋和大氣管理局的相對濕度控制方案。這是目前國內(nèi)唯一可從文獻(xiàn)中查到的加濕濁度計系統(tǒng)。該系統(tǒng)已用于京津地區(qū)的環(huán)境氣溶膠觀測, 得到觀測期間氣溶膠散射吸濕增長特性的平均結(jié)果[18-19]。

華北平原地區(qū)是全世界氣溶膠污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一, 氣溶膠理化特征復(fù)雜, 且表現(xiàn)出顯著的日變化特征。高相對濕度串聯(lián)差分遷移性粒徑分析儀(high humidity tandem differential mobility analyzer, HHTDMA)觀測結(jié)果表明, 白天不吸濕粒子僅占總粒子數(shù)的 8%, 而夜間不吸濕粒子增加至 20%[20]。氣溶膠分粒徑活化率觀測結(jié)果亦證實華北地區(qū)氣溶膠吸濕性日變化顯著[21]。以 0.20%過飽和比條件下的結(jié)果為例: 白天平均活化率接近 0.28, 而夜間僅為約 0.25, 早 7 點和晚 7 點出現(xiàn)活化率低值。Kuang 等[22]基于實測數(shù)據(jù), 利用輻射傳輸模式評估華北平原氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫, 結(jié)果表明,與以氣溶膠光學(xué)參數(shù)平均結(jié)果作為輸入?yún)?shù)相比, 輸入光學(xué)參數(shù)日變化數(shù)據(jù)能夠顯著提高評估結(jié)果的精度。然而, 目前國內(nèi)尚無氣溶膠散射吸濕增長特性日變化特征的直接觀測, 現(xiàn)有的唯一一套加濕濁度計系統(tǒng)單次循環(huán)耗時 2~3 小時, 無法滿足日變化特征觀測需求, 因此已發(fā)表的利用這套系統(tǒng)得到的觀測結(jié)果僅展示觀測期內(nèi)的氣溶膠散射吸濕增長因子平均特征, 而無日變化特征[18-19]。

綜上所述, 開發(fā)一套用于氣溶膠散射吸濕增長因子觀測的高時間分辨率加濕濁度計系統(tǒng), 并將該系統(tǒng)應(yīng)用于散射吸濕特性的日變化特征觀測十分必要。本文介紹我們自行設(shè)計研發(fā)的高時間分辨率加濕濁度計系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在已有加濕濁度計系統(tǒng)設(shè)計[8,14,23]的基礎(chǔ)上, 我們做了進(jìn)一步的改進(jìn), 獨立設(shè)計并搭建一套高時間分辨率加濕濁度計系統(tǒng), 由濁度計、加濕管、水浴及其他輔助部件構(gòu)成, 基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。干燥氣溶膠樣氣進(jìn)入系統(tǒng)后分為兩路: 一路樣氣直接通入第一臺濁度計, 測量干燥狀態(tài)下的氣溶膠散射系數(shù); 另一路樣氣先通過加濕管, 再通入第二臺濁度計, 測量加濕后的氣溶膠散射系數(shù)。溫濕探頭同時記錄加濕后氣溶膠的相對濕度。

本加濕濁度計系統(tǒng)的加濕單元采用水汽滲透加濕方案。加濕管由內(nèi)層的半透膜管和外層的不銹鋼管嵌套組成(圖 2)。半透膜管為 Gore-Tex? 材質(zhì), 膜的表面密布著極細(xì)小的孔, 孔徑比水分子的尺度大, 但小于分子簇的尺度。系統(tǒng)運行時, 樣氣從半透膜管內(nèi)通過, 液態(tài)水從半透膜管與不銹鋼管之間通過。水汽分子能夠通過小孔滲透到半透膜管內(nèi)加濕樣氣, 而液滴被膜阻擋。水分子滲透效率與水溫相關(guān), 水溫升高, 水分子滲透效率增大, 加濕單元的效率提升。加濕管內(nèi)的水與水浴構(gòu)成閉合循環(huán), 水溫由水浴控制。經(jīng)檢定, 加濕后的氣溶膠相對濕度最高可達(dá)90%。

先前的加濕濁度計系統(tǒng)大多使用一臺水浴控制加濕循環(huán)過程。在一次循環(huán)的前半個周期內(nèi), 水浴在加熱模式下運行, 水溫逐漸升高, 加濕效率逐漸提升, 加濕后氣溶膠樣氣的相對濕度從約 40%上升至約 90%。循環(huán)的后半個周期內(nèi), 水浴在制冷模式下運行, 水溫逐漸下降, 加濕效率逐漸降低, 加濕后樣氣的相對濕度從約 90%回降至約 40% (圖 3 (a))。研究中發(fā)現(xiàn), 當(dāng)系數(shù)處于相對濕度下降段時(RH)測值偏差較大, 故在數(shù)據(jù)分析過程中舍棄相對濕度下降段數(shù)據(jù), 僅保留上升段數(shù)據(jù)。受制于水浴制冷功率, 系統(tǒng)無法大幅縮減相對濕度下降段耗時。因此, 相對濕度下降段雖然占據(jù)了整個循環(huán)周期的近一半時間, 卻沒有有效數(shù)據(jù)輸出。

我們在設(shè)計加濕濁度計系統(tǒng)時, 創(chuàng)新性地加入第二臺水浴參與加濕效率控制。系統(tǒng)運行時, 兩臺水浴的工作模式錯開: 當(dāng)?shù)谝慌_水浴處于加熱模式時, 第二臺水浴處于制冷模式; 而當(dāng)?shù)谝慌_水浴制冷時, 第二臺水浴加熱。水浴一處于加熱模式時, 與加濕管構(gòu)成回路, 控制加濕管內(nèi)水溫逐漸升高, 加濕效率提升, 加濕后氣溶膠樣氣的相對濕度從約40%上升至約 90%; 此時水浴二處于制冷模式, 且做內(nèi)循環(huán), 水浴內(nèi)水溫降低(圖 1 中用“→”指示此時水浴中水的循環(huán)方向)。當(dāng)樣氣被加濕至閾值相對濕度后(一般為 90%), 水浴一切換至制冷模式, 而水浴二切換至加熱模式。同時, 借助電磁閥可以改變水循環(huán)管路(圖 1), 水浴二與加濕管連通, 而水浴一做內(nèi)循環(huán)。由于水浴二內(nèi)水的溫度已降至很低, 加濕管加濕效率迅速下降, 加濕后樣氣的相對濕度直接從 90%跌落至 40%, 之后隨著水浴二加熱再緩慢上升。與單水浴加濕濁度計系統(tǒng)相比, 我們設(shè)計的新系統(tǒng)可將時間分辨率提高一倍, 且在整個循環(huán)周期內(nèi), 系統(tǒng)始終處于相對濕度上升段, 保證了有效數(shù)據(jù)輸出。

由于水溫較高, 加濕后樣氣比環(huán)境溫度高。在經(jīng)過加濕管與濁度計之間這一段管路時, 樣氣溫度逐漸下降。進(jìn)入濁度計后, 由于濁度計腔體內(nèi)有熱源, 樣氣溫度再次升高。因此, 加濕后的樣氣在濁度計進(jìn)氣口處溫度降至最低, 相對濕度達(dá)到最高。為避免管路中出現(xiàn)過飽和凝結(jié)現(xiàn)象, 我們在濁度計進(jìn)氣口處安置一枚探頭, 監(jiān)視樣氣相對濕度(圖1)。

2 系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 降低濁度計腔體內(nèi)熱源的影響

我們設(shè)計的系統(tǒng)中使用的濁度計為TSI公司生產(chǎn)的 3563 型三波段積分濁度計。該型號濁度計的光源為鹵素?zé)? 發(fā)熱嚴(yán)重。此外, 濁度計的鼓風(fēng)扇、電路板等部件也會發(fā)熱。測試結(jié)果表明, 當(dāng)濁度計流量為13 L/min時, 腔體內(nèi)的溫度比進(jìn)氣口處氣溫高 4.3oC。如果流量降低, 溫差將進(jìn)一步增大。測量干燥氣溶膠的散射系數(shù)時, 腔體內(nèi)升溫不會有任何影響。但是, 當(dāng)測量加濕后氣溶膠的散射系數(shù)時, 小幅度的升溫將導(dǎo)致樣氣相對濕度大幅下降。例如, 濁度計腔體內(nèi)溫度比進(jìn)氣口處高4oC時, 樣氣進(jìn)入濁度計后相對濕度從 90%降至約 70%。因此, 腔體內(nèi)升溫會嚴(yán)重影響高相對濕度條件下氣溶膠散射系數(shù)的測量。

為了減弱濁度計腔體內(nèi)升溫, 研究者們做過多種嘗試。Carrico 等[9]將濁度計光源功率由 75 W 降至25 W, 同時移除濁度計外殼, 用風(fēng)扇對著濁度計腔體外壁吹, 加快腔體散射。Fierz-Schmidhauser 等[23]在光源與濁度計腔體之間添加一片熱反射鏡, 削弱進(jìn)入濁度計腔體的光強(qiáng)。我們的加濕濁度計系統(tǒng)中同時采用降低光源功率和添加熱鏡兩種方法。我們使用的熱鏡為 ThorLabs 公司生產(chǎn)的 FM201 型熱反射鏡(圖 4), 波長介于 450~645 nm 的可見光透過率高于85%, 波長大于 750 nm 的紅外光反射率超過90%, 50%截斷波長為720±25 nm。

我們做了室內(nèi)試驗, 測試降低光源功率和添加熱鏡的效果。測試分為兩組, 分別在有無熱鏡情形下進(jìn)行。測試初始時設(shè)定光源功率為 25 W, 3 小時后將光源功率調(diào)整為 50 W, 6 小時后調(diào)整為 75 W。測試過程中濁度計流量為 13 L/min。圖 5 展示濁度計進(jìn)氣口處和腔體內(nèi)的溫度隨時間的變化及兩者溫差的變化趨勢。可以看出, 測試過程中進(jìn)氣口處氣溫基本上穩(wěn)定, 其中的小幅波動是由實驗室內(nèi)空調(diào)周期性制冷造成的。腔體內(nèi)溫度隨著光源功率的增強(qiáng)而不斷上升, 與進(jìn)氣口處的溫度差也在不斷增大。在相同光源功率條件下, 添加熱鏡后腔室內(nèi)升溫減小。表1展示不同光源功率下及有無熱鏡時濁度計腔體內(nèi)升溫幅度。將光源功率由 75 W 調(diào)整至 25 W 以及添加熱鏡后, 腔體內(nèi)升溫由 4.3oC 降低至2.3oC。

表1 不同光源功率及有無熱鏡時濁度計腔體內(nèi)升溫狀況

2.2 濁度計腔體內(nèi)相對濕度校正

氣溶膠散射吸濕增長因子對相對濕度的敏感程度隨相對濕度增大而升高。當(dāng)相對濕度接近 100% 時, 相對濕度的微小變化會導(dǎo)致(RH)的巨大變化。因此, 精確測量濁度計腔體內(nèi)的相對濕度對于降低(RH)結(jié)果的不確定性至關(guān)重要。

我們在搭建加濕濁度計系統(tǒng)過程中, 發(fā)現(xiàn)濁度計自帶的濕度探頭測值不準(zhǔn), 需要進(jìn)行校正。加濕后的樣氣通過系統(tǒng)的不同位置時, 由于溫度變化, 相對濕度會跟隨變化, 但露點溫度是恒定的, 除非有額外的水汽補(bǔ)充或損耗。因此, 可考慮在管路中其他位置測出樣氣的露點溫度, 間接算出腔體內(nèi)的相對濕度。有研究者在濁度計后連接一臺露點測溫儀[14], 而我們在濁度計的進(jìn)氣口和出氣口處各設(shè)置一枚 Vaisala 公司生產(chǎn)的 HMP110 型溫濕探頭(圖1)。系統(tǒng)運行時, 兩枚探頭各測得一組溫度值和相對濕度值, 可計算進(jìn)氣口處和出氣口處的露點溫度DP1 和 DP2。若系統(tǒng)運行正常, DP1 和 DP2 應(yīng)相等。圖 6(a)展示一次相對濕度循環(huán)內(nèi)露點溫度的變化, 濁度計進(jìn)氣口處和出氣口處的露點溫度基本上相同, 而濁度計自帶探頭測出的露點溫度值則嚴(yán)重偏高。利用 DP1 和 DP2 及濁度計腔體內(nèi)的溫度測值, 可以得到校正后的腔體內(nèi)相對濕度(圖 6(b)中黑色曲線)。

3 結(jié)語

測量散射吸濕增長因子需要使用加濕濁度計系統(tǒng)。華北地區(qū)氣溶膠性質(zhì)復(fù)雜, 日變化特征顯著, 而國內(nèi)現(xiàn)有的加濕濁度計系統(tǒng)時間分辨率較低, 僅能得到一段觀測時期內(nèi)的平均結(jié)果。為了研究華北地區(qū)氣溶膠吸濕增長特性的日變化特征, 我們在先前研究的基礎(chǔ)上, 獨立設(shè)計并搭建一套高時間分辨率的加濕濁度計系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩臺水浴交替控制加濕過程, 顯著提高了時間分辨率。另外還通過降低光源功率以及在光源前方添加熱鏡等方式, 有效地降低了濁度計腔體內(nèi)升溫幅度, 提升了加濕效率。與國內(nèi)已有的加濕濁度計系統(tǒng)相比, 該系統(tǒng)在時間分辨率和加濕效率方面具有顯著優(yōu)勢。

該系統(tǒng)仍有較大的改進(jìn)空間。 TSI3563 型濁度計腔體較大, 圓柱形腔體的直徑為 10 cm, 長度約為 90 cm, 體積約為 4.7 L, 與每分鐘樣氣的流量相當(dāng)。若加濕過程中樣氣的相對濕度變化過快, 腔體內(nèi)的相對濕度和溫度會不均勻, 影響散射吸濕增長因子的測量精度。由于該型號濁度計的腔體較大, 限制了進(jìn)一步提升時間分辨率的可能性。此外, 該系統(tǒng)不能通過繼續(xù)降低光源功率的方式來降低腔體內(nèi)的升溫, 進(jìn)而無法進(jìn)一步提高加濕效率。若繼續(xù)降低光源功率, 光強(qiáng)降低的同時, 光譜峰值向長波方向移動, 將導(dǎo)致散射系數(shù)測值(特別是 450 nm 波長條件下)的不確定度大大增加。

EcoTech 公司生產(chǎn)的 Aurora3000 型三波段濁度計采用LED燈做光源, 幾乎不產(chǎn)熱, 且腔體體積小, 能夠很好地彌補(bǔ)以上兩點劣勢。今后我們將嘗試使用 Aurora3000 型濁度計搭建一套新的加濕濁度計系統(tǒng), 并進(jìn)一步提升時間分辨率。

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Design of a Humidified Nephelometer System with High Time Resolution

LIU Hongjian, ZHAO Chunsheng?

Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: zcs@pku.edu.cn

In order to study the diurnal variations of aerosol hygroscopic properties in North China, a new humidified nephelometer system is designed with the advantage of high time resolution and high humidification efficiency. In this system, two water baths are used for the first time to control humidification process in turn, reducing the circulation cycle from two to three hours to about one hour. Besides the nephelometer lamp power is reduced from 75 W to 25 W, and a piece of heat mirror is set ahead of the lamp. After those modifications, the temperature rising inside the chamber decreases from 4.3 oC to 2.3 oC and humidification efficiency rises. The original RH sensor inside the chamber is inaccurate, so two Vaisala sensors are set at the inlet and outlet of the nephelometer to correct the RH inside the chamber. In the future, this humidified nephelometer system will be used inmeasurement in North China to get the diurnal variation properties of aerosol light scattering enhance-ment factor.

humidified nephelometer; light scattering enhancement factor; hygroscopicity

10.13209/j.0479-8023.2016.053

P414

國家自然科學(xué)基金(41375134)資助

2015-07-14;

2015-09-13;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-29