雙池臭氧探空傳感器的製作方法
2023-06-12 04:33:01 4
專利名稱：雙池臭氧探空傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大氣臭氧含量測量裝置，尤其是一種雙池臭氧探空傳感器，具體地說是用於測量大氣中臭氧含量的垂直分布信息，屬於臭氧測量的技術領域。
背景技術：
大氣臭氧對氣候變化、大氣環境和生態平衡有重要影響，是當今大氣科學領域重要的研究內容之一。臭氧可以吸收太陽短波輻射和紅外輻射，是大氣能量收支中的一個重要物質成分。要認知臭氧總量減少的物理化學過程和對流層臭氧變化的原因，需要準確掌握大氣臭氧的長期變化趨勢和短期變化特徵。臭氧直接關係到平流層大氣的溫度結構和動力過程，對溫室效應的貢獻與其在大氣中的垂直分布結構直接相關。此外，臭氧會對天氣和氣候變化產生不可忽略的輻射強迫作用，甚至會影響全球氣候。因此，需要觀測獲取高精度數據作為基礎，用以研究對流層和平流層區域內臭氧的分布和長期變化趨勢，並對平流層損耗做出準確判斷。
臭氧探空能夠提供35km以下高度範圍內的臭氧垂直分布信息，是一種非常有效的臭氧探測手段，同時其觀測數據也是驗證衛星遙感觀測資料的獨立信息。常見的臭氧探空儀基於電化學原理設計。其基本工作原理是:將含有臭氧的空氣抽入中性碘化鉀溶液中，發生化學反應生成單質碘，通過測量所產生的自由碘的速率可以確定臭氧濃度。中國臭氧探空儀的研製起步較晚，中國科學院大氣物理研究所從1987年開始研製大氣臭氧探空儀，並於1989年首次成功研製了含有一個化學反應池的單池型臭氧探空儀。但其測量精度偏低、抗幹擾能力偏弱、施放準備過程過於繁瑣。發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種雙池臭氧探空傳感器，其結構簡單緊湊，測量精度高，抗幹擾能力強，適應範圍廣，安全可靠。
按照本發明提供的技術方案，所述雙池臭氧探空傳感器，包括探測反應池；所述探測反應池包括陰極反應池及陽極反應池，所述陰極反應池包括陰極反應池殼體，陽極反應池包括陽極反應池殼體；陰極反應池殼體內裝有第一 KI溶液，陽極反應池殼體內裝有第二KI溶液；陰極反應池殼體與陽極反應池殼體間設有用於正負離子遷移通道的離子橋，所述離子橋的兩端穿過陰極反應池殼體、陽極反應池殼體後分別與第一 KI溶液及第二 KI溶液接觸；陰極反應池殼體的上端部設有第一上端蓋，所述第一上端蓋上設有用於將陰極反應池內氣體排出的第一出氣管及用於向陰極反應池內輸送氣體的進氣管，所述進氣管的一端穿過所述第一上端蓋後伸入第一 KI溶液內，進氣管的另一端與用於抽取探測空氣的氣泵的出氣口連通；陽極反應池殼體的上端部設有第二上端蓋，所述第二上端蓋上設有用於將陽極反應池內氣體排出的第二出氣管。
所述陰極反應池內設有第一反應催化劑，陽極反應池內設有第二反應催化劑；所述第一反應催化劑位於陰極反應池殼體內，並浸沒在第一 KI溶液內；第二反應催化劑位於陽極反應池殼體內，並浸沒在第二 KI溶液內。
所述第一 KI溶液的溶液濃度與第二 KI溶液的溶液濃度不同。所述第一反應催化劑及第二反應催化劑均為鉬網。
所述探測反應池上設有安裝支撐板，所述氣泵位於安裝支撐板上，且位於所述探測反應池的上方。所述探測反應池上設有屏蔽盒。
所述氣泵包括泵體，所述泵體安裝於所述安裝支撐板上，泵體上設有進氣口與出氣口，泵體上設有密封連通體，所述密封連通體通過轉動軸與泵體鉸接；密封連通體上設有連通孔，安裝支撐板上設有連通驅動機構，所述連通驅動機構與密封連通體連接，連通驅動機構能驅動密封連通體在泵體上轉動，密封連通體在泵體上轉動後，泵體上的進氣口與出氣口能通過連通孔連通。
所述連通驅動機構包括驅動電機，所述驅動電機位於安裝支撐板上，驅動電機的輸出軸上設有偏心輪，所述偏心輪上設有偏心驅動軸，所述偏心驅動軸的一端與偏心輪連接，偏心驅動軸的另一端與柱塞的一端連接，柱塞的另一端伸入密封連通體內的腔體內，柱塞能在腔體內往復運動，以驅動密封連通體在泵體上的轉動。
所述離子橋包括橋殼體及位於所述橋殼體內的高分子滌棉超細纖維。所述離子橋殼體採用聚四氟乙烯製成。
本發明的優點:探測反應池包括陰極反應池及陽極反應池，陰極反應池內設置第一 KI溶液，陽極反應池設置第二 KI溶液，陰極反應池與陽極反應池之間通過離子橋連接，形成化學原電池；氣泵將外部空氣抽入陰極反應池內，臭氧與KI溶液發生化學反應，從而產生電子的遷移，在外接電路中通過測量電荷遷移產生的電流值，進而得到相應的臭氧分壓值；氣泵採用泵體與密封連通體的配合結構，使得氣泵工作時的氣密性較好，以保證在低壓環境中的抽氣效率；結構簡單緊湊，測量精度高，抗幹擾能力強，適應範圍廣，安全可靠。
圖1為圖2的右視圖。
圖2為本發明的結構示意圖。
圖3為圖2的左視圖。
圖4為本發明探測反應池的結構示意圖。
圖5為本發明離子橋的結構示意圖。
附圖標記說明:1-探測反應池、2-安裝支撐板、3-進氣口、4-出氣口、5-泵體、6-轉動軸、7-密封連通體、8-連通孔、9-腔體、10-柱塞、11-偏心驅動軸、12-偏心輪、13-驅動電機、14-屏蔽盒、15-陰極反應池、16-陽極反應池、17-陰極反應池殼體、18-陽極反應池殼體、19-第一 KI溶液、20-第一反應催化劑、21-第一下底塞、22-離子橋、23-第二下底塞、24-第二反應催化劑、25-第二 KI溶液、26-第一上端蓋、27-第一出氣管、28-進氣管、29-第二出氣管、30-第二上端蓋、31-橋殼體及32-高分子滌棉超細纖維。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1、圖2、圖3和圖4所示:為了能夠精確測量大氣中臭氧含量的垂直分布信息，本發明包括探測反應池I ;所述探測反應池I包括陰極反應池15及陽極反應池16,所述陰極反應池15包括陰極反應池殼體17,陽極反應池16包括陽極反應池殼體18 ;陰極反應池殼體17內裝有第一 KI溶液19，陽極反應池殼體18內裝有第二 KI溶液25 ;陰極反應池殼體17與陽極反應池殼體18間設有用於正負離子遷移通道的離子橋22，所述離子橋22的兩端穿過陰極反應池殼體17、陽極反應池殼體18後分別與第一 KI溶液19及第二 KI溶液25接觸；陰極反應池殼體17的上端部設有第一上端蓋26，所述第一上端蓋26上設有用於將陰極反應池15內氣體排出的第一出氣管27及用於向陰極反應池15內輸送氣體的進氣管28，所述進氣管28的一端穿過所述第一上端蓋26後伸入第一 KI溶液19內，進氣管28的另一端與用於抽取探測空氣的氣泵的出氣口 4連通；陽極反應池殼體18的上端部設有第二上端蓋30，所述第二上端蓋30上設有用於將陽極反應池16內氣體排出的第二出氣管29。
具體地，所述陰極反應池15內設有第一反應催化劑20，陽極反應池16內設有第二反應催化劑24 ;所述第一反應催化劑20位於陰極反應池殼體17內，並浸沒在第一 KI溶液19內；第二反應催化劑24位於陽極反應池殼體18內，並浸沒在第二 KI溶液25內。本發明實施例中，所述第一反應催化劑20及第二反應催化劑24均為鉬網，通過金屬鉬網的催化作用，能夠提高電化學反應的速率，加快臭氧探空儀內部發生化學反應的響應時間。
本發明實施例中，陰極反應池殼體17的底部設有第一下底塞21，陽極反應池殼體18的底部設有第二下底塞23，所述第一下底塞21為陰極反應池15的底部，第二下底塞23為陽極反應池16的底部；第一下底塞21與第一上端蓋26配合，形成陰極反應池15的容器結構；第二下底塞23與第二上端蓋30配合，形成陽極反應池16的容器結構。
所述第一 KI溶液19的溶液濃度與第二 KI溶液25的溶液濃度不同。本發明實施例中，第一 KI溶液19為不飽和溶液，具體地，第一 KI溶液19的濃度為0.6mol/L，第二 KI溶液25為常溫常壓下的過飽和溶液，溶液達到飽和之後，還會繼續在溶液裡面放置過量的溶質，從而保證在高溫的環境中也能達到飽和，從而使得陰極反應池15與陽極反應池16之間形成一個化學原電池。
所述探測反應池I上設有安裝支撐板2，所述氣泵位於安裝支撐板2上，且位於所述探測反應池I的上方。所述探測反應池I上設有屏蔽盒14 ;通過屏蔽盒14避免對探測反應池15內正負離子遷移的影響，確保對應電流值的測量精度，提高探測的精度。
所述氣泵包括泵體5，所述泵體5安裝於所述安裝支撐板2上，泵體5上設有進氣口 3與出氣口 4，泵體5上設有密封連通體7，所述密封連通體7通過轉動軸6與泵體5鉸接；密封連通體7上設有連通孔8，安裝支撐板2上設有連通驅動機構，所述連通驅動機構與密封連通體7連接，連通驅動機構能驅動密封連通體7在泵體5上轉動，密封連通體7在泵體5上轉動後，泵體5上的進氣口 3與出氣口 4能通過連通孔8連通。當進氣口 3與出氣口 4通過連通孔8連通後，氣泵能將外部的空氣通過進氣管28輸送進入陰極反應池15內，臭氧與陰極反應池15內的第一 KI溶液19在第一反應催化劑20作用下進行化學反應，進而能夠對臭氧的含量進行測定。本發明實施例中，泵體5上的進氣口 3與出氣口 4之間通過連通孔8連接，能夠確保氣泵的氣密性，在探測高度處氣壓較小時，由於氣泵的洩漏、反應池內部其他對氣泵的反向壓力等原因，會使得氣泵的效率減小，本發明的氣泵氣密性設計則可以避免該現象的發生。
所述連通驅動機構包括驅動電機13，所述驅動電機13位於安裝支撐板2上，驅動電機13的輸出軸上設有偏心輪12，所述偏心輪12上設有偏心驅動軸11，所述偏心驅動軸11的一端與偏心輪12連接，偏心驅動軸11的另一端與柱塞10的一端連接，柱塞10的另一端伸入密封連通體7內的腔體9內，柱塞10能在腔體9內往復運動，以驅動密封連通體7在泵體5上的轉動。
驅動電機13工作後帶動偏心輪12順時針轉動，偏心輪12通過偏心驅動軸11帶動柱塞10在腔體9內做往復運動，偏心輪12由位置a處轉動到b處時，密封連通體7內的連通孔8及腔體9逐漸與進氣口 3相通，同時拉伸活塞將氣體從進氣口 3抽至腔體9內；偏心輪12由位置b轉動到位置a處時，密封連通體7內的連通孔8及腔體9逐漸與出氣口 4相通，通過進氣管28將氣體送入陰極反應池15內。隨著驅動電機13的不斷運行，重複上述運動。在腔體9及連通孔8與進氣口 3相通時，腔體9及連通孔8與出氣口 4不相通；同理，在腔體9及連通孔8與出氣口 4相通時，腔體9及連通孔8與進氣口 3不相通。本發明實施例中，空氣的抽取是通過氣泵的泵體5接入外部電源實現工作實現。要獲得抽入IOOml氣體所需的時間，可以在氣泵上設置流量測量及計時設備來實現。
如圖5所示:所述離子橋22包括橋殼體31及位於所述橋殼體31內的高分子滌棉超細纖維32。所述離子橋殼體31採用聚四氟乙烯製成。離子橋22能夠使得陰極反應池15與陽極反應池16的正負電荷平衡，避免導致反應速度的降低。離子橋22的結構能夠避免陰極反應池15內的第一 KI溶液19與陽極反應池16內第二 KI溶液25的混合，同時，也能保證正負電荷的遷移過程。
如圖1 圖5所示:檢測時，通過氣泵在陰極反應池15中抽入含有臭氧的空氣，臭氧在陰極反應池15底部的金屬鉬網處發生如下兩個化學反應:
2KI+03+H20 — I2+02+2K0H (I)
I2+2e—Pt — 21(2)
在陽極反應池16底部的金屬鉬網處發生化學反應:
21 ~2e—Pt I2 (3)
由涉及電子流動的反應式(2)、(3)得到的總的化學反應式為:
31 (ax) +I2 (a3) — I3 (a2) +21 (a4) (4)
其中，ai，a2分別為陽極反應池16的反應物和生成物；a3，a4分別為陰極反應池15的反應物和生成物。
在反應式(2)中，一個O3產生兩個電子(e)的轉移，假設參與反應的臭氧分子數為N，產生的總電荷為:
Q=N*2e (5)
由理想氣體狀態方程:
P*V=N*K*T (6)
其中，P為臭氧分壓，V是氣體體積，K是玻爾茲曼常量，T是氣體絕對溫度，
可得:
P*V=(Q/2e)*K*T, (7)
由Q=i*t，其中，i為電流大小，t為時間， (8)
可得:
P=i*K*T/(2e)*(t/V)， (9)
由le=l.60217733X 10~ (-19)庫倫，K=L 3806503*10~ (-23)
可得:
ρ=4.307*l(T4*i*T*(t/V) (10)
其中，P為臭氧分壓，單位mPa ；i是電流大小，單位μ A ;T是氣體絕對溫度(本發明實施例中，也即為氣泵的溫度)，單位K ;t/V是氣泵抽入反應池IOOml氣體所需時間，單位為秒；氣泵抽入反應池IOOml氣體所需的時間可以預先測量得到，氣泵的溫度也可以測量得至IJ，因此可以計算得到臭氧分壓P。臭氧分壓P的值即為本發明檢測得到臭氧含量的測量結果，電流i的大小可以通過測量由於發生化學反應而產生的電荷量得到，對應的電流值可以採用常規的技術手段。
在上述電化學反應(2)和(3)中，反應式(2)使得陰極反應池15中Γ過量,負電荷過剩；反應(3)使得陽極反應池16中K+過量,正電荷過剩。正負電荷不平衡會導致反應速度逐漸減慢，最後直至停止。為了保證電化學反應持續進行，必須使兩個反應池中的溶液達到正負電荷平衡。
本發明實施例中，在陰極反應池15與陽極反應池16的下部設置離子橋22，作為正負離子的遷移通道。陰極反應 池15內的第一 KI溶液19和陽極反應池16內第二 KI溶液具有不同濃度，使得臭氧探空儀獲得電磁驅動力，用以保證兩個反應池內的正負離子在離子橋22中順利遷移，正負電荷得以中和，使得反應持續進行。此外，離子橋22還起到防止兩個反應池內具有不同濃度的電解質混合的作用。臭氧探空儀正常工作時需要充分浸泡離子橋22，同時需要防止兩個反應池內的電解質混合。本發明實施例中，離子橋22由高分子超細滌錦纖維製成，利用高分子超細滌棉纖維的性質能夠滿足離子橋22的使用要求，為常規的技術手段。
化學反應式(2)和(3)會產生自由電子轉移，電子轉移量與參加反應的臭氧含量成正比。在外部電路中測量傳導電流大小可以計算出抽入反應池空氣中的臭氧含量。
本發明探測反應池I包括陰極反應池15及陽極反應池16,陰極反應池15內設置第一 KI溶液19，陽極反應池16設置第二 KI溶液25，陰極反應池15與陽極反應池16之間通過離子橋22連接，形成化學原電池；氣泵將外部空氣抽入陰極反應池15內，臭氧與KI溶液發生化學反應，從而產生電子的遷移，在外接電路中通過測量電荷遷移產生的電流值，進而得到相應的臭氧分壓值；氣泵採用泵體5與密封連通體7的配合結構，使得氣泵工作時的氣密性較好，以保證在低壓環境中的抽氣效率；結構簡單緊湊，測量精度高，抗幹擾能力強，適應範圍廣，安全可靠。
權利要求
1.一種雙池臭氧探空傳感器，包括探測反應池(I);其特徵是:所述探測反應池(I)包括陰極反應池(15)及陽極反應池(16)，所述陰極反應池(15)包括陰極反應池殼體(17)，陽極反應池(16)包括陽極反應池殼體(18);陰極反應池殼體(17)內裝有第一 KI溶液(19)，陽極反應池殼體(18)內裝有第二 KI溶液(25);陰極反應池殼體(17)與陽極反應池殼體(18)間設有用於正負離子遷移通道的離子橋(22)，所述離子橋(22)的兩端穿過陰極反應池殼體(17)、陽極反應池殼體(18)後分別與第一 KI溶液(19)及第二 KI溶液(25)接觸；陰極反應池殼體(17)的上端部設有第一上端蓋(26)，所述第一上端蓋(26)上設有用於將陰極反應池(15)內氣體排出的第一出氣管(27)及用於向陰極反應池(15)內輸送氣體的進氣管(28)，所述進氣管(28)的一端穿過所述第一上端蓋(26)後伸入第一 KI溶液(19)內，進氣管(28)的另一端與用於抽取探測空氣的氣泵的出氣口(4)連通；陽極反應池殼體(18)的上端部設有第二上端蓋(30)，所述第二上端蓋(30)上設有用於將陽極反應池(16)內氣體排出的第二出氣管(29)。
2.根據權利要求1所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述陰極反應池(15)內設有第一反應催化劑(20)，陽極反應池(16)內設有第二反應催化劑(24);所述第一反應催化劑(20)位於陰極反應池殼體(17)內，並浸沒在第一 KI溶液(19)內；第二反應催化劑(24)位於陽極反應池殼體(18)內，並浸沒在第二 KI溶液(25)內。
3.根據權利要求1所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述第一KI溶液(19)的溶液濃度與第二 KI溶液(25)的溶液濃度不同。
4.根據權利要求2所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述第一反應催化劑(20)及第二反應催化劑(24)均為鉬網。
5.根據權利要求1所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述探測反應池(I)上設有安裝支撐板(2 )，所述氣泵位於安裝支撐板(2 )上，且位於所述探測反應池(I)的上方。
6.根據權利要求5所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述探測反應池(I)上設有屏蔽盒(14)。
7.根據權利要求5所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述氣泵包括泵體(5)，所述泵體(5)安裝於所述安裝支撐板(2)上，泵體(5)上設有進氣口(3)與出氣口(4)，泵體(5 )上設有密封連通體(7 )，所述密封連通體(7 )通過轉動軸(6 )與泵體(5 )鉸接；密封連通體(7)上設有連通孔 (8)，安裝支撐板(2)上設有連通驅動機構，所述連通驅動機構與密封連通體(7)連接，連通驅動機構能驅動密封連通體(7)在泵體(5)上轉動，密封連通體(7)在泵體(5)上轉動後，泵體(5)上的進氣口(3)與出氣口(4)能通過連通孔(8)連通。
8.根據權利要求5所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述連通驅動機構包括驅動電機(13)，所述驅動電機(13)位於安裝支撐板(2)上，驅動電機(13)的輸出軸上設有偏心輪(12)，所述偏心輪(12)上設有偏心驅動軸(11 )，所述偏心驅動軸(11)的一端與偏心輪(12)連接，偏心驅動軸(11)的另一端與柱塞(10)的一端連接，柱塞(10)的另一端伸入密封連通體(7)內的腔體(9)內，柱塞(10)能在腔體(9)內往復運動，以驅動密封連通體(7)在泵體(5)上的轉動。
9.根據權利要求1所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述離子橋(22)包括橋殼體(31)及位於所述橋殼體(31)內的高分子滌棉超細纖維(32)。
10.根據權利要求9所述的雙池臭氧探空傳感器，其特徵是:所述離子橋殼體(31)採用聚四氟乙烯製成。·
全文摘要
本發明涉及一種雙池臭氧探空傳感器，其包括探測反應池；探測反應池包括陰極反應池及陽極反應池，陰極反應池包括陰極反應池殼體，陽極反應池包括陽極反應池殼體；陰極反應池殼體內裝有第一KI溶液，陽極反應池殼體內裝有第二KI溶液；陰極反應池殼體與陽極反應池殼體間設有離子橋，陰極反應池殼體的上端部設有第一上端蓋，第一上端蓋上設有第一出氣管及進氣管，進氣管的一端穿過所述第一上端蓋後伸入第一KI溶液內，進氣管的另一端與用於抽取探測空氣的氣泵的出氣口連通；陽極反應池殼體的上端部設有第二上端蓋，第二上端蓋上設有第二出氣管。本發明結構簡單緊湊，測量精度高，抗幹擾能力強，適應範圍廣，安全可靠。
文檔編號G01N27/416GK103196978SQ20131013619
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者宣越健, 張金強, 徐群, 龐黎, 劉明遠, 萬曉偉, 朱慶春 申請人:中國科學院大氣物理研究所, 江蘇省無線電科學研究所有限公司