云凝结核数浓度快速测量装置的标定装置及标定方法

摘要

本发明具体提供了两种装置：一种是能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置，该装置通过控制装置改变云凝结核计数器的进气流量产生不同的过饱和度，由于云凝结核计数器云室内过饱和度改变对流量改变的响应时间(数秒)相对于传统的改变云室顶底温差的方法更快，因此此设备的云凝结核数浓度测量更加快速，此外该装置能够应用于多情景下的观测(例如航测)。另一种是上述能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置中过饱和度的标定装置，同样可以实现快速标定。

说明书

技术领域

本发明属于气溶胶探测领域和云微物理领域，尤其涉及一种多过饱和度下的云凝结核数浓度快速测量装置及标定装置和标定方法。

背景技术

气溶胶-云交互作用是气溶胶气候效应研究的重要内容，也是目前全球辐射强迫评估结果的最大不确定来源。科勒理论指出，气溶胶在过饱和条件下能够活化成为云凝结核。云凝结核是成云和降雨必要条件，其数浓度是研究气溶胶-云交互作用的重要参数，因此准确、稳定的云凝结核计数器设备尤为重要。另外，云凝结核数浓度是对于过饱和度而言的，因此所使用的云凝结核计数器的过饱和度的标定结果的准确与否是实现云凝结核数浓度准确测量的前提。

目前云凝结核计数器国内外应用最为广泛的是连续流热梯度云凝结核计数器。该设备主要包含圆柱形云室和光学计数器。云室顶底设置温差(底部温度－顶部温度，大于0摄氏度) 且云室内壁保持湿润，云室中心线附近的过饱和度由水蒸气和热的扩散速率差异产生。连续流热梯度云凝结核计数器实际运行中，经过除湿的气溶胶在鞘气的保护下，从云室顶部中心线附近进入云室，云凝结核被底部的光学计数器计数。目前连续流热梯度云凝结核计数器有单云室型和双云室型两种，单云室云凝结核计数器包含一套圆柱形云室和光学计数器，双云室云凝结核计数器则包含两套圆柱形云室和光学计数器，无论是单云室还是双云室，测量的时间分辨率都为1秒。

连续流热梯度云凝结核计数器的云室中心线附近的过饱和度与多个因素相关，包括云室顶底温差、进气压强、进气流量等。目前，多数观测使用基于改变云室顶底温差的方式产生不同过饱和度的云凝结核计数器进行测量。原因是基于改变云室顶底温差的方式产生不同过饱和度的云凝结核计数器较为简单方便，无需添加其他装置(如流量控制装置、气压稳定装置)。然而，上述基于改变云室顶底温差的方式产生不同过饱和度的云凝结核计数器的云室在一个顶底温差向另一个温差改变时需要耗费较长的时间(通常需要3～5分钟以上)，测量不同过饱和度时间较长。

另外，云凝结核计数器中过饱和度的标定准确性是云凝结核数浓度能够准确测量与否的前提。目前基于改变云室顶底温差的方式产生不同过饱和度的云凝结核计数器的配套标定系统同样存在耗时长的问题。此外，另一个影响过饱和度的标定结果的因素是不同团队在云凝结核计数器过饱和度标定过程中运用的科勒模型形式不一，且多数并未指明具体所用形式。导致目前云凝结核数浓度观测结果无法进行进一步比对和参考。

因此，本发明提出一种能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置，并提出实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置中过饱和度的标定装置。

发明内容

针对目前云凝结核数浓度测量的局限，本发明提供一种能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置，以及提出上述云凝结核数浓度快速测量系统的配套标定装置。

本发明的一个目的之一是提供一种能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置。包括：

干燥器，用于对携带气溶胶气流进行除湿；

云凝结核计数器，用于获取除湿后携带气溶胶气流的每秒云凝结核数浓度数据。

控制装置，用于控制云凝结核计数器的进气流量，从而改变云凝结核计数器的过饱和度。

进一步地，还包括：

凝结核计数器，用于获取除湿后环境气溶胶的每秒凝结核数浓度。

气泵，与所述凝结核计数器连接，为凝结核计数器提供抽力，供凝结核计数器工作。

进一步地，还包括用于控制除湿后携带环境气溶胶气流压力恒定的控压机。

进一步地，本发明提供的能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置中，云凝结核计数器可以为单云室云凝结核计数器或双云室云凝结核计数器，其中，所述控制装置通过改变和控制单云室云凝结核计数器的单个云室或双云室云凝结核计数器两个云室的进气流量进而改变云凝结核计数器每个云室的过饱和度。

本发明的目的之二是提出上述云凝结核数浓度快速测量系统的标定装置，包括：压缩空气产生装置、过滤器、气溶胶发生器、干燥器、控压机、中和器、电迁移率筛分仪、凝结核计数器、云凝结核计数器、气泵和控制装置。其中，压缩空气产生装置、过滤器、气溶胶发生器、干燥器、中和器、电迁移率筛分仪依次连接，气溶胶发生器的出口还设有排空口；电迁移率筛分仪的出口分别与凝结核计数器、云凝结核计数器的进口连接，气泵与凝结核计数器连接，用于获取电迁移率筛分仪产生的单分散气溶胶。所述控制装置用于控制电迁移率筛分仪出口流量恒定。

进一步地，所述云凝结核计数器为单云室云凝结核计数器时，所述控制装置具体包括质量流量控制器、气泵和外置控制器，其中，外置控制器用于控制单云室云凝结核计数器的进气流量，气泵和与外置控制器直接连接的质量流量控制器组成单云室云凝结核计数器的并联支路，通过外置控制器同时控制单云室云凝结核计数器的进气流量和通过质量流量控制器的流量，使电迁移率筛分仪出口流量恒定。

进一步地，所述云凝结核计数器为双云室云凝结核计数器时，所述控制装置分别控制双云室云凝结核计数器两个云室的进气流量，维持双云室云凝结核计数器的总进气流量恒定。

进一步地，还包括用于控制除湿后携带环境气溶胶气流压力恒定的控压机。

本发明的目的之三是提供上述标定装置的标定方法，该方法具体为：

(1)设定电迁移率筛分仪中的干粒径。

(2)通过控制装置调节云凝结核计数器的进气流量，云凝结核计数器获得每秒云凝结核数浓度(N

(3)改变步骤1中的干粒径值，重复步骤2，最后线性拟合云凝结核计数器云室的进气流量和过饱和度的对应关系，得到流量与过饱和度的关系式，标定结束。

本发明的有益效果是：本发明的装置通过改变云凝结核计数器的进气流量产生不同的过饱和度，由于云凝结核计数器对流量的响应时间(数秒)相对于传统的改变云室顶底温差的方法更快，因此设备的云凝结核数浓度测量更加快速。此外该装置能够应用于多情景下的观测(例如航测)。本发明同时提出上述云凝结核数浓度快速测量装置中过饱和度的标定装置。

附图说明

图1为能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置示意图(图1A利用单云室云凝结核计数器，图1B利用双云室云凝结核计数器)。

图2为能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的配套标定装置的示意图(图2A为单云室云凝结核计数器的过饱和度标定装置，图2B为双云室云凝结核计数器的过饱和度标定装置)。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2，对本发明作进一步说明：

图1为能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置示意图，其中A为利用单云室云凝结核计数器，B为利用双云室云凝结核计数器，该装置具体包括：

干燥器，用于对携带环境气溶胶气流进行除湿；

云凝结核计数器，用于获取除湿后携带气溶胶气流的每秒云凝结核数浓度数据。

控制装置，用于控制云凝结核计数器的进气流量，从而改变云凝结核计数器的过饱和度。当为双云室云凝结核计数器时，所述控制装置分别控制双云室云凝结核计数器两个云室的进气流量，分别改变云凝结核计数器两个云室的过饱和度。

凝结核计数器，用于获取除湿后气溶胶的每秒凝结核数浓度。

气泵，与所述凝结核计数器连接，为凝结核计数器提供抽力。

图2为能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的配套标定装置的示意图，针对云凝结核计数器的单、双云室不同，标定装置略有不同。

若使用单云室云凝结核计数器，则标定装置(如附图2A)主要包括压缩空气产生装置、过滤器、气溶胶发生器、干燥器、控压机、中和器、电迁移率筛分仪、凝结核计数器、单云室云凝结核计数器、质量流量控制器、气泵以及外置控制器。压缩空气装置出气口连接过滤器进气口；过滤器出气口连接气溶胶发生器进气口。气溶胶发生器出口分为两路，一路排空，另一路连接干燥器进气口；干燥器出口分为两路，第一路连接控压机进气口，控压机出气口直接排空。第二路连接中和器进气口，气溶胶在中和器中荷电。中和器出气口连接电迁移率筛分仪进气口，得到单分散的气溶胶。电迁移率筛分仪出气口分为两路，第一路连接凝结核计数器进气口，获得每秒凝结核数浓度(N

若使用双云室云凝结核计数器，则标定装置(如附图2B)主要包括压缩空气产生装置、过滤器、气溶胶发生器、干燥器、控压机、中和器、电迁移率筛分仪、凝结核计数器、双云室云凝结核计数器、气泵以及外置控制器。压缩空气装置出气口连接过滤器进气口；过滤器出气口连接气溶胶发生器进气口。气溶胶发生器出口分为两路，一路排空，另一路连接干燥器进气口；干燥器出口分为两路，第一路连接控压机进气口，控压机出气口直接排空。第二路连接中和器进气口，气溶胶在中和器中荷电。中和器出气口连接电迁移率筛分仪进气口，得到单分散的气溶胶。电迁移率筛分仪出气口分为两路，第一路连接凝结核计数器进气口，获得每秒凝结核数浓度(N

下面，进一步阐述能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的配套标定装置的实施步骤和标定完成后能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的测量步骤。

参考附图2，能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的配套标定装置的实施步骤如下(如航测则步骤为1～8；若非航测，则步骤为2～8)：

1)首先确定将航测的预定最高高度及对应的气压，作为标定装置中控压机的输入参数，标定期间恒定不变。

2)根据云凝结核计数器的单、双云室按照图2A或图2B连接装置(如航测则必需安装控压机)。

3)选择从大到小的至少5个干粒径D

4)打开压缩空气发生装置产生压缩气体，经过过滤器过滤多余颗粒物后进入气溶胶发生器产生气溶胶(例如硫酸铵)。后续依次通过干燥器(除湿)、中和器(使气溶胶荷电)。

5)气流携荷电的气溶胶进入电迁移率筛分仪筛出干粒径为步骤3中一个干粒径值的(例如D

6)此步骤根据使用单、双云室云凝结核计数器不同而略有不同：

若使用单云室云凝结核计数器(参考图2A)：则外置控制器设定一系列单云室云凝结核计数器的进气流量(例如范围大致在0.2升/分至1升/分之间)，同时设置相应的质量流量控制器的流量，以保持质量流量控制器的流量与单云室云凝结核计数器的进气流量之和恒定(例如为1.0升/分)。

若使用的云凝结核计数器为双云室(参考图2B)：则外置控制器设定一系列双云室云凝结核计数器的进气口①的流量(例如范围大致在0.2升/分至1升/分之间)，同时设置相应的进气口②的流量，保持双云室云凝结核计数器的进气口①和进气口②的流量之和恒定(例如为1.0升/分)。

7)云凝结核计数器获得每秒云凝结核数浓度(若云凝结核计数器为单云室，则得到N

AR＝N

拟合流量与活化率的趋势线得到临界流量值(一般为活化率为0.5时对应的流量)，并通过科勒方程计算临界流量值对应的过饱和度。

8)关闭电迁移率筛分仪电压开关，数秒(例如1～2秒)后重新打开，产生一段颗粒物空白值以同步凝结核计数器和云凝结核计数器出数的时间。依次选择步骤2中的干粒径值(例如D

参考附图1，当标定过程实施完成后，能够实现多过饱和度条件下的云凝结核数浓度快速测量装置的实施步骤如下(如航测则步骤为1～3,；非航测则步骤为2～3)：

1)飞机飞到航测预定最高高度。打开控压机，设定控压机的压力值为标定过程中使用的压力值，且不随飞行高度变化，始终恒定。

2)根据云凝结核计数器的单、双云室按照图1A或图1B连接装置(如航测则必需安装控压机)。

3)通过电脑设定云凝结核计数器在不同的云室的流量下运行，最后根据标定的流量和过饱和度的对应关系，得到对应过饱和度下的云凝结核数浓度N

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。