本發(fā)明涉及大氣氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種寬帶光腔、具有該光腔的寬帶腔增強(qiáng)氣溶膠消光儀,以及利用該氣溶膠消光儀實(shí)現(xiàn)的氣溶膠消光系數(shù)的測(cè)量方法。
背景技術(shù):
大氣氣溶膠粒子對(duì)氣候變化、大氣環(huán)境及人類健康有著重要影響。其中,氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射直接影響著地球輻射平衡從而影響氣候變化,這種吸收和散射統(tǒng)稱為消光。氣溶膠消光也直接影響著大氣環(huán)境的能見度。然而氣溶膠的來(lái)源、尺度、濃度及化學(xué)組分的時(shí)空多樣性,導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)特性的時(shí)空差異,因此對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的準(zhǔn)確測(cè)量是研究氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的關(guān)鍵。
目前用于氣溶膠消光系數(shù)的高精度測(cè)量技術(shù)主要有光聲光譜技術(shù)(PAS)、腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS)及腔增強(qiáng)光譜技術(shù)(CEAS)。PAS經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展,已經(jīng)發(fā)展成一種成熟廣泛的儀器。CRDS使用高精度光腔以一米的基長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)公里的光程,在具有很高探測(cè)靈敏度和時(shí)間分辨率的同時(shí),還需要精確探測(cè)時(shí)間衰蕩因子的高速硬件設(shè)備,成本較高。CEAS是在CRDS的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),主要通過(guò)測(cè)量通過(guò)樣品前后光強(qiáng)變化,無(wú)需CRDS的高成本硬件,成本相對(duì)較低。
氣相吸收是影響氣溶膠消光系數(shù)精確測(cè)量的主要因素,如在可見光波段,影響消光系數(shù)測(cè)量的主要?dú)怏w為NO2,如532nm處吸收對(duì)消光貢獻(xiàn)為約0.33Mm-1/ppbv,440nm處則為約1.8Mm-1/ppbv,由此可見氣相吸收的影響是不可忽視的。常用來(lái)估計(jì)氣相吸收的方法為測(cè)量前先測(cè)量背景氣(即粒子過(guò)濾后的樣氣)的吸收系數(shù),通過(guò)扣除背景氣體吸收來(lái)確定氣溶膠消光系數(shù)。但大氣中NO2濃度距離排放源的遠(yuǎn)近變化很大,可達(dá)到幾個(gè)ppbv到幾百個(gè)ppbv的變化。
因此,單波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)在氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量時(shí)氣相吸收會(huì)引入測(cè)量誤差,無(wú)法得出氣體對(duì)消光的實(shí)時(shí)貢獻(xiàn),影響大氣環(huán)境中氣溶膠消光系數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。在這種情況下要準(zhǔn)確測(cè)量大氣氣溶膠消光系數(shù)就需要單獨(dú)外加一臺(tái)設(shè)備專門測(cè)量NO2濃度,這使得測(cè)量設(shè)備更加復(fù)雜。而且傳統(tǒng)的設(shè)備體積龐大且必須具備昂貴的激光光源控制器和多個(gè)光路折返鏡,成本較高,集成化程度低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種光腔、具有該光腔的氣溶膠消光儀及氣溶膠消光系數(shù)的測(cè)量方法,用以解決現(xiàn)有技術(shù)大氣環(huán)境中氣溶膠消光系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不夠準(zhǔn)確的問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。
一種光腔,包括腔體,所述腔體呈圓筒狀,所述腔體的兩端均密封安裝有高反腔鏡,所述高反腔鏡的一面為具有曲率的高反面,且所述高反面皆面朝腔內(nèi),所述高反面的反射率大于99.95%;所述腔體上連通第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴、進(jìn)樣氣嘴和抽氣嘴,所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴分居所述腔體的兩端,所述進(jìn)樣氣嘴和抽氣嘴同樣分居所述腔體的兩端,且所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴處于相對(duì)更靠近所述腔體兩端端面的位置。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述腔體的材質(zhì)為不銹鋼。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述高反腔鏡固定在法蘭中,所述法蘭分別密封安裝于所述腔體的兩端。
氣溶膠消光儀,包括
光路部件,所述光路部件包括光源、入射光纖、耦合透鏡、濾光片、光腔、自聚焦透鏡、出射光纖及光譜儀,所述光源發(fā)出的光通過(guò)所述入射光纖、所述濾光片,再通過(guò)所述耦合透鏡,進(jìn)入所述光腔內(nèi),所述光腔內(nèi)出射光經(jīng)所述自聚焦透鏡導(dǎo)入所述出射光纖,再接入所述光譜儀,由此完成整個(gè)光路傳輸;
氣路部件,所述氣路部件包括三通電磁閥、溫濕計(jì)、壓力計(jì)、采樣泵、質(zhì)量流量計(jì),所述三通電磁閥連接所述進(jìn)樣氣嘴,用于控制兩路樣氣進(jìn)入所述進(jìn)樣氣嘴,其中一路接有第一粒子過(guò)濾器,所述溫濕計(jì)、壓力計(jì)、采樣泵依序串聯(lián),且所述溫濕計(jì)與所述抽氣嘴連通,所述壓力計(jì)與采樣泵之間設(shè)置有第二粒子過(guò)濾器,所述質(zhì)量流量計(jì)有三個(gè),其中兩個(gè)分別用于控制所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴的保護(hù)氣流量,另一個(gè)設(shè)置于所述第二粒子過(guò)濾器與所述采樣泵之間;
以及數(shù)據(jù)采集部件,所述數(shù)據(jù)采集部件包括數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī),所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集溫濕計(jì)及壓力計(jì)的數(shù)據(jù),并與所述計(jì)算機(jī)相連,所述光譜儀直接與所述計(jì)算機(jī)相連。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述光源為寬帶LED光源。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴均通入保護(hù)氣,用來(lái)沖洗保護(hù)所述高反腔鏡。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述保護(hù)氣為高純氮?dú)饣蛘吡憧諝猓凰龅馁|(zhì)量流量計(jì)分別用來(lái)控制兩路保護(hù)氣的流量。
“零空氣”指的是理想空氣,基本為氧氣(約20%)和氮?dú)?約80%),為實(shí)驗(yàn)室常用,有專門的零空氣發(fā)生設(shè)備(商業(yè)儀器)。
本發(fā)明中,作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案,所述三通電磁閥控制的兩路樣氣在正常工作時(shí)僅能擇一通入。
氣溶膠消光系數(shù)的測(cè)量方法,利用如上所述的氣溶膠消光儀,包括如下步驟:
(1)打開氣溶膠消光儀,光路部件和電路部件全部啟動(dòng),從所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴均通入保護(hù)氣用來(lái)沖洗保護(hù)所述高反腔鏡,啟動(dòng)采樣泵開始抽氣,利用計(jì)算機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑,點(diǎn)擊軟件運(yùn)行,選擇工作波長(zhǎng),消光儀正式工作。
(2)保證第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴內(nèi)通入的保護(hù)氣的流量都為0.1L/min;設(shè)置三通電磁閥的工作時(shí)間分別為背景氣5分鐘和樣氣30分鐘,即每30分鐘自動(dòng)校零一次;所述采樣泵通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制抽氣嘴的采樣抽速為1.5L/min,并在采樣管路上接有溫濕計(jì)和壓力計(jì)分別檢測(cè)樣氣的溫度、濕度及壓強(qiáng)值。
(3)數(shù)據(jù)采集卡采集溫濕計(jì)和壓力計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并和光譜儀一起分別通過(guò)USB傳輸線接入計(jì)算機(jī),由此完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集傳輸,并根據(jù)計(jì)算機(jī)獲知測(cè)量結(jié)果。
步驟(2)中,背景氣5分鐘是指打開接有第一粒子過(guò)濾器的氣路5分鐘,另一路為關(guān)閉狀態(tài);而樣氣30分鐘則是關(guān)閉接有第一粒子過(guò)濾器的氣路,同時(shí)打開另一氣路30分鐘。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)儀器結(jié)構(gòu)中使用寬帶LED光源、光纖和自聚焦透鏡,省去了體積龐大且昂貴的激光光源控制器和多個(gè)光路折返鏡,使得儀器更緊湊,集成化程度更高;
(2)大氣環(huán)境中氣溶膠消光系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);
(3)寬光譜測(cè)量,可獲得整個(gè)光源波段的氣溶膠消光譜數(shù)據(jù);
(4)獲得氣體濃度,有效扣除譜內(nèi)氣相吸收帶來(lái)的測(cè)量誤差;
(5)精確度高,消光系數(shù)的測(cè)量誤差可達(dá)0.1Mm-1;
(6)時(shí)間分辨率高,可達(dá)1s。
附圖說(shuō)明
圖1寬帶腔增強(qiáng)氣溶膠消光儀原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2光腔的原理示意圖。
圖3標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯小球的消光系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖4實(shí)際大氣氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明,但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
如圖1和圖2所示,一種光腔,包括腔體,所述腔體呈圓筒狀,采用不銹鋼材質(zhì),所述腔體的兩端均密封安裝有高反腔鏡,所述高反腔鏡的一面為具有曲率的高反面,且所述高反面皆面朝腔內(nèi),所述高反面的反射率大于99.95%;所述腔體上連通第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴、進(jìn)樣氣嘴和抽氣嘴,所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴分居所述腔體的兩端,第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴均通入保護(hù)氣,用來(lái)沖洗保護(hù)所述高反腔鏡,保護(hù)氣為高純氮?dú)饣蛘吡憧諝?;所述進(jìn)樣氣嘴和抽氣嘴同樣分居所述腔體的兩端,且所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴處于相對(duì)更靠近所述腔體兩端端面的位置。
為了確保密封性,所述高反腔鏡固定在法蘭中,所述法蘭分別密封安裝于所述腔體的兩端。
本發(fā)明提供的氣溶膠消光儀,包括光路部件、氣路部件以及數(shù)據(jù)采集部件,所述光路部件包括光源、入射光纖、耦合透鏡、濾光片、光腔、自聚焦透鏡、出射光纖及光譜儀,所述光源為寬帶LED光源,所述光源發(fā)出的光通過(guò)所述入射光纖、所述耦合透鏡,再通過(guò)所述濾光片,進(jìn)入所述光腔內(nèi),所述光腔內(nèi)出射光經(jīng)所述自聚焦透鏡導(dǎo)入所述出射光纖,再接入所述光譜儀,由此完成整個(gè)光路傳輸;所述氣路部件包括三通電磁閥、溫濕計(jì)、壓力計(jì)、采樣泵、質(zhì)量流量計(jì),所述三通電磁閥連接所述進(jìn)樣氣嘴,用于控制兩路樣氣進(jìn)入所述進(jìn)樣氣嘴,其中一路接有第一粒子過(guò)濾器,所述三通電磁閥控制的兩路樣氣在正常工作時(shí)僅能擇一通入,即當(dāng)接有第一粒子過(guò)濾器的氣路開通時(shí),另一氣路為關(guān)閉的,當(dāng)接有第一粒子過(guò)濾器的氣路關(guān)閉時(shí),另一氣路才能開通;所述溫濕計(jì)、壓力計(jì)、采樣泵依序串聯(lián),且所述溫濕計(jì)與所述抽氣嘴連通,所述壓力計(jì)與采樣泵之間設(shè)置有第二粒子過(guò)濾器,所述質(zhì)量流量計(jì)有三個(gè),其中兩個(gè)分別用于控制所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴的保護(hù)氣流量,另一個(gè)設(shè)置于所述第二粒子過(guò)濾器與所述采樣泵之間;所述數(shù)據(jù)采集部件包括數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī),所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集溫濕計(jì)及壓力計(jì)的數(shù)據(jù),并與所述計(jì)算機(jī)相連,所述光譜儀直接與所述計(jì)算機(jī)相連。
氣溶膠消光系數(shù)的測(cè)量方法,利用如上所述的氣溶膠消光儀,包括如下步驟:
(1)打開氣溶膠消光儀,光路部件和電路部件全部啟動(dòng),從所述第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴均通入保護(hù)氣用來(lái)沖洗保護(hù)所述高反腔鏡,啟動(dòng)采樣泵開始抽氣,利用計(jì)算機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑,點(diǎn)擊軟件運(yùn)行,選擇工作波長(zhǎng),消光儀正式工作。
(2)保證第一保護(hù)氣嘴、第二保護(hù)氣嘴內(nèi)通入的保護(hù)氣的流量都為0.1L/min;設(shè)置三通電磁閥的工作時(shí)間分別為背景氣5分鐘和樣氣30分鐘,即每30分鐘自動(dòng)校零一次,也就是說(shuō):打開接有第一粒子過(guò)濾器的氣路5分鐘,另一路為關(guān)閉狀態(tài);關(guān)閉接有粒子過(guò)濾器的氣路,同時(shí)打開另一氣路30分鐘,周期循環(huán);所述采樣泵通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制抽氣嘴的采樣抽速為1.5L/min,并在采樣管路上接有溫濕計(jì)和壓力計(jì)分別檢測(cè)樣氣的溫度、濕度及壓強(qiáng)值。
(3)數(shù)據(jù)采集卡采集溫濕計(jì)和壓力計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并和光譜儀一起分別通過(guò)USB傳輸線接入計(jì)算機(jī),由此完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集傳輸,并根據(jù)計(jì)算機(jī)獲知測(cè)量結(jié)果。
(4)計(jì)算機(jī)對(duì)步驟(3)采集的數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下:利用測(cè)得的背景氣寬帶光強(qiáng)譜數(shù)據(jù)I0(λ)和樣氣寬帶光強(qiáng)譜數(shù)據(jù)I(λ)計(jì)算出光腔內(nèi)總的寬帶消光譜:
上式測(cè)得的結(jié)果實(shí)際為氣相吸收αgas和氣溶膠消光αaerosol之和,若要準(zhǔn)確測(cè)量氣溶膠消光系數(shù)需對(duì)測(cè)得的總消光系數(shù)α(λ)進(jìn)行非線性擬合處理:
α(λ)=∑niσi(si+tiλ)+P(λ)
處理后的消光系數(shù)主要包括兩個(gè)部分:第一部分為各氣體的氣相吸收,表示為niσi(si+tiλ),ni為氣體濃度,σi(si+tiλ)為氣體吸收截面,si和ti分別為譜線位置的平移和拉伸;第二部分為待測(cè)氣溶膠的消光系數(shù),表示為P(λ),由此最終的計(jì)算結(jié)果可將氣相吸收與氣溶膠消光分離,實(shí)現(xiàn)氣溶膠消光譜的實(shí)時(shí)精確測(cè)量。
下面為一則更詳細(xì)的應(yīng)用實(shí)例:
所述寬帶腔增強(qiáng)氣溶膠消光儀包括光路部件、氣路部件和數(shù)據(jù)采集部件。光源101選用藍(lán)光寬帶LED,中心波長(zhǎng)461nm。入射光纖102為芯徑600um、數(shù)值孔徑0.22的多模光纖。耦合透鏡103為口徑25.4mm、焦距75mm的消色差透鏡。濾光片104選用中心波長(zhǎng)450nm,最大半寬40nm的寬帶濾光片。光腔105腔長(zhǎng)為700mm,腔體1051材質(zhì)為不銹鋼,形狀為圓柱狀,內(nèi)徑為35mm,第一保護(hù)氣嘴1054、第二保護(hù)氣嘴1055、進(jìn)樣氣嘴1056、抽氣嘴1057內(nèi)徑均為4mm,第一高反腔鏡1052、第二高反腔鏡1053為曲率半徑1m、口徑25.4mm的平凹高反鏡,其反射率在440nm-475nm波段大于99.96%,兩個(gè)腔鏡固定在特定的法蘭中,再利用法蘭分別密封裝調(diào)在腔體1051的兩端,高反面朝腔內(nèi)方向。出射光纖107為芯徑500um、數(shù)值孔徑0.22的多模光纖。
光源101(藍(lán)光寬帶LED)發(fā)出的光通過(guò)入射光纖102傳輸,經(jīng)耦合透鏡103和濾光片104后進(jìn)入光腔105,光腔105出射光經(jīng)自聚焦透鏡106導(dǎo)入出射光纖107,再接入光譜儀108,由此完成整個(gè)光路傳輸。
保護(hù)氣通入氣路管件后分為兩路,分別在每一路接入質(zhì)量流量計(jì)201(與第一保護(hù)氣嘴1054相配合)和質(zhì)量流量計(jì)202(與第二保護(hù)氣嘴1055相配合),控制兩路保護(hù)氣的流量都為0.1L/min;保護(hù)氣選用高純氮?dú)?,用于保護(hù)第一高反腔鏡1052、第二高反腔鏡1053在測(cè)量過(guò)程中免受氣溶膠污染。進(jìn)樣氣嘴用于通入待測(cè)樣氣,樣氣端接口有兩路,一路氣接有第一粒子過(guò)濾器205,另一路氣不接。兩路氣通過(guò)三通電磁閥204接入進(jìn)樣氣嘴1056,每次只允許其中一路通過(guò),將三通電磁閥204的工作時(shí)間分別設(shè)置為背景氣5分鐘和樣氣30分鐘,即每30分鐘自動(dòng)校零一次。當(dāng)接有第一粒子過(guò)濾器205的氣路打開時(shí),另一路為關(guān)閉狀態(tài),此時(shí)過(guò)濾后的樣氣可作為背景氣使用;當(dāng)接有第一粒子過(guò)濾器205的氣路關(guān)閉時(shí),另一路為打開狀態(tài),此時(shí)樣氣未經(jīng)過(guò)濾,則為待測(cè)大氣。采樣泵209通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)203控制抽氣嘴1057采樣抽速為1.5L/min,第二過(guò)濾器206保護(hù)質(zhì)量流量計(jì)203,并在采樣管路上接有溫濕計(jì)207和壓力計(jì)208分別檢測(cè)樣氣的溫度、濕度及壓強(qiáng)值,由此完成整個(gè)氣路傳輸。
數(shù)據(jù)采集卡301用來(lái)采集溫濕計(jì)207和壓力計(jì)208的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并和光譜儀108一起分別通過(guò)USB傳輸線接入計(jì)算機(jī)302,由此完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集傳輸。
計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下:利用測(cè)得的背景氣光強(qiáng)I0和樣氣光強(qiáng)I計(jì)算出光腔內(nèi)總的寬帶消光譜:
上式測(cè)得的結(jié)果實(shí)際為氣相吸收αgas和氣溶膠消光αaerosol之和,若要準(zhǔn)確測(cè)量氣溶膠消光系數(shù)需對(duì)測(cè)得的總消光系數(shù)α(λ)進(jìn)行非線性擬合處理:
α(λ)=∑niσi(si+tiλ)+P(λ)
處理后的消光系數(shù)主要包括兩個(gè)部分:第一部分為各氣體的氣相吸收,表示為niσi(si+tiλ),ni為氣體濃度,σi(si+tiλ)為氣體吸收截面,si和ti分別為譜線位置的平移和拉伸;第二部分為待測(cè)氣溶膠的消光系數(shù),表示為P(λ),由此最終的計(jì)算結(jié)果可將氣相吸收與氣溶膠消光分離,實(shí)現(xiàn)氣溶膠消光譜的實(shí)時(shí)精確測(cè)量。
圖3、圖4為上述應(yīng)用實(shí)例得到的結(jié)果。
圖3所示為使用本發(fā)明測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯小球(PSL)消光系數(shù)與粒子數(shù)濃度關(guān)系圖。選取了不同粒徑的PSL(200nm、240nm、300nm、350nm、400nm和500nm)進(jìn)行實(shí)測(cè),得到了PSL消光系數(shù)和粒子數(shù)濃度,并通過(guò)線性擬合得到了461nm處各粒徑的消光截面。
圖4所示為使用本發(fā)明進(jìn)行的實(shí)際大氣氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù),在獲得461nm處氣溶膠消光系數(shù)的同時(shí),還獲得了其中的主要吸收性氣體NO2的實(shí)時(shí)濃度。
雖然,上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述,但在本發(fā)明基礎(chǔ)上,可以對(duì)之做一些修改或改進(jìn),這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此,在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn),均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。